n R F24 LU 1+的U S B無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引 言
    隨著個(gè)人電腦的發(fā)展、USB(Universal Seral Bus)技術(shù)日趨成熟，USB設(shè)備也以驚人的速度發(fā)展。日常生活里的數(shù)碼相機(jī)、打印機(jī)、掃描儀，醫(yī)院里的心電圖機(jī)、床邊監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，以及圖書館、超市和物流倉庫的有線條碼掃描儀等設(shè)備大都使用了USB接口的通信。但是，由于USB的電纜長度受限(一般規(guī)定低速電纜長度不超過3 m，全速電纜長度不超過5 m)，為使用帶來諸多不便。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸，彌補(bǔ)其電纜長度受限的不足，本文給出了基于RF24LU1+的USB接口設(shè)備的無線網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。
    系統(tǒng)工作原理：首先，將無線收發(fā)主機(jī)的USB插頭插入PC機(jī)的USB插座，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與無線收發(fā)主機(jī)的硬件連接；同理，實(shí)現(xiàn)無線收發(fā)從機(jī)與USB設(shè)備i(i=1，…，n)的硬件連接。無線收發(fā)主／從機(jī)可以根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況采取自供電，或從與其所連的設(shè)備獲取供電。接著，PC機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)無線收發(fā)主機(jī)的USB枚舉過程；同時(shí)，無線收發(fā)從機(jī)的USB主控單元實(shí)現(xiàn)對(duì)USB設(shè)備的USB枚舉過程。枚舉結(jié)束后，建立無線網(wǎng)絡(luò)。無線收發(fā)主機(jī)和每個(gè)無線收發(fā)從機(jī)都設(shè)定一個(gè)唯一的地址，無線收發(fā)主機(jī)通過查詢方式與無線收發(fā)從機(jī)進(jìn)行通信。無線網(wǎng)絡(luò)建立后，通過無線收發(fā)主／從機(jī)就可以進(jìn)行USB數(shù)據(jù)流的無線通信了。

2 硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 nRF24LU1+的芯片結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)
    nRF24LU1+是Nordic半導(dǎo)體公司推出的一款將高性能的射頻收發(fā)器和單片USBdongle的功能結(jié)合起來的無線收發(fā)芯片。nRF24LU1+內(nèi)含1個(gè)增強(qiáng)型的8051MCU內(nèi)核、無線收發(fā)模塊、符合全速USB 2．0標(biāo)準(zhǔn)的器件控制器、2 KB的片內(nèi)SRAM、16 KB或32 KB的片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器、6個(gè)通用的I／O口以及電壓調(diào)整器。nRF24LU1+顯著地增強(qiáng)了抗寬帶干擾和互調(diào)失真(IMD)性能。nRF24LU1+芯片需要的外部元件只是低成本的16 MHz晶振、去耦電路、匹配網(wǎng)絡(luò)和天線。VBUS(USB工作電源)工作電壓范圍4．0～5．25 V。nRF24LU1+是單片結(jié)構(gòu)，外形尺寸很小(5 mm×5 mm)。
    無線收發(fā)器工作于全球開放的2．400～2．483 5 GHz頻段，收發(fā)器的通信波特率可以通過軟件設(shè)置工作于2 50 kbps、1 Mbps、2 Mbps；使用Enhanced ShockedBust技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的自動(dòng)打包／解包和傳輸處理(應(yīng)答、重傳)；使用MultiCeiver技術(shù)可同時(shí)支持6個(gè)無線裝置，頻段、輸出能量和其他射頻參數(shù)可通過射頻寄存器方便地進(jìn)行編程調(diào)節(jié)；具有點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信，并且采用AES加密技術(shù)實(shí)現(xiàn)更安全的數(shù)據(jù)傳輸；使用超低功耗(ULP)無線技術(shù)，0 dBm輸出功率時(shí)典型峰值電流為11．1 mA；集成了1個(gè)穩(wěn)壓器，芯片可以直接由USB總線供電。
2．2 ISP1161的芯片結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)
    ISP1161是Philips公司的一款符合USB2．0總線協(xié)議的USB接口芯片。它既帶主機(jī)控制器(HC)又帶設(shè)備控制器(DC)，支持全速／低速傳輸，16位數(shù)據(jù)總線，支持3．3 V／5 V雙供電方式。ISP1161為USB主機(jī)控制器時(shí)，提供2個(gè)USB設(shè)備連接的向下端口。
2．3 帶USB接口的無線收發(fā)主機(jī)
    無線收發(fā)主機(jī)電路如圖2所示。電路由nRF24LU1+、16 MHz的晶振，以及其他元器件等構(gòu)成。nRF24LU1+中的MCU負(fù)責(zé)控制其片內(nèi)的USB模塊和無線模塊，實(shí)現(xiàn)USB數(shù)據(jù)流到無線數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)換。

2．4 帶USB接口的無線收發(fā)從機(jī)
    無線收發(fā)從機(jī)與外部USB設(shè)備的連接電路如圖3所示。無線收發(fā)從機(jī)電路由Philips公司的ARM7處理器LPC2103和USB嵌入式主控制器ISP1161，以及nRF24LU1+和一些外圍器件構(gòu)成。LPC2103和ISP1161構(gòu)成USB的主機(jī)控制單元(HCU)。ISP1161作為主機(jī)控制器時(shí)有2個(gè)下行端口，分別連接nRF24LU1+的USB口和外部USB設(shè)備。nRF24LU1+負(fù)責(zé)無線數(shù)據(jù)流到USB數(shù)據(jù)流的傳輸。HCU負(fù)責(zé)來自nRP24LU1+的USB數(shù)據(jù)和外部LISB設(shè)備數(shù)據(jù)的傳輸。

3 USB無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)
3．1 nRF24LU1+的USB模塊固件程序設(shè)計(jì)
    USB設(shè)備的軟件開發(fā)包括PC機(jī)端的USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和界面應(yīng)用程序，以及USB芯片端的芯片固件程序的開發(fā)。芯片固件程序是指運(yùn)行在USB芯片內(nèi)部的程序代碼，它負(fù)責(zé)USB協(xié)議的處理和USB設(shè)備與主機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。芯片固件程序的開發(fā)是重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。
3．1．1 USB設(shè)備的枚舉過程
    從終端用戶看，USB系統(tǒng)就是外設(shè)通過一根USB電纜和PC機(jī)連接起來。USB在外設(shè)和PC機(jī)之間提供通信服務(wù)，通常把外設(shè)稱為“USB設(shè)備”，把其所連接的PC機(jī)稱為“USB主機(jī)”。USB使用總線枚舉操作管理USB設(shè)備的連接和斷開。以USB設(shè)備的連接為例說明枚舉過程。步驟如下：
    ①USB設(shè)備連接在主機(jī)或集線器的下行端口上，USB設(shè)備上電。
    ②USB設(shè)備的復(fù)位。主機(jī)應(yīng)提供至少10 ms的復(fù)位恢復(fù)時(shí)間。復(fù)位完成后，USB設(shè)備進(jìn)入缺省狀態(tài)，可使用缺省設(shè)備地址對(duì)管道0的控制事務(wù)作出響應(yīng)。
    ③主機(jī)向USB設(shè)備發(fā)出Get Descriptor (Device)請(qǐng)求，以取得其缺省控制管道所支持的最大數(shù)據(jù)包長度。
    ④主機(jī)向USB設(shè)備發(fā)出SetAddress請(qǐng)求，為其分配一個(gè)唯一的設(shè)備地址。
    ⑤主機(jī)使用新地址向USB設(shè)備發(fā)出GetDescriptor(Configuration)請(qǐng)求，并讀取其全部配置信息。該過程需要花費(fèi)幾ms。
    ⑥主機(jī)根據(jù)設(shè)備的配置信息(如供應(yīng)商、產(chǎn)品ID等)，為其選擇一個(gè)合適的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。通常需要由開發(fā)人員自己編寫，有時(shí)也可以使用設(shè)備類或供應(yīng)商提供的通用驅(qū)動(dòng)程序。
    ⑦加載了USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序后，主機(jī)發(fā)出SetCon-figuration請(qǐng)求為該設(shè)備選擇一個(gè)合適的配置。配置成功后，枚舉結(jié)束，USB設(shè)備可以和主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸了。
3．1．2 USB模塊固件程序設(shè)計(jì)
    nRF24LU1+的USB模塊由2個(gè)SFR寄存器和XDATA寄存器組來控制。USB固件程序由2部分組成：USB模塊的初始化程序和中斷服務(wù)程序。
    (1)USB模塊的初始化程序
    關(guān)閉USB中斷，調(diào)用端點(diǎn)初始化函數(shù)USB_endpoint_init(void)設(shè)置USB各個(gè)端點(diǎn)的傳輸方式、緩存區(qū)大小、中斷事件產(chǎn)生條件，調(diào)用USB服務(wù)函數(shù)USB_setvice(void)為中斷服務(wù)程序中調(diào)用做準(zhǔn)備；打開USB中斷，調(diào)用函數(shù)USB_device_connect(void)使得內(nèi)部的1．5 kΩ上拉電阻連到D+線上，實(shí)現(xiàn)全速USB設(shè)備的配置。這樣，就可以響應(yīng)主機(jī)的枚舉過程了。
    (2)USB模塊的中斷服務(wù)程序
    USB控制器提供2個(gè)中斷信號(hào)給nRF24LU1+，分別為喚醒中斷請(qǐng)求USBWU信號(hào)和USB中斷請(qǐng)求USBIRU信號(hào)。USB中斷請(qǐng)求USBIRQ為nRF24Lu1+的一個(gè)中斷，而USB中斷請(qǐng)求下又有許多中斷，包括：12個(gè)塊端點(diǎn)中斷、幀開始中斷(sofir)、掛起中斷(suspir)、USB復(fù)位中斷(uresir)、建立令牌中斷(sutokir)、建立數(shù)據(jù)有效中斷(sudavir)。如果多個(gè)USB中斷同時(shí)發(fā)生，USB控制器將按優(yōu)先級(jí)次序響應(yīng)。激活的中斷在中斷向量寄存器ivec中得到，例如sofir中斷時(shí)，ivec寄存器的內(nèi)容為0x04。USB中斷請(qǐng)求USBIRQ的部分程序代碼如下：

3．2 nRF24LU1+的無線模塊程序設(shè)計(jì)
    nRF24LU1+使用具有內(nèi)嵌的協(xié)議引擎(EnhancedShockBurst)2．4 GHz GFSK的RF收發(fā)器。EnhancedShockBurst具有自動(dòng)包處理的特性，這使得實(shí)現(xiàn)可靠的雙向數(shù)據(jù)鏈接變得容易。數(shù)據(jù)包的傳輸是在兩個(gè)收發(fā)器之間進(jìn)行的，其中一個(gè)作為主接收器(PRX)，另一個(gè)作為主發(fā)送器(PTX)。每個(gè)數(shù)據(jù)包的傳輸都是由PTX發(fā)送數(shù)據(jù)包開始，而以PTX接收到PRX的應(yīng)答包結(jié)束。在自動(dòng)包傳輸處理工作時(shí)，nRF24LU1+提供了自動(dòng)應(yīng)答和重發(fā)數(shù)據(jù)的硬件機(jī)制，重發(fā)數(shù)據(jù)包的最大次數(shù)和第一次傳輸?shù)较乱淮沃貍髦g的延時(shí)均可編程設(shè)置。
    nRF24LU1+發(fā)送器在Enhanced ShockBurst情況下的工作流程如圖4所示。

    通過把RECON寄存器的rfce位置高使發(fā)送器進(jìn)入PTX模式。如果在TX的FIFO緩存區(qū)有數(shù)據(jù)包，則無線收發(fā)器進(jìn)入TX模式并發(fā)送這個(gè)數(shù)據(jù)包。如果自動(dòng)重新傳輸使能，狀態(tài)機(jī)檢查NO_ACK標(biāo)志位是否被置位。如果被置位，RF收發(fā)器進(jìn)入RX模式準(zhǔn)備接收應(yīng)答包。如果收到的應(yīng)答包為空，則只有TX_DS(傳輸數(shù)據(jù)發(fā)出)中斷請(qǐng)求發(fā)生。如果應(yīng)答包中包含載荷數(shù)據(jù)，則在收發(fā)器返回standby-I模式之前，TX_DS和RX_DR(接收數(shù)據(jù)準(zhǔn)備)中斷請(qǐng)求同時(shí)發(fā)生。如果延時(shí)時(shí)間到了而收發(fā)器還沒有收到應(yīng)答包，則收發(fā)器返回到standby-II模式。在自動(dòng)重新傳輸時(shí)間沒到之前，一直保持在standby-II模式。如果重傳次數(shù)沒有達(dá)到設(shè)定值，則RF收發(fā)器進(jìn)入TX模式并再一次重傳最后一次的數(shù)據(jù)包；否則，會(huì)發(fā)生最大重傳MAX_RT中斷請(qǐng)求，并返回到standby-I模式。如果RECON寄存器的rfce位為高且TX FIFO(先入先出數(shù)據(jù)緩存區(qū))為空，則RF收發(fā)器進(jìn)入standby-I模式。
    由于nRF24LU1+的無線收發(fā)模塊有強(qiáng)大數(shù)據(jù)硬件收發(fā)機(jī)制，編寫程序比較簡單，只需在初始化程序中對(duì)相關(guān)寄存器進(jìn)行設(shè)置就可進(jìn)入數(shù)據(jù)的收發(fā)。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，把待發(fā)送的數(shù)據(jù)放入發(fā)送FIFO后，收發(fā)器會(huì)按照設(shè)置進(jìn)行發(fā)送，發(fā)送的情況通過中斷來通知MCU，MCU根據(jù)具體的中斷請(qǐng)求執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。接收數(shù)據(jù)時(shí)，收發(fā)器會(huì)不斷地搜尋有效地址，當(dāng)找到一個(gè)有效地址時(shí)，會(huì)處理剩下的數(shù)據(jù)包并通過CRC驗(yàn)證數(shù)據(jù)包。如果這個(gè)包是有效的，包內(nèi)的載荷數(shù)據(jù)將被放入RX FIFO中。
    數(shù)據(jù)包的格式如下：

    無線通信程序由兩部分組成：無線通信模塊的初始化程序和中斷服務(wù)程序。
    初始化程序?qū)ぷ髂Ｊ?、傳輸速率、無線通信的工作波段頻率、RF輸出功率、地址寄存器、數(shù)據(jù)包的有效數(shù)據(jù)長度、CRC的校驗(yàn)長度和RF中斷寄存器等進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。無線通信模塊對(duì)nRF24LU1+只占一個(gè)中斷源RFIRQ，具體是何種中斷可通過查詢STATUS寄存器中的TX_DS、RX_DR、MAX_RT位來獲得。中斷服務(wù)程序分為發(fā)送中斷服務(wù)程序、接收中斷服務(wù)程序和最大重傳中斷服務(wù)程序。

結(jié) 語
    本文提出一種運(yùn)用無線收發(fā)芯片nRF24LU1+組建的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。此網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)充分利用USB和無線收發(fā)模塊各自的優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了快速、便捷的數(shù)據(jù)傳輸，具有集成度高、體積小、保密性強(qiáng)、功耗低的特點(diǎn)。