基于雙模式USB接口的便攜式比色計設計

作者:中國電子網 日期:2021-01-12 22:22:58 人氣: 欄目:單片機

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。

本文標簽: usb接口雙模式比色計

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