基于双模式USB接口的便携式比色计设计

引言：

目前市场上的光电比色计一般都是通过 RS232串口与计算机通信，随着计算机技术的发展，这种接口实现已经无法满足 PC与外部设备之间不断提高的速度以及稳定性、易用性等要求，给用户使用带来了诸多不便。USB接口技术凭借其易用、稳定、可扩展等优点，越来越广泛应用于 PC机外设和便携式系统中，为满足客户要求，本文设计了一种基于 USB接口的比色计仪器。该仪器可以实现 USB主机和从机两种功能，做主机时，能实现数据的快速采集及 U盘存储;做从机时，能实现与计算机相连。

1.CH375简介

CH375是一种 USB总线的通用接口芯片，支持 USB-HOST主机方式和 USB-DEVICE/SLAVE设备方式，兼容USB2.0，支持 USB的控制传输、批量传输、中断传输，能自动检测 USB设备的连接与断开，能提供设备连接和断开的事件通知。在本地端，CH375具有 8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便地挂接到 DSP/MCU/MPU等控制器系统总线上。USB主机方式支持常用的 USB全速设备，外部单片机可以通过 CH375按照相应的协议与 USB设备通讯。CH375支持 5V和 3.3V电源电压和低功耗模式。

2.双模式USB接口硬件电路设计

2.1 USB主从动态切换电路的设计

为了实现设备应用的灵活性，本文设计的比色计仪器采用 USB总线供电和外接电池供电两种方式。在默认方式下，仪器采用外接电池供电，作为 USB主机使用，通过读写U盘，实现数据传输。在 USB总线供电方式下，仪器作为USB设备使用，直接与计算机连接。两种模式的动态切换电路如图 1所示。

 

P1为从机 USB接口，P2为主机模式下读写 U盘接口。默认状态下，仪器采用外接电池电源供电，SLAVE为低电平，为主机模式;P1口接计算机时，仪器采用 USB总线供电，SLAVE为高电平，单片机通过查询控制使比色计仪器进入设备模式。

2.2 单片机控制CH375电路设计

本系统使用 C8051F020单片机作为处理器。C8051F020是Cygnal 公司推出的一种 SOC型 8位单片机，片内有 64KB FLASH存储器和4KB RAM，完全符合作为主机时读写 U盘的要求。C8051F020单片机控制 CH375的电路如图 2所示。

 

1. 系统软件设计

2. 1主机模式默认状态下，仪器工作在主机模式，通过读写 U盘，存储采集到的数据。 在单片机下开发 U盘的读写系统，单片机端程序要涉及较多的协议，必须能实现 USB的控制传输、批量传输、SCSI/UFI/RBC命令传输及 FAT文件系统等功能。CH375内置了 USB通信协议的固件程序，包含了 USB Mass Storage类协议，所以实际的单片机程序只需要处理 FAT文件系统层，并且这一层也可以由 CH375的 U盘文件级子程序库实现，因此简化了程序的开发流程。

CH375的 U盘文件级子程序库提供了 USB存储设备的文件级接口，这些应用层接口 API包含了常用的文件级操作，可以移植并嵌入到各种常用的单片机程序中，编写程序时可以直接调用这些 API函数读写 U盘。单片机读写 U盘的程序流程如图 3所示。

 

单片机端程序用到的主要操作函数包括：

(1)初始化 CH375芯片：CH375Init;

(2)查询 U盘是否准备好：CH375DiskReady;

(3)打开文件：CH375FileOpen;

(4)关闭文件：CH375FileClose;

(5)新建文件：CH375FileCreate;

(6)以字节为单位从文件读数据：CH375ByteRead;

(7)以字节为单位向文件写数据：CH375ByteWrite;

(8)以字节为单位移动文件指针：CH375ByteLocate。

3.2 从机模式

当图 1中的P1口连接到PC机USB接口时，在 C8051F020单片机控制下，仪器切换到从机模式，设备可以与 PC机通讯，进行数据交换。

3.2.1 本地端的单片机软件

CH375专门用于处理 USB通讯，当 CH375接收上位机发送的数据或发送完给上位机的数据后，以中断方式通知单片机。本地端单片机程序主要完成 CH375的初始化和数据的接收与发送，单片机控制 CH375对数据的处理过程如下：

1.单片机通过CH375芯片接收数据的处理步骤：

(1) 当 CH375接收到 USB主机发来的数据后，首先锁定当前 USB缓冲区，防止被后续数据覆盖，然后将中断引脚设置为低电平，向单片机请求中断;

(2) 单片机进入中断服务程序，执行GET_STATUS命令获取中断状态;

(3) 在 GET_STATUS命令后将中断引脚恢复为高电平，取消中断;

(4) 判断中断状态，为“下传成功”，单片机执行 RD_USB_DATA命令从 CH375读取接收到的数据;

(5) RD_USB_DATA命令完成后，释放缓冲区，继续 USB通讯;

(6) 退出中断服务程序。

2.单片机通过CH375芯片发送数据的处理步骤：

(1)单片机执行 WR_USB_DATA命令向 CH375写入要发送的数据;

(2)CH375被动地等待 USB主机在需要时取走数据;

(3)当 USB主机取走数据后，CH375首先锁定当前 USB缓冲区，防止重复发送数据，然后将中断引脚置低，向单片机请求中断;

(4)单片机进入中断服务程序，获取中断状态，然后将中断引脚恢复高电平，取消中断;

(5)判断中断状态，为“上传成功”，单片机执行 WR_USB_DATA命令向 CH375写入另一组要发送的数据，若没有不执行。

(6)单片机执行 UNLOCK_USB命令，完成后释放缓冲区，继续 USB通讯;

(7)退出中断服务程序。 单片机主要在中断中完成数据收发与处理，中断服务程序流程图如图 4所示。

 

3.2.2 计算机端的软件接口

CH375在计算机端提供了应用层接口，该接口是 CH375动态链接库 DLL面向功能应用的API，包括：设备管理API、数据传输API、中断处理 API。 设计中采用 VC++6.0作为 PC端应用软件的开发平台。首先在计算机上安装 CH375器件的驱动程序，然后将动态链接库 DLL拷贝到计算机中，最后将 DLL的访问入口添加到 VC项目中，这样就可以实现对 USB设备的应用程序编程。

4.结束语

本文将双模式 USB数据传输方式应用于便携式比色计仪器中，充分体现了便携、灵活和可靠的优点。该设备既可以直接与 PC机进行数据通讯，工作于有计算机的实验室测试环境，也可以通过 U盘作为数据传输中介，使设备工作于在线检测。本方案有效解决了传统比色计仪器的局限，可以满足不同测试环境的要求，并且数据存储方便快速，具有广阔的应用前景。