基于USB接口的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引言

通信是信息的交換平臺(tái)，在人們的工作和日常生活中起著重要的作用。傳統(tǒng)的通信技術(shù)是通過(guò)數(shù)據(jù)線和串口/并口將設(shè)備連接在一起，這樣就存在布線困難和其它不方便的因素。而且傳統(tǒng)的RS232串口通迅和并口通訊都存在傳輸速度低、接口的連接過(guò)于復(fù)雜等不足。本文所設(shè)計(jì)的基于USB接口的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)利用了USB接口的高傳輸速率、即插即用等優(yōu)點(diǎn)，并結(jié)合了無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)之間的無(wú)線數(shù)據(jù)通訊，解決了傳統(tǒng)通信技術(shù)帶給我們的不便。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于USB接口的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)總體方案如圖1所示，該系統(tǒng)由發(fā)射和接收兩部分組成。其中，發(fā)射（接收）系統(tǒng)由單片機(jī)控制射頻發(fā)射模塊和單片機(jī)控制USB芯片兩部分組成。系統(tǒng)的工作過(guò)程為：主機(jī)將數(shù)據(jù)通過(guò)USB接口傳給單片機(jī)，數(shù)據(jù)通過(guò)單片機(jī)的SPI口再傳給射頻發(fā)射模塊，最后由射頻發(fā)射模塊把數(shù)據(jù)發(fā)射出去。射頻接收端接收到符合的數(shù)據(jù)包后，通知單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)，單片機(jī)將數(shù)據(jù)通過(guò)USB接口送給主機(jī)，這樣就完成了一包數(shù)據(jù)從發(fā)射端到接收端的傳輸。

nRF2401芯片工作在全球開(kāi)放的2.4~2.5GHz ISM免申請(qǐng)頻段共125個(gè)頻點(diǎn)，可滿足多頻點(diǎn)和跳頻的需要；最高速率可達(dá)1Mbps，低功耗；發(fā)射功率和頻道參數(shù)可通過(guò)軟件設(shè)置完成。nRF2401內(nèi)置地址解碼器、FIFO(先入先出棧區(qū))、解調(diào)處理器、GFSK濾波器、低噪聲放大器、頻率合成器，功率放大器，晶體振蕩器等部分構(gòu)成。nRF2401有兩種模式：Direct Mode(直接模式)和ShockBurst模式。ShockBurst技術(shù)采用芯片內(nèi)部FIFO，數(shù)據(jù)以較低的速率存在FIFO中，再以很高的速率(1Mbps)將數(shù)據(jù)發(fā)射出去，因此它的功耗和成本都很低。nRF2401上的編程采用三線接口方式，單片機(jī)通過(guò)DATA，CLK1，CS三個(gè)引腳對(duì)nRF2401芯片進(jìn)行初始化設(shè)置和數(shù)據(jù)的輸入輸出，單片機(jī)還可以通過(guò)PWR_UP，CE，CS三個(gè)引腳對(duì)其進(jìn)行控制，使nRF2401進(jìn)入不同的工作模式。nRF2401的DATA引腳是數(shù)據(jù)引腳，SCK引腳是時(shí)鐘引腳，在時(shí)鐘信號(hào)的配合下，單片機(jī)通過(guò)DATA引腳從nRF2401中讀取數(shù)據(jù)或者把數(shù)據(jù)寫入nRF2401。單片機(jī)與nRF2401連接如圖2所示。

首先對(duì)nRF2401進(jìn)行參數(shù)配置，CS=1，CE=0，PWR_UP=1。bit[119:0]有120位需要配置。這里需要注意的是nRF2401一包數(shù)據(jù)的最大長(zhǎng)度是256位（32Byte)，數(shù)據(jù)段的位數(shù)＝256－地址段的位數(shù)－CRC的位數(shù)。因此，要想在一包數(shù)據(jù)中傳輸盡可能多的數(shù)據(jù)段的位數(shù)，那么應(yīng)該減少地址段的位數(shù)和CRC的位數(shù)。接下來(lái)進(jìn)入突發(fā)模式：CS＝0，CE＝1，PWR_UP=1。通過(guò)模擬SPI口把數(shù)據(jù)和接收方的地址寫入nRF2401。注意該地址是接收方的地址。最后將CE置低，無(wú)線傳輸芯片把數(shù)據(jù)發(fā)射出去。

單片機(jī)對(duì)FT245BM的控制

FT245BM芯片是由FTDI(Future Technology Devices Intl Ltd)公司推出的第二代USB芯片，它的功能是實(shí)現(xiàn)USB接口與并行I/O接口之間數(shù)據(jù)的雙向傳輸。它由3.3V穩(wěn)壓器，USB收發(fā)器，鎖相環(huán)，串行接口引擎(SIE)，F(xiàn)IFO控制器，USB協(xié)議引擎，F(xiàn)IFO接收緩沖區(qū)，發(fā)送緩沖區(qū)，以及6M振蕩器，8倍頻時(shí)鐘倍頻器等組成。一方面，當(dāng)外部設(shè)備有數(shù)據(jù)要傳給主機(jī)時(shí)，數(shù)據(jù)通過(guò)8位并行I/O接口傳給USB芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，F(xiàn)T245BM再將8位并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為串行數(shù)據(jù)，通過(guò)USB接口把數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)；另一方面，當(dāng)主機(jī)有數(shù)據(jù)要給外部設(shè)備時(shí)，先將串行數(shù)據(jù)通過(guò)USB接口存儲(chǔ)在USB芯片內(nèi)部緩存區(qū)中，F(xiàn)T245BM再將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為8位并行數(shù)據(jù)，然后通過(guò)8位I/O接口把數(shù)據(jù)傳給外部設(shè)備。單片機(jī)與FT245BM的連接如圖3所示。

單片機(jī)對(duì)FT245BM的控制是通過(guò)RXF#，RD#，TXE#，WR這四個(gè)讀寫控制信號(hào)完成的。當(dāng)RXF#為低時(shí)，表示主機(jī)已經(jīng)將至少1字節(jié)的數(shù)據(jù)發(fā)送到USB的接收緩存區(qū)，單片機(jī)只需將RD#信號(hào)由低置高，就可以把D0－D7上的數(shù)據(jù)讀到單片機(jī)的寄存器中。當(dāng)TXE#為低時(shí)，表示單片機(jī)可以把1字節(jié)的數(shù)據(jù)寫入U(xiǎn)SB，只需把WR信號(hào)由高變低，就可以將D0－D7上的數(shù)據(jù)寫入U(xiǎn)SB的發(fā)送緩存區(qū)。注意，當(dāng)TXE#為高時(shí)不可以將數(shù)據(jù)寫入U(xiǎn)SB，這時(shí)USB的發(fā)送緩存區(qū)中正在處理上一次寫入的數(shù)據(jù)或是發(fā)送緩存區(qū)已經(jīng)寫滿。同樣，當(dāng)RXF#為高時(shí)，也不能從USB芯片中讀取數(shù)據(jù)。

電路設(shè)計(jì)可采用總線供電和自供電兩種供電方式，總線供電方式是指FT245BM設(shè)備的電源是通過(guò)計(jì)算機(jī)的USB接口供給的，電流要通過(guò)該口流入FT245BM設(shè)備。自供電方式是指FT245BM設(shè)備的電源由自己提供，而不通過(guò)主機(jī)供給。如果采用總線供電方式，在電源端采用一個(gè)磁珠，可以減少主機(jī)和設(shè)備的干擾。同時(shí)，在電源端增加去耦和旁路電容，可以提高電路的抗干擾性。如果電路沒(méi)有外接一片EEPROM，F(xiàn)T245BM將采用默認(rèn)的VID、PID、產(chǎn)品描述符和電源描述符。

軟件設(shè)計(jì)

發(fā)射端流程、接收端流程見(jiàn)圖4、圖5。

軟件設(shè)計(jì)

當(dāng) 外設(shè)連接到主機(jī)上的USB接口時(shí)，主機(jī)會(huì)檢測(cè)到新硬件，這時(shí)需安裝一個(gè)由FTDI公司免費(fèi)提供的D2XX驅(qū)動(dòng)程序，在該驅(qū)動(dòng)程序中包含了一個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（DLL）。該DLL由四部分組成：Classic Interface Functions、EEPROM Interface、Extended API和FT-Win32 API。Classic Interface Functions中包括FT_Open、FT_Read、FT_Write、FT_Close、FT_SetTimeOuts等函數(shù)，其功能如表1所示。

調(diào)用FT_Open函數(shù)，打開(kāi)設(shè)備。如果函數(shù)的返回值與FT_OK的值相等 ，那么函數(shù)調(diào)用成功，即USB設(shè)備被打開(kāi)。調(diào)用FT_Read函數(shù)，從USB中讀取數(shù)據(jù)。在程序中應(yīng)該設(shè)置一個(gè)字節(jié)型數(shù)組，用來(lái)存放從USB中讀取的1字節(jié)數(shù)據(jù)。調(diào)用之前需設(shè)置FT_SetTimeOuts函數(shù)的讀/寫操作時(shí)間，如果實(shí)際的讀操作時(shí)間超過(guò)了所設(shè)置的時(shí)間，那么認(rèn)為讀數(shù)失??；只有當(dāng)規(guī)定讀入的字節(jié)數(shù)與實(shí)際讀入的字節(jié)數(shù)相等時(shí)，讀操作 才算徹底完成。調(diào)用FT_Write函數(shù)，把數(shù)據(jù)寫入U(xiǎn)SB中。在程序中應(yīng)該設(shè)置一個(gè)字節(jié)型數(shù)組，用來(lái)存放要寫入U(xiǎn)SB發(fā)送緩存器的數(shù)據(jù)，數(shù)組的長(zhǎng)度可以自行設(shè)定，但最好不要超過(guò)384個(gè)字節(jié)。只有當(dāng)規(guī)定發(fā)送的字節(jié)數(shù)與實(shí)際發(fā)送的字節(jié)數(shù)相等時(shí)，寫數(shù)才算成功。調(diào)用FT_Close函數(shù)，關(guān)閉設(shè)備。如果函數(shù)的返回值與FT_OK的值相等 ，那么函數(shù)調(diào)用成功，即USB設(shè)備被關(guān)閉。

結(jié)論

本系統(tǒng)采用了nRF2401無(wú)線射頻芯片和USB接口芯片F(xiàn)T245BM，通過(guò)PIC單片機(jī)進(jìn)行控制，在主機(jī)端用VB編寫了USB軟件，實(shí)現(xiàn)了兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，解決了傳統(tǒng)通信技術(shù)的不足，具有很好的應(yīng)用前景。