基于USB HID類數(shù)據(jù)通信的直流電源監(jiān)控設(shè)計(jì)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)直流電源的監(jiān)控，提出了一種具有USB HID數(shù)據(jù)通信功能的直流電源設(shè)計(jì)方案。詳細(xì)論述了基于STM32 USB固件庫(USB-FS Device library V3．3)的自定義HID類下位機(jī)的實(shí)現(xiàn)，介紹了如何在VC2010集成開發(fā)環(huán)境中編寫多線程上位機(jī)程序并運(yùn)用PlotLab(一個(gè)快速信號繪圖和可視化的VCL組件)顯示實(shí)時(shí)波形，最后再以實(shí)驗(yàn)開發(fā)板和PC實(shí)現(xiàn)了HID數(shù)據(jù)通信，證明了此監(jiān)控設(shè)計(jì)方案的可行性。
關(guān)鍵詞：STM32；USB HID；VC2010；固件庫

USB的“即插即用”使其成為了現(xiàn)行十分流行的計(jì)算機(jī)應(yīng)用接口，從最初的USB1．1到USB2．0及已經(jīng)出現(xiàn)的USB3．0協(xié)議，USB取得了很大的發(fā)展，并有取代RS232之趨勢，越來越多的電子設(shè)備開始包含USB接口，當(dāng)電子設(shè)備擁有了USB接口，設(shè)備將會更易實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信方便設(shè)備的使用和功能的擴(kuò)展。

1 USB HID類簡介
在眾多的USB設(shè)備類型中，HID類是Windows完全支持的第一批設(shè)備類型，它是為一些人工的輸入輸出設(shè)備而設(shè)計(jì)的，連接到計(jì)算機(jī)的USB設(shè)備幾乎都包含HID類，用于信號控制。Windows系統(tǒng)自帶了HID類的驅(qū)動程序，所以使用HID類來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信將無需為其開發(fā)、安裝驅(qū)動，PC應(yīng)用程序可以直接使用Windows API與之進(jìn)行通信，這樣將會大大的降低開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期。

2 電源系統(tǒng)概述
直流電源基于STM32F107VC設(shè)計(jì)，可以通過電源的LCD和鍵盤或者PC上位機(jī)監(jiān)控電源，PC上位機(jī)可以設(shè)定電源的輸出并能以1 kHz或者100 kHz(只持續(xù)0．1 s)的采樣率觀察電源的輸入輸出波形。整個(gè)電源的系統(tǒng)簡化框圖如圖1所示，市電經(jīng)PFC(功率補(bǔ)償)后經(jīng)過不可控整流電路變成直流，STM32F107X主控模塊通過電源面板或者USB接口連接PC上位機(jī)實(shí)現(xiàn)用戶交互，同時(shí)STM32F107X利用AD檢測電源的輸入輸出，運(yùn)用數(shù)字PID產(chǎn)生PWM控制BUCK電路將整流后的直流變換成用戶想要的輸出，單端反激電路為主控模塊提供5 V電源，這些與平常的BUCK直流電源相比除了擁有USB接口其他并無太多差異。整個(gè)下位機(jī)軟件流程圖如圖2所示，下位機(jī)程序在開始時(shí)初始化外設(shè)和定義全局變量，再開啟USB、DMA和定時(shí)器等中斷，之后就循環(huán)等待本地面板的控制并刷新面板，DMA在將AD采樣電源輸入輸出得到的數(shù)值存入4個(gè)全局變量之后產(chǎn)生中斷將4個(gè)全局變量根據(jù)發(fā)送模式送入U(xiǎn)SB發(fā)送緩沖區(qū)，定時(shí)器定時(shí)利用這4個(gè)全局變量和PID算法控制電源的輸出，USB中斷將發(fā)送緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)和將接收到的數(shù)據(jù)存入接受緩沖區(qū)并根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)更改下位機(jī)的全局標(biāo)志位。

USB HID類的速度有限，最大有效數(shù)據(jù)速度為64 kByte／s(最大1 kHz的傳輸頻率，每次最大傳輸64 Byte)，本設(shè)計(jì)采用的速度是：16kBy te／s(1 kHz的傳輸頻率，每次傳輸16Byte)；這樣在不使用緩存的情況下只能以1 kHz的采樣率顯示實(shí)時(shí)波形，為了顯示更高采樣率的波形本設(shè)計(jì)使用了12 k的緩沖區(qū)存儲100 kHz采樣率的數(shù)據(jù)，12 K的緩沖區(qū)可以存儲1 000次采樣的數(shù)據(jù)，在下位機(jī)采樣率為100 kHz的情況下1 000次采樣對于下位機(jī)是0．1 s鐘，但對于上位機(jī)卻是1秒鐘，所以上位機(jī)選擇100 kHz采樣率查看下位機(jī)輸入輸出的操作每秒鐘只能操作一次，這也能基本滿足諧波分析的需求。本設(shè)計(jì)中上下位機(jī)傳遞的16 Byte中每個(gè)字節(jié)的含義如圖3所示。