基于雙模式USB接口的便攜式比色計(jì)設(shè)計(jì)

　　引言：

　　目前市場上的光電比色計(jì)一般都是通過 RS232串口與計(jì)算機(jī)通信，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，這種接口實(shí)現(xiàn)已經(jīng)無法滿足 PC與外部設(shè)備之間不斷提高的速度以及穩(wěn)定性、易用性等要求，給用戶使用帶來了諸多不便。USB接口技術(shù)憑借其易用、穩(wěn)定、可擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，越來越廣泛應(yīng)用于 PC機(jī)外設(shè)和便攜式系統(tǒng)中，為滿足客戶要求，本文設(shè)計(jì)了一種基于 USB接口的比色計(jì)儀器。該儀器可以實(shí)現(xiàn) USB主機(jī)和從機(jī)兩種功能，做主機(jī)時(shí)，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速采集及 U盤存儲(chǔ);做從機(jī)時(shí)，能實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)相連。

　　1.CH375簡介

　　CH375是一種 USB總線的通用接口芯片，支持 USB-HOST主機(jī)方式和 USB-DEVICE/SLAVE設(shè)備方式，兼容USB2.0，支持 USB的控制傳輸、批量傳輸、中斷傳輸，能自動(dòng)檢測 USB設(shè)備的連接與斷開，能提供設(shè)備連接和斷開的事件通知。在本地端，CH375具有 8位數(shù)據(jù)總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，可以方便地掛接到 DSP/MCU/MPU等控制器系統(tǒng)總線上。USB主機(jī)方式支持常用的 USB全速設(shè)備，外部單片機(jī)可以通過 CH375按照相應(yīng)的協(xié)議與 USB設(shè)備通訊。CH375支持 5V和 3.3V電源電壓和低功耗模式。

　　2.雙模式USB接口硬件電路設(shè)計(jì)

　　2.1 USB主從動(dòng)態(tài)切換電路的設(shè)計(jì)

　　為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備應(yīng)用的靈活性，本文設(shè)計(jì)的比色計(jì)儀器采用 USB總線供電和外接電池供電兩種方式。在默認(rèn)方式下，儀器采用外接電池供電，作為 USB主機(jī)使用，通過讀寫U盤，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。在 USB總線供電方式下，儀器作為USB設(shè)備使用，直接與計(jì)算機(jī)連接。兩種模式的動(dòng)態(tài)切換電路如圖 1所示。

　　P1為從機(jī) USB接口，P2為主機(jī)模式下讀寫 U盤接口。默認(rèn)狀態(tài)下，儀器采用外接電池電源供電，SLAVE為低電平，為主機(jī)模式;P1口接計(jì)算機(jī)時(shí)，儀器采用 USB總線供電，SLAVE為高電平，單片機(jī)通過查詢控制使比色計(jì)儀器進(jìn)入設(shè)備模式。

　　2.2 單片機(jī)控制CH375電路設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)使用 C8051F020單片機(jī)作為處理器。C8051F020是Cygnal 公司推出的一種 SOC型 8位單片機(jī)，片內(nèi)有 64KB FLASH存儲(chǔ)器和4KB RAM，完全符合作為主機(jī)時(shí)讀寫 U盤的要求。C8051F020單片機(jī)控制 CH375的電路如圖 2所示。

　　1. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　2. 1主機(jī)模式默認(rèn)狀態(tài)下，儀器工作在主機(jī)模式，通過讀寫 U盤，存儲(chǔ)采集到的數(shù)據(jù)。 在單片機(jī)下開發(fā) U盤的讀寫系統(tǒng)，單片機(jī)端程序要涉及較多的協(xié)議，必須能實(shí)現(xiàn) USB的控制傳輸、批量傳輸、SCSI/UFI/RBC命令傳輸及 FAT文件系統(tǒng)等功能。CH375內(nèi)置了 USB通信協(xié)議的固件程序，包含了 USB Mass Storage類協(xié)議，所以實(shí)際的單片機(jī)程序只需要處理 FAT文件系統(tǒng)層，并且這一層也可以由 CH375的 U盤文件級(jí)子程序庫實(shí)現(xiàn)，因此簡化了程序的開發(fā)流程。

　　CH375的 U盤文件級(jí)子程序庫提供了 USB存儲(chǔ)設(shè)備的文件級(jí)接口，這些應(yīng)用層接口 API包含了常用的文件級(jí)操作，可以移植并嵌入到各種常用的單片機(jī)程序中，編寫程序時(shí)可以直接調(diào)用這些 API函數(shù)讀寫 U盤。單片機(jī)讀寫 U盤的程序流程如圖 3所示。

　　單片機(jī)端程序用到的主要操作函數(shù)包括：

　　(1)初始化 CH375芯片：CH375Init;

　　(2)查詢 U盤是否準(zhǔn)備好：CH375DiskReady;

　　(3)打開文件：CH375FileOpen;

　　(4)關(guān)閉文件：CH375FileClose;

　　(5)新建文件：CH375FileCreate;

　　(6)以字節(jié)為單位從文件讀數(shù)據(jù)：CH375ByteRead;

　　(7)以字節(jié)為單位向文件寫數(shù)據(jù)：CH375ByteWrite;

　　(8)以字節(jié)為單位移動(dòng)文件指針：CH375ByteLocate。

　　3.2 從機(jī)模式

　　當(dāng)圖 1中的P1口連接到PC機(jī)USB接口時(shí)，在 C8051F020單片機(jī)控制下，儀器切換到從機(jī)模式，設(shè)備可以與 PC機(jī)通訊，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

　　3.2.1 本地端的單片機(jī)軟件

　　CH375專門用于處理 USB通訊，當(dāng) CH375接收上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)或發(fā)送完給上位機(jī)的數(shù)據(jù)后，以中斷方式通知單片機(jī)。本地端單片機(jī)程序主要完成 CH375的初始化和數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，單片機(jī)控制 CH375對(duì)數(shù)據(jù)的處理過程如下：

　　1.單片機(jī)通過CH375芯片接收數(shù)據(jù)的處理步驟：

　　(1) 當(dāng) CH375接收到 USB主機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)后，首先鎖定當(dāng)前 USB緩沖區(qū)，防止被后續(xù)數(shù)據(jù)覆蓋，然后將中斷引腳設(shè)置為低電平，向單片機(jī)請(qǐng)求中斷;

　　(2) 單片機(jī)進(jìn)入中斷服務(wù)程序，執(zhí)行GET_STATUS命令獲取中斷狀態(tài);

　　(3) 在 GET_STATUS命令后將中斷引腳恢復(fù)為高電平，取消中斷;

　　(4) 判斷中斷狀態(tài)，為“下傳成功”，單片機(jī)執(zhí)行 RD_USB_DATA命令從 CH375讀取接收到的數(shù)據(jù);

　　(5) RD_USB_DATA命令完成后，釋放緩沖區(qū)，繼續(xù) USB通訊;

　　(6) 退出中斷服務(wù)程序。

　　2.單片機(jī)通過CH375芯片發(fā)送數(shù)據(jù)的處理步驟：

　　(1)單片機(jī)執(zhí)行 WR_USB_DATA命令向 CH375寫入要發(fā)送的數(shù)據(jù);

　　(2)CH375被動(dòng)地等待 USB主機(jī)在需要時(shí)取走數(shù)據(jù);

　　(3)當(dāng) USB主機(jī)取走數(shù)據(jù)后，CH375首先鎖定當(dāng)前 USB緩沖區(qū)，防止重復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)，然后將中斷引腳置低，向單片機(jī)請(qǐng)求中斷;

　　(4)單片機(jī)進(jìn)入中斷服務(wù)程序，獲取中斷狀態(tài)，然后將中斷引腳恢復(fù)高電平，取消中斷;

　　(5)判斷中斷狀態(tài)，為“上傳成功”，單片機(jī)執(zhí)行 WR_USB_DATA命令向 CH375寫入另一組要發(fā)送的數(shù)據(jù)，若沒有不執(zhí)行。

　　(6)單片機(jī)執(zhí)行 UNLOCK_USB命令，完成后釋放緩沖區(qū)，繼續(xù) USB通訊;

　　(7)退出中斷服務(wù)程序。 單片機(jī)主要在中斷中完成數(shù)據(jù)收發(fā)與處理，中斷服務(wù)程序流程圖如圖 4所示。

　　3.2.2 計(jì)算機(jī)端的軟件接口

　　CH375在計(jì)算機(jī)端提供了應(yīng)用層接口，該接口是 CH375動(dòng)態(tài)鏈接庫 DLL面向功能應(yīng)用的API，包括：設(shè)備管理API、數(shù)據(jù)傳輸API、中斷處理 API。 設(shè)計(jì)中采用 VC++6.0作為 PC端應(yīng)用軟件的開發(fā)平臺(tái)。首先在計(jì)算機(jī)上安裝 CH375器件的驅(qū)動(dòng)程序，然后將動(dòng)態(tài)鏈接庫 DLL拷貝到計(jì)算機(jī)中，最后將 DLL的訪問入口添加到 VC項(xiàng)目中，這樣就可以實(shí)現(xiàn)對(duì) USB設(shè)備的應(yīng)用程序編程。

　　4.結(jié)束語

　　本文將雙模式 USB數(shù)據(jù)傳輸方式應(yīng)用于便攜式比色計(jì)儀器中，充分體現(xiàn)了便攜、靈活和可靠的優(yōu)點(diǎn)。該設(shè)備既可以直接與 PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，工作于有計(jì)算機(jī)的實(shí)驗(yàn)室測試環(huán)境，也可以通過 U盤作為數(shù)據(jù)傳輸中介，使設(shè)備工作于在線檢測。本方案有效解決了傳統(tǒng)比色計(jì)儀器的局限，可以滿足不同測試環(huán)境的要求，并且數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方便快速，具有廣闊的應(yīng)用前景。