|
1 引言 USB(universal serial bus，通用串行總線)作為一個(gè)計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的接口方案，因其具有使用方便、傳輸速度快、端口易擴(kuò)展等特點(diǎn)，已經(jīng)逐步擴(kuò)展應(yīng)用到了消費(fèi)電子、移動(dòng)通信、家庭網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)控制以及儀器儀表等諸多領(lǐng)域。鍵盤、鼠標(biāo)、數(shù)碼相機(jī)、音箱、閃存盤無(wú)不通過(guò)USB與電腦相連，目前每個(gè)月有1億多的USB接口芯片出貨量。 現(xiàn)有的USB接口通常都是有線的，這給使用帶來(lái)一定的不便。隨著近距離無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線USB(WirelessUSB。簡(jiǎn)稱WUSB)技術(shù)得到了較大發(fā)展，例如，基于UWB(ultra wide band)的WUSB帶寬可達(dá)480Mbps。 WUSB是2004英特爾春季技術(shù)峰會(huì)提出的一個(gè)全新無(wú)線傳輸標(biāo)準(zhǔn)，目的是采用無(wú)線的方式收發(fā)信號(hào)，消除計(jì)算機(jī)和外設(shè)之間的線纜，但計(jì)算機(jī)和外設(shè)這兩端依然以USB的方式工作。在該標(biāo)準(zhǔn)中，WUSB可認(rèn)為是應(yīng)用層的技術(shù)，在應(yīng)用層和物理層之間。加入了匯聚層(類似于鏈路層)WiMedia，提供了一個(gè)公共無(wú)線平臺(tái)。應(yīng)用層除WUSB外，還可以是無(wú)線1394，或疊加各種軟件，以便滿足三種網(wǎng)絡(luò)客戶的不同需求，實(shí)現(xiàn)3C網(wǎng)的融合。因此，WUSB具有廣泛應(yīng)用前途。 本文提出了一種基于NRF24LU1芯片無(wú)線USB模塊的解決方案。 2 無(wú)線USB模塊結(jié)構(gòu)和原理 無(wú)線USB模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示，它包括USB接口、USB控制器、MCU、射頻模塊、射頻匹配電路及天線六個(gè)部分組成。其中，USB控制器主要是負(fù)責(zé)把MCU發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行USB協(xié)議封裝和USB數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，及對(duì)USB數(shù)據(jù)解析后轉(zhuǎn)發(fā)到MCU；MCU負(fù)責(zé)對(duì)射頻芯片和USB控制器的控制，實(shí)習(xí)模塊總功能的實(shí)現(xiàn)；射頻模塊和射頻匹配電路主要負(fù)責(zé)無(wú)線數(shù)據(jù)的發(fā)送和采集。 
圖1 無(wú)線USB結(jié)構(gòu)圖 對(duì)于無(wú)線USB模塊的實(shí)現(xiàn)，可以有以下方案：(1)三芯片實(shí)現(xiàn)。分別利用USB控制器芯片、單片機(jī)和射頻芯片實(shí)現(xiàn)，如用CP2 102+MCu+NRF905；(2)兩芯片實(shí)現(xiàn)。利用已經(jīng)集成了USB控制器的單片機(jī)芯片和射頻芯片實(shí)現(xiàn)，如利用MSP430+CC2400；或用USB控制器芯片和射頻單片機(jī)芯片實(shí)現(xiàn)，如用CP2102+NRF24E1；(3)單芯片實(shí)現(xiàn)。用集成好的芯片實(shí)現(xiàn)，如NORDIC公司的NRF24LU1。 三個(gè)方案中，方案(1)(2)的成本比較高，而且模塊體積會(huì)比較大，方案(3)中，由于芯片是專門針對(duì)于無(wú)線USB模塊設(shè)計(jì)的，只要用單芯片就可以組成無(wú)線USB模塊．該方案的無(wú)線USB模塊成本只要30塊左右，同時(shí)體積可以達(dá)到10mmx 20mm，能很方便集成到現(xiàn)有的USB設(shè)備中或者直接外接在現(xiàn)有的USB設(shè)備外。所以本文以方案(3)作為討論。 3 NRF24LU1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理 NRF24LU1是NORDIC公司在07年推出的一款專門針對(duì)于無(wú)線USB實(shí)現(xiàn)的芯片，其內(nèi)部控制器采用MCS 51指令設(shè)計(jì)，但其減少了指令周期，達(dá)到傳統(tǒng)8051的12陪；16k字節(jié)的flash和2k片上SRAM；接口包括通用10口、主從SPI接口、UART、和USB口，其中USB控制器是全速USB2．0控制器；2．4GHz的射頻傳輸模塊，傳輸速度可以為1MHz或2MHz，對(duì)于其作為無(wú)線USB應(yīng)用有很好的傳輸速度保證，同時(shí)其包括自動(dòng)回復(fù)和重傳功能。 NRF24LU1里面集成了電壓轉(zhuǎn)換模塊，可以直接由USB供電，不用再加電壓轉(zhuǎn)換芯片。無(wú)線USB模塊硬件結(jié)構(gòu)主要有一下幾部分組成：匹配電路、USB接口和時(shí)鐘輸入接口電路。對(duì)于NRF24LU1芯片。其天線負(fù)載阻抗為，所以要通過(guò)天線匹配網(wǎng)絡(luò)，使特征阻抗匹配成，使其能和通用天線匹配，電路如圖2。
圖2 無(wú)線模塊電路圖 由于模塊傳輸速率為2.4Gbit/s，在其布線和做板的時(shí)候要注意阻抗等問(wèn)題。濾波電容盡可能接近芯片電源腳，同時(shí)對(duì)于射頻電路，元件放置應(yīng)該緊密放置，以減少線電感的增加，同時(shí)為了接地良好，上下板層應(yīng)該敷銅接地，并利用適當(dāng)多的過(guò)孔連接兩個(gè)底層。建議板層為兩層，只有單層放元件，敷銅接地，其中板厚為1.6mm，材料FR-4，介質(zhì)常數(shù)4．2。 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 無(wú)線USB模塊主要包括兩方面，一是USB數(shù)據(jù)采集；二是無(wú)線傳輸。在讀USB數(shù)據(jù)中。USB數(shù)據(jù)由USB控制器處理后，保存到RAM里面，再由MCU通過(guò)SPI總線發(fā)送到無(wú)線傳輸緩沖器，冉發(fā)送出去；而對(duì)于發(fā)送USB數(shù)據(jù)，過(guò)程相反。 NRF24LU1對(duì)于輸入輸出數(shù)據(jù)的USB獨(dú)立終端允許5種不同的應(yīng)用，如鼠標(biāo)、鍵盤、移動(dòng)控制，游戲和玩具，同時(shí)其總支持14個(gè)端點(diǎn)和4種傳輸方式，端點(diǎn)0支持控制傳輸，端點(diǎn)1到5(輸入輸出)支持批量傳輸和中斷傳輸，端點(diǎn)8(輸入輸出)支持同步傳輸。 控制傳輸用于在外設(shè)初次連接時(shí)對(duì)器件進(jìn)行配置；對(duì)外設(shè)的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)；對(duì)控制命令的傳送等；也可以在器件配置完成后被客戶軟件用于其它目的。其包括兩或三個(gè)階段：建立階段、數(shù)據(jù)階段(可選)和狀態(tài)階段。在寫操作時(shí)，終端收到建立申請(qǐng)后，USB控制器設(shè)置握手標(biāo)志和建立申請(qǐng)中斷請(qǐng)求標(biāo)志，如果數(shù)據(jù)接收正確，USB控制器則設(shè)置數(shù)據(jù)接收中斷請(qǐng)求標(biāo)志。建立后，終端收到輸出請(qǐng)求，則開始傳輸數(shù)據(jù)，傳輸完后設(shè)置輸出終端請(qǐng)求標(biāo)志。狀態(tài)階段在最后的操作序列中。對(duì)于讀操作，過(guò)程跟寫操作基本相同，它們只有在數(shù)據(jù)傳輸階段中有些不同。在數(shù)據(jù)階段，當(dāng)確認(rèn)host數(shù)據(jù)包后，設(shè)置輸入0端點(diǎn)中斷請(qǐng)求和開始把數(shù)據(jù)放到緩沖器里面，在緩沖數(shù)據(jù)的時(shí)候，設(shè)置輸入0端點(diǎn)緩沖器忙標(biāo)志，緩沖完后清除該標(biāo)志。 批量傳送用于進(jìn)行批量的、非實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸；中斷傳輸模式，對(duì)于那些小批量的、點(diǎn)式、非連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用的場(chǎng)合，如用于人機(jī)交互的鼠標(biāo)、鍵盤、游戲桿等，中斷傳輸?shù)姆绞绞亲钸m合的。他們包括兩或三個(gè)階段：請(qǐng)求包、數(shù)據(jù)包和握手包(可選)。在批蕈輸入過(guò)程中，host發(fā)送一個(gè)IN數(shù)據(jù)請(qǐng)求去接收批量數(shù)據(jù)。如果輸入忙標(biāo)志有效，USB控制器回復(fù)一個(gè)數(shù)據(jù)包，如果host收到有效數(shù)據(jù)，則回復(fù)一個(gè)ACK握手。當(dāng)終端從host收到ACK握手后，USB控制器設(shè)置中端請(qǐng)求標(biāo)志和清除忙標(biāo)志。MCU服務(wù)終端請(qǐng)求，當(dāng)數(shù)據(jù)是有效，則數(shù)據(jù)開始進(jìn)入數(shù)據(jù)緩沖器中，并設(shè)置忙標(biāo)志，并開始重復(fù)上面過(guò)程。在批量輸出過(guò)程中，當(dāng)host想輸出批量數(shù)據(jù)，其發(fā)送OUT請(qǐng)求數(shù)據(jù)包。ACK握手信號(hào)返回到host，當(dāng)USB控制器收到數(shù)據(jù)的時(shí)候，設(shè)置輸出中斷標(biāo)志，并開始輸出數(shù)據(jù)，并設(shè)置輸出忙標(biāo)志。 同步傳輸適用于那嶼要求資料連續(xù)地、實(shí)時(shí)地、以固定的數(shù)據(jù)傳輸率產(chǎn)生、傳送并消耗的場(chǎng)合，如數(shù)字錄像機(jī)等。其不用握手確定．同時(shí)，其數(shù)據(jù)包中的DATA0和DATA1作為PID，用于標(biāo)識(shí)不同的數(shù)據(jù)包。USB控制器在每次傳輸中都自動(dòng)捆綁PID。 系統(tǒng)流程圖如下圖3：
圖3 系統(tǒng)流程圖 其中，USB初始化包括一下步驟：配置USB數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)；初始化USB描述，初始化成你要實(shí)現(xiàn)的USB類型，可以設(shè)置5種不同的類型；選擇語(yǔ)言；設(shè)置狀態(tài)寄存器；設(shè)置ACK要求；設(shè)置USB中斷；設(shè)置USB RAM；選擇USB應(yīng)用的終端類型。 如果USB類型選擇了鍵盤或者鼠標(biāo)，要初始化無(wú)線桌面協(xié)議，如選擇鍵盤協(xié)議，則用wdp_device_init(WDP_KEYBOARD)函數(shù)把無(wú)線桌面協(xié)議初始成鍵盤模式。 無(wú)線模塊初始化包括：MCU和無(wú)線模塊SPI接口有效；數(shù)據(jù)傳輸信道選擇；設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸速度；FIFO大小設(shè)置；發(fā)送和接收功率設(shè)置；自動(dòng)回復(fù)確認(rèn)和重發(fā)次數(shù)設(shè)定等。 當(dāng)USB數(shù)據(jù)到來(lái)的時(shí)候，模塊首先讀取端點(diǎn)狀態(tài)并選擇終端輸入傳輸端點(diǎn)．判斷緩沖器數(shù)據(jù)是否已經(jīng)滿，如果未滿，則接收并知道緩沖器滿并置緩沖器忙，并把緩沖器數(shù)據(jù)傳送到無(wú)線FIFO并發(fā)送到接收模塊，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完并接收到確定后，USB控制器把忙標(biāo)志清楚，在接收USB數(shù)據(jù)。其工作流程圖如下圖4。
圖4 USB數(shù)據(jù)輸入處理流程圖 當(dāng)模塊接收到無(wú)線數(shù)據(jù)的時(shí)候，MCU通過(guò)SPI接口把FIFO的數(shù)據(jù)放到USB發(fā)送緩沖器罩，設(shè)置USB端點(diǎn)狀態(tài)，并處理與控制輸出相關(guān)的USB標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求和USB HID設(shè)備類請(qǐng)求，發(fā)送USB數(shù)據(jù)，USB數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，通過(guò)無(wú)線發(fā)送確定信號(hào)，并再次接收無(wú)線數(shù)據(jù)，如果之前數(shù)據(jù)還沒(méi)有發(fā)送完的，不用再進(jìn)行USB請(qǐng)求等設(shè)置，以減少處理時(shí)間。 由于USB協(xié)議的交互時(shí)間有嚴(yán)格的要求，所以無(wú)線數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理中，延時(shí)不能太長(zhǎng)；USB 2．0協(xié)議。其支持三種設(shè)備：低速、全速、高速，而對(duì)于NRF24LU1芯片．由于其無(wú)線傳輸速限制，所以無(wú)線USB模塊只能工作在低速和全速。 5 結(jié)語(yǔ) USB接口是計(jì)算機(jī)的基本配置，是最常用的計(jì)算機(jī)和外設(shè)的通信接口。WUSB是近距離無(wú)線通信的重要應(yīng)用．可以消除計(jì)算機(jī)和外設(shè)的連線，給使用帶來(lái)很大的方便，因此WUSB應(yīng)用模塊將會(huì)用很大的發(fā)展空間。本文基于NORDIC公司新推出的NRF24LU1芯片，更好的解決了USB無(wú)線應(yīng)用，其減少了現(xiàn)有無(wú)線USB的尺寸和成本，同時(shí)提高了無(wú)線USB性能和安全性，有一定應(yīng)用前景。 本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：本文基于NRF24LU1單芯片實(shí)現(xiàn)無(wú)線USB模塊，減少了多芯片模塊的成本和體積，更利于無(wú)線USB模塊的推廣。 作者：丁寶國(guó)，陸以勤 來(lái)源：《微計(jì)算機(jī)信息》(嵌入式與SOC)2009年第7-2期 |
