作者：李建明；彭建學(xué)；于濤 來源：單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用

引言

隨著個人電腦的發(fā)展、 USB（Universal Seral Bus）技術(shù)日趨成熟，USB設(shè)備也以驚人的速度發(fā)展。日常生活里的數(shù)碼相機、打印機、掃描儀，醫(yī)院里的心電圖機、床邊監(jiān)護系統(tǒng)，以及圖書館、超市和物流倉庫的有線條碼掃描儀等設(shè)備大都使用了USB接口的通信。但是，由于USB的電纜長度受限（一般規(guī)定低速電纜長度不超過3 m，全速電纜長度不超過5 m），為使用帶來諸多不便。為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸，彌補其電纜長度受限的不足，本文給出了基于RF24LU1+的USB接口設(shè)備的無線網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)設(shè)計方案。

1 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

系統(tǒng)工作原理：首先，將無線收發(fā)主機的USB插頭插入PC機的USB插座，實現(xiàn)PC機與無線收發(fā)主機的硬件連接；同理，實現(xiàn)無線收發(fā)從機與USB設(shè)備 i（i=1，…，n）的硬件連接。無線收發(fā)主／從機可以根據(jù)現(xiàn)實情況采取自供電，或從與其所連的設(shè)備獲取供電。接著，PC機實現(xiàn)對無線收發(fā)主機的USB枚舉過程；同時，無線收發(fā)從機的USB主控單元實現(xiàn)對USB設(shè)備的USB枚舉過程。枚舉結(jié)束后，建立無線網(wǎng)絡(luò)。無線收發(fā)主機和每個無線收發(fā)從機都設(shè)定一個唯一的地址，無線收發(fā)主機通過查詢方式與無線收發(fā)從機進行通信。無線網(wǎng)絡(luò)建立后，通過無線收發(fā)主／從機就可以進行USB數(shù)據(jù)流的無線通信了。

2 硬件電路設(shè)計

2．1 nRF24LU1+的芯片結(jié)構(gòu)及特點

nRF24LU1+ 是Nordic半導(dǎo)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(jié)合起來的無線收發(fā)芯片。nRF24LU1+內(nèi)含1個增強型的 8051MCU內(nèi)核、無線收發(fā)模塊、符合全速USB 2．0標準的器件控制器、2 KB的片內(nèi)SRAM、16 KB或32 KB的片內(nèi)Flash存儲器、6個通用的I／O口以及電壓調(diào)整器。nRF24LU1+顯著地增強了抗寬帶干擾和互調(diào)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。VBUS（USB工作電源）工作電壓范圍4．0～5．25 V。nRF24LU1+是單片結(jié)構(gòu)，外形尺寸很小（5 mm×5 mm）。

無線收發(fā)器工作于全球開放的2．400～2．483 5 GHz頻段，收發(fā)器的通信波特率可以通過軟件設(shè)置工作于2 50 kbps、1 Mbps、2 Mbps；使用Enhanced ShockedBust技術(shù)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的自動打包／解包和傳輸處理（應(yīng)答、重傳）；使用MultiCeiver技術(shù)可同時支持6個無線裝置，頻段、輸出能量和其他射頻參數(shù)可通過射頻寄存器方便地進行編程調(diào)節(jié)；具有點對多點通信，并且采用AES加密技術(shù)實現(xiàn)更安全的數(shù)據(jù)傳輸；使用超低功耗（ULP）無線技術(shù)，0 dBm輸出功率時典型峰值電流為11．1 mA；集成了1個穩(wěn)壓器，芯片可以直接由USB總線供電。

2．2 ISP1161的芯片結(jié)構(gòu)及特點

ISP1161是Philips公司的一款符合USB2．0總線協(xié)議的USB接口芯片。它既帶主機控制器（HC）又帶設(shè)備控制器（DC），支持全速／低速傳輸，16位數(shù)據(jù)總線，支持3．3 V／5 V雙供電方式。ISP1161為USB主機控制器時，提供2個USB設(shè)備連接的向下端口。

2．3 帶USB接口的無線收發(fā)主機

無線收發(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(gòu)成。nRF24LU1+中的MCU負責(zé)控制其片內(nèi)的USB模塊和無線模塊，實現(xiàn)USB數(shù)據(jù)流到無線數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)換。

2．4 帶USB接口的無線收發(fā)從機

無線收發(fā)從機與外部USB設(shè)備的連接電路如圖3所示。無線收發(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(gòu)成。LPC2103和ISP1161構(gòu)成USB的主機控制單元（HCU）。ISP1161作為主機控制器時有2個下行端口，分別連接nRF24LU1+的USB口和外部USB設(shè)備。nRF24LU1+負責(zé)無線數(shù)據(jù)流到USB數(shù)據(jù)流的傳輸。HCU負責(zé)來自nRP24LU1+的USB數(shù)據(jù)和外部LISB設(shè)備數(shù)據(jù)的傳輸。

3 USB無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)

3．1 nRF24LU1+的USB模塊固件程序設(shè)計

USB設(shè)備的軟件開發(fā)包括PC機端的USB設(shè)備驅(qū)動程序和界面應(yīng)用程序，以及USB芯片端的芯片固件程序的開發(fā)。芯片固件程序是指運行在USB芯片內(nèi)部的程序代碼，它負責(zé)USB協(xié)議的處理和USB設(shè)備與主機的數(shù)據(jù)傳輸。芯片固件程序的開發(fā)是重點，也是難點。

3．1．1 USB設(shè)備的枚舉過程

從終端用戶看，USB系統(tǒng)就是外設(shè)通過一根USB電纜和PC機連接起來。USB在外設(shè)和PC機之間提供通信服務(wù)，通常把外設(shè)稱為“USB設(shè)備”，把其所連接的PC機稱為“USB主機”。USB使用總線枚舉操作管理USB設(shè)備的連接和斷開。以USB設(shè)備的連接為例說明枚舉過程。步驟如下：

①USB設(shè)備連接在主機或集線器的下行端口上，USB設(shè)備上電。

②USB設(shè)備的復(fù)位。主機應(yīng)提供至少10 ms的復(fù)位恢復(fù)時間。復(fù)位完成后，USB設(shè)備進入缺省狀態(tài)，可使用缺省設(shè)備地址對管道0的控制事務(wù)作出響應(yīng)。

③主機向USB設(shè)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(shù)據(jù)包長度。

④主機向USB設(shè)備發(fā)出SetAddress請求，為其分配一個唯一的設(shè)備地址。

⑤主機使用新地址向USB設(shè)備發(fā)出GetDescriptor（Configuration）請求，并讀取其全部配置信息。該過程需要花費幾ms。

⑥主機根據(jù)設(shè)備的配置信息（如供應(yīng)商、產(chǎn)品ID等），為其選擇一個合適的設(shè)備驅(qū)動程序。通常需要由開發(fā)人員自己編寫，有時也可以使用設(shè)備類或供應(yīng)商提供的通用驅(qū)動程序。

⑦加載了USB設(shè)備驅(qū)動程序后，主機發(fā)出SetCon-figuration請求為該設(shè)備選擇一個合適的配置。配置成功后，枚舉結(jié)束，USB設(shè)備可以和主機進行數(shù)據(jù)傳輸了。

3．1．2 USB模塊固件程序設(shè)計

nRF24LU1+的USB模塊由2個SFR寄存器和XDATA寄存器組來控制。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(diào)用端點初始化函數(shù)USB_endpoint_init（void）設(shè)置USB各個端點的傳輸方式、緩存區(qū)大小、中斷事件產(chǎn)生條件，調(diào)用 USB服務(wù)函數(shù)USB_setvice（void）為中斷服務(wù)程序中調(diào)用做準備；打開USB中斷，調(diào)用函數(shù) USB_device_connect（void）使得內(nèi)部的1．5 kΩ上拉電阻連到D+線上，實現(xiàn)全速USB設(shè)備的配置。這樣，就可以響應(yīng)主機的枚舉過程了。

（2）USB模塊的中斷服務(wù)程序

USB控制器提供2個中斷信號給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+的一個中斷，而USB中斷請求下又有許多中斷，包括：12個塊端點中斷、幀開始中斷（sofir）、掛起中斷（suspir）、USB 復(fù)位中斷（uresir）、建立令牌中斷（sutokir）、建立數(shù)據(jù)有效中斷（sudavir）。如果多個USB中斷同時發(fā)生，USB控制器將按優(yōu)先級次序響應(yīng)。激活的中斷在中斷向量寄存器ivec中得到，例如sofir中斷時，ivec寄存器的內(nèi)容為0x04。USB中斷請求USBIRQ的部分程序代碼如下：

3．2 nRF24LU1+的無線模塊程序設(shè)計

nRF24LU1+使用具有內(nèi)嵌的協(xié)議引擎（EnhancedShockBurst）2．4 GHz GFSK的RF收發(fā)器。EnhancedShockBurst具有自動包處理的特性，這使得實現(xiàn)可靠的雙向數(shù)據(jù)鏈接變得容易。數(shù)據(jù)包的傳輸是在兩個收發(fā)器之間進行的，其中一個作為主接收器（PRX），另一個作為主發(fā)送器（PTX）。每個數(shù)據(jù)包的傳輸都是由PTX發(fā)送數(shù)據(jù)包開始，而以PTX接收到PRX的應(yīng)答包結(jié)束。在自動包傳輸處理工作時，nRF24LU1+提供了自動應(yīng)答和重發(fā)數(shù)據(jù)的硬件機制，重發(fā)數(shù)據(jù)包的最大次數(shù)和第一次傳輸?shù)较乱淮沃貍髦g的延時均可編程設(shè)置。

nRF24LU1+發(fā)送器在Enhanced ShockBurst情況下的工作流程如圖4所示。

通過把RECON寄存器的rfce位置高使發(fā)送器進入PTX模式。如果在TX的FIFO緩存區(qū)有數(shù)據(jù)包，則無線收發(fā)器進入TX模式并發(fā)送這個數(shù)據(jù)包。如果自動重新傳輸使能，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)器進入RX模式準備接收應(yīng)答包。如果收到的應(yīng)答包為空，則只有 TX_DS（傳輸數(shù)據(jù)發(fā)出）中斷請求發(fā)生。如果應(yīng)答包中包含載荷數(shù)據(jù)，則在收發(fā)器返回standby-I模式之前，TX_DS和RX_DR（接收數(shù)據(jù)準備）中斷請求同時發(fā)生。如果延時時間到了而收發(fā)器還沒有收到應(yīng)答包，則收發(fā)器返回到standby-II模式。在自動重新傳輸時間沒到之前，一直保持在 standby-II模式。如果重傳次數(shù)沒有達到設(shè)定值，則RF收發(fā)器進入TX模式并再一次重傳最后一次的數(shù)據(jù)包；否則，會發(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(shù)據(jù)緩存區(qū)）為空，則RF收發(fā)器進入standby-I模式。

由于nRF24LU1+的無線收發(fā)模塊有強大數(shù)據(jù)硬件收發(fā)機制，編寫程序比較簡單，只需在初始化程序中對相關(guān)寄存器進行設(shè)置就可進入數(shù)據(jù)的收發(fā)。發(fā)送數(shù)據(jù)時，把待發(fā)送的數(shù)據(jù)放入發(fā)送FIFO后，收發(fā)器會按照設(shè)置進行發(fā)送，發(fā)送的情況通過中斷來通知MCU，MCU根據(jù)具體的中斷請求執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。接收數(shù)據(jù)時，收發(fā)器會不斷地搜尋有效地址，當(dāng)找到一個有效地址時，會處理剩下的數(shù)據(jù)包并通過CRC驗證數(shù)據(jù)包。如果這個包是有效的，包內(nèi)的載荷數(shù)據(jù)將被放入RX FIFO中。

數(shù)據(jù)包的格式如下：

無線通信程序由兩部分組成：無線通信模塊的初始化程序和中斷服務(wù)程序。

初始化程序?qū)ぷ髂Ｊ健鬏斔俾省o線通信的工作波段頻率、RF輸出功率、地址寄存器、數(shù)據(jù)包的有效數(shù)據(jù)長度、CRC的校驗長度和RF中斷寄存器等進行相應(yīng)的設(shè)置。無線通信模塊對nRF24LU1+只占一個中斷源RFIRQ，具體是何種中斷可通過查詢STATUS寄存器中的TX_DS、RX_DR、 MAX_RT位來獲得。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(jié)語

本文提出一種運用無線收發(fā)芯片nRF24LU1+組建的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。此網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)充分利用USB和無線收發(fā)模塊各自的優(yōu)點實現(xiàn)了快速、便捷的數(shù)據(jù)傳輸，具有集成度高、體積小、保密性強、功耗低的特點。

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