1.引言

在電力生產和電氣測試工作中經常需要用便攜式PC機通過接口采集和處理數據。

常用的帶RS232串口的數據采集器，不允許帶電（熱）拔插，使用很不方便。而且現在大部分的PC機不帶RS232接口，尤其是便攜式機。取而代之的是USB接口。目前AVR單片機USB軟接口技術應用的很普遍，最旱是ATMEL公司在《AVR309 Software UniversalSerial Bus》一文中，詳細介紹了使用AVR單片機的普通IO口來實現USB接口功能；同時介紹了ATmega8程序（固件）的編程方法，并提供全部匯編程序源代碼。在源碼的基礎上，筆者通過參閱和分析不同作者各種版本的USB軟接口固件（原程序）進行優(yōu)化組合，更改和刪除一部份程序后，性能有很大的提高。CPU占用率比源碼程序低得多。AVR單片機ATmega8具備AVR高檔單片機性能和特點，而價格僅與低檔單片機相當。其內置多路A/D轉換器滿足模擬數據采集需要。

2.ATmega8單片機

ATmega8是ATMEL公司AVR系列單片機，采用低功耗CMOS工藝生產的基于AVR RISC結構的8位單片機，大多數指令執(zhí)行時間為單個周期。內有10位精度的逐次逼近型ADC.

ADC與一個8通道的模擬多路復用器連接，能對來自端口C的8路單端輸入電壓進行采樣。

單端電壓輸入以0V（GND）為基準。ADC包括一個采樣保持電路，以確保在轉換過程中輸入到ADC的電壓保持恒定。ADC由AVCC引腳單獨提供電源。AVCC與VCC之間的偏差不能超過±0.3V.器件之內有標稱值為2.56V和AVCC基準電壓。基準電壓可以通過在AREF引腳上加一個電容進行解耦，以更好地抑制噪聲。

AVR單片機的系統(tǒng)內可編程特性，無需購買昂貴的仿真器和編程器也可進行單片機嵌入式系統(tǒng)的設計和開發(fā)；同時也為單片機的初學者提供了非常方便和簡捷的學習開發(fā)環(huán)境。而且在省電性能、穩(wěn)定性、抗干擾性以及靈活性方面考慮得更加周全和完善。

ATmega8單片機與其它單片機比較而言，簡便易用、費用低，相對進入AVR系列單片機開發(fā)的門檻也低，軟件資源豐富，程序容易開發(fā)。由于Atmega8單片機是常用芯片，本文對其特性、內部結構、引腳說明等不做介紹。

3.硬件電路

基于ATmega8的USB軟接口數據采集硬件電路非常簡單。以ATmega8單片機為核心，加上少量的外部元件構成（如圖1所示）。

圖1中USB數據線D-上的上拉電阻R3用于主機識別低速USB設備（USB規(guī)范中定義）。

12MHz晶體和兩個20p的電容組成單片機運行所必須的時鐘（USB一個數據位有8個時鐘周期）。

D+連接到PD2，同時也是INT0引腳。D-連接到PD3.電阻R1、R2起到限流和保護作用，防止在意外情況下損壞計算機的USB端口或單片機的端口。單片機所需的電源Vcc由USB口輸出5V電源直接供電。因為在USB規(guī)范中規(guī)定數據線D+和D-上的電平范圍是3.0V至3.6V，D1和D2是3.6V穩(wěn)壓二極管，用于限制數據線上的電平。圖中LED1和R4為電源指示電路。LEDa1-LEDa6、Ra1-Ra6為A/D轉換通道指示電路。L1、C3、C4按ATmega8產品說明手冊A/D轉換精度要求設置。Ri1-Ri6、Ci1-Ci6為模擬信號采樣輸入設置，其電路和參數根據不同輸入要求而改變。圖中J2是模擬信號采樣輸入端，可接入單端0-2.56V、0-5V輸入模擬信號。測量交流電參數需要對交流電信號處理后輸入；如要測量差動模擬信號需要改變輸入采樣電路。并將單片機ATmega8改用ATmega16，ATmega16的A/D轉換可單端輸入也可差分輸入；還有2路可選增益為10倍與200倍的差分輸入通道；就是多了幾個引腳，電路圖有所變化；單片機軟件可兼容和移植，并增加幾條有關A/D轉換差動輸入和數據處理的指令。如需要請參閱ATmega16產品說明手冊（ATMEL公司網站可下載）。

4.ATmega8單片機程序（固件）

本程序基于單片機ATmega8以純軟件完成USB協議接收、發(fā)送和解碼，以實現USB接口數據通信功能；通過指令操作單片機內置A/D轉換實現模擬量數據采集功能。USB協議定義低速USB設備通信速率是1.5M位/秒。

如單片機使用1 2 M H z的時鐘頻率，主頻是1.5MHz的8倍。也就是說，單片機每8個周期就要精確完成一個（對普通IO端口）數據位的采集或發(fā)送。

這種情況對單片機的時序要求嚴格，為此單片機的軟件核心部分代碼必須由匯編語言編寫。ATmega8芯片是ATMEL（愛特梅爾）公司的AVR系列單片機。ATMEL公司網站提供AVRStudio集成環(huán)境（IDE）開發(fā)軟件免費下載。

安裝后直接支持匯編語言。本固件程序以此開發(fā)軟件匯編編譯并燒寫（燒寫用USB-isp下載線）。

程序以模塊化結構編寫，為了各模塊相互運行協調和高效，USB接口做如下設置約定。

狀態(tài)代碼=1：表示收到控制端口SETUP令牌包（中斷內收到令牌包后設置）

狀態(tài)代碼=2：表示收到控制端口IN包（中斷內收到令牌包后設置）

狀態(tài)代碼=3：表示收到控制端口OUT包（中斷內收到令牌包后設置）

狀態(tài)代碼=5：表示收到數據端口OUT包（中斷內收到令牌包后設置）

狀態(tài)代碼=6：表示收更改地址（主循環(huán)內設置）

操作標志=2：表示收到控制端口SETUP包數據（中斷內收到數據包后設置）

操作標志=3：表示發(fā)送完控制端口IN數據包（中斷內發(fā)送完IN數據包后設置）

操作標志=4：表示準備好控制端口IN數據包（主循環(huán)內設置）

端口號=0：控制端口

端口號=1：數據IN端口

端口號=2：數據OUT端口

端口號=3：串口狀態(tài)IN端口（USB虛擬RS232接口，CDC類規(guī)范要求）

5.結論

程序從系統(tǒng)復位開始初始化系統(tǒng)（設置堆棧地址、存儲器及寄存器初始化、A/D轉換器初始化）和設置軟USB接口初始值后，進入主程序不斷檢測USB復位信號（兩條數據線保持10-20ms低電平）。如果出現復位 時當多個物品共用一個總發(fā)射器，一旦總發(fā)射器不能立刻找到，想找回所需物品也將變得困難，因此可以在一個或幾個物品上也安裝上小發(fā)射器，在總發(fā)射器上附加報警器，這樣就可以利用物品上的發(fā)射器感應并找回總發(fā)射器，然后再利用總發(fā)射器找回所需物品。此外，它的應用范圍較廣，如博物館、銀行等，市場需求量會比較大，是現代社會的必備品之一， 因此具有較高的推廣價值和較好的應用前景。