基于USB接口的嵌入式無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計※＊

陳偉，程小輝，沈凡凡

（桂林理工大學(xué)機械與控制工程學(xué)院，桂林541004）

基于USB接口的嵌入式無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計在涉及通信接口時，為了解決PC機串口和并口嚴(yán)重不足的問題以及方便儀器設(shè)備之間的連接，提出了無線傳輸技術(shù)和USB接口相結(jié)合的方案。無線傳輸和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)合確是一個較為獨特的設(shè)計創(chuàng)新。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計

整個設(shè)計主要實現(xiàn)基于USB接口的數(shù)字無線RF發(fā)送與接收，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示，可分為3大部分:無線RF電路、微控制器電路、USB接口電路。

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

2 硬件電路設(shè)計與實現(xiàn)

硬件電路按結(jié)構(gòu)與功能分由3部分組成:無線RF電路、微控制器接口電路、USB接口電路。

2.1 無線RF電路

圖1 系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

基于CC1101的無線RF電路設(shè)計如圖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，專為低功耗無線數(shù)據(jù)傳輸所設(shè)計，特別是用在315／433／868／915MHz頻點的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500kbps，且具有遠程無線喚醒（WOR）功能［13］。RF芯片CC1101采用的是基于0.18CMOS晶體的Chipcon的SmartRF04技術(shù)，它資源開放性非常好，外圍電路設(shè)計簡單，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相關(guān)寄存器編程更改，設(shè)計與應(yīng)用非常靈活［2］。

圖2 無線RF電路

2.1.1 輸出功率調(diào)節(jié)

來自設(shè)備的RF輸出功率等級有兩個可程控等級。首先，專用的PATABLE寄存器能保持8個用戶（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。這個兩級功能在傳輸?shù)拈_始和結(jié)束時提供靈活的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0～FREND0.PA＿POWER的所有PA功率設(shè)定值都會用到。

2.1.2 載波頻率控制

CC1100的頻率控制用來最小化一個信道導(dǎo)向系統(tǒng)需要的設(shè)計。為了建立一個帶信道數(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）:

2.1.3 通信波特率設(shè)置

選定的fIF（中間頻率）由FSCTRL1.FREQ＿IF寄存器控制:

系統(tǒng)傳輸時的數(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。

下面的方法能用來找到對應(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)計如圖3所示。整個控制電路的核心即MCU選用的是Atmel公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS 8位單片機AT89C51，它片內(nèi)含4KB的Flash和128字節(jié)的數(shù)據(jù)RAM，提供5個中斷源并支持兩級中斷嵌套，擁有一個全雙工串行通信口，器件采用高精度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)

圖3 微控制器接口電路

整個系統(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LED為整個模塊的通信指示燈，分別接單片機的P1.6和P1.7，工作狀態(tài)由編程控制；J1為微控制器與無線RF電路的接口，其中SCLK為RF芯片CC1101的時鐘輸入信號，接單片機P1.0與單片機時鐘同步，端口SO（GDO1）、GDO0、還有GDO2為無線RF電路的數(shù)字輸出口，端口SI和CSn為無線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)和計算機或設(shè)備端的物理連接，提供總線的硬件收發(fā)接口，實現(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4 USB接口與控制電路

圖中的USB芯片采用的是美國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USB在應(yīng)用板上進行編程這使得在產(chǎn)品制造和調(diào)試過程中就可以實現(xiàn)對它進行編程）及異步串行數(shù)據(jù)總線（UART），內(nèi)帶電壓調(diào)節(jié)器（3.3 V輸出），支持調(diào)制解調(diào)器全功能信號，無需任何外部的USB器件，功能強大且占用空間非常小。

利用CP2101設(shè)計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)位信號控制，減少了計算機與外設(shè)之間的接口。使用CYGNAL免費提供的器件驅(qū)動程序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)動程序允許一個基于CP2101的器件以PC應(yīng)用軟件的形式，作為一個增加的COM口獨立于任何現(xiàn)有的硬件。COM口使用運行在PC上的應(yīng)用軟件，以訪問一個標(biāo)準(zhǔn)硬件COM口的方式訪問基于CP2101的器件。因此，無需修改現(xiàn)有的軟件和硬件就可以通過USB向基于CP2101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

由于RF芯片CC1101優(yōu)秀的接收器選擇性和模塊化性能，整個系統(tǒng)的通信協(xié)議可以人為編程設(shè)定。在無線傳輸系統(tǒng)之間的通信中大多采用主從式結(jié)構(gòu)，主機和從機之間的通信都是采用查詢中斷方式進行，它的通信信道是半雙工的，最適合點對點、點對多點的通信方式。

點對多點多機通信的多機通信方式首先需要設(shè)一個主機，其余為從機，所有主從機都編一個唯一的地址。通信的協(xié)調(diào)完全由主機控制，主機采用帶地址碼的數(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)傳過來的數(shù)據(jù)或命令進行不同的響應(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)議來完成，并可保證在任何一個瞬間，通信網(wǎng)中只有一對電臺處于通信狀態(tài)，以免相互干擾。多機通信主機程序流程見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn——編者注。

4 系統(tǒng)測試及結(jié)論

基于USB接口的嵌入式無線傳輸系統(tǒng)的整個電路設(shè)計集于一塊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無線收發(fā)器CC1101，結(jié)合高度集成的USB收發(fā)器CP2101，使整個系統(tǒng)模塊幾乎不需要外部器件，體積小，傳輸距離遠。為了避免高頻收發(fā)信號會對MCU產(chǎn)生干擾，所以無線RF電路必須外加金屬罩屏蔽。系統(tǒng)設(shè)計在利用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)下做了大量測試。表1是在下列條件下的測試結(jié)果:天線輸入阻抗50Ω，增益2.5dB；GFSK調(diào)制方式；在開闊地環(huán)境下通信。

表1 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊測試結(jié)果

測試結(jié)果表明:基于USB接口的嵌入式無線傳輸系統(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，可得到實際誤碼率低于10－5）、穩(wěn)定（可長時間抗干擾通信）、高速（最高傳輸率可達500kbps）的數(shù)據(jù)傳輸。它的電路設(shè)計簡單實用，成本低，功耗低，能提供256個通信信道，且各項通信指標(biāo)良好，具有非常好的實用性。此設(shè)計模塊已成功應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

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