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[導(dǎo)讀]提出一種把有線的USB傳輸轉(zhuǎn)化為USB無線傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計;介紹了該USB無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的工作原理,給出無線收發(fā)主機和無線收發(fā)從機的具體硬件電路原理圖;重點闡述了nRF24LU1+的USB模塊固件程序和無線模塊程序的設(shè)計。

引 言
   
隨著個人電腦的發(fā)展、USB(Universal Seral Bus)技術(shù)日趨成熟,USB設(shè)備也以驚人的速度發(fā)展。日常生活里的數(shù)碼相機、打印機、掃描儀,醫(yī)院里的心電圖機、床邊監(jiān)護系統(tǒng),以及圖書館、超市和物流倉庫的有線條碼掃描儀等設(shè)備大都使用了USB接口的通信。但是,由于USB的電纜長度受限(一般規(guī)定低速電纜長度不超過3 m,全速電纜長度不超過5 m),為使用帶來諸多不便。為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸,彌補其電纜長度受限的不足,本文給出了基于RF24LU1+的USB接口設(shè)備的無線網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)設(shè)計方案。

1 系統(tǒng)設(shè)計
    系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。
    系統(tǒng)工作原理:首先,將無線收發(fā)主機的USB插頭插入PC機的USB插座,實現(xiàn)PC機與無線收發(fā)主機的硬件連接;同理,實現(xiàn)無線收發(fā)從機與USB設(shè)備i(i=1,…,n)的硬件連接。無線收發(fā)主/從機可以根據(jù)現(xiàn)實情況采取自供電,或從與其所連的設(shè)備獲取供電。接著,PC機實現(xiàn)對無線收發(fā)主機的USB枚舉過程;同時,無線收發(fā)從機的USB主控單元實現(xiàn)對USB設(shè)備的USB枚舉過程。枚舉結(jié)束后,建立無線網(wǎng)絡(luò)。無線收發(fā)主機和每個無線收發(fā)從機都設(shè)定一個唯一的地址,無線收發(fā)主機通過查詢方式與無線收發(fā)從機進行通信。無線網(wǎng)絡(luò)建立后,通過無線收發(fā)主/從機就可以進行USB數(shù)據(jù)流的無線通信了。

2 硬件電路設(shè)計
2.1 nRF24LU1+的芯片結(jié)構(gòu)及特點
    nRF24LU1+是Nordic半導(dǎo)體公司推出的一款將高性能的射頻收發(fā)器和單片USBdongle的功能結(jié)合起來的無線收發(fā)芯片。nRF24LU1+內(nèi)含1個增強型的8051MCU內(nèi)核、無線收發(fā)模塊、符合全速USB 2.0標(biāo)準(zhǔn)的器件控制器、2 KB的片內(nèi)SRAM、16 KB或32 KB的片內(nèi)Flash存儲器、6個通用的I/O口以及電壓調(diào)整器。nRF24LU1+顯著地增強了抗寬帶干擾和互調(diào)失真(IMD)性能。nRF24LU1+芯片需要的外部元件只是低成本的16 MHz晶振、去耦電路、匹配網(wǎng)絡(luò)和天線。VBUS(USB工作電源)工作電壓范圍4.0~5.25 V。nRF24LU1+是單片結(jié)構(gòu),外形尺寸很小(5 mm×5 mm)。
    無線收發(fā)器工作于全球開放的2.400~2.483 5 GHz頻段,收發(fā)器的通信波特率可以通過軟件設(shè)置工作于2 50 kbps、1 Mbps、2 Mbps;使用Enhanced ShockedBust技術(shù)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的自動打包/解包和傳輸處理(應(yīng)答、重傳);使用MultiCeiver技術(shù)可同時支持6個無線裝置,頻段、輸出能量和其他射頻參數(shù)可通過射頻寄存器方便地進行編程調(diào)節(jié);具有點對多點通信,并且采用AES加密技術(shù)實現(xiàn)更安全的數(shù)據(jù)傳輸;使用超低功耗(ULP)無線技術(shù),0 dBm輸出功率時典型峰值電流為11.1 mA;集成了1個穩(wěn)壓器,芯片可以直接由USB總線供電。
2.2 ISP1161的芯片結(jié)構(gòu)及特點
    ISP1161是Philips公司的一款符合USB2.0總線協(xié)議的USB接口芯片。它既帶主機控制器(HC)又帶設(shè)備控制器(DC),支持全速/低速傳輸,16位數(shù)據(jù)總線,支持3.3 V/5 V雙供電方式。ISP1161為USB主機控制器時,提供2個USB設(shè)備連接的向下端口。
2.3 帶USB接口的無線收發(fā)主機
    無線收發(fā)主機電路如圖2所示。電路由nRF24LU1+、16 MHz的晶振,以及其他元器件等構(gòu)成。nRF24LU1+中的MCU負(fù)責(zé)控制其片內(nèi)的USB模塊和無線模塊,實現(xiàn)USB數(shù)據(jù)流到無線數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)換。

2.4 帶USB接口的無線收發(fā)從機
   
無線收發(fā)從機與外部USB設(shè)備的連接電路如圖3所示。無線收發(fā)從機電路由Philips公司的ARM7處理器LPC2103和USB嵌入式主控制器ISP1161,以及nRF24LU1+和一些外圍器件構(gòu)成。LPC2103和ISP1161構(gòu)成USB的主機控制單元(HCU)。ISP1161作為主機控制器時有2個下行端口,分別連接nRF24LU1+的USB口和外部USB設(shè)備。nRF24LU1+負(fù)責(zé)無線數(shù)據(jù)流到USB數(shù)據(jù)流的傳輸。HCU負(fù)責(zé)來自nRP24LU1+的USB數(shù)據(jù)和外部LISB設(shè)備數(shù)據(jù)的傳輸。

3 USB無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)
3.1 nRF24LU1+的USB模塊固件程序設(shè)計
    USB設(shè)備的軟件開發(fā)包括PC機端的USB設(shè)備驅(qū)動程序和界面應(yīng)用程序,以及USB芯片端的芯片固件程序的開發(fā)。芯片固件程序是指運行在USB芯片內(nèi)部的程序代碼,它負(fù)責(zé)USB協(xié)議的處理和USB設(shè)備與主機的數(shù)據(jù)傳輸。芯片固件程序的開發(fā)是重點,也是難點。
3.1.1 USB設(shè)備的枚舉過程
    從終端用戶看,USB系統(tǒng)就是外設(shè)通過一根USB電纜和PC機連接起來。USB在外設(shè)和PC機之間提供通信服務(wù),通常把外設(shè)稱為“USB設(shè)備”,把其所連接的PC機稱為“USB主機”。USB使用總線枚舉操作管理USB設(shè)備的連接和斷開。以USB設(shè)備的連接為例說明枚舉過程。步驟如下:
    ①USB設(shè)備連接在主機或集線器的下行端口上,USB設(shè)備上電。
    ②USB設(shè)備的復(fù)位。主機應(yīng)提供至少10 ms的復(fù)位恢復(fù)時間。復(fù)位完成后,USB設(shè)備進入缺省狀態(tài),可使用缺省設(shè)備地址對管道0的控制事務(wù)作出響應(yīng)。
    ③主機向USB設(shè)備發(fā)出Get Descriptor (Device)請求,以取得其缺省控制管道所支持的最大數(shù)據(jù)包長度。
    ④主機向USB設(shè)備發(fā)出SetAddress請求,為其分配一個唯一的設(shè)備地址。
    ⑤主機使用新地址向USB設(shè)備發(fā)出GetDescriptor(Configuration)請求,并讀取其全部配置信息。該過程需要花費幾ms。
    ⑥主機根據(jù)設(shè)備的配置信息(如供應(yīng)商、產(chǎn)品ID等),為其選擇一個合適的設(shè)備驅(qū)動程序。通常需要由開發(fā)人員自己編寫,有時也可以使用設(shè)備類或供應(yīng)商提供的通用驅(qū)動程序。
    ⑦加載了USB設(shè)備驅(qū)動程序后,主機發(fā)出SetCon-figuration請求為該設(shè)備選擇一個合適的配置。配置成功后,枚舉結(jié)束,USB設(shè)備可以和主機進行數(shù)據(jù)傳輸了。
3.1.2 USB模塊固件程序設(shè)計
    nRF24LU1+的USB模塊由2個SFR寄存器和XDATA寄存器組來控制。USB固件程序由2部分組成:USB模塊的初始化程序和中斷服務(wù)程序。
    (1)USB模塊的初始化程序
    關(guān)閉USB中斷,調(diào)用端點初始化函數(shù)USB_endpoint_init(void)設(shè)置USB各個端點的傳輸方式、緩存區(qū)大小、中斷事件產(chǎn)生條件,調(diào)用USB服務(wù)函數(shù)USB_setvice(void)為中斷服務(wù)程序中調(diào)用做準(zhǔn)備;打開USB中斷,調(diào)用函數(shù)USB_device_connect(void)使得內(nèi)部的1.5 kΩ上拉電阻連到D+線上,實現(xiàn)全速USB設(shè)備的配置。這樣,就可以響應(yīng)主機的枚舉過程了。
    (2)USB模塊的中斷服務(wù)程序
    USB控制器提供2個中斷信號給nRF24LU1+,分別為喚醒中斷請求USBWU信號和USB中斷請求USBIRU信號。USB中斷請求USBIRQ為nRF24Lu1+的一個中斷,而USB中斷請求下又有許多中斷,包括:12個塊端點中斷、幀開始中斷(sofir)、掛起中斷(suspir)、USB復(fù)位中斷(uresir)、建立令牌中斷(sutokir)、建立數(shù)據(jù)有效中斷(sudavir)。如果多個USB中斷同時發(fā)生,USB控制器將按優(yōu)先級次序響應(yīng)。激活的中斷在中斷向量寄存器ivec中得到,例如sofir中斷時,ivec寄存器的內(nèi)容為0x04。USB中斷請求USBIRQ的部分程序代碼如下:


3.2 nRF24LU1+的無線模塊程序設(shè)計
    nRF24LU1+使用具有內(nèi)嵌的協(xié)議引擎(EnhancedShockBurst)2.4 GHz GFSK的RF收發(fā)器。EnhancedShockBurst具有自動包處理的特性,這使得實現(xiàn)可靠的雙向數(shù)據(jù)鏈接變得容易。數(shù)據(jù)包的傳輸是在兩個收發(fā)器之間進行的,其中一個作為主接收器(PRX),另一個作為主發(fā)送器(PTX)。每個數(shù)據(jù)包的傳輸都是由PTX發(fā)送數(shù)據(jù)包開始,而以PTX接收到PRX的應(yīng)答包結(jié)束。在自動包傳輸處理工作時,nRF24LU1+提供了自動應(yīng)答和重發(fā)數(shù)據(jù)的硬件機制,重發(fā)數(shù)據(jù)包的最大次數(shù)和第一次傳輸?shù)较乱淮沃貍髦g的延時均可編程設(shè)置。
    nRF24LU1+發(fā)送器在Enhanced ShockBurst情況下的工作流程如圖4所示。

    通過把RECON寄存器的rfce位置高使發(fā)送器進入PTX模式。如果在TX的FIFO緩存區(qū)有數(shù)據(jù)包,則無線收發(fā)器進入TX模式并發(fā)送這個數(shù)據(jù)包。如果自動重新傳輸使能,狀態(tài)機檢查NO_ACK標(biāo)志位是否被置位。如果被置位,RF收發(fā)器進入RX模式準(zhǔn)備接收應(yīng)答包。如果收到的應(yīng)答包為空,則只有TX_DS(傳輸數(shù)據(jù)發(fā)出)中斷請求發(fā)生。如果應(yīng)答包中包含載荷數(shù)據(jù),則在收發(fā)器返回standby-I模式之前,TX_DS和RX_DR(接收數(shù)據(jù)準(zhǔn)備)中斷請求同時發(fā)生。如果延時時間到了而收發(fā)器還沒有收到應(yīng)答包,則收發(fā)器返回到standby-II模式。在自動重新傳輸時間沒到之前,一直保持在standby-II模式。如果重傳次數(shù)沒有達(dá)到設(shè)定值,則RF收發(fā)器進入TX模式并再一次重傳最后一次的數(shù)據(jù)包;否則,會發(fā)生最大重傳MAX_RT中斷請求,并返回到standby-I模式。如果RECON寄存器的rfce位為高且TX FIFO(先入先出數(shù)據(jù)緩存區(qū))為空,則RF收發(fā)器進入standby-I模式。
    由于nRF24LU1+的無線收發(fā)模塊有強大數(shù)據(jù)硬件收發(fā)機制,編寫程序比較簡單,只需在初始化程序中對相關(guān)寄存器進行設(shè)置就可進入數(shù)據(jù)的收發(fā)。發(fā)送數(shù)據(jù)時,把待發(fā)送的數(shù)據(jù)放入發(fā)送FIFO后,收發(fā)器會按照設(shè)置進行發(fā)送,發(fā)送的情況通過中斷來通知MCU,MCU根據(jù)具體的中斷請求執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。接收數(shù)據(jù)時,收發(fā)器會不斷地搜尋有效地址,當(dāng)找到一個有效地址時,會處理剩下的數(shù)據(jù)包并通過CRC驗證數(shù)據(jù)包。如果這個包是有效的,包內(nèi)的載荷數(shù)據(jù)將被放入RX FIFO中。
    數(shù)據(jù)包的格式如下:

    無線通信程序由兩部分組成:無線通信模塊的初始化程序和中斷服務(wù)程序。
    初始化程序?qū)ぷ髂J?、傳輸速率、無線通信的工作波段頻率、RF輸出功率、地址寄存器、數(shù)據(jù)包的有效數(shù)據(jù)長度、CRC的校驗長度和RF中斷寄存器等進行相應(yīng)的設(shè)置。無線通信模塊對nRF24LU1+只占一個中斷源RFIRQ,具體是何種中斷可通過查詢STATUS寄存器中的TX_DS、RX_DR、MAX_RT位來獲得。中斷服務(wù)程序分為發(fā)送中斷服務(wù)程序、接收中斷服務(wù)程序和最大重傳中斷服務(wù)程序。

結(jié) 語
    本文提出一種運用無線收發(fā)芯片nRF24LU1+組建的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。此網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)充分利用USB和無線收發(fā)模塊各自的優(yōu)點實現(xiàn)了快速、便捷的數(shù)據(jù)傳輸,具有集成度高、體積小、保密性強、功耗低的特點。

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