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摘要:針對無線傳輸的現(xiàn)狀,介紹Cypress公司全新推出的低成本WirelessUSB LR系統(tǒng)的特性和基本結構;針對系統(tǒng)的核心芯片CYWUSB6935的特點與內部結構,為用戶提供最小系統(tǒng)的設計思想,并簡要介紹2Way網絡中無線USB的數據傳輸過程。

關鍵詞:WirelessUSB LR CYWUSB6935 2-Way網絡

  由于USB技術在最近幾年已成長為PC主流的技術標準,幾乎所有的外設都可以借助USB接口輕易地與PC機相連。2004年,包括惠普、英特爾、微軟、NEC、飛利浦半導體、三星電子在內的多家大公司成立了WUSB(無線USB)促進聯(lián)盟,旨在將USB的使用變得更加簡便——去掉電纜,實現(xiàn)無線USB技術。為了給用戶提供一種低成本的WUSB射頻系統(tǒng)解決方案,Cypress Semiconductor公司最近推出了低成本的芯片級遠距離2.4 GHz射頻系統(tǒng)——WirelessUSB LR(CYWUSB6935)方案。該方案可以在半徑50 m甚至更大的范圍內為用戶提供在眾多有線應用中快速實現(xiàn)無線連通的途徑。與Zigbee和藍牙等復雜且昂貴的無線網絡方案相比,WirelessUSB LR憑借其出色的遠程無線通信能力和低廉的系統(tǒng)成本,將無線系統(tǒng)的應用擴展到建筑與家庭自動化、工業(yè)控制、醫(yī)療檢測、傳呼系統(tǒng)和顯示設備等領域[1]。

1 WirelessUSB LR系統(tǒng)突出特性

 ?、?WirelessUSB LR作為無線系統(tǒng),很好地解決了如何在壅塞與干擾的數據傳輸環(huán)境中保持傳輸的有效性。WirelessUSB LR的雙向直接順序擴展頻譜(DSSS)編碼技術,結合預定義的虛擬雜訊碼以及機動頻道切換等技術,創(chuàng)造出一整套動態(tài)頻率調整的解決方案,其優(yōu)異的處理效率足以確保無線通信數據的傳輸效率。在硬件部分中,LC網絡的阻抗匹配能排除強度更高的(如移動電話和無繩電話等)外界信號(out?of?band),對天線的不斷改進,使得系統(tǒng)對外接信號的靈敏度達到-95 dBm。此外,低噪聲放大器與綜合器皆在極高的頻率中進行AC耦合,故能排除不同頻率的干擾信號。例如,AM調幅廣播和電視信號,在緊鄰藍牙的環(huán)境中,發(fā)生信號碰撞的比率低于1.5 %的無線傳輸時間,一旦發(fā)生碰撞,發(fā)送器必須重新傳送受影響的數據包。

   ② WirelessUSB LR作為單芯片解決方案,高度整合了系統(tǒng)的應用引擎,包括無線電接收機和數字基帶組件,既降低了成本又縮短了研發(fā)時間。外接器件只需要一套低價位的8位微控制器、振蕩晶體和一些無源組件。在應用上,WirelessUSB使用CY7C63723 enCoRe或USB控制器與USB總線構建傳輸接口,可視為SPI?to?USB橋接器,并且它不需要額外的驅動程序。對于遠程控制或機頂盒外設,該項技術消除了瞄準線操作的限制。

 ?、?無線系統(tǒng)設計里用戶十分關心電池的續(xù)航能力,不希望經常更換電池,更不希望在設備使用過程中由于電池的原因而中斷傳輸。由于大部分無線電系統(tǒng)待機時都能將耗電率降至接近于零的程度,因此降低耗電率與延長電池續(xù)航能力的關鍵就是限制傳輸數據長度。通信協(xié)議越復雜,傳輸的數據就越多。WirelessUSB LR中的通信協(xié)議能夠以極高的效率處理數據包。另一種途徑就是限制無線電發(fā)送的時間,像藍牙等解決方案,就必須定期與網絡同步,才能及時發(fā)現(xiàn)網絡中的新設備。WirelessUSB LR擁有為降低耗電率而設計的自我校正機制,使得設備待機耗電大約只有0.25 μA,輸出功率降至0 dBm。如此低的耗電率能夠提供典型無線鍵盤9個月以上的電池續(xù)航力,或者為游戲操控裝置提供100小時以上的續(xù)航力;對于普通傳感器/傳動器,電池壽命可達數年,而且硬件采用數據驅動的工作方式,在無數據傳輸時,自動進入“掛起”狀態(tài)[2]。

2 系統(tǒng)硬件CYWUSB6935芯片介紹

  CYWUSB6935是Cypress公司為配合WirelessUSB LR方案推出的低成本高集成度的2.4 GHz直接順序擴展頻譜(DSSS)射頻片上系統(tǒng)(SoC),具有可配置的雙向(接收或發(fā)送)功能。CYWUSB6935提供了完整的針對WirelessUSB LR的從串口SPI到射頻發(fā)射的調制解調方案[3]。

2.1 CYWUSB6935芯片的內部結構

  CYWUSB6935內部模塊結構如圖1所示。

  
  
              圖1CYWUSB6935內部模塊結構

  CYWUSB6935內部集成了串行數據接口(SPI)、串并/并串轉換器(SERDES)、綜合器(synthesizer)、2.4 GHz的射頻收發(fā)器,采用高斯頻移鍵控調制解調器(GFSK Modem)和直接順序擴展頻譜(DSSS)數字基帶模塊。用戶可以通過控制信號靈活地設置射頻和數字基帶部分。為了進一步優(yōu)化性能,CYWUSB6935將49個擴頻編碼調制到78個1 MHz寬度的頻率域上,從而在理論上可以為用戶提供3822個獨立的頻道,讓每個主系統(tǒng)能夠連接多組外圍設備,且通信距離可達到50 m或更遠。

2.2 CYWUSB6935的主要特點

 ?、?2.4 GHz的無線收發(fā)器工作在2.4~2.483 GHz的ISM公共頻段內。如此以來,CYWUSB6935突破了眾多27 MHz、400 MHz以及900 MHz系統(tǒng)共有的各種限制;工作于2.4 GHz公共ISM頻段的WirelessUSB LR還使用戶能夠在世界范圍內推廣使用其解決方案,而無需受地區(qū)性頻率要求的約束,從而具備了全球通用性、合理的功率規(guī)格以及更高的通信頻寬[4]。

  ② 高達0 dBm的輸出電平和低于1 μA的待機電流。CYWUSB6935內部配備了耗電率自我校正機制,從而將Wireless USB射頻設備的待機耗電降低到1 μA以下,且輸出電平壓低到0 dBm,打破了無線系統(tǒng)設計中耗電率的技術壁壘,大大延長了設備電池的續(xù)航能力。

 ?、?-95 dBm的接收靈敏度與超過50 m范圍的全方位傳輸距離。接收靈敏度的提高和傳輸距離的延伸,都確保在50 m甚至更大范圍內準確快速地獲得全方向信號,使WirelessUSB LR技術進入更遠距離的商業(yè)和工業(yè)多點對單點應用領域,從而拓展了該無線系統(tǒng)的應用市場。

 ?、?高達62.5 Kb/s的數據吞吐量和高達2 MHz傳輸頻率的SPI微機接口。CYWUSB6935可實現(xiàn)62.5 Kb/s速率的雙向或單向RF傳輸,平均延時小于10 ms;數據傳輸率達2 MHz的SPI接口可以輕松地將設備數據上傳至上位機系統(tǒng)。

 ?、?可配置的雙向直接順序擴展頻譜(DSSS)基帶相關器。借助DSSS技術,CYWUSB6935可以避免來自如2.4 GHz頻段中802.11b、藍牙(Bluetooth)等其他系統(tǒng)的信號干涉,以及來自無繩電話和微波爐的無線輻射。

 ?、?高集成、低成本的48QFN封裝,按最少外接元件要求設計,完全可以達到用戶的單片設計要求。

 ?、?片內集成30位的制造商ID、2.7~3.3 V的工作電壓和-40~85℃的工作環(huán)境,在很大程度上拓展了CYWUSB6935芯片的適用領域。

2.3 CYWUSB6935芯片引腳定義

    

                  表1引腳定義

  表1為CYWUSB6935芯片48QFN封裝的引腳定義。

3 WirelessUSB LR系統(tǒng)結構

?。?) WirelessUSB LR橋最小系統(tǒng)

  圖2中,WirelessUSB LR橋最小系統(tǒng)包括Cypress公司enCoRe系列的低成本USB控制器,和由芯片CYWUSB6935組成的射頻模塊。其中USB控制器負責控制射頻模塊的工作狀態(tài)及上位機與射頻模塊之間的數據通信,而射頻模塊主要由CYWUSB6935完成數據的無線傳輸和通信協(xié)議的解讀工作。整個系統(tǒng)采用總線供電方式,通過USB總線可以得到5 V的電壓,供USB控制器使用;經過低壓線性穩(wěn)壓器(LDO),CYWUSB6935可以得到需要的3.3 V電壓,因此系統(tǒng)無需外接電源,從而提高了適用性和便攜能力。

  

                圖2WirelessUSB LR橋最小系統(tǒng)電路

?。?) WirelessUSB LR HID最小系統(tǒng)

   如圖3所示,WIrelessUSB LR HID最小系統(tǒng)主要由一個8位微控制器(MCU)和CYWUSB6935芯片組成。微控制器主要負責外設與射頻模塊的數據傳輸,同時也可以兼顧簡單應用設備(如數據采集板和LED顯示屏)的控制工作。整個系統(tǒng)多采用電池供電方式。為了提高電池的續(xù)航能力,在沒有數據傳輸時,射頻模塊會被設置工作在休眠模式下,等待數據到來后被喚醒。

  

            圖3WirelessUSB LR HID最小系統(tǒng)電路

4 WirelessUSB LR系統(tǒng)數據傳輸過程

  WirelessUSB LR 2Way網絡中,用戶主要采用多點到一點(multipoint to point)的拓撲來組建用戶網絡。HID與Bridge之間建立有雙向數據通道,使得HID在發(fā)送數據的同時,能夠接收Bridge傳輸來的Ack/Nak信息和數據,如圖4所示。在該網絡中的所有設備都具備收發(fā)數據的功能。WirelessUSB LR 2Way網絡中允許多個應用設備同時進行無線傳輸,并且能夠以無線方式把多達127個設備連接到主機(通常是1臺PC)上,其中每個設備分時復用同一帶寬。

  

                 圖4WirelessUSB LR 2Way系統(tǒng)
  
  以下是WirelessUSB LR 2Way系統(tǒng)中,橋接器(bridge)從人機接口設備(HID)節(jié)點上接收數據的典型過程[5],其間的時序和電流變化如圖5所示。

  

                  圖5數據傳輸過程

 ?、?傳輸開始之前,橋接器和HID同處于休眠狀態(tài),13 MHz的晶體并不工作,此時待機電流小于1 μA。

  ② 當HID的MCU需要發(fā)送數據時,首先通過拉高PD引腳電壓將CYWUSB6935從休眠狀態(tài)中喚醒。此時,晶體開始工作。一旦晶體工作穩(wěn)定,CYWUSB6935通過IRQ引腳告訴MCU,它已經準備好接受串行接口(SPI)命令。

 ?、?MCU在喚醒狀態(tài)寄存器中清除喚醒中斷請求,并將設置信息寫入控制寄存器,為傳輸作好準備,同時CYWUSB6935的高頻綜合器自動開始工作,經過短暫的延時后,綜合器就可以達到穩(wěn)定狀態(tài)。此時,MCU可以將待發(fā)送數據的第一個字節(jié)下載到數據傳輸寄存器中。

 ?、?綜合器穩(wěn)定工作后,CYWUSB6935將自動發(fā)射1個比特周期的引導信號(如:10101...),用于幫助接收機鎖定發(fā)送機信號,并自動將傳輸數據寄存器中的數據下載到發(fā)射移位寄存器中,并向IRQ引腳發(fā)送“傳輸數據寄存器空”中斷。MCU使用一個字節(jié)周期(125~512 μs,其長度取決于所選擇的數據率)來下載下一個將要傳輸的數據。當新的數據寫入發(fā)射移位寄存器時,“數據空”中斷會被自動清除。

 ?、?在一段時間內,MCU通過反復查詢“傳輸數據寄存器空”中斷,不斷將待發(fā)送數據下載到發(fā)射移位寄存器中,直到整個數據包下載完畢為止。

 ?、?完成數據下載之后,MCU通過設置“發(fā)射中斷使能”寄存器使得“寄存器空”中斷無效同時使能“發(fā)射”中斷,再由CYWUSB6935射頻部分完成數據無線傳輸的工作。當發(fā)送完最后一個數據字節(jié)后,“發(fā)射”中斷被送至IRQ引腳。

 ?、?數據發(fā)送完后,MCU將CYWUSB6935設置成接收模式,準備接收從Bridge返回的表示已經順利接收到數據的“握手包”。此時,高頻綜合器會降低工作頻率(在接收模式下,綜合器被用作本地振蕩器,其頻率將會從發(fā)射頻段混頻降至2 MHz的中頻,用于解調無線信號)。

 ?、?當綜合器頻率穩(wěn)定后,CYWUSB6935準備接收橋接器的“握手包”(如果在HID的CYWUSB6935綜合器達到穩(wěn)定之前,橋接器的“握手包”就已經到達,則HID無法成功接收到“握手包”;若HID成功接收到“握手包”,一個寄存器滿信號將送至IRQ引腳)。若CYWUSB6935成功接收到了“握手包”,MCU將負責查閱該“握手包”數據,并且在接收有效寄存器中查詢數據有效標志位;如果接收到無效“握手包”,或者在特定的時間內沒有接收到有效“握手包”(握手包超時),MCU將會重新執(zhí)行之前的第③步。

  ⑨ 如果CYWUSB6935順利接收到有效“握手包”,MCU會通過控制寄存器將CYWUSB6935設置到空閑模式下。

  ⑩ 在完成所有的傳輸后,MCU可以利用PD引腳把CYWUSB6935置于休眠模式。在連續(xù)的多次傳輸過程中,在上一次所傳輸的數據末尾存在一個附加數據包,通知MCU將CYWUSB6935設置為在連續(xù)的數據傳輸間隙工作在空閑模式下,準備下一次傳輸,而無需等待其從休眠狀態(tài)中被喚醒。

結語

  WirelessUSB LR無線USB系統(tǒng)解決方案,將無線通信的優(yōu)點和傳統(tǒng)的USB接口有機地結合起來,不僅能提供較高的數據傳輸率,而且改進了數據的接入方式,使傳輸系統(tǒng)更加方便、可靠。Wireless USB LR憑借其完美的性能和低成本,可以滿足無線領域中非網絡端的需求,將成為未來無線通信的主流。

參考文獻

1 陳龍,等.可編程無線電遙控多通道開關系統(tǒng)的設計.半導體技術,2004,29(9)
2 Cypress Semiconductor. WirelessUSB LR 2.4 GHz DSSS Radio SoC. 200312
3 Cypress Semiconductor. Managing Power in Wireless USB Systems. 200402
4 Cypress Semiconductor. WirelessUSB LS Radio Module FCC Testing & Verification. 200402
5 Cypress Semiconductor. WirelessUSB 2Way HID Systems. 200401

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