O 引言
硬度測量是工業生產，特別是材料加工工業中廣泛應用的傳統測試技術。便攜式硬度計是一種較先進的硬度測試儀器，具有體積小、重量輕、易攜帶、操作方便等特點，尤其對一些大型、不可拆卸部件或精加工后要求復測硬度的零件的硬度測量特別有用。但由于一般便攜式硬度計在硬件和功能等方面存在局限，所以不能滿足生產過程中的復雜要求。
基于USB總線的數據通信具有安裝方便、可靠性高、數據不易丟失、抗干擾能力強、便于數據傳輸和處理等優點，隨著USB應用日益廣泛，已經逐漸成為現代數據傳輸的主要趨勢。
本文設計的便攜式硬度計數據通信系統實現方案，將USB通信技術應用到硬度測量過程中，選用Philips公司的PDIUSBD12作為USB芯片，選用 Atmel公司的ATmega128作為MCU，利用可靠的USB數據傳輸，將便攜式硬度計與PC機連接，由上位機完成所需功能的處理，滿足了測試現場的要求。
1 系統分析與設計
1.1 硬度計的工作原理及實際工作要求
硬度是表征金屬在表面局部體積內抵抗形變或破裂的能力。硬度表明材料的彈性變形和塑性變形，硬度計采用沖擊方式進行檢測后，通過傳感器將所得到的沖擊量轉換成電信號交由電子設備進行處理，受檢材料硬度值是通過硬度計配置的沖擊裝置得到的。目前國際通用的硬度計量標準有洛氏、里氏、維氏、布氏等，而便攜式硬度計以里氏硬度計居多。
里氏硬度值的定義如下：
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式中：HL為里氏硬度值;vA為沖擊體距試樣表面1 mm時的沖擊速度;vB為沖擊體距試樣表面1 mm時的反彈速度。
在使用便攜式硬度計進行測量工作時，常常會對硬度測量提出一些要求，如表1所示。
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由于便攜式硬度計數據存量相對有限、實現功能相對簡單，在面對實際工作中遇到的表1所示的相對復雜需求時，存在一定局限性，很難提高測后數據處理工作效率。因此，本文提出USB數據通信方案來解決這些問題。
1.2 便攜式硬度計USB數據通信系統硬件組成
USB(Universal Serial Bus)是一種快速、雙向、同步傳輸、即插即用的通用串行數據傳輸總線，以其方便穩定、易于接入PC機、兼容性強、易于升級、成本低廉，得到了廣泛應用。因此，為實現便攜式硬度計與PC機的通信，選用了USB通信方式。
便攜式硬度計USB數據通信系統結構如圖1所示。
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本方案選用微處理器ATmega128作為數據通信系統的控制器。
ATmega128為Atmel公司推出的8位AVR微處理器，具有很高的信價比，工作時最高速度可以達到16MIPS，128 KB的FLASH、4 KB的E2PROM，足夠滿足方案中數據暫存的需要，另外，ATmega128具有53個可編程輸入/輸出口，可擴展64 KB的外部存儲器，便于實現多點硬度值數據采集的硬件擴展。
在該系統中，MCU ATmega128承擔著數據采集和USB數據通信的雙重任務，主要完成采集多路數字量輸入、配合PC機控制USB通信電路完成硬件檢測、枚舉連接及數據的雙向傳輸;控制存儲電路完成數據的存取等控制功能。
本方案選用的USB芯片PDIUSBD12是Philips公司成熟且價格低廉的產品。片內集成了高性能USB接口器件、FIFO存儲器、收發器以及電壓調整器等，支持USB 2.O的全速模式。
為保證USB數據傳輸的效率，本方案采用離線測量，定量傳送的實現方式。按工藝流程將一組產品硬度測量值臨時存入MCU的存儲器中，再將MCU存儲器中的臨時數據打包通過USB發給PC機并存入主機數據庫，主機應用程序需要時對數據進行處理。
2 軟件系統實現
本方案要解決以下三個方面的工作：一是在MCU上設計USB固件程序;二是編寫上位機的USB驅動程序;三是實現上位機數據處理應用程序。
2.1 USB固件程序
固件設計主要完成設備枚舉、主機與設備的數據交換、設備端的數據處理和控制等工作，固件程序設計成前后臺模式，把設備端數據處理和控制作為MCU的前臺任務，枚舉及枚舉成功之后的USB數據交換放在后臺進行。實現設備與主機以最大的傳輸速率通信。
設計時將USB端口1和端口2定義為普通輸入/輸出類型，對應于PDIUSBD12的模式0。控制端口0完成響應USB標準請求的功能，輸入端口用于把數據采集電路采集并打包的硬度值數據送給USB主機，輸出端口接收USB主機發送的包。
PDIUSBD12從USB收到一個數據包，就對MCU產生一個中斷請求，MCU立即響應中斷，中斷服務子程序用來處理由PDIUSBD12引發的中斷，它將數據從PDIUSBD12的FIFO中取回到MCU存儲器中。各端點中斷處理程序如下：
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在各端點的中斷處理程序中，MCU主要是通過對PDIUSBD12端點緩沖區寫入或讀取數據包來完成處理過程的，其流程如圖2和圖3所示。
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