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。
2.1 USB固件程序
固件设计主要完成设备枚举、主机与设备的数据交换、设备端的数据处理和控制等工作，固件程序设计成前后台模式，把设备端数据处理和控制作为MCU的前台任务，枚举及枚举成功之后的USB数据交换放在后台进行。实现设备与主机以最大的传输速率通信。
设计时将USB端口1和端口2定义为普通输入/输出类型，对应于PDIUSBD12的模式0。控制端口0完成响应USB标准请求的功能，输入端口用于把数据采集电路采集并打包的硬度值数据送给USB主机，输出端口接收USB主机发送的包。
PDIUSBD12从USB收到一个数据包，就对MCU产生一个中断请求，MCU立即响应中断，中断服务子程序用来处理由PDIUSBD12引发的中断，它将数据从PDIUSBD12的FIFO中取回到MCU存储器中。各端点中断处理程序如下：
在各端点的中断处理程序中，MCU主要是通过对PDIUSBD12端点缓冲区写入或读取数据包来完成处理过程的，其流程如图2和图3所示。
