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无线USB的设计与实现

发布时间:2020-07-09 发布时间:
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1 引言

USB(Universal Serial Bus通用串行总线)是一种快速、灵活的总线接口。与其它通信接口比较,USB接口的最大特点是易于使用,支持热插拔,并且所有的配置过程都由系统自动完成,无需用户干预。USB接口已成为现代微型计算机的标准配置。

短距离无线通信,具有抗干扰能力强、可靠性高、安全性好、受地理条件限制较少、安装施工简便灵活等特点,应用非常广泛,如汽车遥控门钥、无线抄表、饭店的无线点菜、遥控遥测、小区自动化等等。

结合上述两种技术的优点,本文提出了一种无线USB的实现方案,可进行短距离数据的高速传输。以此为基础,可快速开发出相关的短距离无线通信产品。

2 应用芯片

PDIUSBD12 是一款Philips公司生产的高性价比USB 器件,其内部集成有320 bit的FIFO存储器、时钟发生器、串行接口引擎(SIE)、收发器和3.3 V电压转换器,完全符合USB1.1版的规范,可进行12M bit/s的数据传输。它还提供与微控制器进行通信的高速通用并行接口,并支持本地的DMA传输。

PDIUSBD12有三个端点:控制端点、通用端点和主端点,可配置成四种模式以满足不同的需要。片上集成一个6~48 MHz的倍频锁相环(PLL),允许使用6 MHz的低频晶振,从而使电磁干扰大大减小,给PCB布线带来了极大方便。它所提供的GoodLink接口可接LED,根据通信的状况间歇闪烁,指示USB的连接状况。

PDIUSBD12所具有的低挂起功耗连同LazyClock输出,可以满足ACPI、OnNOW和USB 电源管理的要求。低的操作功耗可以应用于使用总线供电的外设。此外,它还集成了 SoftConnetTM、可编程时钟输出和终止寄存器集合等多种特性,不仅为系统节约了成本,而且使USB 功能在外设上的应用变得更加容易[2]。

nRF401是挪威Nordic公司最新推出的数传频段 433MHz单片无线收发一体芯片。采用FSK调制解调技术,最高数据传输率达20k bit/s,最大发射功率为+10dBm,接收灵敏度高达-105dBm,开阔地的使用距离最远可达1000m。天线接口设计为差分天线,可以采用低成本的PCB天线。该芯片为低功耗设计且支持待机模式,接受状态下的功耗为250mA,发射状态下的功耗为8mA,等待状态功耗仅为8mA。它的工作电压范围很宽,可以从2. 7~5V。它的外围元件很少,只包括一个基准晶振和几个无源器件,没有调试部件,可以直接与单片机串口连接,给设计和生产带来了极大的方便[3] 。

3 硬件设计

本文设计的无线USB方案的硬件结构如图1所示。


微控制器MCU采用PHILIPS的P89C58UBP,具有32k EEPROM、256 Byte RAM和三个定时/计数器,最高时钟可达33MHz。MCU的串口与 nRF401的RX、TX直接相连,TXEN(发送接收控制)、PWR_UP(芯片挂起)、CS(发射频率选择)分别由MCU的I/O脚控制。 PDIUSBD12接在MCU的数据总线上,中断引脚/INT接在MCU的中断输入上。PDIUSBD12会对USB总线上的数据自动进行处理,将事件写入自身的中断寄存器,并拉低/INT通知MCU。MCU响应中断,并读取中断寄存器的内容进行判断处理。如果是要求数据发送,则将数据通过串口发往nRF401,由其发射出去。同样nRF401接收到数据后触发串口中断, MCU响应中断将数据送入USB总线。整套系统使用USB总线供电。

4 软件设计

该系统的软件设计包括P89C58UBP中的固件设计和微机端的通信软件设计。其中,固件部分的流程图如图2所示。



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