基于無線ＵＳＢ技術的數據傳輸系統

2008-04-12 00:00:00王錳趙書俊單保慈

現代電子技術 2008年19期

摘要：基于USB控制器芯片CY7C68013A和無線射頻芯片nRF2401，設計了一種無線USB接口的數據傳輸系統，并詳細介紹無線USB接口的軟硬件設計。與采用多芯片實現USB接口的系統相比，使用單芯片完成USB接口的設計，提高了系統的可靠性。下位機由FPGA作為主控芯片，使得硬件設計更加靈活，提高了硬件部分的可移植性。該系統具有USB接口所支持的可熱插拔、即插即用的特點，并且實現了數據的無線傳輸，無需布置通信電纜。

關鍵詞：無線USB;CY7C68013A;nRF2401;FPGA

中圖分類號：TL82文獻標識碼：B文章編號：1004373X(2008)1904902

Data Transmission System Based on Wireless USB

WANG Meng1，ZHAO Shujun1，SHAN Baoci2

(1.Zhengzhou University，Zhengzhou，450001，China；2.Institute of High Energy Physics，Chinese Academy of Sciences，Beijing，100049，China)

Abstract：Based on USB controller CY7C68013A and radio frequency chip nRF2401，a data transmission system with wireless USB interface is designed，and the hardware software design of wireless USB interface is introduced.Comparing to the system of using multi-chip to realize USB interface，using single chip to design the USB interface enhances reliability of the system.Adopting FPGA as the down-side machine can improve flexibility and portability of hardware design.This system supports hot plug and play of USB interface，and also realizes wireless transmission for data without communication cable.

Keywords：wireless;USB;CY7C68013A;nRF2401;FPGA

USB(Universal Serial Bus，通用串行總線)作為計算機和外設之間的標準接口，因其使用方便、傳輸速度快、支持熱插拔等特點，被廣泛應用到了消費電子、移動通信、工業控制及儀器儀表等諸多領域。但是在不宜布置通信電纜的場合，有線USB通信就受到了限制。為此，本文提出了一種使用USB接口進行無線數據傳輸的方案。

1 硬件設計

整個系統由兩部分組成。由CY7C68013A和nRF2401組成模塊一，并將該模塊與計算機的USB接口相連，nRF2401用來完成數據的無線發射和接收，CY7C68013A作為nRF2401和計算機USB接口的紐帶，用來實現USB通信功能;由Xilinx公司的FPGA芯片XC2VP4-5FG256C和另外一片nRF2401組成模塊二，nRF2401用來完成數據的無線發射和接收，由FPGA將數據發送給nRF2401或讀取nRF2401的數據。圖1中的雙向箭頭表示數據通信是雙向的。整個數據通信的流程如下：模塊二中的FPGA將采集到的數據發送給nRF2401，nRF2401以2.4 GHz的基頻將此數據調制成高頻電磁波發射出去，計算機端模塊二上的nRF2401將接收此高頻電磁波并進行解調，然后將解調后的數據通過CY7C68013A發送給計算機。計算機端的數據可通過與此相反的方向將數據發送給FPGA。

1.1 FPGA與nRF2401的數據接口

nRF2401上電以后有4種工作模式，分別為：收發模式、配置模式、空閑模式和關機模式。這4種工作模式由PWR，CE，CS三個引腳的電平決定，如表1所示。nRF2401內部有兩個數據通道，并且兩個通道能同時工作用來提高數據傳輸速率。CLK1為nRF2401通道一收發數據的時鐘， DR1為通道一接收數據準備好的狀態指示信號， DATA為通道一的數據線。以上6個信號可以與XC2VP4-5FG256C的任意6個用戶可用引腳相連，在FPGA代碼編寫完成后，通過Xilinx開發軟件ISE的管腳約束選項將這6個信號指定到相應的引腳即可。XC1，XC2外接16 MHz晶振，ANT1，ANT2為nRF2401的天線接口。

1.2 CY7C68013A與nRF2401的數據接口

CY7C68013A 的D口與nRF2401相連，如圖3所示。CY7C68013A是Cypress公司推出的集成USB 2.0接口的微控制器，該芯片具有一種獨特的結構，使USB接口和應用環境直接共享FIFO(先入先出存儲器)，而微控制器可不參與數據傳輸，但允許以FIFO或RAM的方式訪問這些共享FIFO，這一結構較好地解決了USB高速傳輸的帶寬問題。

2 軟件設計

通過此無線USB接口，實現了計算機接收FPGA發送的數據的功能。整個系統軟件包括以下幾個部分：計算機端USB接口的驅動程序以及應用程序、USB控制器芯片CY7C68013A固件程序和FPGA配置nRF2401，并發送數據給nRF2401的Verilog HDL程序。

FPGA端的Verilog HDL程序流程圖如圖4所示。配置nRF2401就是往nRF2401寫入18 B的配置字，主要作用是：設置發送數據的長度、數據通道的地址；啟用CRC校驗并設置CRC校驗模式，nRF2401使用硬件對發送的數據進行CRC校驗以保證傳輸的準確性；設置nRF2401外接晶振的頻率，信號發射的功率、速率及發射模式。nRF2401支持兩種信號發射速率，分別為250 kb/s和1 Mb/s，本系統選用250 kb/s的信號發射速率。nRF2401的收發模式有ShockBurstTM收發模式和直接收發模式兩種。ShockBurstTM收發模式下數據從外部控制器輸入，但高速發射、與射頻協議相關的高速信號處理都在nRF2401內部進行，這樣信號在空中的滯留時間短，抗干擾性強。采用ShockBurstTM收發模式時，nRF2401自動處理數據包的字頭(地址)和CRC校驗碼。為此，采用ShockBurstTM收發模式進行數據發送。在數據發送階段，配置階段寫入nRF2401的配置字決定了發送的數據包的長度為32字節，前兩字節為地址，接下來的28字節為數據，最后兩字節為CRC校驗碼(由nRF2401自動生成)。

CY7C68013A內部集成了USB收發器、串行接口引擎SIE以及增強型的8051單片機，USB收發器將CY7C68013A的數據發送到計算機的USB總線上，串行接口引擎SIE用于處理與USB協議相關的操作，8051單片機用于CY7C68013A與外部器件的接口。CY7C68013A的固件程序由Keil μVision開發。固件程序的實現過程如下：首先設置與USB傳輸相關的寄存器；接著檢測nRF2401 DR1引腳的電平，當DR1為有效電平時，說明nRF2401已接收到有效數據，CY7C68013A在CLK1的上升沿讀取nRF2401的數據，最后將讀到的數據存入塊端點緩沖區以等待計算機讀取。

計算機USB的驅動程序采用CY7C68013A的生產商Cypress公司提供的通用驅動cyusb.sys，計算機通過cyusb.inf安裝cyusb.sys驅動程序， cyusb.inf文件里CY7C68013A的產品序列號和版本號必須與固件程序里的一致。計算機應用程序里必須包含頭文件cyapi.h和 cyioctl.h，并連接cyapi.lib才能通過驅動程序cyusb.sys對CY7C68013A進行操作。應用程序首先生成一個USB設備類的對象，然后打開設備并調用讀塊端點的API 函數讀取CY7C68013A塊端點中的數據。

3 結語

無線USB接口實現了USB接口和無線通信兩大功能。在USB接口部分采用集成8051內核的USB控制器，簡化了硬件設計，提高了系統的可靠性。在FPGA外圍擴展ＡＤ轉換電路，就可以實現一個帶有無線USB接口的數據采集系統。

參考文獻

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