基于USB接口的嵌入式無(wú)線傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為了解決有線數(shù)據(jù)傳輸?shù)木€路布放和數(shù)據(jù)通信接口問題，方便儀器設(shè)備之間的連接，設(shè)計(jì)了一種基于USB接口的嵌入式無(wú)線傳輸系統(tǒng)。系統(tǒng)把新一代USB接口芯片CP2101與低功耗RF收發(fā)芯片CC1101相結(jié)合，采用單片機(jī)控制，通過(guò)自主靈活的通信協(xié)議和全球ISM頻段通信標(biāo)準(zhǔn)，以及高效前向糾錯(cuò)信道編碼技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了中短距離內(nèi)準(zhǔn)確、穩(wěn)定、高速的數(shù)據(jù)傳輸。
關(guān)鍵詞：無(wú)線傳輸；CP2101；CC1101；嵌入式系統(tǒng)

    基于USB接口的嵌入式無(wú)線傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)在涉及通信接口時(shí)，為了解決PC機(jī)串口和并口嚴(yán)重不足的問題以及方便儀器設(shè)備之間的連接，提出了無(wú)線傳輸技術(shù)和USB接口相結(jié)合的方案。無(wú)線傳輸和USB接口在各自的應(yīng)用領(lǐng)域都不再是新概念，但將兩者相結(jié)合確是一個(gè)較為獨(dú)特的設(shè)計(jì)創(chuàng)新。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)
    整個(gè)設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)基于USB接口的數(shù)字無(wú)線RF發(fā)送與接收，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，可分為3大部分：無(wú)線RF電路、微控制器電路、USB接口電路。

    無(wú)線RF電路的主要功能是將從微控制器送來(lái)的數(shù)據(jù)按照預(yù)設(shè)的調(diào)制格式送到天線激勵(lì)電磁波發(fā)射，并將從天線接收到的調(diào)制信號(hào)解調(diào)得到基帶信號(hào)，再送給微控制器。微控制器(AT89C51)電路是整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的控制核心，是RF電路與USB接口之間的通信橋梁，同時(shí)也是RF電路的控制芯片，這部分需完成兩大功能：其一是對(duì)RF芯片進(jìn)行寄存器配置(通信參數(shù)配置)和數(shù)字通信，其二是與USB芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞以及對(duì)USB接口通信波特率設(shè)置。

2 硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
    硬件電路按結(jié)構(gòu)與功能分由3部分組成：無(wú)線RF電路、微控制器接口電路、USB接口電路。
2．1 無(wú)線RF電路
    基于CC1101的無(wú)線RF電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

    CC1101是TI公司生產(chǎn)的一款高集成度、高靈敏度、多通道UHF收發(fā)機(jī)，專為低功耗無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸所設(shè)計(jì)，特別是用在315／433／868／915 MHz頻點(diǎn)的ISM(工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療)和SRD(短距離設(shè)備)領(lǐng)域。它的RF收發(fā)器集成了一個(gè)配置非常靈活的調(diào)制解調(diào)器，支持多種不同的調(diào)制方式，其數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)500 kbps，且具有遠(yuǎn)程無(wú)線喚醒(WOR)功能。RF芯片CC1101采用的是基于0．18μsCMOS晶體的Chipcon的SmartRF04技術(shù)，它資源開放性非常好，外圍電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，特別是這款RF芯片的輸出功率、載波頻率、通信波特率可由控制芯片對(duì)相關(guān)寄存器編程更改，設(shè)計(jì)與應(yīng)用非常靈活。[!--empirenews.page--]
2．1．1 輸出功率調(diào)節(jié)
    來(lái)自設(shè)備的RF輸出功率等級(jí)有兩個(gè)可程控等級(jí)。
    首先，專用的PATABLE寄存器能保持8個(gè)用戶(PATABLE(0)～PATABLE(7))選擇輸出功率設(shè)定。然后，3位FREND0．PA_POWER[2：0]值選擇PATABLE使用入口。這個(gè)兩級(jí)功能在傳輸?shù)拈_始和結(jié)束時(shí)提供靈活的PA功率線性上升或下降，及ASK調(diào)制整形。在每種情況下，PATABLE中序號(hào)0～FREND0.PA_POWER的所有PA功率設(shè)定值都會(huì)用到。
2．1．2 載波頻率控制
    CC1100的頻率控制用來(lái)最小化一個(gè)信道導(dǎo)向系統(tǒng)需要的設(shè)計(jì)。為了建立一個(gè)帶信道數(shù)目的系統(tǒng)，理想信道間隔由MDMCFG0．CHANSPC_M和MDMCFG1．CHANSPC_E寄存器設(shè)定。信道間隔寄存器分別為尾數(shù)和指數(shù)。基頻率和起始頻率由位于FREQ2、FREQ1和FREQ0寄存器的24位頻率詞匯設(shè)定。這個(gè)詞匯典型地設(shè)定為將要使用的最低信道頻率的中心。理想信道數(shù)目由8位信道數(shù)目寄存器CHANNR．CHAN設(shè)定。寄存器CHANNR．CHAN為信道偏移的倍數(shù)。合成載波頻率為(式中的fxosc晶振選用的頻率為26MHz)：
   
    選定的fIF(中間頻率)由FSCTRL1．FREQ_IF寄存器控制：
   
2．1．3 通信波特率設(shè)置
    系統(tǒng)傳輸時(shí)的數(shù)據(jù)率由MDMCFG3．DRATE_M和MDMCFG4．DRATE_E配置寄存器控制。數(shù)據(jù)率由下式算得，控制的數(shù)據(jù)率由晶體頻率決定。
   
    下面的方法能用來(lái)找到對(duì)應(yīng)于給定數(shù)據(jù)率的合適的值：
   
    若DRATE_M靠近其最近的寄存器而且接近256，則增加DRATE_E，使DRATE_M為0。
2．2 微控制器接口電路
    微控制器接口電路設(shè)計(jì)如圖3所示。整個(gè)控制電路的核心即MCU選用的是Atmel公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)AT89C51，它片內(nèi)含4 KB的Flash和128字節(jié)的數(shù)據(jù)RAM，提供5個(gè)中斷源并支持兩級(jí)中斷嵌套，擁有一個(gè)全雙工串行通信口，器件采用高精度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)。

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    整個(gè)系統(tǒng)采用的是上電復(fù)位，與基于USB接口即插即用的特性非常吻合。圖中D1和D2兩個(gè)LED為整個(gè)模塊的通信指示燈，分別接單片機(jī)的P1．6和P1．7，工作狀態(tài)由編程控制；J1為微控制器與無(wú)線RF電路的接口，其中SCLK為RF芯片CC1101的時(shí)鐘輸入信號(hào)，接單片機(jī)P1．0與單片機(jī)時(shí)鐘同步，端口SO(GDO1)、GDO0、還有GDO2為無(wú)線RF電路的數(shù)字輸出口，端口SI和CSn為無(wú)線RF電路的數(shù)字輸入口。微控制器除了為RF電路提供控制以外，還預(yù)留了鍵盤輸入與液晶顯示端口，為以后的需求作鋪墊。
2．3 USB接口電路
    USB接口電路(如圖4所示)完成了系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)或設(shè)備端的物理連接，提供總線的硬件收發(fā)接口，實(shí)現(xiàn)電氣和底層的邏輯功能，完成上層協(xié)議處理、數(shù)據(jù)收發(fā)控制以及電壓調(diào)節(jié)。

    圖中的USB芯片采用的是美國(guó)Silicon公司生產(chǎn)的高集成度USB轉(zhuǎn)UART專用芯片CP2101，它集成度高，內(nèi)置USB2．0全速功能控制器、USB收發(fā)器、晶體振蕩器、EEPROM(EEPROM可以通過(guò)USB在應(yīng)用板上進(jìn)行編程這使得在產(chǎn)品制造和調(diào)試過(guò)程中就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)它進(jìn)行編程)及異步串行數(shù)據(jù)總線(UART)，內(nèi)帶電壓調(diào)節(jié)器(3．3V輸出)，支持調(diào)制解調(diào)器全功能信號(hào)，無(wú)需任何外部的USB器件，功能強(qiáng)大且占用空間非常小。
    利用CP2101設(shè)計(jì)的工作電路有很大的優(yōu)越性，它只需使用USB接口就可以完成提供TTL電源、串行口通信、IAP編程及復(fù)位信號(hào)控制，減少了計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的接口。使用CYGNAL免費(fèi)提供的器件驅(qū)動(dòng)程序CP2101可以很容易地將PC的USB口虛擬成COM口。虛擬COM口的器件驅(qū)動(dòng)程序允許一個(gè)基于CP2101的器件以PC應(yīng)用軟件的形式，作為一個(gè)增加的COM口獨(dú)立于任何現(xiàn)有的硬件。COM口使用運(yùn)行在PC上的應(yīng)用軟件，以訪問一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)硬件COM口的方式訪問基于CP2101的器件。因此，無(wú)需修改現(xiàn)有的軟件和硬件就可以通過(guò)USB向基于CP-2101的器件傳輸數(shù)據(jù)，大量省去了CP2101系列器件二次開發(fā)的投入。

3 軟件設(shè)計(jì)
    由于RF芯片CC1101優(yōu)秀的接收器選擇性和模塊化性能，整個(gè)系統(tǒng)的通信協(xié)議可以人為編程設(shè)定。在無(wú)線傳輸系統(tǒng)之間的通信中大多采用主從式結(jié)構(gòu)，主機(jī)和從機(jī)之間的通信都是采用查詢中斷方式進(jìn)行，它的通信信道是半雙工的，最適合點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信方式。
    點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)多機(jī)通信的多機(jī)通信方式首先需要設(shè)一個(gè)主機(jī)，其余為從機(jī)，所有主從機(jī)都編一個(gè)唯一的地址。通信的協(xié)調(diào)完全由主機(jī)控制，主機(jī)采用帶地址碼的數(shù)據(jù)幀發(fā)送數(shù)據(jù)或命令，從站全部都接收，并將接收到的地址碼與本地地址碼比較，不同則將數(shù)據(jù)全部丟掉，不作任何響應(yīng)。地址碼相同，則證明數(shù)據(jù)是給本地的，從站根據(jù)傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)或命令進(jìn)行不同的響應(yīng)，將響應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)送回去。這些工作都需要采用上層通信協(xié)議來(lái)完成，并可保證在任何一個(gè)瞬間，通信網(wǎng)中只有一對(duì)電臺(tái)處于通信狀態(tài)，以免相互干擾。

4 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)論
    基于USB接口的嵌入式無(wú)線傳輸系統(tǒng)的整個(gè)電路設(shè)計(jì)集于一塊PCB板上，由于采用了極低功率和具有同類芯片中性能極佳的UHF無(wú)線收發(fā)器CC1101，結(jié)合高度集成的USB收發(fā)器CP2101，使整個(gè)系統(tǒng)模塊幾乎不需要外部器件，體積小，傳輸距離遠(yuǎn)。為了避免高頻收發(fā)信號(hào)會(huì)對(duì)MCU產(chǎn)生干擾，所以無(wú)線RF電路必須外加金屬罩屏蔽。系統(tǒng)設(shè)計(jì)在利用LNA(低噪聲放大器)和可編程PA(功率放大器)模塊在不同環(huán)境和通信參數(shù)下做了大量測(cè)試。表1是在下列條件下的測(cè)試結(jié)果：天線輸入阻抗50Ω，增益2．5 dB；GFSK調(diào)制方式；在開闊地環(huán)境下通信。

    測(cè)試結(jié)果表明：基于USB接口的嵌入式無(wú)線傳輸系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在中短距離內(nèi)準(zhǔn)確(在信道誤碼率為10-3時(shí)，可得到實(shí)際誤碼率低于10-5)、穩(wěn)定(可長(zhǎng)時(shí)間抗干擾通信)、高速(最高傳輸率可達(dá)500 kbps)的數(shù)據(jù)傳輸。它的電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單實(shí)用，成本低，功耗低，能提供256個(gè)通信信道，且各項(xiàng)通信指標(biāo)良好，具有非常好的實(shí)用性。此設(shè)計(jì)模塊已成功應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。