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引言 隨著(zhù)個(gè)人電腦的發(fā)展、 USB(Universal Seral Bus)技術(shù)日趨成熟，USB設備也以驚人的速度發(fā)展。日常生活里的數碼相機、打印機、掃描儀，醫院里的心電圖機、床邊監護系統，以及圖書(shū)館、超市和物流倉庫的有線(xiàn)條碼掃描儀等設備大都使用了USB接口的通信。但是，由于USB的電纜長(cháng)度受限(一般規定低速電纜長(cháng)度不超過(guò)3 m，全速電纜長(cháng)度不超過(guò)5 m)，為使用帶來(lái)諸多不便。為了實(shí)現數據的高速傳輸，彌補其電纜長(cháng)度受限的不足，本文給出了基于RF24LU1+的USB接口設備的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )化系統設計方案。 1 系統設計 系統總體框圖如圖1所示。 
系統工作原理：首先，將無(wú)線(xiàn)收發(fā)主機的USB插頭插入PC機的USB插座，實(shí)現PC機與無(wú)線(xiàn)收發(fā)主機的硬件連接；同理，實(shí)現無(wú)線(xiàn)收發(fā)從機與USB設備 i(i=1，…，n)的硬件連接。無(wú)線(xiàn)收發(fā)主／從機可以根據現實(shí)情況采取自供電，或從與其所連的設備獲取供電。接著(zhù)，PC機實(shí)現對無(wú)線(xiàn)收發(fā)主機的USB枚舉過(guò)程；同時(shí)，無(wú)線(xiàn)收發(fā)從機的USB主控單元實(shí)現對USB設備的USB枚舉過(guò)程。枚舉結束后，建立無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。無(wú)線(xiàn)收發(fā)主機和每個(gè)無(wú)線(xiàn)收發(fā)從機都設定一個(gè)唯一的地址，無(wú)線(xiàn)收發(fā)主機通過(guò)查詢(xún)方式與無(wú)線(xiàn)收發(fā)從機進(jìn)行通信。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )建立后，通過(guò)無(wú)線(xiàn)收發(fā)主／從機就可以進(jìn)行USB數據流的無(wú)線(xiàn)通信了。 2 硬件電路設計 2．1 nRF24LU1+的芯片結構及特點(diǎn) nRF24LU1+ 是Nordic半導體公司推出的一款將高性能的射頻收發(fā)器和單片USBdongle的功能結合起來(lái)的無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片。nRF24LU1+內含1個(gè)增強型的 8051MCU內核、無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊、符合全速USB 2．0標準的器件控制器、2 KB的片內SRAM、16 KB或32 KB的片內Flash存儲器、6個(gè)通用的I／O口以及電壓調整器。nRF24LU1+顯著(zhù)地增強了抗寬帶干擾和互調失真(IMD)性能。 nRF24LU1+芯片需要的外部元件只是低成本的16 MHz晶振、去耦電路、匹配網(wǎng)絡(luò )和天線(xiàn)。VBUS(USB工作電源)工作電壓范圍4．0～5．25 V。nRF24LU1+是單片結構，外形尺寸很小(5 mm×5 mm)。 無(wú)線(xiàn)收發(fā)器工作于全球開(kāi)放的2．400～2．483 5 GHz頻段，收發(fā)器的通信波特率可以通過(guò)軟件設置工作于2 50 kbps、1 Mbps、2 Mbps；使用Enhanced ShockedBust技術(shù)可以實(shí)現數據包的自動(dòng)打包／解包和傳輸處理(應答、重傳)；使用MultiCeiver技術(shù)可同時(shí)支持6個(gè)無(wú)線(xiàn)裝置，頻段、輸出能量和其他射頻參數可通過(guò)射頻寄存器方便地進(jìn)行編程調節；具有點(diǎn)對多點(diǎn)通信，并且采用AES加密技術(shù)實(shí)現更安全的數據傳輸；使用超低功耗(ULP)無(wú)線(xiàn)技術(shù)，0 dBm輸出功率時(shí)典型峰值電流為11．1 mA；集成了1個(gè)穩壓器，芯片可以直接由USB總線(xiàn)供電。 2．2 ISP1161的芯片結構及特點(diǎn) ISP1161是Philips公司的一款符合USB2．0總線(xiàn)協(xié)議的USB接口芯片。它既帶主機控制器(HC)又帶設備控制器(DC)，支持全速／低速傳輸，16位數據總線(xiàn)，支持3．3 V／5 V雙供電方式。ISP1161為USB主機控制器時(shí)，提供2個(gè)USB設備連接的向下端口。 2．3 帶USB接口的無(wú)線(xiàn)收發(fā)主機 無(wú)線(xiàn)收發(fā)主機電路如圖2所示。電路由nRF24LU1+、16 MHz的晶振，以及其他元器件等構成。nRF24LU1+中的MCU負責控制其片內的USB模塊和無(wú)線(xiàn)模塊，實(shí)現USB數據流到無(wú)線(xiàn)數據流的轉換。
2．4 帶USB接口的無(wú)線(xiàn)收發(fā)從機 無(wú)線(xiàn)收發(fā)從機與外部USB設備的連接電路如圖3所示。無(wú)線(xiàn)收發(fā)從機電路由Philips公司的ARM7處理器LPC2103和USB嵌入式主控制器 ISP1161，以及nRF24LU1+和一些外圍器件構成。LPC2103和ISP1161構成USB的主機控制單元(HCU)。ISP1161作為主機控制器時(shí)有2個(gè)下行端口，分別連接nRF24LU1+的USB口和外部USB設備。nRF24LU1+負責無(wú)線(xiàn)數據流到USB數據流的傳輸。HCU負責來(lái)自nRP24LU1+的USB數據和外部LISB設備數據的傳輸。
3 USB無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統的軟件實(shí)現 3．1 nRF24LU1+的USB模塊固件程序設計 USB設備的軟件開(kāi)發(fā)包括PC機端的USB設備驅動(dòng)程序和界面應用程序，以及USB芯片端的芯片固件程序的開(kāi)發(fā)。芯片固件程序是指運行在USB芯片內部的程序代碼，它負責USB協(xié)議的處理和USB設備與主機的數據傳輸。芯片固件程序的開(kāi)發(fā)是重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。 3．1．1 USB設備的枚舉過(guò)程 從終端用戶(hù)看，USB系統就是外設通過(guò)一根USB電纜和PC機連接起來(lái)。USB在外設和PC機之間提供通信服務(wù)，通常把外設稱(chēng)為“USB設備”，把其所連接的PC機稱(chēng)為“USB主機”。USB使用總線(xiàn)枚舉操作管理USB設備的連接和斷開(kāi)。以USB設備的連接為例說(shuō)明枚舉過(guò)程。步驟如下： ①USB設備連接在主機或集線(xiàn)器的下行端口上，USB設備上電。 ②USB設備的復位。主機應提供至少10 ms的復位恢復時(shí)間。復位完成后，USB設備進(jìn)入缺省狀態(tài)，可使用缺省設備地址對管道0的控制事務(wù)作出響應。 ③主機向USB設備發(fā)出Get Descriptor (Device)請求，以取得其缺省控制管道所支持的最大數據包長(cháng)度。 ④主機向USB設備發(fā)出SetAddress請求，為其分配一個(gè)唯一的設備地址。 ⑤主機使用新地址向USB設備發(fā)出GetDescriptor(Configuration)請求，并讀取其全部配置信息。該過(guò)程需要花費幾ms。 ⑥主機根據設備的配置信息(如供應商、產(chǎn)品ID等)，為其選擇一個(gè)合適的設備驅動(dòng)程序。通常需要由開(kāi)發(fā)人員自己編寫(xiě)，有時(shí)也可以使用設備類(lèi)或供應商提供的通用驅動(dòng)程序。 ⑦加載了USB設備驅動(dòng)程序后，主機發(fā)出SetCon-figuration請求為該設備選擇一個(gè)合適的配置。配置成功后，枚舉結束，USB設備可以和主機進(jìn)行數據傳輸了。 3．1．2 USB模塊固件程序設計 nRF24LU1+的USB模塊由2個(gè)SFR寄存器和XDATA寄存器組來(lái)控制。USB固件程序由2部分組成：USB模塊的初始化程序和中斷服務(wù)程序。 (1)USB模塊的初始化程序 關(guān)閉USB中斷，調用端點(diǎn)初始化函數USB_endpoint_init(void)設置USB各個(gè)端點(diǎn)的傳輸方式、緩存區大小、中斷事件產(chǎn)生條件，調用 USB服務(wù)函數USB_setvice(void)為中斷服務(wù)程序中調用做準備；打開(kāi)USB中斷，調用函數 USB_device_connect(void)使得內部的1．5 kΩ上拉電阻連到D+線(xiàn)上，實(shí)現全速USB設備的配置。這樣，就可以響應主機的枚舉過(guò)程了。 (2)USB模塊的中斷服務(wù)程序 USB控制器提供2個(gè)中斷信號給nRF24LU1+，分別為喚醒中斷請求USBWU信號和USB中斷請求USBIRU信號。USB中斷請求USBIRQ為 nRF24Lu1+的一個(gè)中斷，而USB中斷請求下又有許多中斷，包括：12個(gè)塊端點(diǎn)中斷、幀開(kāi)始中斷(sofir)、掛起中斷(suspir)、USB 復位中斷(uresir)、建立令牌中斷(sutokir)、建立數據有效中斷(sudavir)。如果多個(gè)USB中斷同時(shí)發(fā)生，USB控制器將按優(yōu)先級次序響應。激活的中斷在中斷向量寄存器ivec中得到，例如sofir中斷時(shí)，ivec寄存器的內容為0x04。USB中斷請求USBIRQ的部分程序代碼如下：
3．2 nRF24LU1+的無(wú)線(xiàn)模塊程序設計 nRF24LU1+使用具有內嵌的協(xié)議引擎(EnhancedShockBurst)2．4 GHz GFSK的RF收發(fā)器。EnhancedShockBurst具有自動(dòng)包處理的特性，這使得實(shí)現可靠的雙向數據鏈接變得容易。數據包的傳輸是在兩個(gè)收發(fā)器之間進(jìn)行的，其中一個(gè)作為主接收器(PRX)，另一個(gè)作為主發(fā)送器(PTX)。每個(gè)數據包的傳輸都是由PTX發(fā)送數據包開(kāi)始，而以PTX接收到PRX的應答包結束。在自動(dòng)包傳輸處理工作時(shí)，nRF24LU1+提供了自動(dòng)應答和重發(fā)數據的硬件機制，重發(fā)數據包的最大次數和第一次傳輸到下一次重傳之間的延時(shí)均可編程設置。 nRF24LU1+發(fā)送器在Enhanced ShockBurst情況下的工作流程如圖4所示。
通過(guò)把RECON寄存器的rfce位置高使發(fā)送器進(jìn)入PTX模式。如果在TX的FIFO緩存區有數據包，則無(wú)線(xiàn)收發(fā)器進(jìn)入TX模式并發(fā)送這個(gè)數據包。如果自動(dòng)重新傳輸使能，狀態(tài)機檢查NO_ACK標志位是否被置位。如果被置位，RF收發(fā)器進(jìn)入RX模式準備接收應答包。如果收到的應答包為空，則只有 TX_DS(傳輸數據發(fā)出)中斷請求發(fā)生。如果應答包中包含載荷數據，則在收發(fā)器返回standby-I模式之前，TX_DS和RX_DR(接收數據準備)中斷請求同時(shí)發(fā)生。如果延時(shí)時(shí)間到了而收發(fā)器還沒(méi)有收到應答包，則收發(fā)器返回到standby-II模式。在自動(dòng)重新傳輸時(shí)間沒(méi)到之前，一直保持在 standby-II模式。如果重傳次數沒(méi)有達到設定值，則RF收發(fā)器進(jìn)入TX模式并再一次重傳最后一次的數據包；否則，會(huì )發(fā)生最大重傳MAX_RT中斷請求，并返回到standby-I模式。如果RECON寄存器的rfce位為高且TX FIFO(先入先出數據緩存區)為空，則RF收發(fā)器進(jìn)入standby-I模式。 由于nRF24LU1+的無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊有強大數據硬件收發(fā)機制，編寫(xiě)程序比較簡(jiǎn)單，只需在初始化程序中對相關(guān)寄存器進(jìn)行設置就可進(jìn)入數據的收發(fā)。發(fā)送數據時(shí)，把待發(fā)送的數據放入發(fā)送FIFO后，收發(fā)器會(huì )按照設置進(jìn)行發(fā)送，發(fā)送的情況通過(guò)中斷來(lái)通知MCU，MCU根據具體的中斷請求執行相應的中斷服務(wù)程序。接收數據時(shí)，收發(fā)器會(huì )不斷地搜尋有效地址，當找到一個(gè)有效地址時(shí)，會(huì )處理剩下的數據包并通過(guò)CRC驗證數據包。如果這個(gè)包是有效的，包內的載荷數據將被放入RX FIFO中。 數據包的格式如下：
無(wú)線(xiàn)通信程序由兩部分組成：無(wú)線(xiàn)通信模塊的初始化程序和中斷服務(wù)程序。 初始化程序對工作模式、傳輸速率、無(wú)線(xiàn)通信的工作波段頻率、RF輸出功率、地址寄存器、數據包的有效數據長(cháng)度、CRC的校驗長(cháng)度和RF中斷寄存器等進(jìn)行相應的設置。無(wú)線(xiàn)通信模塊對nRF24LU1+只占一個(gè)中斷源RFIRQ，具體是何種中斷可通過(guò)查詢(xún)STATUS寄存器中的TX_DS、RX_DR、 MAX_RT位來(lái)獲得。中斷服務(wù)程序分為發(fā)送中斷服務(wù)程序、接收中斷服務(wù)程序和最大重傳中斷服務(wù)程序。 結語(yǔ) 本文提出一種運用無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片nRF24LU1+組建的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統。此網(wǎng)絡(luò )系統充分利用USB和無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊各自的優(yōu)點(diǎn)實(shí)現了快速、便捷的數據傳輸，具有集成度高、體積小、保密性強、功耗低的特點(diǎn)。 參考文獻 1. 王成儒,李英偉,USB2.0原理與工程開(kāi)發(fā)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2004. 2. 唐穎,阮越.基于ISP1161的USB接口音、視頻嵌入式系統設計[J].現代電子技術(shù),2005,28(20). 3. Nordic.Preliminary_product_Specification_nRF24LU1P_v1_2.pdf[OL].[2009-04].http://www.nordicsemi.com. 4. Philips.ISP1161A Full-speed Universal Serial Bus single-chip host and device controller,Rev.03[OL].[2007-04].http://www.nxp.com/acrobat_download/datasheets/ISP1161A-03.pdf. 5. Philips.LPC2101/02/03 User manual Rev.3,2008-10-02. 作者：李建明(上海海事大學(xué)) 彭建學(xué)(上海奧波電子有限公司) 于濤(廣州本田汽車(chē)有限公司) 來(lái)源：《單片機與嵌入式系統應用 》 2009（9） |