基于USB2．0的紅外數據傳輸系統的設計與實現

摘要：針對有線傳輸的缺點或不足，為避免經常插拔接口造成測試儀器損壞，設計基于USB2．0的紅外數據傳輸系統。詳細論述系統的總體結構和關鍵硬件電路的設計及實現，并闡述系統的固件程序、驅動程序及應用程序的設計方法。利用USB2．0接口技術與紅外傳輸技術實現測試儀與PC機之間的無線數據傳輸。


1 引言
??? 隨著測試技術和無線通信技術的發展和應用，測試儀器向微型化、低功耗發展，紅外數據傳輸成本低廉，簡單易用，在很多小型設備中得到廣泛應用。為避免接口插拔造成儀器損壞，實現測試儀器與PC機間的無線數據傳輸，減少不必要的線纜連接，這里設計一種基于USB2．0的紅外數據傳輸系統，該系統具有低功耗、控制簡單、實施方便，傳輸可靠性高等特點。

2 系統硬件設計
2．1 主要器件選型
??? Cypress公司的CY7C68013器件包含USB2．0的集成微控制器。它內部集成有1個增強型的8051、1個智能USB串行接口引擎、1個USB數據收發器、2個UART、3個8位I／O口、16位地址線、8．5 KB RAM和4 KB FIFO等。增強型的8051內核完全與標準8051兼容、而性能可達到標準8051的3倍以上。每條指令占4個時鐘周期，在48 MHz晶振下工作時，單指令周期為83．3 ns，執行速度遠快于標準的8051單片機。EZ-USB FX2支持3種接口模式，即GPIF控制器模式、從屬FIFO模式和端口模式。GPIF控制器模式和從屬FIFO模式與外圍設備是8位或16位數據并行傳輸，根據本系統需要，選擇串行通信的端口模式。
??? 由于USB傳輸的數據是基帶二進制信號，而紅外收發器傳輸的數據是3／16歸零碼，因此選用編解碼器HSDL-7001實現CY7C68013器件與紅外收發器之間的數據轉換。為了實現系統的小體積，選用TFBS4652型紅外收發器，該收發器是最小的紅外收發器之一(6．8 mmX2．8 mmX1．6 mm)，質量僅為0．05 g。最大傳輸速率達115．2 Kbit／s(SIR)，發光二極管的工作電壓范圍為2．4～3．6 V，溫度為-25～85℃。此外，該收發器還具有發送接收的使能控制端，當系統不工作時，可將此端口置低，這樣收發器就處于關閉狀態，降低系統消耗。

2．2 系統設計組成
??? 本傳輸系統主要由USB2．0接口電路(包括接口器件CY7C68013、電源轉換、串行E2PROM)、紅外編碼解電路和紅外收發器3部分組成。當需將外圍設備中存儲的數據讀取到PC機時，PC機向USB2．0接口器件CY7C68013發送讀取數據的請求命令，CY7C68013接收到請求命令后，把與外圍設備通信的校驗碼通過串行通信接口發送至紅外編解碼HSDL-7001，然后將接口器件發送出的串行二進制數據編碼成3／16歸零碼的脈沖，3／16歸零碼數據通過串行數據線傳送至紅外收發器，此時接口器件開啟紅外收發電器的收發使能端，紅外收發器以紅外光信號的形式發射3／16歸零碼脈沖數據，完成命令的發送；當外圍設備連接的紅外收發器接收到發送的3／16歸零碼數據命令后，將其送至外圍設備，外圍設備收到命令后響應發送數據，即完成一次從PC機到外圍設備的數據通信。其具體實現原理如圖1所示。

?


2．3 紅外編解碼電路
??? 圖2為紅外編解碼電路，主要用到紅外編解碼器HSDL-7001，該器件遵循IrDA1．0通信協議物理層規范，接口與SIR收發器相兼容，可與標準的16550 UART連接，具有內部或外部2種時鐘模式，工作電壓范圍為2．7～5．5 V，可發送／接收1．63μs或3／16脈沖數據形式。其中16XCLK為16倍波特率的時鐘輸入端，只在外部晶振時使用。

?

?? OSCOUT、OSCIN為晶振接口，低電平時選擇內部時鐘。TXD引腳接收CY7C68013單片機串行端口發送的數據，經編碼調制后，以脈沖的方式傳輸到IR_TXD端口。紅外光脈沖數據轉變來的電平脈沖信號，經IR_RX端口進入HSDL-7001，經內部解調后，通過RX引腳將數據發送到CY7C68013單片機的串行端口。引腳A0、A1、A2用于改變HSDL-7001的波特率選擇，以匹配外同設備與PC機之間數據的傳輸。
??? 本系統選用外部晶體振蕩器，選用頻率為1．843 2 MHz有源晶振，在數據編碼過程，HSDL-7001接收TXD傳送的串行數據，在TXD的每個下降沿開始，IRRXD延遲7CYCLES的時間(16CYCLES為一個晶振周期)，然后輸出1個正脈沖，脈寬為3CYCLES，如果TXD0一直為低電平，則每個晶振周期內，IRRXD都會輸出1個寬度為3CYCLES的正脈沖。如果TXDO為高電平，則IRTXD輸出低電平，如圖3所示。

?


??? 解碼過程相反，編碼過程看作是把TXD脈沖變窄的過程，而解碼過程則看作是把脈沖拉寬的過程。解碼過程中，當IRRXD傳送1個寬度為3CYCLES的負脈沖，RXD就輸出1個寬度為16CYCLES的負脈沖，如圖4所示。

?


3 系統軟件設計
??? 系統軟件包括固件程序、USB設備驅動程序和應用程序。整個軟件包括系統初始化、采樣控制、數據傳輸和波形顯示等部分。USB設備端固件及外圍電路的底層控制程序主要采用C51編寫，計算機端客戶應用程序采用Visual Basic和Visual C++混合編程。
3．1 USB固件設計
??? USB數據傳輸有4種方式：塊傳輸、中斷傳輸、同步傳輸和控制傳輸。當需要快速精確大批量傳輸數據時，一般采用塊傳輸方式。設計中主要考慮本系統要求高速持續傳輸大容量的數據，并且對數據的完整性要求較高，故采用塊傳輸方式。
??? 固件程序的編寫采用Keil公司的Keil C51編譯器(V6．10)。它為8051微控制器的軟件開發提供C語言環境，同時保留匯編代碼高效、快速的特點，相對于傳統的匯編開發環境更加靈活、高效和易于使用。將代碼在Keil C51環境中進行編譯。編譯通過后，將固件代碼下載到USB單片機中，就可實現與外圍設備的數據傳輸。

在整個固件程序中，EZ-USB FX2設備上電或復位后，首先初始化所有內部狀態變量，隨后調用任務初始化函數TD_Init()，開啟中斷，此時固件程序不斷檢測控制端口0是否收到SETUP包。一旦收到，固件程序就開始調用用戶函數TD_Poll()，其中用戶需要完成的功能代碼在TD_Poll()函數中。調用完成后，重復檢測端口O是否收到SETUP包，若有，繼續執行設備請求，調用TD_Poll()函數；否則檢測USB核是否有USB掛起信號。若有則調用用戶函數TD_Suspend()，其返回值為真時，檢測USB核是否有重新開始事件，沒有時，設備進入掛起狀態，反之，調用TD_Resume()進行下一次循環；當。TD_Suspend()函數返回值為假時，直接轉入下次循環。
??? 此外，固件程序框架中還定義許多中斷處理函數，當用到時可在相應的位置加入用戶編寫的代碼，這樣既清晰又便于理解，就可在無需改變整個程序的前提下，僅通過改變相應的模塊，來實現用戶設置的功能，本系統采用串口中斷處理函數實現紅外傳輸數據的接收。
3．2 驅動程序設計
??? USB系統驅動程序采用分層結構模型(WDM)，該模型定義分層的驅動程序，USB設備驅動程序不直接與硬件對話，而是通過USB驅動程序接口將USB請求快速提交到總線驅動程序進而完成硬件操作。從系統的角度來說，在USB設備插入主機后，主機檢測到USB設備，讀取設備描述符，然后主機根據設備描述符中提供的廠商ID和產品ID等，啟用相應USB設備驅動程序，讀取USB設備中的配置描述符、接口描述符和端點描述符，根據需要選擇恰當的配置、接口和端點，確定傳輸方式。這一過程完成后，PC機與USB設備之間就可傳輸數據。
3. 3 應用程序設計
?? 應用程序是測試系統軟件的核心，其對USB設備的操作功能為：開啟或關閉USB設備，檢測USB設備，設置USB數據傳輸管道。設置數據端口的初始狀態，通過USB接口回傳數據、存儲、顯示并分析數據。

4 結論
??? 本文設計的數據傳輸系統具有低功耗、控制簡單、實施方便等特點，系統將USB2．O接口技術與紅外傳輸技術結合，實現了測試儀與PC機之間的無線數據傳輸，達到了設計應用要求。
??? 為了保證傳輸數據的正確性，避免其他光波對傳輸數據的干擾，系統殼體安裝紅外濾光片：一方面，消除或減少散射輻射或背景輻射的有害影響：另一方面，分出具有特定波長區的紅外波長。經多次試驗證明，該系統能夠可靠穩定傳輸數據，具有很好的實用性。