基于雙模式USB接口的便攜式比色計設計

　　引言：

　　目前市場上的光電比色計一般都是通過 RS232串口與計算機通信，隨著計算機技術的發展，這種接口實現已經無法滿足 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，給用戶使用帶來了諸多不便。USB接口技術憑借其易用、穩定、可擴展等優點，越來越廣泛應用于 PC機外設和便攜式系統中，為滿足客戶要求，本文設計了一種基于 USB接口的比色計儀器。該儀器可以實現 USB主機和從機兩種功能，做主機時，能實現數據的快速采集及 U盤存儲；做從機時，能實現與計算機相連。

　　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，能自動檢測 USB設備的連接與斷開，能提供設備連接和斷開的事件通知。在本地端，CH375具有 8位數據總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，可以方便地掛接到 DSP/MCU/MPU等控制器系統總線上。USB主機方式支持常用的 USB全速設備，外部單片機可以通過 CH375按照相應的協議與 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主從動態切換電路的設計

　　為了實現設備應用的靈活性，本文設計的比色計儀器采用 USB總線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，通過讀寫U盤，實現數據傳輸。在 USB總線供電方式下，儀器作為USB設備使用，直接與計算機連接。兩種模式的動態切換電路如圖 1所示。

　　P1為從機 USB接口，P2為主機模式下讀寫 U盤接口。默認狀態下，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，儀器采用 USB總線供電，SLAVE為高電平，單片機通過查詢控制使比色計儀器進入設備模式。

　　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讀寫 U盤的要求。C8051F020單片機控制 CH375的電路如圖 2所示。

　　1. 系統軟件設計

　　2. 1主機模式默認狀態下，儀器工作在主機模式，通過讀寫 U盤，存儲采集到的數據。 在單片機下開發 U盤的讀寫系統，單片機端程序要涉及較多的協議，必須能實現 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通信協議的固件程序，包含了 USB Mass Storage類協議，所以實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盤文件級子程序庫實現，因此簡化了程序的開發流程。

　　CH375的 U盤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，編寫程序時可以直接調用這些 API函數讀寫 U盤。單片機讀寫 U盤的程序流程如圖 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 U盤是否準備好：CH375DiskReady；

　　(3)打開文件：CH375FileOpen；

　　(4)關閉文件：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數據：CH375ByteWrite；

　　(8)以字節為單位移動文件指針：CH375ByteLocate。

　　3.2 從機模式

　　當圖 1中的P1口連接到PC機USB接口時，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，進行數據交換。

　　3.2.1 本地端的單片機軟件

　　CH375專門用于處理 USB通訊，當 CH375接收上位機發送的數據或發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送，單片機控制 CH375對數據的處理過程如下：

　1.單片機通過CH375芯片接收數據的處理步驟：

　　（1） 當 CH375接收到 USB主機發來的數據后，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） 單片機進入中斷服務程序，執行GET_STATUS命令獲取中斷狀態；

　　（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，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） 退出中斷服務程序。

　　2.單片機通過CH375芯片發送數據的處理步驟：

　　（1）單片機執行 WR_USB_DATA命令向 CH375寫入要發送的數據；

　　（2）CH375被動地等待 USB主機在需要時取走數據；

　　（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）單片機進入中斷服務程序，獲取中斷狀態，然后將中斷引腳恢復高電平，取消中斷；

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

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

　　（7）退出中斷服務程序。 單片機主要在中斷中完成數據收發與處理，中斷服務程序流程圖如圖 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動態鏈接庫 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端應用軟件的開發平臺。首先在計算機上安裝 CH375器件的驅動程序，然后將動態鏈接庫 DLL拷貝到計算機中，最后將 DLL的訪問入口添加到 VC項目中，這樣就可以實現對 USB設備的應用程序編程。

　　4.結束語

　　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、靈活和可靠的優點。該設備既可以直接與 PC機進行數據通訊，工作于有計算機的實驗室測試環境，也可以通過 U盤作為數據傳輸中介，使設備工作于在線檢測。本方案有效解決了傳統比色計儀器的局限，可以滿足不同測試環境的要求，并且數據存儲方便快速，具有廣闊的應用前景。