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1 引言 USB（Universal Serial Bus通用串行總線）是一種快速、靈活的總線接口。與其它通信接口比較，USB接口的最大特點(diǎn)是易于使用，支持熱插拔，并且所有的配置過程都由系統(tǒng)自動(dòng)完成，無需用戶干預(yù)。USB接口已成為現(xiàn)代微型計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置。 短距離無線通信，具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、安全性好、受地理?xiàng)l件限制較少、安裝施工簡便靈活等特點(diǎn)，應(yīng)用非常廣泛，如汽車遙控門鑰、無線抄表、飯店的無線點(diǎn)菜、遙控遙測(cè)、小區(qū)自動(dòng)化等等。 結(jié)合上述兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，本文提出了一種無線USB的實(shí)現(xiàn)方案，可進(jìn)行短距離數(shù)據(jù)的高速傳輸。以此為基礎(chǔ)，可快速開發(fā)出相關(guān)的短距離無線通信產(chǎn)品。 2 應(yīng)用芯片 PDIUSBD12 是一款Philips公司生產(chǎn)的高性價(jià)比USB 器件，其內(nèi)部集成有320 bit的FIFO存儲(chǔ)器、時(shí)鐘發(fā)生器、串行接口引擎（SIE）、收發(fā)器和3.3 V電壓轉(zhuǎn)換器，完全符合USB1.1版的規(guī)范，可進(jìn)行12M bit/s的數(shù)據(jù)傳輸。它還提供與微控制器進(jìn)行通信的高速通用并行接口，并支持本地的DMA傳輸。 PDIUSBD12有三個(gè)端點(diǎn)：控制端點(diǎn)、通用端點(diǎn)和主端點(diǎn)，可配置成四種模式以滿足不同的需要。片上集成一個(gè)6～48 MHz的倍頻鎖相環(huán)（PLL），允許使用6 MHz的低頻晶振，從而使電磁干擾大大減小，給PCB布線帶來了極大方便。它所提供的GoodLink接口可接LED，根據(jù)通信的狀況間歇閃爍，指示USB的連接狀況。 PDIUSBD12所具有的低掛起功耗連同LazyClock輸出，可以滿足ACPI、OnNOW和USB 電源管理的要求。低的操作功耗可以應(yīng)用于使用總線供電的外設(shè)。此外，它還集成了 SoftConnetTM、可編程時(shí)鐘輸出和終止寄存器集合等多種特性，不僅為系統(tǒng)節(jié)約了成本，而且使USB 功能在外設(shè)上的應(yīng)用變得更加容易。 nRF401是挪威Nordic公司最新推出的數(shù)傳頻段 433MHz單片無線收發(fā)一體芯片。采用FSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)，最高數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)20k bit/s，最大發(fā)射功率為+10dBm，接收靈敏度高達(dá)-105dBm，開闊地的使用距離最遠(yuǎn)可達(dá)1000m。天線接口設(shè)計(jì)為差分天線，可以采用低成本的PCB天線。該芯片為低功耗設(shè)計(jì)且支持待機(jī)模式，接受狀態(tài)下的功耗為250mA，發(fā)射狀態(tài)下的功耗為8mA，等待狀態(tài)功耗僅為8mA。它的工作電壓范圍很寬，可以從2. 7～5V。它的外圍元件很少，只包括一個(gè)基準(zhǔn)晶振和幾個(gè)無源器件，沒有調(diào)試部件，可以直接與單片機(jī)串口連接，給設(shè)計(jì)和生產(chǎn)帶來了極大的方便。 3 硬件設(shè)計(jì) 本文設(shè)計(jì)的無線USB方案的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。 微控制器MCU采用PHILIPS的P89C58UBP，具有32k EEPROM、256 Byte RAM和三個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，最高時(shí)鐘可達(dá)33MHz。MCU的串口與 nRF401的RX、TX直接相連，TXEN（發(fā)送接收控制）、PWR_UP(芯片掛起)、CS（發(fā)射頻率選擇）分別由MCU的I/O腳控制。 PDIUSBD12接在MCU的數(shù)據(jù)總線上，中斷引腳/INT接在MCU的中斷輸入上。PDIUSBD12會(huì)對(duì)USB總線上的數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行處理，將事件寫入自身的中斷寄存器，并拉低/INT通知MCU。MCU響應(yīng)中斷，并讀取中斷寄存器的內(nèi)容進(jìn)行判斷處理。如果是要求數(shù)據(jù)發(fā)送，則將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)往nRF401，由其發(fā)射出去。同樣nRF401接收到數(shù)據(jù)后觸發(fā)串口中斷， MCU響應(yīng)中斷將數(shù)據(jù)送入U(xiǎn)SB總線。整套系統(tǒng)使用USB總線供電。 4 軟件設(shè)計(jì) 該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括P89C58UBP中的固件設(shè)計(jì)和微機(jī)端的通信軟件設(shè)計(jì)。其中，固件部分的流程圖如圖2所示。 后臺(tái)D12中斷服務(wù)程序和nRF401中斷服務(wù)程序與前臺(tái)主循環(huán)程序之間的數(shù)據(jù)交換，通過事件標(biāo)志和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)來實(shí)現(xiàn)。后臺(tái)中斷服務(wù)程序由中斷觸發(fā)，通過標(biāo)志位與主模塊通信。主模塊循環(huán)掃描各標(biāo)志位，對(duì)相應(yīng)的標(biāo)志位做出處理。例如，nRF401 接受到有效數(shù)據(jù)后，送入串口觸發(fā)串口中斷，進(jìn)入nRF401中斷服務(wù)程序，將數(shù)據(jù)接收后放入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，然后設(shè)置UART_DATA標(biāo)志，退出子模塊。主模塊查詢到UART_DATA被置位，則調(diào)用 writendpoint（）程序?qū)?shù)據(jù)發(fā)往PC。 值得注意的是，nRF401在接受狀態(tài)下即使沒有數(shù)據(jù)接受，也會(huì)有隨機(jī)碼輸出。因此需要在所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)前加入標(biāo)識(shí)頭，如55AAH。當(dāng)檢測(cè)到從串口進(jìn)入的數(shù)據(jù)為55AAH時(shí)，再開始有效數(shù)據(jù)的接受。 對(duì)PC而言，無線USB傳輸模塊是它的一個(gè)USB外設(shè)，因此必須提供USB設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)采用WDM模型，使用DriverStudio 進(jìn)行開發(fā)。DriverStudio是一款優(yōu)秀的驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)軟件。啟動(dòng)DriverStudio中DriverWizard，填寫USB設(shè)備的端點(diǎn)配置，便會(huì)自動(dòng)生成驅(qū)動(dòng)程序原代碼和相應(yīng)的測(cè)試程序原代碼，只需稍做改動(dòng)便可用VC6.0編譯運(yùn)行[5]。驅(qū)動(dòng)程序向用戶程序提供標(biāo)準(zhǔn)的IO接口：WriteFile ()、 ReadFile() 、DeviceIoControl ()。用戶程序調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)USB設(shè)備的訪問。下面的例子是實(shí)現(xiàn)向USB總線寫數(shù)據(jù)的功能。 hFile = open_file(threadParam->pipe_name); //打開需要使用的端點(diǎn) …… bResult = WriteFile(hFile, threadParam->pcIoBuffer, //等待傳送的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)地址 threadParam->uiLength, //數(shù)據(jù)長度 &nBytes, NULL); //向該端點(diǎn)寫入數(shù)據(jù) if (bResult != TRUE) { //出錯(cuò)處理 DeviceIoControl(hFile, //復(fù)位該端點(diǎn) IOCTL_D12_RESET_PIPE, 0, 0, 0, 0, &nBytes, NULL);} 編程過程中要注意串口波特率要一致，否則會(huì)造成接受數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。nRF401周圍的布線和天線的設(shè)計(jì)很有講究，一定要按照手冊(cè)的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。 |
