无线USB的设计与实现 - 通信/网络 - 电子工程师俱乐部

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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。

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 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。


后台D12中断服务程序和nRF401中断服务程序与前台主循环程序之间的数据交换，通过事件标志和数据缓冲区来实现。后台中断服务程序由中断触发，通过标志位与主模块通信。主模块循环扫描各标志位，对相应的标志位做出处理。例如，nRF401 接受到有效数据后，送入串口触发串口中断，进入nRF401中断服务程序，将数据接收后放入数据缓冲区，然后设置UART_DATA标志，退出子模块。主模块查询到UART_DATA被置位，则调用 writendpoint（）程序将数据发往PC。

值得注意的是，nRF401在接受状态下即使没有数据接受，也会有随机码输出。因此需要在所需传输的数据前加入标识头，如55AAH。当检测到从串口进入的数据为55AAH时，再开始有效数据的接受。

对PC而言，无线USB传输模块是它的一个USB外设，因此必须提供USB设备的驱动程序。驱动程序的设计采用WDM模型，使用DriverStudio 进行开发。DriverStudio是一款优秀的驱动程序开发软件。启动DriverStudio中DriverWizard，填写USB设备的端点配置，便会自动生成驱动程序原代码和相应的测试程序原代码，只需稍做改动便可用VC6.0编译运行[5]。驱动程序向用户程序提供标准的IO接口：WriteFile ()、 ReadFile() 、DeviceIoControl ()。用户程序调用相应的函数，即可实现对USB设备的访问。下面的例子是实现向USB总线写数据的功能。

hFile = open_file(threadParam->pipe_name); //打开需要使用的端点
……
bResult = WriteFile(hFile,
threadParam->pcIoBuffer,
//等待传送的数据缓冲区地址
threadParam->uiLength, //数据长度
&nBytes,
NULL); //向该端点写入数据

if (bResult != TRUE) { //出错处理 DeviceIoControl(hFile, //复位该端点
IOCTL_D12_RESET_PIPE,
0, 0, 0, 0,
&nBytes,
NULL);}

编程过程中要注意串口波特率要一致，否则会造成接受数据错误。nRF401周围的布线和天线的设计很有讲究，一定要按照手册的要求进行设计。