基于雙模式USB接口的便攜式比色計設計

　　引言：

　　目前市場(chǎng)上的光電比色計一般都是通過(guò) RS232串口與計算機通信，隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展，這種接口實(shí)現已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足 PC與外部設備之間不斷提高的速度以及穩定性、易用性等要求，給用戶(hù)使用帶來(lái)了諸多不便。USB接口技術(shù)憑借其易用、穩定、可擴展等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越廣泛應用于 PC機外設和便攜式系統中，為滿(mǎn)足客戶(hù)要求，本文設計了一種基于 USB接口的比色計儀器。該儀器可以實(shí)現 USB主機和從機兩種功能，做主機時(shí)，能實(shí)現數據的快速采集及 U盤(pán)存儲;做從機時(shí)，能實(shí)現與計算機相連。

　　1.CH375簡(jiǎn)介

　　CH375是一種 USB總線(xiàn)的通用接口芯片，支持 USB-HOST主機方式和 USB-DEVICE/SLAVE設備方式，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設備的連接與斷開(kāi)，能提供設備連接和斷開(kāi)的事件通知。在本地端，CH375具有 8位數據總線(xiàn)和讀、寫(xiě)、片選控制線(xiàn)以及中斷輸出，可以方便地掛接到 DSP/MCU/MPU等控制器系統總線(xiàn)上。USB主機方式支持常用的 USB全速設備，外部單片機可以通過(guò) CH375按照相應的協(xié)議與 USB設備通訊。CH375支持 5V和 3.3V電源電壓和低功耗模式。

　　2.雙模式USB接口硬件電路設計

　　2.1 USB主從動(dòng)態(tài)切換電路的設計

　　為了實(shí)現設備應用的靈活性，本文設計的比色計儀器采用 USB總線(xiàn)供電和外接電池供電兩種方式。在默認方式下，儀器采用外接電池供電，作為 USB主機使用，通過(guò)讀寫(xiě)U盤(pán)，實(shí)現數據傳輸。在 USB總線(xiàn)供電方式下，儀器作為USB設備使用，直接與計算機連接。兩種模式的動(dòng)態(tài)切換電路如圖 1所示。

　　P1為從機 USB接口，P2為主機模式下讀寫(xiě) U盤(pán)接口。默認狀態(tài)下，儀器采用外接電池電源供電，SLAVE為低電平，為主機模式;P1口接計算機時(shí)，儀器采用 USB總線(xiàn)供電，SLAVE為高電平，單片機通過(guò)查詢(xún)控制使比色計儀器進(jìn)入設備模式。

　　2.2 單片機控制CH375電路設計

　　本系統使用 C8051F020單片機作為處理器。C8051F020是Cygnal 公司推出的一種 SOC型 8位單片機，片內有 64KB FLASH存儲器和4KB RAM，完全符合作為主機時(shí)讀寫(xiě) U盤(pán)的要求。C8051F020單片機控制 CH375的電路如圖 2所示。

　　1. 系統軟件設計

　　2. 1主機模式默認狀態(tài)下，儀器工作在主機模式，通過(guò)讀寫(xiě) U盤(pán)，存儲采集到的數據。 在單片機下開(kāi)發(fā) U盤(pán)的讀寫(xiě)系統，單片機端程序要涉及較多的協(xié)議，必須能實(shí)現 USB的控制傳輸、批量傳輸、SCSI/UFI/RBC命令傳輸及 FAT文件系統等功能。CH375內置了 USB通信協(xié)議的固件程序，包含了 USB Mass Storage類(lèi)協(xié)議，所以實(shí)際的單片機程序只需要處理 FAT文件系統層，并且這一層也可以由 CH375的 U盤(pán)文件級子程序庫實(shí)現，因此簡(jiǎn)化了程序的開(kāi)發(fā)流程。

　　CH375的 U盤(pán)文件級子程序庫提供了 USB存儲設備的文件級接口，這些應用層接口 API包含了常用的文件級操作，可以移植并嵌入到各種常用的單片機程序中，編寫(xiě)程序時(shí)可以直接調用這些 API函數讀寫(xiě) U盤(pán)。單片機讀寫(xiě) U盤(pán)的程序流程如圖 3所示。

　　單片機端程序用到的主要操作函數包括：

　　(1)初始化 CH375芯片：CH375Init;

　　(2)查詢(xún) U盤(pán)是否準備好：CH375DiskReady;

　　(3)打開(kāi)文件：CH375FileOpen;

　　(4)關(guān)閉文件：CH375FileClose;

　　(5)新建文件：CH375FileCreate;

　　(6)以字節為單位從文件讀數據：CH375ByteRead;

　　(7)以字節為單位向文件寫(xiě)數據：CH375ByteWrite;

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

　　3.2 從機模式

　　當圖 1中的P1口連接到PC機USB接口時(shí)，在 C8051F020單片機控制下，儀器切換到從機模式，設備可以與 PC機通訊，進(jìn)行數據交換。

　　3.2.1 本地端的單片機軟件

　　CH375專(zhuān)門(mén)用于處理 USB通訊，當 CH375接收上位機發(fā)送的數據或發(fā)送完給上位機的數據后，以中斷方式通知單片機。本地端單片機程序主要完成 CH375的初始化和數據的接收與發(fā)送，單片機控制 CH375對數據的處理過(guò)程如下：

　　1.單片機通過(guò)CH375芯片接收數據的處理步驟：

　　(1) 當 CH375接收到 USB主機發(fā)來(lái)的數據后，首先鎖定當前 USB緩沖區，防止被后續數據覆蓋，然后將中斷引腳設置為低電平，向單片機請求中斷;

　　(2) 單片機進(jìn)入中斷服務(wù)程序，執行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為高電平，取消中斷;

　　(4) 判斷中斷狀態(tài)，為“下傳成功”，單片機執行 RD_USB_DATA命令從 CH375讀取接收到的數據;

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

　　(6) 退出中斷服務(wù)程序。

　　2.單片機通過(guò)CH375芯片發(fā)送數據的處理步驟：

　　(1)單片機執行 WR_USB_DATA命令向 CH375寫(xiě)入要發(fā)送的數據;

　　(2)CH375被動(dòng)地等待 USB主機在需要時(shí)取走數據;

　　(3)當 USB主機取走數據后，CH375首先鎖定當前 USB緩沖區，防止重復發(fā)送數據，然后將中斷引腳置低，向單片機請求中斷;

　　(4)單片機進(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高電平，取消中斷;

　　(5)判斷中斷狀態(tài)，為“上傳成功”，單片機執行 WR_USB_DATA命令向 CH375寫(xiě)入另一組要發(fā)送的數據，若沒(méi)有不執行。

　　(6)單片機執行 UNLOCK_USB命令，完成后釋放緩沖區，繼續 USB通訊;

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

　　3.2.2 計算機端的軟件接口

　　CH375在計算機端提供了應用層接口，該接口是 CH375動(dòng)態(tài)鏈接庫 DLL面向功能應用的API，包括：設備管理API、數據傳輸API、中斷處理 API。 設計中采用 VC++6.0作為 PC端應用軟件的開(kāi)發(fā)平臺。首先在計算機上安裝 CH375器件的驅動(dòng)程序，然后將動(dòng)態(tài)鏈接庫 DLL拷貝到計算機中，最后將 DLL的訪(fǎng)問(wèn)入口添加到 VC項目中，這樣就可以實(shí)現對 USB設備的應用程序編程。

　　4.結束語(yǔ)

　　本文將雙模式 USB數據傳輸方式應用于便攜式比色計儀器中，充分體現了便攜、靈活和可靠的優(yōu)點(diǎn)。該設備既可以直接與 PC機進(jìn)行數據通訊，工作于有計算機的實(shí)驗室測試環(huán)境，也可以通過(guò) U盤(pán)作為數據傳輸中介，使設備工作于在線(xiàn)檢測。本方案有效解決了傳統比色計儀器的局限，可以滿(mǎn)足不同測試環(huán)境的要求，并且數據存儲方便快速，具有廣闊的應用前景。