UniCOM - управление устройствами через COM-порт компьютера. Управление нагрузкой через USB интерфейс

Устройство компьютерного управления
различными приборами, схема которого показана на рис. 1, функцио­нально подобно
описанному в , но подключается к USB-порту компьюте­ра, который (в отличие
от СОМ-порта) сегодня есть в каждом из них. Единственная мик­росхема устройства
- распространенный мик­роконтроллер ATmega8. Он необходим для орга­низации
связи по шине USB. Хотя в нем и отсут­ствует специализирован­ный аппаратный
модуль, эта функция выполняется программно. Резистор R1, подклю­ченный между
положи­тельным выводом источ­ника питания и линией D-шины USB, переводит ее в низкоскоростной
режим LS со скоростью обмена 1,5 Мбит/с, что и позво­ляет расшифровывать по­сылки
компьютера про­граммным способом. Ре­зисторы R4 и R5 устра­няют переходные
процес­сы, возникающие при об­мене информацией, что увеличивает стабильность работы.
Конденсатор С1 блокирует импульсные по­мехи в цепи питания, что также улучшает
стабиль­ность работы устройства. Диоды VD1 и VD2 служат для понижения напряже­ния
питания микроконт­роллера приблизительно до 3,6 В - это требуется для
согласования уровней с шиной USB. Сигналы управления приборами формируются на
выходах РВ0-РВ5 и РС0, РС1 микроконтроллера. Высокий логический уровень -
напряжение око­ло 3,4 В. Напряжение низкого уровня близко к нулю. К выходам
можно под­ключать приборы, потребляющие ток не более 10 мА (от каждого выхода).
Если требуются большие значения тока или напряжения, то следует использовать узлы
согласования, показанные в на рис. 5 и 6.

Устройство собрано на макетной плате,
печатная не разрабатывалась. Применены резисторы МЛТ, конденса­торы С2 и С3 -
керамические высоко­частотные, С1 - К50-35 или аналогич­ный импортный. Диоды
кремниевые с падением напряжения на переходе около 0,7 В. Программа для микро­контроллера
разработана в среде Bascom-AVR версии 1.12.0.0. Для работы с шиной USB
использована библиотека swusb.LBX, которая выполняет программное декодирование сигналов
USB в режиме реаль­ного времени. Полученный в результате компиляции код программы
из файла с расши­рением HEX следует загрузить во FLASH-память микроконт­роллера.
Для этого был ис­пользован программатор совместно со встроенной в Bascom-AVR
утилитой. Состоя­ние разрядов конфигурации микроконтроллера должно со­ответствовать
показанному на рис. 2. При первом подключении устройства к компьютеру опе­рационная
система обнаружит новое USB HID совместимое устройство с именем
“uniUSB” и установит необходимые драйверы. Через несколько се­кунд
устройство настроено и готово к использованию.

Для работы с ним была создана программа
UniUSB. Она пред­ставлена в двух вариантах: для 32-разрядных (х86) и 64-раз­рядных
(х64) операционных систем семейства Windows. Работа 32-разрядной версии проверена
в операционных системах Windows 98, Windows ХР, Windows 7, а 64-разрядной -
только в Windows ХР х64. Программа UniUSB написана на языке PureBasic (версия
4.31) с исполь­зованием библиотеки пользовательс­ких функций HID_lib,
поддерживающей работу с USB HID устройствами. Внеш­ний вид окна программы
показан на рис. 3. В одной папке с ее исполняемым файлом должен находиться
файл, называющийся UniUSB_Код.txt или UniCOM_Код.txt. Последний вариант необходим
для совместимости с про­граммой UniCOM, предложенной в . В этом файле
хранится сценарий управ­ления внешними приборами. При запуске программы данные
из файла загружаются в таблицу, расположенную в главном окне, а при завершении
рабо­ты сохраняются в файле. Щелчок левой кнопкой мыши по ячейкам таблицы поз­воляет
изменять их состояние: 1 - высокий логический уровень, 0 или пусто - низкий
логический уровень. Для добавления или удаления столбца таблицы нужно по ней
щелкнуть правой кнопкой мыши и в появившемся меню выбрать требуемое действие.

При подключении устройства к USB-порту
программа обнаружит его и активирует кнопку, расположенную в верхней части
окна на панели инстру­ментов. Нажатием на эту кнопку запус­кают процесс
перебора столбцов таб­лицы и установки указанных в них со­стояний выходов. Для
большей нагляд­ности слева от таблицы подсвечивают­ся номера выходов, на
которых в дан­ный момент установлен высокий логи­ческий уровень. Скорость
перебора (время в миллисекундах между перехо­дами от столбца к столбцу) задают
в поле “Скорость, мс”.

Учтите, операционная система Windows
- многозадачная! Это означает, что процессорное время делится между множеством
иногда скрытых от пользователя процессов, которые вы­полняются по очереди с
учетом уста­новленных в системе приоритетов. По­этому не стоит ожидать большой
точно­сти выдерживания интервалов времени менее 100 мс. Для кратковременной
остановки пе­ребора столбцов используйте кнопку Повторное нажатие на нее
продолжит перебор с места остановки. Кнопка полностью прекращает перебор столб­цов
таблицы. Если в процессе обмена информацией между компьютером и устройством
произойдет сбой либо уст­ройство будет отключено от разъема USB компьютера,
программа сообщит об ошибке, выведя в строке состояния соответствующее
сообщение.

ЛИТЕРАТУРА

1. Носов Т. Управление приборами
через СОМ-порт компьютера. - Радио, 2007, № 11,0.61,62.

2. Рыжков А. US-программатор
микро­контроллеров AVR и AT89S, совместимый с AVR910. - Радио, 2008, № 7, с.
28, 29.

От редакции . Программы для микро­контроллера и компьютера находятся
на нашем FTP-сервере по адресу ftp:// ftp.radio.ru/pub/2011/02/uniUSB.zip

Для управления нагрузкой в схемах с постоянным напряжением, например 24В, можно использовать любые мощные составные транзисторы - в нашем случае КТ829.

Для коммутации переменного тока 220В проще всего использовать так называемый полупроводниковый ключ переменного тока, который имеет на входе оптодрайвер с детектором нуля фазы, что обеспечивает гальваническую развязку.

Для увеличения коммутируемого тока симистор устанавливается на радиатор. Обратите внимание - в высоковольтной части использованы сопротивления мощностью 0,5 Вт.

Не забывайте о технике безопасности - во время работы коммутатора не касайтесь оголенных элементов, а при перепайке деталей и проводов отключите коммутатор от сети.

Плата выполнена из одностороннего фольгированного текстолита. Размер платы 30х25мм. На плате под корпусом микросхемы впаяна перемычка. В целях защиты от перегрева микросхемы во время пайки использована 16-контактная панель под микросхему.

Для управления выходами (светодиодами), устройство достаточно соединить с ПК 4х проводным шнуром. Шнур распаивается на стандартный разъем к COM-порту - розетку DB9.

Сигнал +5В для общего провода цифровых входов берётся из схемы устройства. Сопротивления в линиях цифровых входов можно распаять в корпусе розетки DB9.

К цифровым входам можно подключить кнопки, тумблера, микропереключатели.

Справочная информация

Основой устройства является доступная микросхема 74hc595, представляющая собой последовательный регистр сдвига с выходной блокировкой. Для управления этой микросхемой достаточно трёх сигнальных линий. В нашем случае сигналы инициируются в программе управления UniCOM и выдаются через интерфейс RS-232 (COM-порт). В качестве сигнальных линий в этом интерфейсе использованы линии 9-контактного разъема: RTS - 7 контакт, DTR - 4 контакт и TxD - 3 контакт.

Принцип работы микросхемы 74hc595 заключается в последовательной записи логических сигналов высокого и низкого уровней, подаваемых на вход DS (14 ножка). Запись осуществляется задним фронтом (переход из лог. 1 в лог. 0) на входе SH_CP (11 ножка). Вывод записанных данных происходит также задним фронтом, но на входе ST_CP (12 ножка). Таким образом, на ножках 1-7 и 15 появляются уровни последних восьми записанных сигналов.

Высокому уровню сигнала на выходах (ножки 1-7 и 15) соответствует напряжение питания микросхемы - в нашем случае +5 Вольт, а низкому уровню соответствует 0 Вольт. Сигналы на выходах являются статическими, т.е. неизменными до тех пор, пока не придёт очередной импульс на вход ST_CP (12 ножка). Необходимо отметить, что снижение напряжения питания ниже минимального уровня ведет к сбросу сигналов на выходах. Согласно документации на микросхему, минимальное напряжение питания составляет 2 вольта.

Сопряжение интерфейса RS-232 с микросхемой 74hc595 сделано посредством стабилитронов на 5,1В. Согласно спецификации на RS-232 высокий уровень сигнала лежит в диапазоне от +3 до +25В, что позволяет нам организовать обратную связь с программой управления UniCOM.

Автор разработал программу и устройство для управления различными электро и радиоприборами с помощью компьютера. Устройство подключают к одному из СОМ-портов, а управлять приборами можно как с помощью экранных клавиш, так и внешних датчиков.

Схема устройства показана на рис.1. Его основа - микросхема 74HC595, представляющая собой 8-разрядный сдвиговый регистр с последовательным вводом и последовательным и параллельным выводами информации. Параллельный вывод осуществляется через буферный регистр с выходами, которые имеют три состояния. Информационный сигнал подают на вход SER (вывод 14), сигнал записи - на вход SCK (вывод 11), а сигнал вывода - на вход RSK (вывод 12). На микросхеме DA1 собран стабилизатор напряжения 5 В для питания регистра DD1.

Рисунок 1. Схема устройства

Устройство подключают к одному из СОМ-портов компьютера. Информационные сигналы поступают на контакт 7 розетки XS1, сигналы завиписи информации - на контакт 4, а сигналы вывода информации - на контакт 3. Сигналы СОМ-порта согнласно стандарту RS-232 имеют уровни около -12 В (лог.1) и около +12 В (лог.0). Сопряжение этих уровней с входными уровнями регистра DD1 выполнено с помощью резисторов R2, R3, R5 и стабилитронов VD1-VD3 с напряжением стабилизации 5,1 В.

Сигналы управления внешними приборами формируются на выходах Q0-Q7 регистра DD1. Высокий уровень равен напряжению питания микросхемы (около 5 В), низкий - менее 0,4 В. Эти сигналы являются статическими и обновляются на момент поступления высокого уровня на вход RSK (вывод 12) регистра DD1. Светодиоды HL1-HL8 предназначены для наблюдения за работой устройства.

Управление устройством осуществляется с помощью разработанной автором программы UmiCOM. Внешний вид главного окна программы показан на рис.2.

Рисунок 2. Внешний вид программы UniCOM

Псоле ее запуска следует выбрать свбодный СОМ-порт и скорость переключения выходов. В строки таблицы вводят состояние каждого из выходов устройства (высокий уроень - 1, низкий - 0 или пусто). Программа "перебирая" в рабочем цикле столбцы таблицы, устанавливает на выходах устройства соответствующие логические уровни. Занесенная в таблицу информация автоматически сохраняется при завершении работы программы и загружается вновь при ее следующем запуске. Для наглядности, в левой части окна программы подсвечены номера выходов, на которых установлен высокий уровень.

Управление приборами можно осуществлять и с помощью внешних контактных датчиков, которые подключают к входам 1-3 и линии +5 В. Они должны работать на замыкание или размыкание контактов. Пример схемы подключения датчиков показан на рис.3.

Рисунок 3. Подключение контактных датчиков

При нажатии на экранную клавишу "Настройка входов" открывается окно "Согласование входов и выходов" (рис.4. ), где выбирают входы, которые будут изменять состояние выходов. Имитировать работу входов можно нажимая на экранные клавиши "1", "2", "3" основного окна программы. В тех случаях, когда приборами нельзя управлять с помощью логических уровней, следует применить реле, схема подключения которого показана на рис.5 , или транзисторную оптопару (рис.6. ).

Рисунок 4. Согласование входов и выходов

Рисунок 5. Схема подключения реле

Рисунок 6. Схема подключения транзисторной оптопары

Большинство деталей монтируют на печатной плате из односторонего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1...1,5 мм, чертеж которой показан на рис.7. Резисторы R1-R6 монтируют на выводах розетки XS1.

Рисунок 7. Чертеж печатной платы

В устройстве применены резисторы С2-23. МЛТ, оксидные конденсаторы - К50-35 или импортные, розетка XS1 - DB9F. Помимо указанных на схеме стабилитронов, можно применить BZX55C5V1 или отечественные КС174А, светодиоды - любые. Питают устройство от стабилизированного или нестабилизированного источника питания нпаряжением 12 В и током до 100 мА.

Управление устройствами через USB-порт компьютера.

П. ВЫСОЧАНСКИЙ, г. Рыбница, Приднестровье, Молдавия
Устройство компьютерного управления различными приборами, схема которого показана на рис. 1, функционально подобно описанному в , но подключается к USB-порту компьютера, который (в отличие от СОМ-порта) сегодня есть в каждом из них. Единственная микросхема устройства - распространенный микроконтроллер ATmega8. Он необходим для организации связи по шине USB. Хотя в нем и отсутствует специализированный аппаратный модуль, эта функция выполняется программно.

Резистор R1, подключенный между положительным выводом источника питания и линией D-шины USB, переводит ее в низкоскоростной режим LS со скоростью обмена 1,5 Мбит/с, что и позволяет расшифровывать посыпки компьютера программным способом. Резисторы R4 и В5 устраняют переходные процессы, возникающие при обмене информацией, что увеличивает стабильность работы. Конденсатор С1 блокирует импульсные помехи в цепи питания, что также улучшает стабильность работы устройства. Диоды VD1 и VD2 служат для понижения напряжения питания микроконтроллера приблизительно до 3,6 В - это требуетсядля согласования уровнен с шиной USB.
Сигналы управления приборами формируются на выходах РВ0-РВ5 и РСО, РС1 микроконтроллера. Высокий логический уровень - напряжение около 3,4 В.
Напряжение низкого уровня близко к нулю. К выходам можно подключать приборы, потребляющие ток не более 10 мА (от каждого выхода). Если требуются большие значения тока или напряжения, то следует использовать узлы согласования, показанные в на рис. 5 и 6. Устройство собрано на макетной плате, печатная не разрабатывалась Применены резисторы МЛТ, конденсаторы С2 и СЗ - керамические высокочастотные, С1 - К50-35 или аналогичный импортный. Диоды кремниевые с падением напряжения на переходе около 0,7 В. Программа для микроконтроллера разработана в среде Bascom-AVR версии 1.12.0.0. Для работы с шиной USB использована библиотека swusb.LBX, которая выполняет программное декодирование сигналов USB в режиме реального времени. Полученный в результате компиляции код программы из файла с расширением HEX следует загрузить во FLASH-память микроконтроллера. Для этого был использован программатор совместно со встроенной в Bascom-AVR утилитой. Состояние разрядов конфигурации микроконтроллера должно соответствовать показанному на рис.2


При первом подключении устройства к компьютеру операционная система обнаружит новое USB HID совместимое устройство с именем "uniUSB" и установит необходимые драйверы. Через несколько секунд устройство настроено и готово к использованию. Для работы с ним была создана программа UniUSB. Она представлена в двух вариантах: для 32-разрядных (х86) и 64-разрядных (х64) операционных систем семейства Windows. Работа 32-разрядной версии проверена в операционных: Windows 98, Windows XP, Windows 7, а 64-разрядной - только в Windows XP х64. Программа UniUSB написана иа языке PureBasic (версия 4.31) с использованием библиотеки пользовательских функций HID Lib, поддерживающей работу с USB HID устройствами. Внешний вид окна программы показан на Рис.3


В одной папке с ее исполняемым файлом должен находиться файл, называющийся UniUSB_код.txt или UniCOM_код.txt. Последний вариант необходим для совместимости с программой UniCOM, предложенной в . В этом файле хранится сценарий управления внешними приборами. При запуске программы данные из файла загружаются в таблицу, расположенную в главном окне, а при завершении работы сохраняются в файле. Щелчок левой кнопкой мыши по ячейкам таблицы позволяет изменять их состояние: 1 - высокий логический уровень, 0 или пусто - низкий логический уровень. Для добавления или удаления столбца таблицы нужно по ней щелкнуть правой кнопкой мыши и в появившемся меню выбрать требуемое действие. При подключении устройства к USB-порту программа обнаружит его и активирует кнопку, расположенную в верхней части окна на панели инструментов. Нажатием на эту кнопку запускают процесс перебора столбцов таблицы и установки указанных в них состояний выходов. Для большей наглядности слева от таблицы подсвечиваются номера выходов, на которых в данный момент установлен высокий логический уровень. Скорость перебора (время в миллисекундах между переходами от столбца к столбцу) задают в поле "Скорость, мс". Учтите, операционная система Windows -- многозадачная! Это означает, что процессорное время делится между множеством иногда скрытых от пользователя процессов, которые выполняются по очереди с учетом установленных в системе приоритетов. По этому не стоит ожидать большой точности выдерживания интервалов времени менее 100 мс.
Для кратковременной остановки перебора столбцов используйте кнопку, Повторное нажатие на нее продолжит перебор с места остановки. Кнопка полностью прекращает перебор столбцов таблицы. Если в процессе обмена информацией между компьютером и устройством произойдет сбой либо устройство будет отключено от разъема USB компьютера, программа сообщит об ошибке, выведя в строке состояния соответствующее сообщение.

ЛИТЕРАТУРА

1. Носов Т. Управление приборами через СОМ-порт компьютера - Радио, 2007, № 11,с.61,62.
2. Рыжков A. US-программатор микроконтроллеров AVR и AT89S, совместимый с AVR910. - Радио, 2008, № 7, с. 28, 29.

По материалам журнала "Радио 2`2011"
Скачать прошивку микроконтроллера и программу для PC можно