基于單片機的無線式數據通訊接口卡的設計

引言

針對在現實生活中，大量存在各種評審、評獎活動，作者研制開發(fā)了一套無線式專家評審智能系統(tǒng)，可進行準確、快捷的集體評審和表決工作。系統(tǒng)主要由中央數據處理站和若干智能評分器組成，采用輪叫輪詢的網絡拓撲結構。為了實現中央數據處理站計算機與各智能評分器之間的數據交換，并確保評審現場整潔規(guī)范，空間布局有條不紊，需要設計一塊無線通訊卡，這樣就無需在現場鋪設通訊電纜。基于此，作者開展了這方面的研究，并開發(fā)了一塊具有RS-232和USB兩種接口的無線式數據通訊接口卡，以滿足現場不同的使用要求。
2 總體方案
無線式數據通信接口卡原理框圖如圖1所示。接口卡以一塊EZ-USB FX單片機為中心，單片機通過RS-232或USB接口接收來自計算機的命令和數據，然后經nRF903調制后發(fā)送出去，返回的數據經無線收發(fā)電路解調后，EZ-USB FX單片機可進行正確的讀取，然后通過RS-232或USB接口傳送給計算機進行處理。整個工作過程由X5043看門狗電路進行監(jiān)控。LED信號指示燈用于指示接口卡的工作狀態(tài)。

3 硬件設計
3.1 EZ-USB FX單片機
Cypress公司推出的帶智能USB接口的EZ-USB FX單片機，是一塊高度集成的集成電路。具有以下主要特性：
?單片集成了USB收發(fā)器，智能串行接口引擎SIE(Serial Interface Engine)和增強型8051內核；
?支持USB1.1和2.0協(xié)議；
?軟件：8051由內部或外部RAM運行代碼；
?增強型8051每個指令周期只需4個機器周期，3個定時器/計數器，2個UART，1個I2C接口，24MHz/48MHz工作頻率；
?3.3V工作電壓。
EZ-USB FX單片機為USB外設提供了一種高度集成的解決方案，極大地降低了USB設備的開發(fā)難度。其內部增強的8051核心使用內建RAM，可作為程序和數據存儲器使用，并賦予了EZ-USB FX“軟件”特性。此外，EZ-USB FX具有獨特的列舉和重列舉特性，這種特性可讓用戶的代碼通過USB總線下載到片內RAM中，便于用戶對系統(tǒng)的再開發(fā)和升級，實現柔性開發(fā)。
本設計中選用的EZ-USB FX單片機是CY7C64601-52NC。52腳PQFP封裝，4KB的RAM，16個可編程的I/O口，8位通用可編程接口GPIF（General Programmable Interface）。
3.2 RF無線收發(fā)芯片nRF903及其接口設計
nRF903是Nordic公司最新推出的單片無線433/868/915MHz收發(fā)芯片，該芯片采用藍牙核心技術設計，在一個32腳的芯片中包括了三段高頻發(fā)射與接收、三段PLL合成、FSK/GMSK調制與解調、多頻道切換、異步通信接口等多種功能，是目前集成度最高的無限數據傳輸產品之一。傳輸速度最高可達76.8Kbps。采用低發(fā)射功率、高接收靈敏度的設計，使用無需申請許可證，開闊地的使用距離最遠可達1000米。
nRF903可與單片機直接接口使用，nRF903與CY7C64601的連接原理如圖2所示。nRF903的DATA為雙向數據傳輸口，與CY7C64601的TxD0和RxD0相接串行傳輸數據；TXEN用于選擇傳輸模式，TXEN為0時，nRF903工作于接收方式，TXEN為1時，nRF903工作于發(fā)射方式，用單片機的I/O口PC3控制；CFG_CLK用于配置寄存器時鐘、CFG_DATA用于配置寄存器數據、CS用于寄存器片選，分別用CY7C64601的PC7、PC6、PC5來進行控制，對nRF903的工作頻率等參數進行設置；STBY、PWR_DWM設置為0時，nRF903工作于接收或發(fā)送正常工作狀態(tài)。
nRF903有三個工作頻段，170個信道，4種發(fā)射功率，4種外部始終頻率輸出，通過單片機對nRF903內部的一個14位配置寄存器進行設置，編程選擇nRF903的工作頻率，發(fā)射功率等參數。在配置過程中，首先通過單片機將TXEN設置為0，同時STBY、PWR_DMN也為0，使芯片工作在接受模式，以避免無意地在不希望的頻率進行傳送。選取芯片外接振蕩器的頻率為11.0592MHz。nRF903的配置字通過CS、CFG_CLK、CFG_DATA組成的串行接口，在時鐘信號的控制下串行輸入內部配置單元的數據移位寄存器。激活CS信號使能nRF903的配置模式，從最高位開始串行輸入14位配置字，CFG_DATA的位速度不可超過1Mbps，然后使CS無效，配置操作即完成。
3.3 EZ-USB FX外圍電路
EZ-USB FX工作電壓為3.3V，而USB總線提供的電源為5V。因此選用一塊Maxim公司的電壓轉換芯片MAX882實現從5V到3.3V的轉換。由于EZ-USB FX工作電壓為3.3V，為保證晶振能在低電壓的情況下可靠工作，在單片機XIN和XOUT之間接了一個1MΩ的反饋電阻。EZ-USB FX內部8KB的代碼和數據存儲器都是RAM，沒有永久性的存儲器，EZ-USB FX必須通過I2C接口從外部E2PROM獲得代碼和數據。在主機列舉之前，EZ-USB FX內核電路通過I2C接口從串行E2PROM讀取一個字節(jié)，這個字節(jié)告訴內核下一步該作什么。使用默認模式時，根據E2PROM字節(jié)識別設備，或從E2PROM調用固件。E2PROM選用Microchip公司的24LC64，存儲器容量為64KB。具體電路連接如圖2所示。MAX232的作用是實現RS-232電平和TTL電平之間的轉換。可編程看門狗監(jiān)控芯片X5043與EZ-USB FX之間采用SPI接口進行數據傳輸。CY7C64601的USBD-和USBD+分別通過一個22Ω的電阻與USB總線的D-和D+相連，構成USB總線接口。對EZ-USB FX單片機的復位包括USB總線的復位和8051的復位，圖2所示的上電復位和X5043復位均只對8051復位。

4 軟件設計
EZ-USB FX單片機軟件主要包括系統(tǒng)初始化、看門狗監(jiān)控程序、與計算機通訊和讀寫nRF903數據程序等4個部分。
4.1 系統(tǒng)初始化
系統(tǒng)初始化主要包括EZ-USB FX的初始化和X5043的初始化。EZ-USB FX的初始化程序是軟件設計中一個很重要的部分，包括8051的初始化和USB的初始化兩部分，下面對其進行詳細介紹。
8051的初始化包括兩方面的初始化：I/O口初始化，寄存器初始化。EZ-USB FX是根據I/O口分配表對接口初始化。但是其I/O引腳結構與標準8051有很大的不同，它由一個OE寄存器控制輸出緩沖器，OE=0，關閉輸出緩沖器，I/O引腳做輸入用；OE=1，打開輸出緩沖器，I/O引腳做輸出用，數據送入輸出寄存器。寄存器初始化主要是對EZ-USB FX內部特殊寄存器和數據緩沖區(qū)的初始化。由于EZ-USB FX基于增強型8051架構，內嵌USB內核，因此有些普通8051沒有的內部特殊寄存器需要進行設置。
USB的初始化包括USB設備的初始化和USB傳輸通道的初始化。主機是通過獲取設備的描述符來獲得設備的屬性、傳輸方式等信息，而這些信息都通過設備描述符文件dscr.a51實現。以中斷傳輸為例，設備描述符的說明包括：設備描述符定義、設備配置描述符定義、接口描述符定義、輸入終端描述符定義和輸出終端描述符定義等。
4.2 通訊軟件
接口卡通訊軟件包括與計算機通訊和無線通訊軟件兩部分。圖3是EZ-USB FX單片機程序流程圖。

5 結束語
目前，基于EZ-USB FX設計的無線式數據通信接口卡已取得很好的實際應用效果。通過簡單移植，可以很方便地將該方案應用于其它無線通訊場合和USB外圍設備的設計中。