基于無線USB技術(shù)的系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用

由于USB技術(shù)在最近幾年已成長為PC主流的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，幾乎所有的外設(shè)都可以借助USB接口輕易地與PC機相連。2004年，包括惠普、英特爾、微軟、NEC、飛利浦半導(dǎo)體、三星電子在內(nèi)的多家大公司成立了WUSB(無線USB)促進(jìn)聯(lián)盟，旨在將USB的使用變得更加簡便——去掉電纜，實現(xiàn)無線USB技術(shù)。為了給用戶提供一種低成本的WUSB射頻系統(tǒng)解決方案，Cypress Semiconductor公司最近推出了低成本的芯片級遠(yuǎn)距離2.4 GHz射頻系統(tǒng)——WirelessUSB LR(CYWUSB6935)方案。該方案可以在半徑50 m甚至更大的范圍內(nèi)為用戶提供在眾多有線應(yīng)用中快速實現(xiàn)無線連通的途徑。與Zigbee和藍(lán)牙等復(fù)雜且昂貴的無線網(wǎng)絡(luò)方案相比，WirelessUSB LR憑借其出色的遠(yuǎn)程無線通信能力和低廉的系統(tǒng)成本，將無線系統(tǒng)的應(yīng)用擴展到建筑與家庭自動化、工業(yè)控制、醫(yī)療檢測、傳呼系統(tǒng)和顯示設(shè)備等領(lǐng)域[1]。

1 WirelessUSB LR系統(tǒng)突出特性

① WirelessUSB LR作為無線系統(tǒng)，很好地解決了如何在壅塞與干擾的數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境中保持傳輸?shù)挠行?。WirelessUSB LR的雙向直接順序擴展頻譜(DSSS)編碼技術(shù)，結(jié)合預(yù)定義的虛擬雜訊碼以及機動頻道切換等技術(shù)，創(chuàng)造出一整套動態(tài)頻率調(diào)整的解決方案，其優(yōu)異的處理效率足以確保無線通信數(shù)據(jù)的傳輸效率。在硬件部分中，LC網(wǎng)絡(luò)的阻抗匹配能排除強度更高的(如移動電話和無繩電話等)外界信號(out?of?band)，對天線的不斷改進(jìn)，使得系統(tǒng)對外接信號的靈敏度達(dá)到-95 dBm。此外，低噪聲放大器與綜合器皆在極高的頻率中進(jìn)行AC耦合，故能排除不同頻率的干擾信號。例如,AM調(diào)幅廣播和電視信號,在緊鄰藍(lán)牙的環(huán)境中，發(fā)生信號碰撞的比率低于1.5 %的無線傳輸時間，一旦發(fā)生碰撞，發(fā)送器必須重新傳送受影響的數(shù)據(jù)包。

② WirelessUSB LR作為單芯片解決方案，高度整合了系統(tǒng)的應(yīng)用引擎，包括無線電接收機和數(shù)字基帶組件，既降低了成本又縮短了研發(fā)時間。外接器件只需要一套低價位的8位微控制器、振蕩晶體和一些無源組件。在應(yīng)用上，WirelessUSB使用CY7C63723 enCoRe或USB控制器與USB總線構(gòu)建傳輸接口，可視為SPI?to?USB橋接器，并且它不需要額外的驅(qū)動程序。對于遠(yuǎn)程控制或機頂盒外設(shè)，該項技術(shù)消除了瞄準(zhǔn)線操作的限制。

③ 無線系統(tǒng)設(shè)計里用戶十分關(guān)心電池的續(xù)航能力，不希望經(jīng)常更換電池，更不希望在設(shè)備使用過程中由于電池的原因而中斷傳輸。由于大部分無線電系統(tǒng)待機時都能將耗電率降至接近于零的程度，因此降低耗電率與延長電池續(xù)航能力的關(guān)鍵就是限制傳輸數(shù)據(jù)長度。通信協(xié)議越復(fù)雜，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)就越多。WirelessUSB LR中的通信協(xié)議能夠以極高的效率處理數(shù)據(jù)包。另一種途徑就是限制無線電發(fā)送的時間，像藍(lán)牙等解決方案，就必須定期與網(wǎng)絡(luò)同步，才能及時發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的新設(shè)備。WirelessUSB LR擁有為降低耗電率而設(shè)計的自我校正機制，使得設(shè)備待機耗電大約只有0.25 μA，輸出功率降至0 dBm。如此低的耗電率能夠提供典型無線鍵盤9個月以上的電池續(xù)航力,或者為游戲操控裝置提供100小時以上的續(xù)航力;對于普通傳感器/傳動器，電池壽命可達(dá)數(shù)年，而且硬件采用數(shù)據(jù)驅(qū)動的工作方式，在無數(shù)據(jù)傳輸時，自動進(jìn)入“掛起”狀態(tài)[2]。

2 系統(tǒng)硬件CYWUSB6935芯片介紹

CYWUSB6935是Cypress公司為配合WirelessUSB LR方案推出的低成本高集成度的2.4 GHz直接順序擴展頻譜(DSSS)射頻片上系統(tǒng)(SoC),具有可配置的雙向(接收或發(fā)送)功能。CYWUSB6935提供了完整的針對WirelessUSB LR的從串口SPI到射頻發(fā)射的調(diào)制解調(diào)方案[3]。

2.1 CYWUSB6935芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

CYWUSB6935內(nèi)部模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1CYWUSB6935內(nèi)部模塊結(jié)構(gòu)

CYWUSB6935內(nèi)部集成了串行數(shù)據(jù)接口(SPI)、串并/并串轉(zhuǎn)換器(SERDES)、綜合器(synthesizer)、2.4 GHz的射頻收發(fā)器，采用高斯頻移鍵控調(diào)制解調(diào)器(GFSK Modem)和直接順序擴展頻譜(DSSS)數(shù)字基帶模塊。用戶可以通過控制信號靈活地設(shè)置射頻和數(shù)字基帶部分。為了進(jìn)一步優(yōu)化性能，CYWUSB6935將49個擴頻編碼調(diào)制到78個1 MHz寬度的頻率域上，從而在理論上可以為用戶提供3822個獨立的頻道，讓每個主系統(tǒng)能夠連接多組外圍設(shè)備，且通信距離可達(dá)到50 m或更遠(yuǎn)。

2.2 CYWUSB6935的主要特點

① 2.4 GHz的無線收發(fā)器工作在2.4~2.483 GHz的ISM公共頻段內(nèi)。如此以來，CYWUSB6935突破了眾多27 MHz、400 MHz以及900 MHz系統(tǒng)共有的各種限制;工作于2.4 GHz公共ISM頻段的WirelessUSB LR還使用戶能夠在世界范圍內(nèi)推廣使用其解決方案，而無需受地區(qū)性頻率要求的約束，從而具備了全球通用性、合理的功率規(guī)格以及更高的通信頻寬[4]。

② 高達(dá)0 dBm的輸出電平和低于1 μA的待機電流。CYWUSB6935內(nèi)部配備了耗電率自我校正機制，從而將Wireless USB射頻設(shè)備的待機耗電降低到1 μA以下,且輸出電平壓低到0 dBm，打破了無線系統(tǒng)設(shè)計中耗電率的技術(shù)壁壘，大大延長了設(shè)備電池的續(xù)航能力。

③ -95 dBm的接收靈敏度與超過50 m范圍的全方位傳輸距離。接收靈敏度的提高和傳輸距離的延伸,都確保在50 m甚至更大范圍內(nèi)準(zhǔn)確快速地獲得全方向信號，使WirelessUSB LR技術(shù)進(jìn)入更遠(yuǎn)距離的商業(yè)和工業(yè)多點對單點應(yīng)用領(lǐng)域，從而拓展了該無線系統(tǒng)的應(yīng)用市場。

④ 高達(dá)62.5 Kb/s的數(shù)據(jù)吞吐量和高達(dá)2 MHz傳輸頻率的SPI微機接口。CYWUSB6935可實現(xiàn)62.5 Kb/s速率的雙向或單向RF傳輸，平均延時小于10 ms;數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)2 MHz的SPI接口可以輕松地將設(shè)備數(shù)據(jù)上傳至上位機系統(tǒng)。

⑤ 可配置的雙向直接順序擴展頻譜(DSSS)基帶相關(guān)器。借助DSSS技術(shù)，CYWUSB6935可以避免來自如2.4 GHz頻段中802.11b、藍(lán)牙(Bluetooth)等其他系統(tǒng)的信號干涉，以及來自無繩電話和微波爐的無線輻射。

⑥ 高集成、低成本的48QFN封裝，按最少外接元件要求設(shè)計，完全可以達(dá)到用戶的單片設(shè)計要求。

⑦ 片內(nèi)集成30位的制造商ID、2.7~3.3 V的工作電壓和-40～85℃的工作環(huán)境，在很大程度上拓展了CYWUSB6935芯片的適用領(lǐng)域。

2.3 CYWUSB6935芯片引腳定義

表1引腳定義

表1為CYWUSB6935芯片48QFN封裝的引腳定義。

3 WirelessUSB LR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

(1) WirelessUSB LR橋最小系統(tǒng)

圖2中，WirelessUSB LR橋最小系統(tǒng)包括Cypress公司enCoRe系列的低成本USB控制器，和由芯片CYWUSB6935組成的射頻模塊。其中USB控制器負(fù)責(zé)控制射頻模塊的工作狀態(tài)及上位機與射頻模塊之間的數(shù)據(jù)通信，而射頻模塊主要由CYWUSB6935完成數(shù)據(jù)的無線傳輸和通信協(xié)議的解讀工作。整個系統(tǒng)采用總線供電方式，通過USB總線可以得到5 V的電壓，供USB控制器使用;經(jīng)過低壓線性穩(wěn)壓器(LDO)，CYWUSB6935可以得到需要的3.3 V電壓，因此系統(tǒng)無需外接電源，從而提高了適用性和便攜能力。

圖2WirelessUSB LR橋最小系統(tǒng)電路

(2) WirelessUSB LR HID最小系統(tǒng)

如圖3所示，WIrelessUSB LR HID最小系統(tǒng)主要由一個8位微控制器(MCU)和CYWUSB6935芯片組成。微控制器主要負(fù)責(zé)外設(shè)與射頻模塊的數(shù)據(jù)傳輸，同時也可以兼顧簡單應(yīng)用設(shè)備(如數(shù)據(jù)采集板和LED顯示屏)的控制工作。整個系統(tǒng)多采用電池供電方式。為了提高電池的續(xù)航能力，在沒有數(shù)據(jù)傳輸時，射頻模塊會被設(shè)置工作在休眠模式下，等待數(shù)據(jù)到來后被喚醒。

圖3WirelessUSB LR HID最小系統(tǒng)電路

4 WirelessUSB LR系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸過程

WirelessUSB LR 2Way網(wǎng)絡(luò)中，用戶主要采用多點到一點(multipoint to point)的拓?fù)鋪斫M建用戶網(wǎng)絡(luò)。HID與Bridge之間建立有雙向數(shù)據(jù)通道，使得HID在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時，能夠接收Bridge傳輸來的Ack/Nak信息和數(shù)據(jù),如圖4所示。在該網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備都具備收發(fā)數(shù)據(jù)的功能。WirelessUSB LR 2Way網(wǎng)絡(luò)中允許多個應(yīng)用設(shè)備同時進(jìn)行無線傳輸，并且能夠以無線方式把多達(dá)127個設(shè)備連接到主機(通常是1臺PC)上，其中每個設(shè)備分時復(fù)用同一帶寬。

圖4WirelessUSB LR 2Way系統(tǒng)

以下是WirelessUSB LR 2Way系統(tǒng)中，橋接器(bridge)從人機接口設(shè)備(HID)節(jié)點上接收數(shù)據(jù)的典型過程[5]，其間的時序和電流變化如圖5所示。

圖5數(shù)據(jù)傳輸過程

① 傳輸開始之前，橋接器和HID同處于休眠狀態(tài)，13 MHz的晶體并不工作，此時待機電流小于1 μA。

② 當(dāng)HID的MCU需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先通過拉高PD引腳電壓將CYWUSB6935從休眠狀態(tài)中喚醒。此時，晶體開始工作。一旦晶體工作穩(wěn)定，CYWUSB6935通過IRQ引腳告訴MCU，它已經(jīng)準(zhǔn)備好接受串行接口(SPI)命令。

③ MCU在喚醒狀態(tài)寄存器中清除喚醒中斷請求，并將設(shè)置信息寫入控制寄存器,為傳輸作好準(zhǔn)備，同時CYWUSB6935的高頻綜合器自動開始工作，經(jīng)過短暫的延時后，綜合器就可以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。此時，MCU可以將待發(fā)送數(shù)據(jù)的第一個字節(jié)下載到數(shù)據(jù)傳輸寄存器中。

④ 綜合器穩(wěn)定工作后，CYWUSB6935將自動發(fā)射1個比特周期的引導(dǎo)信號(如：10101...)，用于幫助接收機鎖定發(fā)送機信號，并自動將傳輸數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)下載到發(fā)射移位寄存器中，并向IRQ引腳發(fā)送“傳輸數(shù)據(jù)寄存器空”中斷。MCU使用一個字節(jié)周期(125~512 μs，其長度取決于所選擇的數(shù)據(jù)率)來下載下一個將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。當(dāng)新的數(shù)據(jù)寫入發(fā)射移位寄存器時,“數(shù)據(jù)空”中斷會被自動清除。

⑤ 在一段時間內(nèi)，MCU通過反復(fù)查詢“傳輸數(shù)據(jù)寄存器空”中斷，不斷將待發(fā)送數(shù)據(jù)下載到發(fā)射移位寄存器中，直到整個數(shù)據(jù)包下載完畢為止。

⑥ 完成數(shù)據(jù)下載之后，MCU通過設(shè)置“發(fā)射中斷使能”寄存器使得“寄存器空”中斷無效同時使能“發(fā)射”中斷,再由CYWUSB6935射頻部分完成數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)墓ぷ?。?dāng)發(fā)送完最后一個數(shù)據(jù)字節(jié)后，“發(fā)射”中斷被送至IRQ引腳。

⑦ 數(shù)據(jù)發(fā)送完后，MCU將CYWUSB6935設(shè)置成接收模式，準(zhǔn)備接收從Bridge返回的表示已經(jīng)順利接收到數(shù)據(jù)的“握手包”。此時，高頻綜合器會降低工作頻率(在接收模式下，綜合器被用作本地振蕩器，其頻率將會從發(fā)射頻段混頻降至2 MHz的中頻,用于解調(diào)無線信號)。

⑧ 當(dāng)綜合器頻率穩(wěn)定后，CYWUSB6935準(zhǔn)備接收橋接器的“握手包”(如果在HID的CYWUSB6935綜合器達(dá)到穩(wěn)定之前，橋接器的“握手包”就已經(jīng)到達(dá)，則HID無法成功接收到“握手包”;若HID成功接收到“握手包”，一個寄存器滿信號將送至IRQ引腳)。若CYWUSB6935成功接收到了“握手包”，MCU將負(fù)責(zé)查閱該“握手包”數(shù)據(jù)，并且在接收有效寄存器中查詢數(shù)據(jù)有效標(biāo)志位;如果接收到無效“握手包”，或者在特定的時間內(nèi)沒有接收到有效“握手包”(握手包超時)，MCU將會重新執(zhí)行之前的第③步。

⑨ 如果CYWUSB6935順利接收到有效“握手包”，MCU會通過控制寄存器將CYWUSB6935設(shè)置到空閑模式下。

⑩ 在完成所有的傳輸后，MCU可以利用PD引腳把CYWUSB6935置于休眠模式。在連續(xù)的多次傳輸過程中，在上一次所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)末尾存在一個附加數(shù)據(jù)包，通知MCU將CYWUSB6935設(shè)置為在連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸間隙工作在空閑模式下，準(zhǔn)備下一次傳輸，而無需等待其從休眠狀態(tài)中被喚醒。

結(jié)語

WirelessUSB LR無線USB系統(tǒng)解決方案，將無線通信的優(yōu)點和傳統(tǒng)的USB接口有機地結(jié)合起來，不僅能提供較高的數(shù)據(jù)傳輸率，而且改進(jìn)了數(shù)據(jù)的接入方式，使傳輸系統(tǒng)更加方便、可靠。Wireless USB LR憑借其完美的性能和低成本，可以滿足無線領(lǐng)域中非網(wǎng)絡(luò)端的需求，將成為未來無線通信的主流。