基于nRF24L01的無線USB控制系統(tǒng)

    摘要：當(dāng)前無線通信與單片機(jī)智能控制技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，與日常生活應(yīng)用的結(jié)合已經(jīng)成為一大趨勢?；诙叹嚯x無線收發(fā)芯片nRF24-L01，以單片機(jī)STC89C58RD+為微控制器，結(jié)合USB控制芯片PDIUSBDl2，設(shè)計了一套滿足實際應(yīng)用要求的無線USB控制系統(tǒng)。無線USB控制系統(tǒng)分由3個部分組成：PC、無線USB控制器和多個終端節(jié)點，文章闡述了系統(tǒng)的功能以及無線USB控制器和多個終端節(jié)點的軟硬件設(shè)計方案。該系統(tǒng)只需對終端節(jié)點進(jìn)行擴(kuò)展就可應(yīng)用于不同場合，具有擴(kuò)展性強(qiáng)、使用方便等優(yōu)點。
關(guān)鍵詞：無線通信；nRF24L01；STC89C58RD+；USB；PDIUSBDl2

0 引言
    當(dāng)今，無線技術(shù)飛速發(fā)展，應(yīng)用的領(lǐng)域越來越廣，與有線技術(shù)相比，無線技術(shù)具有方便、靈活、減少布線施工難度、降低成本等優(yōu)點。本文闡述了無線USB控制系統(tǒng)的組成、功能和設(shè)計方法，系統(tǒng)由PC、無線USB控制器和多個終端節(jié)點組成，本文分別給出了實現(xiàn)無線USB控制器和終端節(jié)點的一種方案：無線USB控制器的方案是以單片機(jī)STC89C58RD+為微控制器，基于Nordic公司的2．4GHz的無線收發(fā)芯片nRF24L01，結(jié)合Philips公司的PDISUBDl20D USB控制芯片來實現(xiàn)的；終端節(jié)點的方案是以STC89C58RD+為微控制器，基于nRF24L01無線收發(fā)芯片和根據(jù)需求的實際應(yīng)用電路來實現(xiàn)的。

1 系統(tǒng)組成及其實現(xiàn)方案
1．1 系統(tǒng)描述
    如圖1，無線USB控制系統(tǒng)的組成包括PC、無線USB控制器和終端節(jié)點(n個)。PC和無線USB控制器之間通過USB接口進(jìn)行通信，在PC端，用VC++開發(fā)應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)對無線USB控制器進(jìn)行控制，無線USB控制器和各個終端節(jié)點通過無線收發(fā)芯片nRF24L01實現(xiàn)無線通信。

1．2 系統(tǒng)實現(xiàn)方案
1．2．1 無線USB控制器實現(xiàn)方案
    無線USB控制器實現(xiàn)方案如圖2所示，主要包括微控制器STC289C58RD+、USB控制芯片PDIUSBD12和無線模塊nRF24L01 Module。STC89C58-RD+內(nèi)含32KB程序存儲器、1280B RAM和16KB E2PROM，E2PROM可用來存儲終端節(jié)點的地址及需要掉電存儲的其他數(shù)據(jù)，32KB程序存儲器和1280B RAM可以滿足絕大多數(shù)應(yīng)用需求。USB控制芯片PDIUSBD12是一個性能優(yōu)化的USB控制器件，完全符合USBl．1規(guī)范，支持本地DMA傳輸，用于基于微控制器的系統(tǒng)。USBl．1最大支持的傳輸速度是12Mb／s，比一般的PC接口速度都快，足夠滿足無線USB控制系統(tǒng)的應(yīng)用。無線模塊部分采用Nordic公司的nRF24L01單片射頻收發(fā)芯片，該芯片工作于2．400～2．4835GHz的ISM(工業(yè)、醫(yī)學(xué)和科學(xué))頻段，工作電壓為1．9～3．6V，有多達(dá)126個頻道可供選擇，支持多點間通信，最高速率達(dá)2Mb／s，內(nèi)置鏈路層，減少了MCU的復(fù)雜性和成本，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，而且只需少量的外圍元件便可組成射頻收發(fā)電路，具有體積小、功耗低、性價比高等優(yōu)點。

1．2．2 終端節(jié)點實現(xiàn)方案
    終端節(jié)點實現(xiàn)方案如圖3所示，主要包括微控制器STC89C58RD+、無線模塊nRF24L01 Module和實際應(yīng)用需求的擴(kuò)展電路。STC89C58RD+微控制器和nRF24L01無線模塊構(gòu)成終端節(jié)點與無線USB控制器之間無線通信的基礎(chǔ)，終端節(jié)點的擴(kuò)展電路是根據(jù)實際應(yīng)用需求來設(shè)計的，如應(yīng)用于溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，則擴(kuò)展電路應(yīng)是溫度傳感器的電路，終端節(jié)點的靈活設(shè)置使得整個系統(tǒng)可以滿足多種應(yīng)用場合的需求。

2 系統(tǒng)的硬件部分
2．1 nRY24L0l無線模塊原理圖
    nRF24L01是挪威Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發(fā)芯片，20個引腳4mm×4mm QFN封裝，內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，采用Enhanced ShockBurst技術(shù)，使用SPI接口與微控制器通信，速率為O～8Mb／s，配置方便。nRF24L01適用于無線數(shù)據(jù)通信、無線個人電腦外設(shè)、無線報警及安全系統(tǒng)、無線開鎖、無線監(jiān)測、家庭自動化和玩具等諸多領(lǐng)域。關(guān)于該芯片的具體功能和工作模式及其編程過程請參照參考文獻(xiàn)。該模塊電路原理圖，如圖4所示。

    nRF24L01模塊在PCB布線時采用雙面板，底層全部鋪地，頂層放置元器件，所有電容電阻電感采用0402封裝電容電感電阻盡量靠近芯片引腳，頂層也需大面積鋪地，在頂層和底層放置大量的通孔。該模塊供電電壓為3．3V，SPI接口可以直接與5V的MCU的IO口相連接，無SPI接口的MCU可以用IO口模擬SPI時序，使用方便。
2．2 USB控制芯片PDIUSBDl2原理圖
    PDIUSBD12是一款性價高的USB控制芯片，它與MCU配合使用，這使得設(shè)計者可以靈活地選擇MCU，它與MCU之間通過并行接口通信，還支持本地DMA傳輸。圖5是PDIUSBD12與STC89C58RD+單片機(jī)連接的原理圖。
    上圖未畫出STC89C58RD+單片機(jī)，只給出了網(wǎng)點名稱，如P00-P07、P27、ALE、INTl、WR、RD，STC89C58RD+與標(biāo)準(zhǔn)的80C51(如AT89S51)引腳完全兼容，PDIUSBD12與MCU的連接有2種方式：總線方式和分開的地址數(shù)據(jù)方式。采用總線方式時引腳10的ALE連接MCU的ALE，引腳28的A0接到高電平；采用分開的地址數(shù)據(jù)方式，則ALE連接低電平，A0連接任意的IO口，數(shù)據(jù)或地址(命令)由A0來區(qū)分。圖5采用總線方式。另外該無線USB控制器直接使用USB接口供電，省去了電源，降低了成本。

3 系統(tǒng)的軟件部分
3．1 USB的固件與PC端應(yīng)用軟件設(shè)計
    當(dāng)USB設(shè)備連接到主機(jī)后，主機(jī)要先進(jìn)行一系列的枚舉過程，枚舉就是從USB設(shè)備讀取一些信息，知道設(shè)備是什么樣的設(shè)備，如何進(jìn)行通信，這樣主機(jī)就可以根據(jù)這些信息來加載合適的驅(qū)動程序。枚舉過程使用控制傳輸，對于USB設(shè)備來說，固件所要處理的是必須對主機(jī)發(fā)來的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請求進(jìn)行相應(yīng)的正確的響應(yīng)，除此之外依據(jù)USB設(shè)備的類型還要響應(yīng)主機(jī)發(fā)來的USB設(shè)備類請求。另外如果開發(fā)屬于生產(chǎn)商自定義的USB設(shè)備類，則需要開發(fā)驅(qū)動程序。為了減少開發(fā)驅(qū)動程序的復(fù)雜性，可根據(jù)實際情況使用USB標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備類，現(xiàn)有的設(shè)備類有以下幾種：音頻設(shè)備類、通信設(shè)備類、HID設(shè)備類、顯示設(shè)備類、海量存儲設(shè)備類、電源設(shè)備類、打印設(shè)備類、集線器設(shè)備類等，例如可選擇做成assStorage類(海量存儲設(shè)備類)或HID(人機(jī)接口)設(shè)備類，這樣無需開發(fā)驅(qū)動程序，直接利用操作系統(tǒng)自帶的驅(qū)動程序。本系統(tǒng)模擬成一個海量存儲設(shè)備類，這樣在枚舉過程中固件除了要響應(yīng)了標(biāo)準(zhǔn)的USB設(shè)備請求外，還需要響應(yīng)2個類特殊請求：GetMaxLun和BulkOnlyMassStorageReset，正確枚舉之后PC機(jī)通過發(fā)送SCSI命令來控制U盤設(shè)備，對于海量存儲設(shè)備類要響應(yīng)以下幾個命令：INQUIRY、READCAPACITY、READ(10)、WRITE(10)、REQUEST SENSE、TEST UNIT READY等，除此外要自定義私有的SCSI命令，以實現(xiàn)控制無線USB設(shè)備。另外還要構(gòu)造一個FAT文件系統(tǒng)的格式，要正確返回DBR和FAT文件分配表以及文件數(shù)據(jù)。
    PC端應(yīng)用程序的開發(fā)采用VC++6．O平臺，本設(shè)備模擬成MassStorage設(shè)備，那么PC與設(shè)備通信通過SCSI命令，使用時候除了標(biāo)準(zhǔn)的SCSI命令外，可以自己定義私有的SCSI命令，程序主要通過自定義的私有的SCSI命令來實現(xiàn)與無線USB控制器的數(shù)據(jù)通信，應(yīng)用程序首先用Create-File()打開設(shè)備，之后主要調(diào)用DeviceIoControl()函數(shù)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，最后用CloseFile()關(guān)閉設(shè)備。該函數(shù)的使用可參考MSDN。
    以上部分的軟件是整個系統(tǒng)開發(fā)的難點，所涉及的知識點范圍廣，圖6是實際開發(fā)成功的模擬成MassStorageDevice類的無線USB控制器。

3．2 nRF24L01的固件設(shè)計
    nRF24L01與MCU之間通過SPI接口通信，本系統(tǒng)所采用的單片機(jī)STC89C58RD+無SPI接口，故通過IO口模擬，nRF24L01采用ShockBurstTM進(jìn)行可靠的發(fā)送和接收。采用AutoAck、自動重發(fā)的配置過程如下：
    發(fā)送過程配置：
    1)配置發(fā)射功率、數(shù)據(jù)速率、載波頻率、CRC校驗位數(shù)、發(fā)送的地址寬度和數(shù)據(jù)寬度、AutoAck、自動重發(fā)次數(shù)等。
    2)配置：PRIM_RX位為0。
    3)配置要通信的的終端節(jié)點地址TX_ADDR和要發(fā)送的數(shù)據(jù)到TX_PLD，配置發(fā)送端RX_ADDR的值與TX_ADDR的值一樣。
    4)CE從低到高跳變芯片開始發(fā)送數(shù)據(jù)，CE至少需要10μs。
    5)讀取STATUS寄存器，判斷發(fā)射成功與否。
    接受過程配置：
    1)配置發(fā)射功率、數(shù)據(jù)速率、載波頻率、CRC校驗、接收的地址寬度和數(shù)據(jù)寬度等等，其中數(shù)據(jù)速率、載波頻率、CRC校驗位數(shù)、接收的地址寬度和數(shù)據(jù)寬度必須和發(fā)送端一致。
    2)PRIM_RX位配置為1，配置EN_RXADDR寄存器使能所有數(shù)據(jù)管道。
    3)CE從低電平跳變?yōu)楦唠娖剑?30μs后nRF24L01開始監(jiān)視空中的無線信號。
    4)當(dāng)IRQ中斷時，中斷服務(wù)程序里面讀取STATUS寄存器，判斷是否接收到有效的數(shù)據(jù)。
    5)收到有效數(shù)據(jù)則設(shè)置CE為低電平，nRF24L01進(jìn)入standby-I模式。MCU讀取接收到的數(shù)據(jù)。
    圖7和圖8是無線USB控制系統(tǒng)應(yīng)用于控制多終端頻率發(fā)生器系統(tǒng)的實際軟件和硬件。

4 結(jié)束語
    整個系統(tǒng)通過實際驗證滿足了設(shè)計要求，USB工作穩(wěn)定，速度快，RF24L01無線模塊通信正常、距離遠(yuǎn)、誤碼率低、穩(wěn)定性高。本系統(tǒng)可應(yīng)用于大部分需要PC進(jìn)行無線控制或無線數(shù)據(jù)采集的場合，只需要擴(kuò)展終端節(jié)點的應(yīng)用電路，即可以滿足不同的應(yīng)用需求。系統(tǒng)具有可靠性好、性價比高、擴(kuò)展性強(qiáng)和使用方便。