USB接口微型無線串口設計

摘要 RS-232是異步通信中應用廣泛的通訊協(xié)議之一，廣泛應用于終端設備之間的相互通信。無線通信取代有線通信是技術發(fā)展的趨勢，小巧精致便攜是技術應用的需要，為此，文中利用主流USB接口加無線通信技術，開發(fā)出簡單實用的USB無線串口。介紹了USB接口微型無線串口的制作方法，尺寸僅為54 mm×18 mm，體積小巧、攜帶方便、傳輸距離>100 m、性能穩(wěn)定可靠，可廣泛應用于各種實際場合。
關鍵詞 RS-232；微型；USB無線串口

    RS-232串行協(xié)議是標準總線，廣泛應用于各種設備之間的通信。隨著電子技術的發(fā)展，筆記本電腦逐漸取代臺式機成為個人PC的主流，而筆記本去除了9針串行通信接口，取而代之是USB接口，使得筆記本串行通信受阻。而一般的串口通信距離短、接線復雜。為此，文中制作一種USB型接口的無線串口，其接插方便、小巧精致、簡單實用，更適合辦公室、實驗室及戶外設備之間的通信。

1 無線串口設計原理
1．1 總體框架圖
    硬件總體結構如圖1所示，基本原理為：串口數(shù)據(jù)從USB接口進入，經過USB轉串口芯片將USB封裝的包轉成RS232形式的數(shù)據(jù)，再通過無線射頻芯片由天線發(fā)送出去。

1．2 具體特點
    當空間中存在多個無線串口設備時，能識別出各個設備的身份，通過交互后能跟目的設備建立無線連接通道，并能互發(fā)數(shù)據(jù)。例如：當空間中存在A，B，C，D這4個無線串口時，A要給D發(fā)送數(shù)據(jù)，通過A與D的交流，A能準確地將數(shù)據(jù)發(fā)送給D而不會影響到B和C。
    RS-232在沒有Modem情況下，傳輸距離為15 m以內，15 m的線長笨重復雜，布線繁瑣，還會產生電磁干擾、信號衰減嚴重。采用無線傳輸技術，避免復雜的布線，且傳輸距離長，能較好地解決長距離傳輸問題。
    尺寸為：54mm×18 mm，與U盤大小類似，精致方便，適合戶外、辦公室使用。

2 芯片選擇
    因為尺寸上的要求，選擇的芯片尺寸應盡量小，而且外圍簡單，性能穩(wěn)定并且價格要合理。
2．1 USB轉串口芯片
    USB轉串口芯片選擇性價比高的PL2303HX，如圖2所示，特性如下：(1)支持全速USB V2．0。(2)片內擁有5 V轉3 V的穩(wěn)壓器，12 MHz晶體振蕩。(3)支持全雙工串口，6個調制解調控制腳(RTS，CTS，DTR，DSR，DCD，RI)。(4)獨立的串口電源。(5)可編程速率75 bit·s-1～6 Mbit·s-1。

2．2 無線射頻芯片
    射頻芯片選擇使用TI公司的CC2530，如圖3所示特性如下：(1)集成2．4 GHz射頻收發(fā)器。(2)-97 dBm接收靈敏度。(3)可編程輸出達4．5 dBm。(4)高性能工業(yè)級8051 CPU。

2．3 天線選擇
    天線選用RainSun公司的陶瓷天線AN2051，圖4所示，其特性如下：(1)中心頻率為2．45 GHz。(2)中心頻率處回波損耗-17．266 dB。(3)帶寬110 MHz。(4)天線增益為0．5 dBi。(5)尺寸51 mm×20 mm×12 mm。

3 傳輸距離估算
3．1 自由空間傳播損耗L0
    自由空間傳播損耗L0定義：當發(fā)射天線與接收天線的方向系數(shù)都為1時，發(fā)射天線的輻射功率Pr與接收天線的最佳接收功率PL的比值，記為L0
    
3．2 衰減因子
    實際傳輸媒質對電波有吸收作用，這將導致電波的衰減。如果實際情況下接收點場強為E，而自由空間傳播場強為E0，則比值為衰減因子，記為A，于是
   
3．3 電道傳輸損耗
    定義：發(fā)射天線輸入功率與接受天線輸出功率之比為該電道的傳輸損耗L
    L=L0+LF-Gr-GL      (9)
    式中，L0為自由空間傳播損耗；LF為衰減因子衰減損耗；Gr為發(fā)射天線的增益系數(shù)；GL為接受天線的增益系數(shù)。
    如果發(fā)射天線的輸入功率為Pin，由式(2)，式(4)和式(9)得相應的功率密度和最佳接收功率分別為
   
3．4 最大距離估算
    式(12)分貝表達式為
    L=Pin-PL=L0+LF-Gr-GL     (13)
    式中忽略了饋線損耗，系統(tǒng)設計中饋線損耗主要為天線的回波損耗，由圖4可知，2．45 GHz同波損耗為-17．266 dB，回波損耗。
    其中，Pout為CC2530的輸出功率；Pr為反射功率；Pr=Pout-Pin，由上式求得，則饋線損耗為
    Lm= 。
    所以，式(13)變?yōu)?br />     L=Pout-PL=L0+LF+Lmr+LmL+-Gr-GL      (15)
    式中，Lmr為發(fā)射器饋線損耗；LmL為接收機饋線損耗。
    CC2530可編程輸出功率4．5 dBm，接受靈敏度為-97 dBm，發(fā)射機和接收機用同樣的天線，增益均為0．5 dBi，中心頻率為2．45 GHz，由式(15)得
    4．5-(-97)=32．45+20 lg 2 450+20 lgr+2×0．082-2×0．5      (16)
    解得r=1 273．5 m。如果室內有墻體間隔，則38 cm厚混凝土墻衰減約7 dB，解得r=568．8 m。以上計算忽略了其他阻擋物的附加衰減，例如大樹，空氣，微塵顆粒等。所以，該系統(tǒng)設計完全能滿足>100m的傳輸距離要求。

4 硬件設計電路圖
    電路如圖5所示，USB提供串口數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)流通過PL2303HX轉化成TTL串口信號，輸入到CC253016，17腳，P2，P3為傳輸數(shù)據(jù)指示燈，經處理后的串口信號由25，26腳經巴倫天線輸出。系統(tǒng)電源由USB5 V提供，PL2303 17腳輸出系統(tǒng)所用的3．3 V電源。JUMP_3是一跳線，當無線串口正常工作時，連接跳線1，2腳，當燒寫CC2530程序的時候，連接跳線2，3腳。

5 軟件設計
5．1 系統(tǒng)指令

5．2 軟件流程圖
    CC2530軟件流程如圖6所示。

    設備初始化：將信道設置為2．45 GHz，為設備設定一個網絡地址，初始化各種發(fā)射接收參數(shù)，完畢后進入等待指令輸入模式。
    等待指令輸入模式：等待用戶輸入指示。
    數(shù)據(jù)互發(fā)模式：一旦進入數(shù)據(jù)互發(fā)模式，兩設備間建立通信通道，將進入數(shù)據(jù)透傳模式，所有指令對設備均無效，所以通信完畢后，必須拔下再重新上電才能與另外設備通信。

6 實驗測試
    測試距離約120 m；時間：22：30分；地點：田徑場，有人員走動；

    實測距離約120 m，實際測試結果如圖7所示，發(fā)送查詢指令C，檢測到空間存在有Song，Wang，Bai，Zhang 4個設備存在，然后向Song節(jié)點請求發(fā)送數(shù)據(jù)，Song節(jié)點回復Y，本節(jié)點與Song節(jié)點建立起數(shù)據(jù)通訊，之后進入數(shù)據(jù)互發(fā)模式。經實測證明，120 m戶外距離，通訊穩(wěn)定可靠。

7 結束語
    介紹了USB接口微型無線串口的制作方法，尺寸僅為54 mm×18 mm，體積小巧、攜帶方便，傳輸距離>100 m，性能穩(wěn)定可靠，可廣泛應用于各種實際場合。