Управление устройствами через USB-порт компьютера - Железо - Компьютер и электроника к нему!!! UniCOM - управление устройствами через COM-порт компьютера
Многие из нас наверно хотели бы управлять электрическими цепями через компьютер. А что? Неплохо было бы. Представь, звонит тебе друг, говорит: «Через 20 мин буду», тут проходит 20 минут, звонок в двери, но как не хочется вставать из-за компьютера, идти открывать двери и т.д. А представь иную ситуацию: звонок в двери, тут у тебя на мониторе выползает сообщение типа «У Вас гости», ты нажимаешь кнопку на компьютере - открывается магнитный замок на дверях, и ты орешь на весь дом: «Заходи», или тебе нужно включить электрочайник, свет или еще что то. В наше время это уже не фантастика, а вполне реалистично, только вот из-за плохой экономики далеко не каждый может позволить себе даже самый простейший «смарт-хаус», но если есть желание и прямые руки, то можно запросто сделать управление электрическими цепями через ПК.
В наше время достаточно много людей умеет программировать, они могут написать программку под компьютер, которая смогла бы управлять внешними устройствами, но как подключить тотже электрочайник к компьютеру? Ну, можно, к примеру, через LPT порт, только вот его уже редко где можно увидеть, что тогда остается? USB!!!
Давайте сделаем устройство, которое будет подключаться к USB и сможет управлять электроцепями (например, включать освещение), реагировать на замыкание кнопок (например, дверной звонок) и еще что-то.
Итак, из чего же мы будем его делать? Те, кто интересовался данным вопросом, наверно уже слышали о модуле Ke-USB24A.
Описание:
Модуль Ke-USB24A предназначен для сопряжения внешних цифровых и аналоговых устройств, датчиков и исполнительных механизмов с компьютером через шину USB. Определяется как дополнительный (виртуальный) COM порт. Модуль имеет 24 дискретные линии ввода/вывода (либо лог. 0 либо лог. 1) с возможностью настройки направления передачи данных (вход/выход) и встроенный 10-ти разрядный АЦП. Для управления модулем предусмотрен набор текстовых команд управления (KE - команды).
Отличительные особенности:
- интерфейсный модуль для сопряжения по шине USB
- определяется ОС Windows/Linux как виртуальный COM порт
- не требует дополнительных схемных элементов, сразу готов к работе
- 24 дискретные линии ввода/вывода с возможностью независимой настройки направления передачи данных (вход/выход) и сохранения настроек в энергонезависимой памяти модуля
- встроенный 10-ти разрядный АЦП с гарантированной частотой дискретизации до 400 Гц.
- динамический диапазон напряжения входного аналогового сигнала для АЦП от 0 до 5 В.
- набор готовых текстовых команд управления высокого уровня (KE - команды)
- удобный форм-фактор в виде модуля с DIP-колодкой и разъемом USB-B
- возможность питания как от шины USB, так и от внешнего источника питания (режим выбирается джампером на плате)
- возможность сохранения данных пользователя в энергонезависимой памяти модуля (до 32 байт)
- возможность изменения строкового дескриптора USB устройства
- каждый модуль имеет уникальный серийный номер доступный программно
- поддержка ОС Windows 2000, 2003, XP 32/64 bit, Vista 32/64 bit и Windows 7 32/64 bit
- поддержка OS Linux
Вроде бы это то, что нам нужно, НО… цена этого чуда начинается от $40. Наверно у вас уже пропало желание его покупать.
Давайте лучше сами соберем подобный модуль, только чтобы он был доступный даже голодному студенту!
Из обязательных критериев: дешевизна и легко доступность компонентов, простота сборки.
В качестве микроконтроллера возьмем широко распространенный ATmega8 (без индекса L в конце). Характеристики нашего модуля будут такие:
- Подключение к ПК через USB.
- определяется ОС Windows как USB HID устройство, не требующее драйверов .
- Сразу готов к работе.
- 7 линий вывода с логическим состоянием (активен / неактивен).
- 2 линии вывода с плавным управлением напряжения от минимума до максимума. Только это не ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь) а ШИМ (широтно-импульсная модуляция). Но с помощью фильтра можно легко превратить в ЦАП.
- 7 линий ввода с логическим состоянием (активен / неактивен).
- 1 АЦП (аналогово-цифровой преобразователь) с возможностью подключения внешнего источника опорного напряжения (ИОН).
- Возможность заливать новую прошивку прямо через USB.
Почему я выбрал именно HID, а не виртуальный COM порт (CDC)? Во-первых, не нужны драйвера, во-вторых, HID в несколько раз меньше грузит микроконтроллер, чем CDC, так как данные запрашиваются не постоянно, а только тогда, когда этого требует хост (компьютер), и вообще, COM порт уже отмирает, сейчас аппаратных COM портов уже практически нет, остались только виртуальные. Логические линии вывода предназначены для управления только двумя состояниями - включенный или выключенный, при выключенном на выходе (ножке микроконтроллера) будет 0В при включенном - 5В, сюда вы можете подключить просто светодиод и управлять ним с ПК, а можете подключить реле (через транзистор) и управлять более мощной нагрузкой (освещение и т.д.). Линии вывода с регулировкой напряжения (ШИМ выход) позволяют плавно менять напряжение на ножке микроконтроллера от 0В до +5В с шагом 5/1024В. Линии ввода с логическим состоянием предназначены для мониторинга состояния кнопок, ключей и т.д. Когда линия замкнута на землю (корпус, GND), ее состояние = 0, если не замкнута - 1. АЦП позволяет измерять напряжение, сюда можно подключить потенциометр, аналоговый термодатчик, или еще что то, только напряжение, на этой ножке не должно превышать напряжение питания. В качестве источника опорного напряжения для АЦП можно использовать как внешний ИОН, так и напряжение питания модуля. Чтобы при перепрошивке не приходилось подключать микроконтроллер к программатору, сделаем возможность заливки прошивки прямо через USB, без использования внешнего программатора.
Схема устройства:
Как видите, схема достаточно проста, только коннекторы я прикрепил на схеме не по порядку, это потому что у ATmega8 ножки каждого порта, почему то расположены в разброс, зато на самой плате будет выглядеть красиво.
Печатная плата:
Ну и в результате получилось вот что:
Теперь разберемся, что куда будем подключать.
- USB - Порт. Думаю, его все знают.
- Индикатор питания.
- Логический вход 1.
- Логический вход 2.
- Логический вход 3.
- Логический вход 4.
- Логический вход 5.
- Логический вход 6.
- Логический вход 7.
- Вход АЦП.
- Вход для подключения ИОН.
- Этот контакт подключен к питанию устройства. Замкните перемычкой 12 и 13 контакты, чтобы напряжение ИОНа было равно напряжения питания.
- Логический выход 1.
- Логический выход 2.
- ШИМ выход 1.
- ШИМ выход 2.
- Логический выход 3.
- Логический выход 4.
- Логический выход 5.
- Логический выход 6.
- Логический выход 7.
Что такое GND?
Даже начинающий радиолюбитель знает, что такое GND, но некоторым людям это кажется страшным буквами. GND - это, так сказать, общий контакт. Его еще называют землей и массой. Провод обычно черного цвета (иногда белого или еще, какого нить). GND также подключается к металлическому корпусу устройства. На плате в большинстве случаев все свободное место заполняет GND в виде больших полигонов. На нашем модуле есть полигоны в виде сеточки, они так же соединяются с корпусом USB - разъема.
Программа для микроконтроллера.
Так как в статье я хочу рассказать, как управлять цепями через USB с помощью готового модуля, то я не буду объяснять, как работает программа микроконтроллера, снизу можете скачать исходники и посмотреть, там много комментов. Здесь я напишу просто об идентификаторах устройства.
Итак, в исходниках находится файл usbconfig.h , в нем есть строки
|
#define USB_CFG_VENDOR_ID 0x10, 0x00 #define USB_CFG_DEVICE_ID 0x01, 0x00 #define USB_CFG_VENDOR_NAME "k","i","b","e","r","m","a","s","t","e","r",".","p","l",".","u","a" #define USB_CFG_VENDOR_NAME_LEN 17 #define USB_CFG_DEVICE_NAME "U","S","B","-","C","o","n","t","r","o","l" #define USB_CFG_DEVICE_NAME_LEN 11 |
Первые две строчки - это ID устройства и ID продукта, такие есть у каждого USB устройства, только в этом файле указывается сначала младший байт, потом старший, в программе под компьютер - наоборот . Дальше идет имя производителя (вендора) и название устройства, также указывается длина строки в байтах. Программа ПК сначала будет искать устройств по ID и потом, среди найденных, будет искать по имени.
Прошивка устройства.
В скачанных файлах в папке MCUusb_bootloader найдите файл main.hex - это usb-bootloader, его нужно залить в МК с помощью внешнего программатора. После заливки также нужно правильно установить фьюзы, в окне программатора STK500 должно выглядеть так:
Если вы пользуетесь другой программой, то можете просто ввести значения фьюз-битов HIGH и LOW (смотрите на скрин).
После удачной прошивки, можно попробовать прошить устройство через бутлоадер. Как он работает? При включении МК (просто при подаче питания, или после ресета) сразу запускается бутлоадер, он проверяет условие, если оно истинно, то запускается инициализация бутлоадера (компьютер при этом находит устройство). В качестве условия у нас будет «Логический вход 1 = 0″, то есть, чтобы запустить бутлоадер, нужно замкнуть Логический вход 1 на GND и нажать на устройстве кнопку RESET, в диспетчере устройство должно появиться новое HID устройство, так же не требующее драйверов:
Такс, теперь в папке MCUUSB_Controldefault запускаем файл boot.bat , должно выскочить окошко, в котором будут бегать циферки:
Если окно сразу же закрылось, тогда вы сделали что то, не правильно. Если же все ок, тогда внешний программатор для этого устройства Вам уже не понадобится. Теперь можете отключить Логический вход 1 от GND. И на всякий случай, нажмите RESET. В диспетчере устройств так же должно появиться HID устройство (компьютер напишет, что найдено новое). Убедитесь, что в диспетчере появилось именно это устройство.
Хост - это то, что будет управлять устройством, в нашем случае - компьютер. Управление устройством с ПК я опишу более подробно.
Для программистов Delphi написать программу управления HIDом не составит проблем, так как в интернете куча информации. А вот программистам C++ Builder не все так сладко, но, как оказалось, не так все и плохо. В интернете я нарыл библиотеку hidlibrary.h, вот с ее помощью мы будет работать с HID устройством.
Скачайте исходники и запустите USB Control.cbproj (C++ Builder 2010).
В файле hidlibrary.h в самом верху есть строка
Создадим форму, на форме будет один CheckListBox для управления логическими выходами, 2 ScrollBar для управления ШИМ каналами, один ListBox для отображения логических входов, один Label для отображения состояния АЦП и один таймер. Должно получиться вот такое:
Переименуйте СкрулБары в ScrollBar_PWM1 и ScrollBar_PWM2, в их свойствах установите Max=1023.
Создадим структуру
|
#pragma pack (push, 1) struct status_t{ unsigned char logical_outputs; unsigned char logical_inputs; unsigned char ADC_DATA; unsigned short int PWM1; unsigned short int PWM2; struct status_t DeviceStatus; #pragma pack (pop) |
#pragma pack нужна чтобы компилятор не выравнивал структуру. В logical_outputs хранятся состояние всех логических выходов, в побитном режиме, то есть, первый бит хранит состояние первого выхода, второй - второго и так до седьмого. Аналогично logical_inputs хранит состояние логических входов. В ADC_DATA хранится состояние АЦП, минимальное значение 0, максимальное - 255. В PWM1 хранится состояние первого ШИМ выхода (плавная регулировка напряжения), в PWM2 - состояние второго, минимальное значение 0, максимальное - 1023.
В программе ПК нужно считать с микроконтроллера эту структуру, ну и далее обработать принятые данные. Чтобы установить новые значения выходов, нужно сначала записать в структуру новые значения, а потом отправить измененную структуру на микроконтроллер. При установке новых значений нужно редактировать только первый, 4 и 5 элементы, редактирование остальных двух не даст никакого эффекта.
|
HIDLibrary |
И добавляем функцию connect().
Теперь данные с HID-устройства можно запросить с помощью функции hid.ReceiveData, указав в качестве параметра указатель на структуру, только перед запросом нужно проверить, подключено ли устройство:
А теперь давайте допишем нашу программу (или просто скачайте исходники, там все готовое).
Добавьте где нить в коде (лучше сразу после структуры) эти строки:
В свойствах таймера укажите Enabled = True, Interval = 500. Щелкните по нему дважды и в обработчике напишите
|
if (!connect()) return; // Выходим, если устройство не подключено hid.ReceiveData(&DeviceStatus); // Читаем данные с устройства for (char i = 0; i < 7; i++) CheckListBox_LogOuts->Checked[i] = CheckBit(DeviceStatus.logical_outputs, i); ScrollBar_PWM1->Position = DeviceStatus.PWM1; ScrollBar_PWM2->Position = DeviceStatus.PWM2; ListBox_LogInputs->Clear(); for (char i = 0; i < 7; i++) ListBox_LogInputs->Items->Add(" Лог. вход "+IntToStr(i+1)+" = "+BoolToStr(CheckBit(DeviceStatus.logical_inputs, i))); Label_ADC->Caption = DeviceStatus.ADC_DATA; |
Думаю, тут все понятно и объяснений не требует.
Кликните дважды по CheckListBox, в обработчике напишите
Все, можно компилировать!
Тест-драйв.
Итак, все готово: устройство собрано, микроконтроллер прошит, программа для компьютера создана, можно протестировать.
Подключите устройство к ПК, запустите программу. Слева в листбоксе отображается состояние всех логических входов, если, к примеру, Логический вход 1 не замкнут на GND, тогда будет написано «Лог. вход 1 = -1″, если подключен, то «Лог. вход 1 = 0″. Вот скрин:
Под этим листбоксом отображается результат преобразования АЦП. Замкните вход АЦП на минус, тогда результат будет равен 0, замкните на + питания, результат будет 255. Можно подключить сюда потенциономер, или еще что. Напряжение на ножке АЦП можно вычислить по формуле: Напряжение_ИОН/255*результат_АЦП .
Теперь подключите какую то маленькую нагрузку к Логическом выходу 1 (светодиод или просто вольтметр). Поставьте галочку возле "Лог. выход 1" - светодиод загорится.
Подключите вольтметр к первому ШИМ каналу, покрутите ползунок - напряжение будет меняться.
Завершение.
Теперь можете сделать на основе этого модуля управление освещением или ещё какими-то электроприборами. К логическим входам можно подключить кнопку дверного звонка или какой-то другой ключ. К входу АЦП можете подключить аналоговый датчик влажности, термодатчик или фоторезистор (будете знать, ночь на улице или день).
|
Как вам эта статья? |
В наше время в каждой мастерской по ремонту электротехники, да, в прочем, и у каждого радиолюбителя рабочий день начинается с включения ПК, а уж потом и вспомогательного электрооборудования. В прочем с включения ПК рабочий день начинается не только у радиолюбителей, но и во многих пользователей сего «девайса», плотно вошедшего в нашу жизнь. А вот каждый день включать утром и выключать вечером, ну, предположим, принтер, активные колонки, настольную лампу да мало ли чего можно встретить у рядового пользователя, немножко надоедает. Исходя из условленных задач была поставлена цель создать коммутатор нагрузки, предназначенный для включения-выключения всех сопутствующих устройств. Соглашусь можно пойти по пути наименьшего сопротивления и поставить на всё обыкновенный выключатель, но, похоже, это не путь для радиолюбителя. Мы будем делать гораздо удобнее - встроим автомат в сетевой фильтр:
Так как устройство отслеживает факт включения-выключения устройства по принципу «ведомый-ведущий» самый простой способ - использовать USB порт. Обозначу сразу, при использовании USB порта устройство работает в ноутбуках и компьютерах с блоком питания, отключающем все источники питания. К примеру, в последних моделях блоков питания +5 вольт USB порта присутствует как дежурное даже при выключенном блоке. С ними устройство работать не будет, точнее будет, но постоянно включено. Здесь необходимо как источник сигнала использовать какой либо иной порт, и, соответственно, согласовывать сигнал источника и исполнительного механизма.
В данном устройстве исполнительным механизмом служит реле, с контактами, рассчитаными на 16 ампер и с катушкой на 5 вольт. Использование реле выполняет гальваническую развязку источника сигнала и сети 220 вольт.
После проведения ряда экспериментов было установлено, что при питании, согласно паспортных данных, +5 вольт реле потребляет 150 мА тока. Если использовать стационарный компьютер - нет никаких проблем, ибо +5 вольт USB порта идут непосредственно с блока питания и не сильно нагружают его. Если всё вышесказанное устраивает на этом - можно остановиться и сделать свой вариант по ниже приведенной схеме.
Но если планируется использовать ноутбук, то как бы прогонять дополнительные 150 мА через через компьютер не желательно, в таком случае необходимо использовать дополнительный блок питания 5 вольт. В данном варианте был использован импульсный источник питания от зарядного устройства от мобильного телефона. Можно использовать любой нестабилизированный источник питания при условии, что он может обеспечить напряжение 5 вольт и ток порядка 250 мА с учетом запаса. Также можно использовать и другое напряжение, но в таком случае необходимо будет взять и реле с соответственным напряжением питания. Для согласования источника сигнала с реле и источником питания необходимо установить транзисторный ключ типа:
Транзистор выбран типа КТ815 с любой буквой и резистор 1 кОм, диод - КД522. При такой схеме включения ток потребления показал 4 мА, что не столь существенно для ноутбука. Светодиод LED1 и LED2 обозначают состояние цепи. По желанию вместе с резисторами их можно исключить из схемы.
Устройство управления 220 В собрано в свободном месте корпуса розетки - сетевого фильтра. Файл схемы в сплане находится
13-01-2014
ATiny2313
Захаров Денис, Украина
Как известно, существует достаточное количество интерфейсов, с помощью которых микроконтроллер (МК) может общаться с внешними устройствами. Если необходимо связать МК с персональным компьютером или ноутбуком, то с уверенностью можно сказать, что лучше всего использовать интерфейс COM-порта RS-232.
Причина такого выбора очевидна - практически все контроллеры имеют аппаратные модули UART, с помощью которых можно передавать информацию при минимальном расходе ресурсов МК. Кроме того, существует множество хорошо зарекомендовавших себя программ, предназначенных для работы с COM-портом. Поскольку сигналы МК имеют уровни TTL, для согласования с интерфейсом RS-232 необходим преобразователь уровней. Часто его выполняют на основе доступной и популярной микросхемы MAX232 .
| Рисунок 1. |
Представленное устройство (Рисунок 1) предназначено для управления приборами с помощью любого ПК, имеющего порт USB. Современные компьютеры и ноутбуки имеют по несколько таких портов. С помощью этого комплекса можно производить управление светом, телевизором и другими приборами. Исполняющие устройства не обязательно должны находиться в непосредственной близости от ПК.
Прибор состоит из вполне доступных и распространенных элементов. Обе микросхемы - микроконтроллеры ATtiny2313 семейства . Первый контроллер подключен к USB-порту компьютера и выполняет функцию конвертора форматов USB-COM. Второй подключается к первому и все время сканирует команды, которые посылаются с ПК через терминальную программу Terminal v1.9b.
Подключенный к выводу 2 USB резистор R4 переводит устройство в низкоскоростной режим LS, позволяющий при обмене данными со скоростью 1.5 Мбит/с с помощью программы выпонять расшифровку посылок от ПК.
С помощью резисторов R2 и R3 происходит устранение переходных процессов. Конденсатор С5 блокирует импульсные помехи в цепи питания. Стабилитроны D1 и D2 необходимы для согласования логических уровней МК и USB входа ПК. Для безошибочной передачи данных между контроллерами частоты кварцевых резонаторов должны быть равны 12 и 4 МГц.
К выводам /RESET следует подключить подтягивающие резисторы, чтобы в дальнейшем избежать произвольного сброса МК из-за влияния помех и статических напряжений. В данной схеме все команды отображаются на светодиодах, подключенных к порту В. Чтобы управлять какими-либо устройствами, необходимо подключать выходы контроллера к реле (Рисунок 2).
Собрать устройство можно на макетной плате, хотя лучше, все же, на полноценной печатной плате. Элементы можно разместить, например, так, как показано на Рисунке 3.
Программа для микроконтроллера U1 разработана товарищем GetChiper в среде Bascom-AVR. Для работы с шиной USB использована библиотека swusb.LBX . С ее помощью выполняется программное декодирование USB протокола в режиме реального времени. Для работы устройства с ПК, нужно установить соответствующие драйверы, скопировав их на жесткий диск. При первом подключении устройство опознается и запросит драйвер. Далее нужно указать путь к папке с файлами, и все заработает.
Программа микроконтроллера U2 была написана мною в среде AVRStudio на языке ассемблера. Блок-схема алгоритма работы МК представлена на Рисунке 4. Аппаратный модуль UART следует настроить на прерывание по завершению приема данных. Сам МК не будет выполнять ни одной функции, пока не наступит прерывание. Для снижения энергопотребления можно воспользоваться режимом sleep, но в данной конструкции этого делать не понадобилось. Как только из терминала ПК последуют команды, МК мгновенно перейдет к их сканированию. На данный момент контроллер поддерживает следующую систему команд:
-on1, on2, on3, on4, on5, on6, on7, on8
- команды установки портов в «лог. 1»;
-off1, off2, off3, off4, off5, off6, off7, off8
- команды установки портов в «лог. 0»;
-ser - установить все порты в активное состояние «лог. 1»;
-clr
- сбросить все порты в состояние «лог.0».
После окончания ввода каждой команды необходимо нажимать Enter. Таким образом МК сможет определить конец команды и приступить к ее сканированию. На каждую верную команду контроллер будет отвечать «ok». Если ввести неверные данные, то в терминальную строку вернется «error». Пример выполнения команды показан на Рисунке 5.
Версия прошивки 1.0. Выставлять фьюзы необходимо в соответствии с Рисунком 6. Разрабатывается следующая версия прошивки, где будет происходить самообучение МК и изменение систем команд в терминале.
Программное обеспечение МК, виртуальная модель Proteus и драйвер для ПК -
Протокол передачи данных между МК и ПК- скачать
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться . |
- ....вообще-то хотелось увидеть соопрежение м/у USB-портом одного компьютера с COM-портом второго...или LPT-порта третьего...
- Спасибо! Опечатка исправлена:)
- Зачем использовать 2 МК? Неужели у Attiny2313 мало flash? Или просто не хватает портов I/O? Тогда ладно, видно, что USB висит на INT0/INT1.
- Сопротивление катушек маломощных реле в районе 100-200 Ом, не учитывая насыщенный транзистор (это же не пускатель, и не контактор). Так что 50-200 мА подходящий ключ не испугается. Материал очень интересен в плане привязки МК к USB без всяких интерфейсных микросхем и без присутствия в структуре МК аппаратного USB. Но учитывая цели и задачи первоисточника http://www.recursion.jp/avrcdc/cdc-232.html, из двух МК один выполняет всё же функции преобразователя USB-COM. И весьма дешёвого преобразователя, что безусловно радует.
- Вот интересный гражданин попался с «дворянскими замашками», судя по нику. О каких экстремумах идёт речь? Вроде в материале нет даже упоминания о типе реле или транзисторов. И если реле запитывается от 5В USB то, безусловно, хотелось бы минимизировать потребление со стороны хоста на ПК. Этого можно добиться оптронами и дополнительным питанием реле со стороны нагрузки, что усложняет схему. Или ещё пару вариантов. Разве акцент в статье сделан на оптимизации? Автор добился своего и правильно делает, что не выкладывает конкретную плату. Для того, кто будет повторять, данного узла достаточно.
- Да, статейка еще та... но стоит ли так опситраться? Я тоже хотел кое что прокомментировать сразу как ее прочел, и диод в том числе. Но анонимно тут нельзя. Вот зачем автору AVR-CDC? Я не заметил что где-то в схеме используются сигналы DTR, DTS, RTS, CTS. V-USB не хватило? Про два "кирпича" уже написали выше, - хватило бы и одного. А про диод уже исправлено, слава Будде! Диод нужен для защиты транзистора от импульса напряжения самоиндукции обмотки реле, в момент размыкания тока. Вот, кстати, вспомнил одну реализацию. Статья была в журнале Радио, но и в интернетах нашлась, кому интересно можете глянуть.
