《基于nRF24LU1的无线USB数据传输系统的设计.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于nRF24LU1的无线USB数据传输系统的设计.pdf（4页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第3 1 卷第1 期2 0 1 1 年1 月核电子学与探测技术N u c l e a rE l e c t r o n i c s&D e t e c t i o nT e c h n o l o g yV 0 1 3 1J a n N o 12 0 1 1基于n R F 2 4 L U l 的无线U S B数据传输系统的设计谢昌斌，王代华，张志杰(中北大学动态测试与智能仪器教育部重点实验室，山西太原0 3 0 0 5 1)摘要：提出了N O R D I C 公司新推出来的无线射频芯片n R F 2 4 L U I 的无线U S B 模块的设计和实现方案，从n R F 2 4 L U l 芯片
2、的内部结构入手，介绍了该芯片无线U S B 系统的工作原理，给出无线收发机的具体硬件电路图和流程图，重点阐述了n R F 2 4 L U l 无线U S B 模块的设计。关键词：n R F 2 4 L U l；无线U S B；近距离无线传输中图分类号：T N9 2文献标识码：A文章编号：0 2 5 8 0 9 3 4(2 0 1 1)0 1-0 0 7 9-0 4通用串行总线(U n i v e r s a lS e r i a lB u s 一一U S B)是目前计算机与外设之间最流行，最方便的通信接口标准。它除了具有较高的传输速率(U S B l 1 支持低速1 5M b p s 和全速1
3、 2M b p s 两种传输速度，U S B 2 0 还支持高速4 8 0M b p s)外，还有易于扩展以及支持即插即用和热插拔的特性，被广泛用于数据采集系统和各种计算机外设中。但是基于U S B 接口的数据通信依然是一种有线的接入方式。随着短距离无线通信技术的发展以及无线通信技术在可靠性和可操作性方面的优势，在数据采集系统中以无线接入代替有线接人已成为了一种趋势。本文提出了一种基于n R F 2 4 L U l 芯片的无线U S B 短距离无线通信的解决方案。l 无线U S B 模块结构和原理无线U S B 模块结构如图l 所示，它由U S B接口、U S B 控制器、M C U、射频模块
4、、射频匹配电路及天线六个部分组成。其中，U S B 控制器收稿日期：2 0 1 0 0 1 0 4作者简介：谢昌斌(1 9 8 3 一)，男，江西赣州人，中北大学通信与信息系统专业硕士研究生，主要研究方向为无线数据传输技术。负责把M C U 发来的数据进行U S B 协议封装和U S B 数据进行控制，以及将U S B 数据解析后转发到M C U；M C U 负责对射频芯片和U S B 控制器的控制，实现模块总功能；射频模块和射频匹配电路主要负责无线数据的发送和接收。图1 无线U S B 结构图无线U S B 的实现一般有三种实现方案，一是三芯片实现，即单片机、U S B 控制器和射频芯片；二
5、是两芯片实现，即用已集成了U S B 控制器的单片机和射频芯片或者是已集成了U S B控制器的射频芯片和单片机实现；三是单芯片实现，即U S B 控制、单片机和射频芯片都集成到一个芯片中。本文的B R F 2 4 L U l 芯片就是单芯片实现U S B 的无线通信，它具有成本低、体积小的优势。2 系统硬件设计2。1n R 砣4 L u l 芯片结构及特点n R F 2 4 L U l 是N O R D I C 公司推出的一款将高性能的射频收发器和U S B 控制器以及8 0 5 1单片机的功能高度集成到一起的无线收发芯7 9万方数据片。n R F 2 4 L U I 内含一个增强型的8 0
6、5 1 M C U内核，采用M C S5 1 指令设计，但大大减少了指令周期，达到传统8 0 5 1 的1 2 倍；1 6k 字节的f l a s h 和2k 的S R A M；接口包括通用I O 口、主从S P I 口，U A R T 和U S B 口，其中U S B 控制器是全速的U S B 2 0 控制器；2 4G H z 的射频传输模块，传输速度可以为lM H z 或2M H z，对于其作为无线U S B 应用有很好的传输速度保证，同时其包括自动回复和重传功能。n R F 2 4 L U l 集成电压转换模块，直接由U S B 总线供电，不需要再加电压转换芯片，节约成本和减少了版面空间
7、。无线U S B 模块主要由以下几部分组成：匹配电路、U S B 接1：3 电路和时钟输入接口电路。其硬件电路图如图3。3 系统软件设计图2 无线模块硬件电路图3 1n R F 2 4 L U l 的U S B 固件程序U S B 的软件开发包括P C 端的U S B 设备驱动端和界面应用程序以及U S B 芯片端的芯片固件程序开发。U S B 固件程序就是运行在U S B芯片内部的程序代码，它负责U S B 协议的处理和U S B 设备和主机的数据传输。n R F 2 4 L U l 的U S B 模块由两个S F R 寄存器和S D A T A 寄存器组来控制，U S B 固件程序由两部分
8、组成：U S B 模块初始化和U S B 中断服务程序。(1)U S B 模块的初始化程序先关闭U S B 中断，调用端点初始化函数U S B e n d p o i n t i n i t(v o i d)设置传输方式、结构、状态信息和中断。调用U S B 服务函数U S B s e r v i c e(v o i d)为中断服务程序中调用做准备；打开U S B 中断，调用函数U S B d e v i c e c o n n e c t(v i o d)，实现全速U S B 设备的配置，这样就可8 0，I _ 埘以响应主机的枚举过程了。(2)U S B 模块的中断服务程序U S B 控制器
9、提供两个中断信号给n R F 2 4 L U l，分别为唤醒中断请求U S B W U 和U S B 中断请求U S B I R Q 信号。U S B 中断请求下又有许多中断，包括：1 2 个块端点中断、帧开始中断、挂起中断、U S B 复位中断、建立令牌中断、建立数据有效中断。激活的中断在中断向量寄存器i v e c 中得到。U S B 中断请求U S B I R Q 的部分程序如下：s t a t i cv o i di s r _ s u d a v()有效数据中断h a l u s b _ d e v _ r e q _ r e s p _ tl e tu i n t 8t d a t
10、 a _ p t r；u i n t l 6 _ td m a _ s i 孺；s t a t i cv o i di s r s d()起始帧中断万方数据s t a t i cv o i di s r s u t o k()建立令牌中断i _ u s b p a c k e t i z e r d a t a _ p t r=N U L L；i _ u s b p a c k e t i z e r d a t a _ s i z e=O：i _ u s b p a c k e t i z e r p k t s i z e=0；s t a t i cv o i di s r s u s p
11、 e n d()挂起中断u i n t 8 一ta L l o wr e m o t e W X I=0：i f(g _ h a l u s b s t a t e=C O N F I G U R E D)i f(g h a l u s b b m s t a t e&U S B B M S T A T E A i rL O W R E M O T E W A K E U P)=U S B B M S T A T E A L-L O W R E M O T E w A K E U F)a l l o w _ r e m o t ew u=1；lg _ h a l _ u s b s t a t
12、 e=S U S P E N D E D；i f(g _ _ h a l u s b s u s p e n d!=N U L L)g _ h a l u s b s u s p e n d(a l l o w _ r e m o t e _ w u)；s t a t i cv o i di s r _ u s b r e s e t()复位中断g _ h a l u s b s t a t e=D E F A U L T；g _ h a l u s b c u r r e n t _ c o n f i g2O；gh a l _ u s b c u r r e n t _ a h _ i n
13、 t e r f a c e=0：g _ h a l _ u s b b m _ s t a t e=O：i f(g _ h a l u s b r e s e t!=N U L L)g _ h a l u s b r e s e t()；3 2n R F 2 4 L U l 无线模块软件设计n R F 2 4 L U l 使用内嵌的增强型S h o c k B u r s t作为R F 收发器，增强型S h o c k B u r s t 具有自动包处理的能力，这使得双向数据连接更为方便。发射工作原理：通过设置R F C O N 寄存器中的r f c e 位为高来激活P T X 模式。如果在
14、T XF I F O 有数据，则进入发射模式并发射数据包。如自动重发使能，则状态机检查N O A C K 标志是否已经置位；如果不是，则进入接收模式接收A C K 包。如果收到的是空A C K 包，则只有T X D SI R Q 中断被设置。如果A C K 包包含载荷，则T X D SI R Q 和R X D RI R Q 两个中断均在返回待机模式一I 前被设置。如果在接收超时前还没有接收到A C K 包，则射频收发将进入待机模式一I I 并将一直停留在待机模式一I I 直到A R D 的到来。如果还未到A R C 所定义的重发次数，则射频收发部分将进入发射模式再次重发上一个包。当达到最大重发
15、次数时，射频收发部分设置M A X R TI R Q 中断并返回待机一I 模式。图3 为P R X 工作在增强型S h o c k B u r s t 模式下的流程图。图3S h o c k B u r s t 模式F 的F i X 流程图接收工作原理：通过设置R F C O N 寄存器中的r f c e 位为高激活P R X 模式。射频收发部分进入接收模式并搜索有效数据包。如果搜到一个数据包，看R XF I F O 是否已满，若不满则设定接收窗口对数据进行接收，如果自动应答使能，射频收发部分确定是否是一个新数据包，如果是新数据包，数据载荷移入R XF I F O并且R X D RI R Q
16、中断置位。如果丢失数据包，将会再次收到上一个包，P R X 将会丢弃此包并在返回接收模式前发送一个应答包。具体流程图如图4。由于n R F 2 4 L U l 的无线模块比较成熟，内嵌了一个n R F 2 4 L 0 1 无线内核，具有强大的无线数据收发功能，在程序初始化过程中对相关的寄存器进行相应的配置就可以进行数据的收发。发送数据时，通过单片机将需要发送的数据送进T XF I F O 中，收发器定时扫描F I F O，自动将数据发射出去，接收端会不断地搜寻有效地址，当接收到一个有效地址，接收端接收数据并通过C R C 验证，最后的结果通过接收端发回给发送端的握手信号产生相应的中断来执行相应
17、的中断服务程序。8 1万方数据图4S h o e k B u r s t 模式下的P R X 流程图4 总结本文通过应用无线收发芯片n R F 2 4 L U l 实现无线数据的传输，更好地解决了U S B 的无线应用，做成的模块比普通的无线U S B 模块体积小、成本低、功耗低，提高了无线U S B 的性能，具有一定的使用价值。参考文献：1 n R F 2 4 L U lO b j e c t i v eP r o d u c tS p e c i f i c a t i o n 2 周立功U S B2 0 与O T G 规范其开发指南(M 北京：北京航空航天大学出版社，2 0 0 4 3
18、谭晖n R F 无线S O C 单片机原理与高级应用 M 北京：北京航空航天大学出版社，2 0 0 9 4 刘荣圈圈教你玩U S B M 北京：北京航空航天大学出版社，2 0 0 9 5 肖踞雄，翁铁成，宋中庆U S B 技术及其应用设计 M 北京：清华大学出版社，2 0 0 3 6 白凤娥，霍利峰，刘振峰无线U S B 原理及其发展 J 信息技术，2 0 0 6，3 0(1 2)：1 8 4 1 8 6 7 赵卉，马林华基于U S B 接口的无线数据传输系统设计 J 微计算机信息，2 0 0 8，8 2：1 0 7 1 0 9 8 李建明，彭建学，于涛n R F 2 4 L U l+的U S
19、 B 无线网络系统设计 J 单片机与嵌入式系统应用，2 0 0 9，9：3 6 3 9 D e s i g no fW i r e l e s sU S BD a t eT r a n s m i s s i o nS y s t e mW h i c hB a s e do nn 啦4 L U lX I EC h a n g b i n，W A N GD a i h u a，Z H A N GZ h i-j i e(M i n i s t yo fE d u c a t i o nK e yL a b o fD y n a m i cM e a s u r e m e n ta n dI n
20、 s t r u m e n t，N o a hU n i v e r s i t yo fC h i n a，T m y u a n0 3 0 0 51，C h i n a)A b s t r a c t：P r o p o s e dt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o np r o g r a mo fW i r e l e s sU S Bm o d u l eo fn R F 2 4 1 u l，N O R D I C an e ww i r e l e s sr a d i o f r e q u e n c yc h i p
21、 s s t a r tf r o mt h ei n t e r n a ls t r u c t u r eo ft h ec h i pn R F 2 4 L U l，i ti n t r o d u c e st h ew i r e l e s sU S Bs y s t e m gp r i n c i p l e，g i v e st h es p e c i f i ch a r d w a r e，t h et r a n s c e i v e rc i r c u i td i a g r a ma n dt h ef l o w c h a r t，f o c u s i n go nt h ew i r e l e s sU S Bm o d u l ew h i c hb a s e do nn R F 2 4 L U ld e s i g n K e yw o r d s：n R F 2 4 L U l，W i r e l e s sU S B，N e a rd i s t a n c ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n8 2万方数据