基于USB的便携式硬度计数据通信的实现方法

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         O 引言

  硬度测量是工业生产,特别是材料加工工业中广泛应用的传统测试技术。便携式硬度计是一种较先进的硬度测试仪器,具有体积小、重量轻、易携带、操作方便等特点,尤其对一些大型、不可拆卸部件或精加工后要求复测硬度的零件的硬度测量特别有用。但由于一般便携式硬度计在硬件和功能等方面存在局限,所以不能满足生产过程中的复杂要求。

  基于USB总线的数据通信具有安装方便、可靠性高、数据不易丢失、抗干扰能力强、便于数据传输和处理等优点,随着USB应用日益广泛,已经逐渐成为现代数据传输的主要趋势。

  本文设计的便携式硬度计数据通信系统实现方案,将USB通信技术应用到硬度测量过程中,选用Philips公司的PDIUSBD12作为USB芯片,选用 Atmel公司的ATmega128作为MCU,利用可靠的USB数据传输,将便携式硬度计与PC机连接,由上位机完成所需功能的处理,满足了测试现场的要求。

  1 系统分析与设计

  1.1 硬度计的工作原理及实际工作要求

  硬度是表征金属在表面局部体积内抵抗形变或破裂的能力。硬度表明材料的弹性变形和塑性变形,硬度计采用冲击方式进行检测后,通过传感器将所得到的冲击量转换成电信号交由电子设备进行处理,受检材料硬度值是通过硬度计配置的冲击装置得到的。目前国际通用的硬度计量标准有洛氏、里氏、维氏、布氏等,而便携式硬度计以里氏硬度计居多。
里氏硬度值的定义如下:

  

  式中:HL为里氏硬度值;vA为冲击体距试样表面1 mm时的冲击速度;vB为冲击体距试样表面1 mm时的反弹速度。

  在使用便携式硬度计进行测量工作时,常常会对硬度测量提出一些要求,如表1所示。

 

  由于便携式硬度计数据存量相对有限、实现功能相对简单,在面对实际工作中遇到的表1所示的相对复杂需求时,存在一定局限性,很难提高测后数据处理工作效率。因此,本文提出USB数据通信方案来解决这些问题。

  1.2 便携式硬度计USB数据通信系统硬件组成

  USB(Universal Serial Bus)是一种快速、双向、同步传输、即插即用的通用串行数据传输总线,以其方便稳定、易于接入PC机、兼容性强、易于升级、成本低廉,得到了广泛应用。因此,为实现便携式硬度计与PC机的通信,选用了USB通信方式。

  便携式硬度计USB数据通信系统结构如图1所示。

  

  本方案选用微处理器ATmega128作为数据通信系统的控制器。

  ATmega128为Atmel公司推出的8位AVR微处理器,具有很高的信价比,工作时最高速度可以达到16MIPS,128 KB的FLASH、4 KB的E2PROM,足够满足方案中数据暂存的需要,另外,ATmega128具有53个可编程输入/输出口,可扩展64 KB的外部存储器,便于实现多点硬度值数据采集的硬件扩展。

  在该系统中,MCU ATmega128承担着数据采集和USB数据通信的双重任务,主要完成采集多路数字量输入、配合PC机控制USB通信电路完成硬件检测、枚举连接及数据的双向传输;控制存储电路完成数据的存取等控制功能。

  本方案选用的USB芯片PDIUSBD12是Philips公司成熟且价格低廉的产品。片内集成了高性能USB接口器件、FIFO存储器、收发器以及电压调整器等,支持USB 2.O的全速模式。

  为保证USB数据传输的效率,本方案采用离线测量,定量传送的实现方式。按工艺流程将一组产品硬度测量值临时存入MCU的存储器中,再将MCU存储器中的临时数据打包通过USB发给PC机并存入主机数据库,主机应用程序需要时对数据进行处理。

  2 软件系统实现

  本方案要解决以下三个方面的工作:一是在MCU上设计USB固件程序;二是编写上位机的USB驱动程序;三是实现上位机数据处理应用程序。

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