基于USB 的無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

　距離產(chǎn)生了通信的需求，距離的增加對通信提出了更高的要求。和有線通信相比，無線通信技術(shù)由于其更為方便實(shí)用而越來越得到更多的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)無線傳輸?shù)姆桨敢彩嵌喾N多樣。本文中設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種應(yīng)用無線傳輸技術(shù)的單片機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)中使用USB2.0 接口與上位機(jī)相連，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)较挛粰C(jī)，數(shù)據(jù)經(jīng)無線傳輸后控制手持式便攜設(shè)備。應(yīng)用該系統(tǒng)的教學(xué)仿真器已經(jīng)在實(shí)際中進(jìn)行了應(yīng)用，且得到了很好的效果。

　　1 系統(tǒng)的設(shè)計

　　為了實(shí)現(xiàn)計算機(jī)對某些系統(tǒng)的控制，常常使用單片機(jī)對下位機(jī)進(jìn)行控制，而上位機(jī)和下位機(jī)之間可以通過串行接口、并行接口等接口實(shí)現(xiàn)通信。本文中通過USB2.0 接口實(shí)現(xiàn)了一個無線通信系統(tǒng)，系統(tǒng)的連接如圖1 所示。

圖1 無線傳輸系統(tǒng)連接。

　　由圖1 中可以看出，上位機(jī)接收用戶操作，通過USB2.0接口發(fā)出，傳輸?shù)较挛粰C(jī)，數(shù)據(jù)經(jīng)下位機(jī)處理后經(jīng)無線發(fā)送設(shè)備發(fā)出。無線接收設(shè)備接收到發(fā)射出的信號后，將相應(yīng)的信息顯示在手持設(shè)備上，從而實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)與手持設(shè)備之間的無線通信。這里，在手持設(shè)備上使用LED 顯示上位機(jī)同步信息，因此，設(shè)計出無線傳輸系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下頁圖2所示。

圖2 無線傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

　　2 系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)

　　2.1 USB2.0 接口轉(zhuǎn)串行接口的功能實(shí)現(xiàn)

　　由于下位機(jī)與上位機(jī)的連接采用目前較為流行的USB2.0 接口，以便于廣泛的應(yīng)用，但是由于下位機(jī)所使用的51 單片機(jī)不支持USB 接口，只支持標(biāo)準(zhǔn)的雙工串行接口，因此需要在USB 接口與串行接口之間進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。這里采用FT232BM 芯片[3]完成此項功能。

　　FT232BM 的主要功能是進(jìn)行USB 和串口之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。芯片一方面可從主機(jī)接收USB 數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為串口的數(shù)據(jù)流格式發(fā)送給外設(shè)，另一方面外設(shè)可通過串口將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為USB 的數(shù)據(jù)格式傳回主機(jī)。中間的轉(zhuǎn)換工作全部由芯片自動完成，開發(fā)者無須考慮固件的設(shè)計。FT232BM 內(nèi)部主要由USB 收發(fā)器、串行接口引擎USB 協(xié)議引擎和先進(jìn)先出（FIFO）控制器等構(gòu)成。USB 收發(fā)器提供USB1.1/2.0 的全速物理接口到USB 總線，支持UHCI/OHCI 主控制器；串行接口引擎主要用于完成USB 數(shù)據(jù)的串/并雙向轉(zhuǎn)換，并按照USB1.1規(guī)范來完成USB 數(shù)據(jù)流的位填充/位反填充，以及循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC5/CRC16）的產(chǎn)生和檢錯，USB 協(xié)議引擎管理來自USB 設(shè)備控制端口的數(shù)據(jù)流；FIFO 控制器處理外部接口和收發(fā)緩沖區(qū)間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。FIFO 控制器實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)（如AT89C51 等）的接口，主要通過2 根數(shù)據(jù)線P30 和P31 及讀寫控制線來完成和單片機(jī)的數(shù)據(jù)交互。FT232BM 內(nèi)含兩個FIFO 數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，一個是128 字節(jié)的接收緩沖區(qū)，另一個是384 字節(jié)的發(fā)送緩沖區(qū)。

　　2.2 無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)

　　根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計，無線數(shù)據(jù)傳輸部分由無線發(fā)射模塊和無線接收模塊兩部分組成，無線發(fā)射模塊選用GDTX6，它具有功率大發(fā)射頻率穩(wěn)定不受周邊溫度變化而改變等特點(diǎn)；無線接收模塊選用GD-R5B，它是VHF/UHF 超高頻無線數(shù)據(jù)傳送高品質(zhì)超外差接收模塊，采用超高頻，低噪聲大規(guī)模集成電路，是具有極高性價比，有完善的抗靜電保護(hù)，可靠性高及遠(yuǎn)
距離傳輸?shù)慕邮漳K。

　　（1）數(shù)據(jù)發(fā)送平臺的實(shí)現(xiàn)。

　　數(shù)據(jù)發(fā)送平臺工作原理如圖3 所示，是將PC 機(jī)產(chǎn)生的動作數(shù)據(jù)通過USB 接口芯片接收到接收處理器內(nèi)，然后由接收處理器進(jìn)行地址和數(shù)據(jù)的混編處理后，再送入無線數(shù)據(jù)發(fā)送處理器，最后把數(shù)據(jù)和地址一同通過處理器的串行通信口送入無線發(fā)送模塊將混合數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

圖3 數(shù)據(jù)發(fā)送平臺電路。

　?。?）數(shù)據(jù)接收平臺的實(shí)現(xiàn)：

　　數(shù)據(jù)接收平臺工作原理如圖4 所示，是將發(fā)送平臺的數(shù)據(jù)正確的接收到平臺上，當(dāng)整套硬件平臺通電后接收平臺會不斷接收到由發(fā)送平臺發(fā)送過來的連接碼，這個連接碼在整個無線接收區(qū)域所有無線接收平臺都會接收到此連接碼，當(dāng)發(fā)送平臺得到要發(fā)送的數(shù)據(jù)后，就會進(jìn)入數(shù)據(jù)傳送協(xié)議，接收平臺也會按照自編的接收協(xié)議來接收數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)由無線接收模塊接收后通過接收處理器的串口傳入接收處理器，再由接收處理器對接收到的混合數(shù)據(jù)進(jìn)行地址和數(shù)據(jù)分離后傳給接收平臺顯示處理器驅(qū)動相應(yīng)的LED 發(fā)光二極管。

圖4 數(shù)據(jù)接收平臺電路。

　　（3）數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。

　　由于數(shù)據(jù)發(fā)送平臺與數(shù)據(jù)接收平臺之間的通訊是無線數(shù)據(jù)連接，因此也需要一定的協(xié)議。這個協(xié)議的實(shí)現(xiàn)是當(dāng)發(fā)送平臺通電后會一直向整個無線有效范圍內(nèi)發(fā)送連接碼，連接碼的發(fā)送頻率是穩(wěn)定的，接收平臺通電后會一直接收到來自發(fā)送平臺的連接碼，但接收到連接碼后會放棄并不保存。

　　當(dāng)上位機(jī)向下發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送平臺開始進(jìn)入發(fā)送協(xié)議狀態(tài)，首先發(fā)同步碼，然后是地址碼，地址發(fā)送后發(fā)送數(shù)據(jù)，最后發(fā)送結(jié)束碼，圖5 為發(fā)送程序流程圖。接收平臺當(dāng)接收到同步碼后，進(jìn)入數(shù)據(jù)協(xié)議接收狀態(tài)，首先接收地址碼，接收后會在內(nèi)部快速驗(yàn)證是否和本地址一致，如果不一致將退出協(xié)議，如果一致則開始接收數(shù)據(jù)，最后接收結(jié)束碼并進(jìn)行校驗(yàn)，如果數(shù)據(jù)正確則把接收的數(shù)據(jù)傳送顯示，否則丟棄數(shù)據(jù)，圖6 為接收程序流程圖。

圖5 發(fā)送程序流程。

　　3 系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用

　　該無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)已經(jīng)在教學(xué)中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，開發(fā)者在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上制作了“計算機(jī)硬件開發(fā)平臺”以及“基本邏輯門演示系統(tǒng)”兩個教學(xué)仿真器。

　　“計算機(jī)硬件開發(fā)平臺”作為一個基礎(chǔ)的硬件開發(fā)平臺，整體電路簡單明了、與上位機(jī)接口方便且功能齊全，使開發(fā)者在平臺上作二次開發(fā)容易，初學(xué)者也非常容易上手，方便計算機(jī)硬件愛好者的學(xué)習(xí)。

　　“基本邏輯門演示系統(tǒng)”使用VB 開發(fā)了上位機(jī)的演示界面，可以演示常用的邏輯門功能，系統(tǒng)調(diào)用Windows 的API函數(shù)來對PC 機(jī)的COM1 口進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，通過無線數(shù)據(jù)傳輸，在手持便攜設(shè)備上由LED 顯示與上位機(jī)同樣的操作結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)了無線控制。

　　4 結(jié)語

　　使用USB2.0 接口以及無線數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)，不僅設(shè)計合理，而且使用方便，在實(shí)際中已經(jīng)進(jìn)行了應(yīng)用，有很高的實(shí)用價值。今后，系統(tǒng)將采用藍(lán)牙通信進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提高通信性能。