如何設(shè)計基于USB接口的嵌入式無線傳輸系統(tǒng)？

基于USB接口的嵌入式無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計在涉及通信接口時，為了解決PC機(jī)串口和并口嚴(yán)重不足的問 題以及方便儀器設(shè)備之間的連接，提出了無線傳輸技術(shù)和USB接口相結(jié)合的方案。無線傳輸和USB接口在各 自的應(yīng)用領(lǐng)域都不再是新概念，但將兩者相結(jié)合確是一個較為獨(dú)特的設(shè)計創(chuàng)新。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計

整個設(shè)計主要實現(xiàn)基于USB接口的數(shù)字無線RF發(fā)送與接收，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示，可分為3大部分： 無線RF電路、微控制器電路、USB接口電路。

無線RF電路的主要功能是將從微控制器送來的數(shù)據(jù)按照預(yù)設(shè)的調(diào)制格式送到天線激勵電磁波發(fā)射，并 將從天線接收到的調(diào)制信號解調(diào)得到基帶信號，再送給微控制器。微控制器(AT89C51)電路是整個設(shè)計系 統(tǒng)的控制核心，是RF電路與USB接口之間的通信橋梁，同時也是RF電路的控制芯片，這部分需完成兩大功 能：其一是對RF芯片進(jìn)行寄存器配置(通信參數(shù)配置)和數(shù)字通信，其二是與USB芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞以及對 USB接口通信波特率設(shè)置。

2 硬件電路設(shè)計與實現(xiàn)

硬件電路按結(jié)構(gòu)與功能分由3部分組成：無線RF電路、微控制器接口電路、USB接口電路。

2.1 無線RF電路

基于CC1101的無線RF電路設(shè)計如圖2所示。

CC1101是TI公司生產(chǎn)的一款高集成度、高靈敏度、多通道UHF收發(fā)機(jī)，專為低功耗無線數(shù)據(jù)傳輸所設(shè) 計，特別是用在315/433/868/915 MHz頻點(diǎn)的ISM(工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療)和SRD(短距離設(shè)備)領(lǐng)域。它的RF收發(fā) 器集成了一個配置非常靈活的調(diào)制解調(diào)器，支持多種不同的調(diào)制方式，其數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)500 kbps，且具 有遠(yuǎn)程無線喚醒(WOR)功能。RF芯片CC1101采用的是基于0.18sCMOS晶體的Chipcon的SmartRF04技術(shù)，它資源開放性非常好，外圍電路設(shè)計簡單，特別是這款RF芯片的輸出功率、載波頻率、通信波特率可由控制 芯片對相關(guān)寄存器編程更改，設(shè)計與應(yīng)用非常靈活。

2.1.1 輸出功率調(diào)節(jié)

來自設(shè)備的RF輸出功率等級有兩個可程控等級。

首先，專用的PATABLE寄存器能保持8個用戶(PATABLE(0)～PATABLE(7))選擇輸出功率設(shè)定。然后，3位 FREND0.PA_POWER[2：0]值選擇PATABLE使用入口。這個兩級功能在傳輸?shù)拈_始和結(jié)束時提供靈活的PA功率 線性上升或下降，及ASK調(diào)制整形。在每種情況下，PATABLE中序號0～FREND0.PA_POWER的所有PA功率設(shè)定 值都會用到。

2.1.2 載波頻率控制

CC1100的頻率控制用來最小化一個信道導(dǎo)向系統(tǒng)需要的設(shè)計。為了建立一個帶信道數(shù)目的系統(tǒng)，理想 信道間隔由MDMCFG0.CHANSPC_M和MDMCFG1.CHANSPC_E寄存器設(shè)定。信道間隔寄存器分別為尾數(shù)和指數(shù)?；? 頻率和起始頻率由位于FREQ2、FREQ1和FREQ0寄存器的24位頻率詞匯設(shè)定。這個詞匯典型地設(shè)定為將要使用 的最低信道頻率的中心。理想信道數(shù)目由8位信道數(shù)目寄存器CHANNR.CHAN設(shè)定。寄存器CHANNR.CHAN為信道 偏移的倍數(shù)。合成載波頻率為(式中的fxosc晶振選用的頻率為26MHz)：

選定的fIF(中間頻率)由FSCTRL1.FREQ_IF寄存器控制：

2.1.3 通信波特率設(shè)置

系統(tǒng)傳輸時的數(shù)據(jù)率由MDMCFG3.DRATE_M和MDMCFG4.DRATE_E配置寄存器控制。數(shù)據(jù)率由下式算得，控 制的數(shù)據(jù)率由晶體頻率決定。

下面的方法能用來找到對應(yīng)于給定數(shù)據(jù)率的合適的值：

若DRATE_M靠近其最近的寄存器而且接近256，則增加DRATE_E，使DRATE_M為0。

2.2 微控制器接口電路

微控制器接口電路設(shè)計如圖3所示。整個控制電路的核心即MCU選用的是Atmel公司生產(chǎn)的低電壓，高性 能CMOS 8位單片機(jī)AT89C51，它片內(nèi)含4 KB的Flash和128字節(jié)的數(shù)據(jù)RAM，提供5個中斷源并支持兩級中斷嵌 套，擁有一個全雙工串行通信口，器件采用高精度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)。

整個系統(tǒng)采用的是上電復(fù)位，與基于USB接口即插即用的特性非常吻合。圖中D1和D2兩個LED為整個模 塊的通信指示燈，分別接單片機(jī)的P1.6和P1.7，工作狀態(tài)由編程控制;J1為微控制器與無線RF電路的接口， 其中SCLK為RF芯片CC1101的時鐘輸入信號，接單片機(jī)P1.0與單片機(jī)時鐘同步，端口SO(GDO1)、GDO0、還有GDO2為無線RF電路的數(shù)字輸出口，端口SI和CSn為無線RF電路的數(shù)字輸入口。微控制器除了為RF電路提供控 制以外，還預(yù)留了鍵盤輸入與液晶顯示端口，為以后的需求作鋪墊。

2.3 USB接口電路

USB接口電路(如圖4所示)完成了系統(tǒng)和計算機(jī)或設(shè)備端的物理連接，提供總線的硬件收發(fā)接口，實現(xiàn) 電氣和底層的邏輯功能，完成上層協(xié)議處理、數(shù)據(jù)收發(fā)控制以及電壓調(diào)節(jié)。