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1 引言 USB(universal serial bus，通用串行總線)作為一個計算機與外設之間的接口方案，因其具有使用方便、傳輸速度快、端口易擴展等特點，已經逐步擴展應用到了消費電子、移動通信、家庭網絡、工業控制以及儀器儀表等諸多領域。鍵盤、鼠標、數碼相機、音箱、閃存盤無不通過USB與電腦相連，目前每個月有1億多的USB接口芯片出貨量。 現有的USB接口通常都是有線的，這給使用帶來一定的不便。隨著近距離無線通信技術的發展，無線USB(WirelessUSB。簡稱WUSB)技術得到了較大發展，例如，基于UWB(ultra wide band)的WUSB帶寬可達480Mbps。 WUSB是2004英特爾春季技術峰會提出的一個全新無線傳輸標準，目的是采用無線的方式收發信號，消除計算機和外設之間的線纜，但計算機和外設這兩端依然以USB的方式工作。在該標準中，WUSB可認為是應用層的技術，在應用層和物理層之間。加入了匯聚層(類似于鏈路層)WiMedia，提供了一個公共無線平臺。應用層除WUSB外，還可以是無線1394，或疊加各種軟件，以便滿足三種網絡客戶的不同需求，實現3C網的融合。因此，WUSB具有廣泛應用前途。 本文提出了一種基于NRF24LU1芯片無線USB模塊的解決方案。 2 無線USB模塊結構和原理 無線USB模塊結構如圖1所示，它包括USB接口、USB控制器、MCU、射頻模塊、射頻匹配電路及天線六個部分組成。其中，USB控制器主要是負責把MCU發來的數據進行USB協議封裝和USB數據進行控制，及對USB數據解析后轉發到MCU；MCU負責對射頻芯片和USB控制器的控制，實習模塊總功能的實現；射頻模塊和射頻匹配電路主要負責無線數據的發送和采集。 
圖1 無線USB結構圖 對于無線USB模塊的實現，可以有以下方案：(1)三芯片實現。分別利用USB控制器芯片、單片機和射頻芯片實現，如用CP2 102+MCu+NRF905；(2)兩芯片實現。利用已經集成了USB控制器的單片機芯片和射頻芯片實現，如利用MSP430+CC2400；或用USB控制器芯片和射頻單片機芯片實現，如用CP2102+NRF24E1；(3)單芯片實現。用集成好的芯片實現，如NORDIC公司的NRF24LU1。 三個方案中，方案(1)(2)的成本比較高，而且模塊體積會比較大，方案(3)中，由于芯片是專門針對于無線USB模塊設計的，只要用單芯片就可以組成無線USB模塊．該方案的無線USB模塊成本只要30塊左右，同時體積可以達到10mmx 20mm，能很方便集成到現有的USB設備中或者直接外接在現有的USB設備外。所以本文以方案(3)作為討論。 3 NRF24LU1 內部結構和工作原理 NRF24LU1是NORDIC公司在07年推出的一款專門針對于無線USB實現的芯片，其內部控制器采用MCS 51指令設計，但其減少了指令周期，達到傳統8051的12陪；16k字節的flash和2k片上SRAM；接口包括通用10口、主從SPI接口、UART、和USB口，其中USB控制器是全速USB2．0控制器；2．4GHz的射頻傳輸模塊，傳輸速度可以為1MHz或2MHz，對于其作為無線USB應用有很好的傳輸速度保證，同時其包括自動回復和重傳功能。 NRF24LU1里面集成了電壓轉換模塊，可以直接由USB供電，不用再加電壓轉換芯片。無線USB模塊硬件結構主要有一下幾部分組成：匹配電路、USB接口和時鐘輸入接口電路。對于NRF24LU1芯片。其天線負載阻抗為，所以要通過天線匹配網絡，使特征阻抗匹配成，使其能和通用天線匹配，電路如圖2。
圖2 無線模塊電路圖 由于模塊傳輸速率為2.4Gbit/s，在其布線和做板的時候要注意阻抗等問題。濾波電容盡可能接近芯片電源腳，同時對于射頻電路，元件放置應該緊密放置，以減少線電感的增加，同時為了接地良好，上下板層應該敷銅接地，并利用適當多的過孔連接兩個底層。建議板層為兩層，只有單層放元件，敷銅接地，其中板厚為1.6mm，材料FR-4，介質常數4．2。 4 系統軟件設計 無線USB模塊主要包括兩方面，一是USB數據采集；二是無線傳輸。在讀USB數據中。USB數據由USB控制器處理后，保存到RAM里面，再由MCU通過SPI總線發送到無線傳輸緩沖器，冉發送出去；而對于發送USB數據，過程相反。 NRF24LU1對于輸入輸出數據的USB獨立終端允許5種不同的應用，如鼠標、鍵盤、移動控制，游戲和玩具，同時其總支持14個端點和4種傳輸方式，端點0支持控制傳輸，端點1到5(輸入輸出)支持批量傳輸和中斷傳輸，端點8(輸入輸出)支持同步傳輸。 控制傳輸用于在外設初次連接時對器件進行配置；對外設的狀態進行實時檢測；對控制命令的傳送等；也可以在器件配置完成后被客戶軟件用于其它目的。其包括兩或三個階段：建立階段、數據階段(可選)和狀態階段。在寫操作時，終端收到建立申請后，USB控制器設置握手標志和建立申請中斷請求標志，如果數據接收正確，USB控制器則設置數據接收中斷請求標志。建立后，終端收到輸出請求，則開始傳輸數據，傳輸完后設置輸出終端請求標志。狀態階段在最后的操作序列中。對于讀操作，過程跟寫操作基本相同，它們只有在數據傳輸階段中有些不同。在數據階段，當確認host數據包后，設置輸入0端點中斷請求和開始把數據放到緩沖器里面，在緩沖數據的時候，設置輸入0端點緩沖器忙標志，緩沖完后清除該標志。 批量傳送用于進行批量的、非實時的數據傳輸；中斷傳輸模式，對于那些小批量的、點式、非連續的數據傳輸應用的場合，如用于人機交互的鼠標、鍵盤、游戲桿等，中斷傳輸的方式是最適合的。他們包括兩或三個階段：請求包、數據包和握手包(可選)。在批蕈輸入過程中，host發送一個IN數據請求去接收批量數據。如果輸入忙標志有效，USB控制器回復一個數據包，如果host收到有效數據，則回復一個ACK握手。當終端從host收到ACK握手后，USB控制器設置中端請求標志和清除忙標志。MCU服務終端請求，當數據是有效，則數據開始進入數據緩沖器中，并設置忙標志，并開始重復上面過程。在批量輸出過程中，當host想輸出批量數據，其發送OUT請求數據包。ACK握手信號返回到host，當USB控制器收到數據的時候，設置輸出中斷標志，并開始輸出數據，并設置輸出忙標志。 同步傳輸適用于那嶼要求資料連續地、實時地、以固定的數據傳輸率產生、傳送并消耗的場合，如數字錄像機等。其不用握手確定．同時，其數據包中的DATA0和DATA1作為PID，用于標識不同的數據包。USB控制器在每次傳輸中都自動捆綁PID。 系統流程圖如下圖3：
圖3 系統流程圖 其中，USB初始化包括一下步驟：配置USB數據包結構；初始化USB描述，初始化成你要實現的USB類型，可以設置5種不同的類型；選擇語言；設置狀態寄存器；設置ACK要求；設置USB中斷；設置USB RAM；選擇USB應用的終端類型。 如果USB類型選擇了鍵盤或者鼠標，要初始化無線桌面協議，如選擇鍵盤協議，則用wdp_device_init(WDP_KEYBOARD)函數把無線桌面協議初始成鍵盤模式。 無線模塊初始化包括：MCU和無線模塊SPI接口有效；數據傳輸信道選擇；設置數據傳輸速度；FIFO大小設置；發送和接收功率設置；自動回復確認和重發次數設定等。 當USB數據到來的時候，模塊首先讀取端點狀態并選擇終端輸入傳輸端點．判斷緩沖器數據是否已經滿，如果未滿，則接收并知道緩沖器滿并置緩沖器忙，并把緩沖器數據傳送到無線FIFO并發送到接收模塊，當數據發送完并接收到確定后，USB控制器把忙標志清楚，在接收USB數據。其工作流程圖如下圖4。
圖4 USB數據輸入處理流程圖 當模塊接收到無線數據的時候，MCU通過SPI接口把FIFO的數據放到USB發送緩沖器罩，設置USB端點狀態，并處理與控制輸出相關的USB標準請求和USB HID設備類請求，發送USB數據，USB數據發送完畢后，通過無線發送確定信號，并再次接收無線數據，如果之前數據還沒有發送完的，不用再進行USB請求等設置，以減少處理時間。 由于USB協議的交互時間有嚴格的要求，所以無線數據和數據處理中，延時不能太長；USB 2．0協議。其支持三種設備：低速、全速、高速，而對于NRF24LU1芯片．由于其無線傳輸速限制，所以無線USB模塊只能工作在低速和全速。 5 結語 USB接口是計算機的基本配置，是最常用的計算機和外設的通信接口。WUSB是近距離無線通信的重要應用．可以消除計算機和外設的連線，給使用帶來很大的方便，因此WUSB應用模塊將會用很大的發展空間。本文基于NORDIC公司新推出的NRF24LU1芯片，更好的解決了USB無線應用，其減少了現有無線USB的尺寸和成本，同時提高了無線USB性能和安全性，有一定應用前景。 本文作者創新點：本文基于NRF24LU1單芯片實現無線USB模塊，減少了多芯片模塊的成本和體積，更利于無線USB模塊的推廣。 作者：丁寶國，陸以勤 來源：《微計算機信息》(嵌入式與SOC)2009年第7-2期 |
