Управление электрическими цепями через USB. Рябенький В.М

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

Компьютер, некоторые детали, инструменты любой желающий сможет организовать простое управление бытовыми приборами с этого компьютера. Множество приборов используемых в быту имеют множество функций, например большинство современных телевизоров могут показывать некоторое количество разных каналов, у вентилятора м.б. некоторое количество разных режимов работы и т.д. Для того чтобы сделать такое сложное управление как например переключение каналов или режимов работы, помимо перечисленного выше понадобятся дополнительные знания, детали и инструменты но сделать простое включение и выключение под силу каждому кто это перечисленное имеет. Arduino связывается с компьютером через USB порт, передачу информации с компьютера на Arduino можно осуществлять через среду разработки для Arduino (называется Arduino IDE) которую можно скачать с страницы на официальном сайте Arduino . Существует множество разнообразных модулей для взаимодействия Arduino с внешним миром, например специальный модуль с блоком реле для коммутации нагрузок, при использовании таких модулей работа сильно упрощается, здесь же мы рассмотрим самостоятельное изготовление модуля с одним реле для включение/выключения бытовых приборов, при необходимости можно изготовить более одного такого модуля и использовать их с одним Arduino тем самым сделав возможным простое управление множеством бытовых приборов. Arduino (любое) имеет некоторое количество выводов общего назначения которые обозначаются, на плате, просто цифрами или цифрами с волнистым знаком "~". Подключив Arduino к компьютеру и записав в него (в Ардуино) специальный скетч (программа для Arduino) можно с этого компьютера через программу "Arduino IDE" управлять этими выводами делая на них высокое напряжение (примерно +5В (HIGH)) или низкое (примерно 0В (LOW)). Также на Arduino есть вывод "GND" (на плате так и обозначен). Если на одном из выводов общего назначения высокое напряжение то подключив что либо проводящее ток между этим выводом и выводом "GND" через то что подключено потечёт электрический ток и величина этого тока будет зависеть от сопротивления этого предмета и рассчитать её можно по , т.е. чем меньше сопротивление том больше ток, но если сопротивление будет слишком низким то через Arduino потечёт слишком большой ток и оно перегорит. Максимальный ток который может выдать вывод общего назначения Arduino может быть разным в зависимости от используемого в нём микроконтроллера но обычно это 40мА = 0.04А - этого может быть недостаточно для того чтобы включить реле которое будет включать прибор (приборы) поэтому для усиления тока необходимо использовать дополнительный элемент например биполярный транзистор. Биполярный транзистор имеет три вывода: эмиттер, коллектор, база. Максимальный ток транзистора также ограничен как и у Ардуино и обычно он больше, например у популярного КТ315 максимальный ток равен 100мА = 0.1А. Биполярные транзисторы бывают двух типов n-p-n и p-n-p использовать можно оба типа но по разному и далее рассмотрим использование транзистора КТ315 тип которого n-p-n. Для того чтобы транзистор усилил ток из Ардуино необходимо соединить его базу с выводом Ардуино ЧЕРЕЗ РЕЗИСТОР сопротивлением 1кОм (на резисторе м.б. написано 1к), эмиттер этого транзистора соединить с "GND" Arduino и минусом питания или "GND" источника питания напряжение которого равно напряжению обмотки имеющегося реле (допустим 12В) один из выводов обмотки реле соединить с коллектором транзистора другой с плюсом источника питания (+12В допустим) и ещё одной не влияющей на усиление но ОЧЕНЬ важной деталью является диод который нужно соединить анодом с коллектором и катодом с плюсом источника питания (+12В). Если диод импортный то на скорее всего на его корпусе будет светлая полоса - она указывает на катод, другой вывод диода это анод. Оставшиеся выводы реле - это выводы его контактов, если их два и они не замкнуты то при подаче достаточного тока на обмотку реле эти контакты замкнуться, их нужно соединить последовательно с прибором и это последовательное соединение можно втыкать в розетку, тогда при замыкании контактов на прибор поступит 220В и он включиться. Описанное выше можно изобразить на картинке:

Рисунок 1 - Управление прибором с компьютера

Это нестандартная схема для лучшего понимания, обычно используют схемы такие:

Рисунок 2 - Управление прибором с компьютера

Хотя в этой схеме тоже присутствует нестандартное обозначение платы Ардуино. На рисунке обозначено Arduino UNO (можно заказать по этой ссылке http://ali.pub/1v22bh) но можно использовать и любое другое. Соединения можно делать например на макетной плате и проводами или пайкой. После того как всё правильно соединено и проверено можно подключить Ардуино по USB к компьютеру и загрузить в неё скетч:

Char pc_code=0;

Void setup()
{
pinMode(2, OUTPUT);
Serial.begin(9600);
}

Void loop()
{
if (Serial.available() > 0)
{
pc_code = Serial.read();
if(pc_code=="a")
{
digitalWrite(2, HIGH);
}
else if(pc_code=="b")
{
digitalWrite(2, LOW);
}
}
}

О том как правильно настроить Ардуино и загрузить в неё скетч уже описано на странице . Далее для включения прибора необходимо на Ардуино отослать символ "a" для выключения символ "b". Для того чтобы отослать символ на ардуино можно, в среде Arduino IDE, войти по вкладке Инструменты-Монитор последовательного порта и в появившемся окне в верхнем текстовом поле вписывать символы и отсылать нажатием кнопки "отправить" символ придёт на ардуино и для данного случая если отослать символ "a" то прибор включиться, если "b" то соответственно выключиться. Если Ардуино не принимает символы то нужно в правом нижнем углу окна монитора последовательного порта установить такую же скорость какая прописана в скетче т.е. 9600 бод. Для того чтобы включать 2 прибора можно немного изменить скетч:

Char pc_code=0;

Void setup()
{
pinMode(2, OUTPUT);
pinMode(3, OUTPUT);
Serial.begin(9600);
}

Void loop()
{
if (Serial.available() > 0)
{
pc_code = Serial.read();
if(pc_code=="a")
{
digitalWrite(2, HIGH);
}
else if(pc_code=="b")
{
digitalWrite(2, LOW);
}
else if(pc_code=="c")
{
digitalWrite(3, HIGH);
}
else if(pc_code=="d")
{
digitalWrite(3, LOW);

Одним из наиболее простых и часто используемых способов организация обмена данными между компьютером и внешними устройствами является использование стандартных портов ввода-вывода - таких, как COM, LPT, IrDA и USB, а также промышленных интерфейсов SPI,12С, I-Wire. Данная книга посвящена объяснению принципов их работы и созданию управляющих пользовательских программ. Рассмотрены вопросы сопряжения устройств с компьютером по указанным интерфейсам. Рассмотрены вопросы сопряжения устройств с компьютером по указанным интерфейсам. Приводятся примеры схем, а также исходные коды программ для компьютера и микроконтроллеров семейства AVR, Пособие ориентировано на разработчиков электронной аппаратуры, у которых возникает необходимость в обеспечении программной поддержки своих устройств.

2. ПРОГРАММИРОВАНИЕ LPT-ПОРТА
2.1. Установка драйвера giveio sys
2:2. Управление состоянием линий LPT-порта
2.3. Схема стенда для отладки программы
2.4. Сопряжение микроконтроллера с LPT-портом
2.5. Аппаратно-программные средства снятия вольт-амперных характеристик полупроводниковых приборов
2.5.1. Снятие вольт-амперных характеристик биполярных транзисторов
2.5.2. Снятие вольтамперных характеристик полевых транзисторов
2.5.3. Снятие вольт-амперных характеристик диодов
2.5.4. Снятие вольт-амперных характеристик стабилитронов
2.5.5. Блок управления
2.5.6. Описание программных средств

3 ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ ПОРТ
3.1. Аппаратная организация порта
3.2. Интерфейс RS-232C
3.3. Электрический интерфейс
3.4. Управление потоком передачи
3.4. Интерфейс «токовая петля»
3.6. Инфракрасный интерфейс
3.7. Интерфейс MIDI
3.8. Конфигурирование СОМ-портов
3.9. Использование СОМ-портов
3.10. Неисправности и тестирование СОМ-портов
3.10.1. Проверка конфигурирования
3.10.2. Функциональное тестирование
3.11. Программирование UART для микроконтроллеров
3.11.1. Передача данных
3 11.2. Прием данных
3.11.3. Управление UART
3.11.4. Бод-генсратор (Baud Rate Generator)
3.12. Сопряжение компьютера с микроконтроллером по СОМ-порту
3.13. Программа для микроконтроллера

4. ПРОГРАММИРОВАНИЕ СОМ-ПОРТОВ
4.1. Открытие порта
3.2. Настройка параметров порта
4.3. Настройка тайм-аутов
4.4. Использование стандартного диалога настроек порта
4.5. Прием и передача данных
4.6. Использование потоков

5. ШИНА USB
5.1. Аппаратная организация шины
5.2. Преобразователи USB-FIFO
5.3. Подключение микросхемы FT245BM к USB
5.4. Преобразователи USB-RS232
5.5. Подключение микросхемы FT232BM к USB

6. ПРОГРАММИРОВАНИЕ USB-ШИНЫ
6.1. Установка драйверов
6.2 .Определение подключенных устройств. Получение информации об устройстве
6.3. Организация обмена данными
6.4. Программа для контроллера AVR
6.5. Использование тайм-аутов
6.6. Программирование устройств на базе FT232
6.7. Программирование EEPROM
6.8. Коды ошибок при работе с USB

7. ОБЗОР ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ РАБОТЫ С ПОРТАМИ
7.1. Proteus
7.2. SCADA-снстемы
7.2.1. Принцип работы SCADA систем
7.2.2. Система Genie
7.3. Teiminat
7.4. Wtnscope

8. ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ СЕТЕВЫХ КОММУНИКАЦИЙ
8.1. Использование Windows Sockets
8.2. Инициализация Winsock
8.3. Создание гнезда и открытие соединения
8.4. Отправление и получение сообщений
8.5. Управление процессом генерации сообщений
8.6. Пример разработки программы
ПРИЛОЖЕНИЯ
ЛИТЕРАТУРА

Издательство: Олди-плюс
Год издания: 2008
Страниц: 380
ISBN: 978-966-8447-51-8
Язык: русский
Формат: PDF
Размер: 8,5 Мб
Скачать: Рябенький В.М. Компьютерное управление внешними устройствами через стандартные интерфейсы

В статье сделана попытка предоставить пошаговую инструкцию - как соединить самодельное устройство USB HID на микроконтроллере AVR и компьютер с операционной системой Windows 7 x64 , чтобы обмениваться данными и управлять портами микроконтроллера. Пример приложения управляет через USB ножкой порта микроконтроллера (к ней подключен индикационный светодиод). Есть возможность также прочитать состояние состояние светодиода - потушен он или горит. Топик предназначен для новичков, поэтому большая просьба к знатокам программирования - приберегите тухлые яйца и гнилые помидоры иронические комментарии для более удобного случая.

Используемое программное обеспечение

1 . Для микроконтроллера - библиотека V-USB компании Objective Development и IDE Atmel Studio 6 компании Atmel. Нужно также скачать и установить тулчейн WinAVR для компиляции firmware микроконтроллера (для спецов это необязательно, потому что можно обойтись тулчейном, который входит в состав Atmel Studio).
2 . Для написания программы Windows (ПО хоста) использовалась библиотека LibUsbDotNet Тревиса Робинсона и IDE Visual Studio C# 2010 компании Microsoft.

Все программное обеспечение, кроме Visual Studio 2010, бесплатное, хотя есть возможность использовать Visual Studio C# 2010 Express бесплатно в течение ограниченного срока. Все действия проводились в среде операционной системы Windows 7 x64, но наверняка подойдет и любая другая операционная система семейства Windows (Windows XP и более свежая).

Используемое железо

Благодаря библиотеке V-USB для создания устройства USB HID подойдет любой микроконтроллер AVR. Если Вы дружите с паяльником, то даже можете собрать подключение к USB самостоятельно по одной из опубликованных схем. Такая схема (взята из пакета V-USB ) в качестве примера приведена на картинке.

Чтобы экономить время и усилия, лучше использовать готовую макетную плату. Особенно удобно, если в плату будет записан USB-загрузчик (bootloader), тогда не понадобится покупать программатор для перепрошивки платы. Я использовал макетную плату AVR-USB-MEGA16 с микроконтроллером ATmega32A, в ней загрузчик есть (USBasploader, эмулирующий поведение программатора USBasp). Вот так платка выглядит в натуральную величину:

Можно взять также metaboard (на нем стоит ATmega168 или ATmega328), или даже программатор на микроконтроллере ATmega8. Подобные железки можно дешево купить на ebay.com или dx.com .

Создание firmware микроконтроллера с помощью Atmel Studio 6 и библиотеки V-USB

Сделайте новый проект в Atmel Studio 6 (далее просто AS6). Когда AS6 предложит выбрать микроконтроллер, выберите Atmega32 без буквы A , не Atmega32A (хотя на плате стоит Atmega32A ) - это важно, так как тулчейн WinAVR не видит разницы, он знает только Atmega32. Эти микроконтроллеры по внутреннему устройству идентичны, так что для нас разницы нет, а для AS6 есть.

Теперь нужно правильно настроить компилятор. В верхнем меню AS6 нажите Tools , далее Options.. и появится вот такое окно:

Слева в списке выберите Toolchain . Справа появится список Flavours. Этим словечком Atmel закодировала возможные варианты используемого инструментария (тулчейны).

Примечание. В списке уже присутствует тулчейн Native, который используется по умолчанию (Default). Тулчейн Native - это компилятор GCC вместе с заголовочными файлами и библиотеками, которые предоставляют необходимую среду компилирования исходного кода для микроконтроллера. Этот тулчейн предоставила Atmel, он устанавливается автоматически вместе с установкой AS6. Как я уже упоминал, для компиляции можно использовать и этот тулчейн, но тогда в исходный код примеров V-USB (на основе примера USB HID будет работать наше устройство USB) придется вручную вносить исправления. Они несложные, но для новичков будет лучше добавить сюда тулчейн WinAVR, и использовать для компиляции именно его.
Для добавления в список Flavours тулчейна WinAVR нажмите кнопку Add Flavour , появится следующее окно:

В верхней строчке этого окна введите имя компилятора WinAVR (произвольное), а в нижней строке введите полный путь, куда установлен сам компилятор тулчейна (с указанием папки \bin) и нажмите кнопку Add . В списке Flavours появится добавленный компилятор, как показано на скриншоте.

Выделите мышкой наш новый добавленный компилятор WinAVR и нажмите кнопку Set As Default (сделать его тулченом по умолчанию), и нажмите OK. После этой процедуры наша AS6 будет использовать компилятор WinAVR.

Пора настроить свойства нашего проекта, для этого курсором в Solution Explorer левым щелчком выберите имя проекта и нажмите Alt+F7 (меню Project -> Properties), появится окно с настройками:

Сделайте следующие настройки:

• В разделе AVR/GNU C Compiler -> Symbols добавляем в поле -D строчку F_CPU=12000000UL - это соответствует частоте микроконтроллера 12 МГц (такой кварц установлен на моей макетной плате AVR-USB-MEGA16).
• В разделе AVR/GNU Assemler -> General в поле Assembler flag надо добавить -DF_CPU=12000000UL .
• В разделе AVR/GNU C Compiler -> Optimization в поле Optimization Level должно стоять Optimize for size (-Os) .

Далее очень важный момент - в левой части окна, в списке выберите раздел Advanced , как показано на рисунке ниже.

В выпадающем списке Toolchain Flavour выберите добавленный компилятор WinAVR, чтобы при компилировании проекта AS6 использовала его. На этом настрока AS6 закончена.

Далее необходимо в созданный проект добавить файлы исходного кода проекта - см. папку firmware\VUSB, файлы VUSB.c, usbdrv.c, usbdrvasm.S и oddebug.c. Проект ASS6 создан на основе одного из примеров библиотеки V-USB: hid-custom-rq, который изначально компилировался с помощью утилиты make из командной строки. На основе библиотеки V-USB можно найти много других примеров кода - в основном это устройства USB HID (мыши, клавиатуры, устройства ввода и вывода), но есть также и устройства USB CDC (виртуальный COM-порт). Если Вам лень самому создавать проект, просто откройте в AS6 файл проекта VUSB.atsln, в нем уже сделаны все необходимые настройки и добавлены все нужные файлы.

Если у Вас используется другая макетная плата, то нужно правильно настроить файл usbconfig.h . Это конфигурационный файл библиотеки V-USB, в нем задаются многие настройки и параметры (VID, PID, ножки микроконтроллера, значения для дескрипторов и другие настройки). Подробное описание всех настроек дано в комментриях этого файла. Основное внимание следует уделить назначению выводов микроконтроллера, которые используются под сигналы USD D+ и D- (макроопределения USB_CFG_IOPORTNAME, USB_CFG_DMINUS_BIT, USB_CFG_DPLUS_BIT), к этим ножкам предъявляются особые требования. Конфигурационный файл usbconfig.h из архива предназначен под разводку ножек макетной платы AVR-USB-MEGA16, и он гарантированно работает. Моргать программа будет светодиодом, который уже имеется на макетной плате и подключен к ножке 0 порта B.

Создание программы для компьютера (ПО хоста)

Наша программа должна посылать через подключение USB пакеты, которые будут управлять микроконтроллером.

Примечание. Программа была создана на основе примера консольного приложения из той же библиотеки V-USB. Компиляция исходного кода консольного приложения выполнялась с помощью makefile и пакета MinGW, и использовала библиотеку LibUSB. В нашем примере мы будем использовать графическую среду Visual Studio и библиотеку LibUsbDotNet. Однако главный цимус использования LibUsbDotNet вовсе не в том, что теперь легко и удобно можно делать не только консольные, но и графические приложения. Самый большой плюс - теперь не нужен драйвер фильтра, который таскала за собой библиотека LibUSB много лет. Для тех, кто в танке, драйвер фильтра - это особая программная надстройка над библиотекой LibUSB, через которую осуществлялся обмен данными с устройствами USB на платформе Windows. Теперь этот атавизм не нужен.
Запустите Microsoft Visual C# 2010 Express и создайте новый проект на основе Windows Form. Теперь нужно подключить к проекту библиотеку LibUsbDotNet.dll . В обозревателе решений нажмите правой кнопкой мыши на названии проекта, и выберите «Добавить ссылку».

Появится ещё одно окно

Здесь нужно найти путь на диске, где находится библиотека LinUsbDotNet.dll (по умолчанию она устанавливается папку C:\Program Files\LibUsbDotNet, но лучше сделать копию файла DLL в рабочий каталог проекта. После подключения библиотеки её нужно объявить в проекте, для этого добавьте в главный модуль программы (файл Form1.cs) строки:

Using LibUsbDotNet; using LibUsbDotNet.Info; using LibUsbDotNet.Main;
Перейдите к визуальному редактору формы, и приведите её приблизительно к такому виду (добавьте 3 кнопки Button и 3 текстовых метки Label):

Сделайте обработчик события загрузки формы. Он нужен для того, чтобы при старте программы происходила инициализации экземпляра класса LibUsbDotNet, через который осуществляется обмен с устройством USB. Перед началом обмена необходимо открыть доступ именно к нашему устройству, потому что к компьютеру может быть подключено несклько устройств USB HID, и необходимо уметь обращаться к каждому по отдельности. Для целей идентификации USB-устройств служат специальные идентификаторы, которые имеют абсолютно все устройства USB, это VID и PID.

Примечание. Иногда для идентификации устройства дополнительно используется уникальный серийный номер или отдельный текстовый дескриптор - когда к компьютеру подключено несколько устройств USB с одинаковыми VID и PID, но это не наш случай. Поскольку обычно у каждого USB-устройства, подключенного к компьтеру, своя пара VID/PID, отличающаяся от других устройств, то найти нужное устройство и обратиться к нему не составляет проблем.
VID это идентификатор производителя (Vendor ID), а PID - идентификатор устройства (Product ID). Наше USB-устройство имеет VID: 0x16C0 , PID: 0x05DF , эти значение указаны в конфигурационном файле usbconfig.h (об этом файле мы уже упоминали) проекта микроконтроллера AS6. Чтобы ПО хоста обратилась к именно к нашему USB-устройству, нужно инициализировать объект MyUsbFinder такими же параметрами VID: 0x16c0, PID: 0x05df, как указаны в файле usbconfig.h . Для этого в область определения глобальных переменных класса Form1 добавьте следующий код:

Public static UsbDevice MyUsbDevice; public static UsbDeviceFinder MyUsbFinder = new UsbDeviceFinder(0x16c0, 0x05df);
После того как мы определились с каким USB-устройством будем работать, можно к нему подключаться, и это удобно сделать в момент старта программы (открытия окна формы). Для этого выберите основную форму программы, и в редакторе свойств создайте обработчик события загрузки Form1_Load. В теле обработчика введите следующий код:

Private void Form1_Load(object sender, EventArgs e) { MyUsbDevice = UsbDevice.OpenUsbDevice(MyUsbFinder); if (MyUsbDevice != null) { label2.Text = " подключено!"; } else label2.Text = " не найдено!"; }
Сделайте обработчик события клика на кнопке button1 («Вкл»), для этого сделайте в визуальном редакторе на кнопке двойной щелчок, и добавьте в тело обработчика события код:

Private void button1_Click(object sender, EventArgs e) { // Передать пакет, который включает светодиод на макетной плате AVR-USB-MEGA16. UsbSetupPacket packet = new UsbSetupPacket((byte)(UsbCtrlFlags.RequestType_Vendor | UsbCtrlFlags.Recipient_Device | UsbCtrlFlags.Direction_Out), 1, (short)1, 0, 0); int countIn; byte data = new byte; MyUsbDevice.ControlTransfer(ref packet, data, 0, out countIn); }
Для обработчика кнопки «Выкл» добавьте код:

Private void button3_Click(object sender, EventArgs e) { // Передать пакет, который погасит светодиод на макетной плате AVR-USB-MEGA16. UsbSetupPacket packet = new UsbSetupPacket((byte)(UsbCtrlFlags.RequestType_Vendor | UsbCtrlFlags.Recipient_Device | UsbCtrlFlags.Direction_Out), 1, (short)0, 0, 0); int countIn; byte data = new byte; MyUsbDevice.ControlTransfer(ref packet, data, 0, out countIn); }
Код для обработки кнопки «Чтение»:

Private void button2_Click(object sender, EventArgs e) { //Получение данных от макетной платы AVR-USB-MEGA16 - состояние светодиода. UsbSetupPacket packet = new UsbSetupPacket((byte)(UsbCtrlFlags.RequestType_Vendor | UsbCtrlFlags.Recipient_Device | UsbCtrlFlags.Direction_In), 2, (short)0, (short)0, (short)0); int countIn; byte data = new byte; if (MyUsbDevice.ControlTransfer(ref packet, data, 1, out countIn) && (countIn == 1)) { label3.Text = "Прочитано значение " + data.ToString(); } }
Обработчик события закрытия формы (завершение работы программы) гасит светодиод, если он горит:

Private void Form1_FormClosed(object sender, FormClosedEventArgs e) { UsbSetupPacket packet = new UsbSetupPacket((byte)(UsbCtrlFlags.RequestType_Vendor | UsbCtrlFlags.Recipient_Device | UsbCtrlFlags.Direction_Out), 1, (short)0, 0, 0); int countIn; byte data = new byte; MyUsbDevice.ControlTransfer(ref packet, data, 0, out countIn); }

Как пакеты USB декодируются в firmware микроконтроллера

Прием и обработка данных на стороне микроконтроллера осуществляется в функции usbFunctionSetup (находится в главном модуле VUSB.c проекта firmware AS6). Вот эта функция:

UsbMsgLen_t usbFunctionSetup(uchar data) { usbRequest_t *rq = (void *)data; if((rq->bmRequestType & USBRQ_TYPE_MASK) == USBRQ_TYPE_VENDOR){ DBG1(0x50, &rq->bRequest, 1); /* отладочный вывод: печатаем наш запрос */ if(rq->bRequest == CUSTOM_RQ_SET_STATUS){ if(rq->wValue.bytes & 1){ /* установить LED */ LED_PORT_OUTPUT |= _BV(LED_BIT); }else{ /* очистить LED */ LED_PORT_OUTPUT &= ~_BV(LED_BIT); } }else if(rq->bRequest == CUSTOM_RQ_GET_STATUS){ static uchar dataBuffer; /* буфер должен оставаться валидным привыходе из usbFunctionSetup */ dataBuffer = ((LED_PORT_OUTPUT & _BV(LED_BIT)) != 0); usbMsgPtr = dataBuffer; /* говорим драйверу, какие данные вернуть */ return 1; /* говорим драйверу послать 1 байт */ } }else{ /* вызовы запросов USBRQ_HID_GET_REPORT и USBRQ_HID_SET_REPORT не реализованы, * поскольку мы их не вызываем. Операционная система также не будет обращаться к ним, * потому что наш дескриптор не определяет никакого значения. */ } return 0; /* default для нереализованных запросов: не возвращаем назад данные хосту */ }
Наше устройство USB HID простейшее, и реагирует оно только на управляющие передачи (control transfer), которые проходят через конечную точку 0 (default control endpoint). По типу запроса (поле bRequest) декодируется направление передачи данных. Если CUSTOM_RQ_SET_STATUS, то это данные, предназначаемые для микроконтроллера. Данные декодируются и микроконтроллер выполняет заложенную там команду. В этом случае в самом первом по порядку принятом байте данных закодировано состояние светодиода - если там в младшем бите единичка, то светодиод включается, а если нолик, то гаснет. Если же в поле bRequest принято значение CUSTOM_RQ_GET_STATUS, то в ответ заполняется буфер текущим состоянием светодиода, и данные буфера отправляются обратно хосту. Все очень просто, и при желании поведение кода можно легко переделать под свои нужды.

Видео, как это работает:

Буду рад ответить в комментариях на вопросы и конструктивные замечания.

На Хабре об управлении лампой через интернет, появилась идея управлять освещением дома с компьютера, а так как у меня уже настроено управление компьютером с сотового телефона, то это значит, что и светом можно будет управлять с того же телефона. После демонстрации статьи одному из моих коллег по работе, он сказал, что ему это как раз и нужно. Так как он часто за фильмами, которые смотрит на компьютере, засыпает. Компьютер через некоторое время после окончания фильма тоже засыпает и отключает монитор, а вот свет в комнате остается включённым. Т.е. было решено, что вещь это полезная, и я начал собирать информацию и детали для этого чуда.
Остальная информация под habracut (осторожно много картинок - трафик).

Схема устройства

За исходную схему была взята одна из схем , найденных в Internet и выглядела она вот так:

Но только с небольшим изменением: между 1-ым пином оптопары 4N25 и 2-ым пином LPT был добавлен резистор на 390 Ом, и еще добавлен светодиод для индикации включения. Схема была собрана в тестовом режиме, т.е. просто соединена проводами так как нужно и проверена. В этом варианте она просто включала и выключала старый советский фонарик.
Было решено, что если уже делать управление, то не для одного устройства, а минимум на 4 устройства (из расчёта: одна лампа на столе, люстра на два выключателя, запасная розетка). На данном этапе стало необходимо построение полной схемы устройства, начался выбор различных программ.
Были установлены:

1. KiCAD
2. Eagle

Посмотрев все их них я остановился на Eagle, так как в его библиотеке были «похожие» детали. Вот что получилось в нем:

На схеме использован порт DB9 т.е. обычный COM порт, это сделано из соображений экономии как места на плате, так и самих разъёмов (COM"вские у меня были), а так как мы будем использовать только 5 проводников, то этого нам хватит с запасом. Таким образом делаем еще и переходник с DB25 (LPT) на DB9 (COM), в моем случае делается он следующим образом:
LPT 2-9 pin = COM 1-8 pin - это управляющие пины данных;
LPT 18-25 pin (зачастую они соединены между собой) = COM 9 pin - это наша земля.
Так же в схеме используется дополнительное питание на 12В для питания реле, по плану это будет простое китайское зарядное или может быть крона на 9В (одно реле срабатывает нормально, надо проверить на 4 одновременно). Отдельное питание и гальваническая развязка с помощью оптопары используется для того чтобы обезопасить порт компьютера. При желании можно конечно запитаться от 12В блока питания компьютера, но это каждый делает сам и на свой страх и риск.

Необходимые детали для создания устройства

1. COM порт - 1 шт
2. коннектор питания - 1 шт
3. светодиод зелёный - 4 шт
4. оптопара 4n25 - 4 шт
5. посадочное место под оптопару (у меня было только на 8 ног) - 4 шт
6. резистор 390 Ом - 4 шт
7. резистор 4,7 кОм - 4 шт
8. транзистор КТ815Г - 4 шт
9. реле HJR-3FF-S-Z - 4 шт
10. зажимы на 3 контакта - 4 шт
11. фольгированный текстолит

Подготовка схемы печатной платы

Попытавшись использовать Eagle для подготовки печатной платы я понял, что это будет сложновато и решил найти более простой вариант. Этим вариантом стала программа sprint layout 5 пусть она и в исполнении для windows, но без проблем запускается в wine под linux. Интерфейс у программы интуитивно понятный, на русском языке и в программе имеется достаточно понятная помощь (help). Поэтому все дальнейшие действия по разработке печатной платы производились в sprint layout 5 (далее SL5).
Хоть и многие используют данную программу для разработки плат своих устройств, в ней не оказалось необходимых мне деталей (даже в куче скачанных коллекций макросов). Поэтому пришлось сначала создать недостающие детали:

1. COM порт (тот что был не совпал с моим, по отверстиям крепления)
2. гнездо питания
3. зажим на три контакта
4. реле HJR-3FF-S-Z

Вид этих деталей:

После добавления необходимых деталей началось само проектирование печатной платы. Проходило оно в несколько попыток, было их около пяти. Каждый вариант платы печатался на картоне прокалывались отверстия и в них вставлялись детали. Собственно так и было выяснено, что мой COM порт не совпадает с тем который был в SL5. Так же всплыла небольшая ошибка в схеме реле - реально корпус реле был сдвинут на 2-3 мм. Естественно все ошибки были исправлены.
На первом печатном варианте выяснилось еще и не правильное подключение транзистора, были перепутаны два контакта.
После всех исправлений и подгонок получилось плата следующего вида:

В SL5 есть функция «Фотовид» для просмотра платы, вот как она выглядит в нем:

На финальном варианте платы будут еще немного подправлены дорожки, а в остальном она выглядит так же.

В SL5 так же есть удобный вариант печати платы, можно скрывать не нужные слои и выбирать цвет печати каждого слоя, что очень пригодилось.

Подготовка печатной платы

Плату решено было делать методом ЛУТ (лазерно-утюговая технология). Далее весь процесс в фото.

Вырезаем необходимого размера кусок текстолита.

Берем самую мелкую наждачку и аккуратно зачищаем медную поверхность.

После зачистки поверхности её необходимо промыть и обезжирить. Промывать можно водой, а обезжиривать ацетоном (в моем случае это был растворитель 646).
Далее печатаем на лазерном принтере на мелованной бумаге нашу плату, не забыв в принтере установить самую жирную печать (без экономии тонера). Этот вариант получился немного не удачным, так как размазался тонер, но другая попытка была в самый раз.

Теперь необходимо перенести рисунок с бумаги на текстолит. Для этого вырезаем рисунок и прикладываем его к текстолиту, стараемся его выровнять как нужно и после этого прогреваем утюгом. Необходимо тщательно прогреть всю поверхность, что бы тонер расплавился и прилип к медной поверхности. Потом даем плате немного остыть и идём мочить её под струей воды. Когда бумага достаточно хорошо промокнет её необходимо отделить от платы. На плате останется только прилипший тонер. Выглядит это так:

Далее необходимо подготовить раствор для травления. Я использовал для этого хлорное железо. На банке с хлорным железом написано, что раствор необходимо делать 1 к 3. Я немного отступил от этого и сделал 60 г хлорного железа на 240 г воды, т.е. получилось 1 к 4, не смотря на это травление платы происходило нормально, только немного медленнее. Обратите внимание на то, что процесс растворения сухого хлорного железа в воде идёт с выделением тепла, поэтому всыпать его в воду необходимо небольшими порциями и размешивать. Естественно для травления необходимо использовать не металлическую посуду, в моем случае это была пластиковая ёмкость (вроде от селёдки). У меня получился вот такой раствор:

Перед тем как опустить плату в раствор, я с помощью скотча приклеил к её обратной стороне леску, что бы было удобнее доставать и переворачивать плату. Если раствор попадет на руки надо быстро его смыть с мылом (мыло его нейтрализует), но пятна могут все равно остаться, все зависит от конкретных условий. Пятна с одежды вообще не выводятся, но мне повезло этого не проверить на себе. Погружать плату в раствор надо медью вниз и не всю плашмя, а под углом. Время от времени плату желательно очищать от отработки, так как она мешает дальнейшему травлению. Делать это можно при помощи ватных палочек.

Весь процесс травления у меня занял 45 минут, хватило бы и 40 минут, но я был просто занят ещё одним делом.
После травления промываем плату с мылом отрываем скотч с леской и получаем:

Внимание! Не выливайте раствор хлорного железа в раковину (канализацию) - это может повредить металлические детали раковины, да и вообще раствор может ещё пригодиться.
Далее нам необходимо смыть тонер, это успешно делается тем же растворителем 646, который использовался для обезжиривания (долгий контакт растворителя с кожей может её повредить).

Следующим шагом является сверление отверстий. У меня на плате предусмотрены были отверстия 1мм и 1.5 мм изначально, так как найти более тонких свёрл не удалось. Так же найти у нас в городе цанговый патрон для крепления его на электромоторчик не удалось, поэтому все делалось большой дрелью.

Первое устройство подошло

На первый раз я взял только два сверла, а при использовании такой дрели этого оказалось мало. Одно сверло сломалось, а второе погнулось. Все что я успел просверлить в первый день:

На следующий день я купил пять свёрл. И их как раз хватило, так как если они не ломаются (кстати из пятёрки сломал только одно), то тупятся, а при сверлении тупыми - портятся дорожки, медь начинает отслаиваться. После полного сверления платы получаем:

После сверления необходимо провести лужение платы. Для этого я использовал старый способ - паяльник, флюс ТАГС и олово. Хотелось попробовать с использованием сплава Розе, но его не найти у нас в городе.

После лужения получаем следующий результат:

Далее необходимо промыть плату для удаления остатков флюса, так как ТАГС водоотмывной, то делать это можно или водой или спиртом. Я сделал что-то среднее - отмывал старой водкой и протирал ватными палочками. После всех этих действий наша плата готова.

Монтаж деталей

Для проверки правильности платы изначально собираю только одну(из четырёх) линию деталей, мало ли где закралась ошибка.

После монтажа деталей идём и подключаем устройство к компьютеру через LPT, для этого спаян переходник с DB25(LPT) на DB9(COM) в следующем виде:

• 2 пин DB25 к 1 пину DB9
• 3 пин DB25 к 2 пину DB9
• 4 пин DB25 к 3 пину DB9
• 5 пин DB25 к 4 пину DB9
• 6 пин DB25 к 5 пину DB9
• 7 пин DB25 к 6 пину DB9
• 8 пин DB25 к 7 пину DB9
• 21 пин DB25 (можно любой с 18 по 25) к 9 пину DB9

Так как в качестве провода использовалась обычная витая пара, то не хватило одного проводка, но для данного устройства достаточно только пяти проводов, так что данный вариант подходит. В качестве включаемой нагрузки у нас выступает простой советский фонарик. Ну и в качестве блока питания - универсальный китайский блок питания (4 коннектора и питание от 3 до 12 в). Вот все в сборе:

А вот уже устройство работает:

На этом закончился ещё один вечер и монтаж остальных деталей был оставлен на следующий день.

А вот и уже полностью собранное устройство:

Ну и небольшое видео о том как это работает (качество не очень, не было чем снять нормально)

Вот и все, осталось только найти нормальный корпус для устройства и запускать его в дело.

Программная часть

Естественно для управления LPT портом нужно какое-то ПО, но так как у меня дома linux, то было решено просто написать простейшую программку самому, а в последствии её уже дописать и адаптировать как надо. Выглядела она примерно так:
#include
#include
#include
#include
#define BASE 0x378
#define TIME 100000
int main ()
{
int x = 0x0F;
int y = 0x00;
if (ioperm (BASE, 1, 1))
{
perror ("ioperm()");
exit (77);
}
outb (x, BASE);
return 0;
}

Данная программка отправляет в LPT порт 0x0F = 00001111, т.е. подает 1 на 2-5 пины (Data0-Data3), а это и есть наше управляющее напряжение между 2-5 пинами и землей (18-25 пины), таким образом будут включаться все четыре реле. Точно так же действует программа для отправки 0x00 в порт для отключения, просто вместо x отправляется y - outb (y, BASE). Еще можно прочитать состояние порта:
#define BASEPORT 0x378 /* lp1 */
...
printf("статус: %d\n", inb(BASEPORT));
...

Единственный нюанс этой программки в том, что её необходимо выполнять от root, так как простому пользователю не доступна функция ioperm. Думаю, как решать такую проблему можно не рассказывать, каждый выберет более подходящий ему вариант.

В последствии программа была доработана так, что бы передавая ей параметры командной строки можно было указывать с каким устройством и что сделать.
Вывод «sw --help»:
Программа для управления реле через LPT порт.
У программы может быть один или два параметра.
Формат параметров: sw [номер устройства] [действие]
номер устройства - от 1 до 8
действие - "on", "off", "st" - включение, выключение, статус
Пример: "sw 2 on" для включения второго устройства или "sw --help" для вывода помощи

PS если кому понадобится, то потом могу где-нибудь выложить файл схемы платы в sl5 и исходник программки управления.