n R F24 LU 1+的U S B無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統設計

1 系統設計
系統總體框圖如圖1所示。
系統工作原理：首先，將無(wú)線(xiàn)收發(fā)主機的USB插頭插入PC機的USB插座，實(shí)現PC機與無(wú)線(xiàn)收發(fā)主機的硬件連接；同理，實(shí)現無(wú)線(xiàn)收發(fā)從機與USB設備i(i=1，…，n)的硬件連接。無(wú)線(xiàn)收發(fā)主／從機可以根據現實(shí)情況采取自供電，或從與其所連的設備獲取供電。接著(zhù)，PC機實(shí)現對無(wú)線(xiàn)收發(fā)主機的USB枚舉過(guò)程；同時(shí)，無(wú)線(xiàn)收發(fā)從機的USB主控單元實(shí)現對USB設備的USB枚舉過(guò)程。枚舉結束后，建立無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。無(wú)線(xiàn)收發(fā)主機和每個(gè)無(wú)線(xiàn)收發(fā)從機都設定一個(gè)唯一的地址，無(wú)線(xiàn)收發(fā)主機通過(guò)查詢(xún)方式與無(wú)線(xiàn)收發(fā)從機進(jìn)行通信。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )建立后，通過(guò)無(wú)線(xiàn)收發(fā)主／從機就可以進(jìn)行USB數據流的無(wú)線(xiàn)通信了。

2 硬件電路設計
2．1 nRF24LU1+的芯片結構及特點(diǎn)
nRF24LU1+是Nordic半導體公司推出的一款將高性能的射頻收發(fā)器和單片USBdongle的功能結合起來(lái)的無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片。nRF24LU1+內含1個(gè)增強型的8051MCU內核、無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊、符合全速USB 2．0標準的器件控制器、2 KB的片內SRAM、16 KB或32 KB的片內Flash存儲器、6個(gè)通用的I／O口以及電壓調整器。nRF24LU1+顯著(zhù)地增強了抗寬帶干擾和互調失真(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(xiàn)。VBUS(USB工作電源)工作電壓范圍4．0～5．25 V。nRF24LU1+是單片結構，外形尺寸很小(5 mm×5 mm)。
無(wú)線(xiàn)收發(fā)器工作于全球開(kāi)放的2．400～2．483 5 GHz頻段，收發(fā)器的通信波特率可以通過(guò)軟件設置工作于2 50 kbps、1 Mbps、2 Mbps；使用Enhanced ShockedBust技術(shù)可以實(shí)現數據包的自動(dòng)打包／解包和傳輸處理(應答、重傳)；使用MultiCeiver技術(shù)可同時(shí)支持6個(gè)無(wú)線(xiàn)裝置，頻段、輸出能量和其他射頻參數可通過(guò)射頻寄存器方便地進(jìn)行編程調節；具有點(diǎn)對多點(diǎn)通信，并且采用AES加密技術(shù)實(shí)現更安全的數據傳輸；使用超低功耗(ULP)無(wú)線(xiàn)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)穩壓器，芯片可以直接由USB總線(xiàn)供電。
2．2 ISP1161的芯片結構及特點(diǎn)
ISP1161是Philips公司的一款符合USB2．0總線(xiàn)協(xié)議的USB接口芯片。它既帶主機控制器(HC)又帶設備控制器(DC)，支持全速／低速傳輸，16位數據總線(xiàn)，支持3．3 V／5 V雙供電方式。ISP1161為USB主機控制器時(shí)，提供2個(gè)USB設備連接的向下端口。
2．3 帶USB接口的無(wú)線(xiàn)收發(fā)主機
無(wú)線(xiàn)收發(fā)主機電路如圖2所示。電路由nRF24LU1+、16 MHz的晶振，以及其他元器件等構成。nRF24LU1+中的MCU負責控制其片內的USB模塊和無(wú)線(xiàn)模塊，實(shí)現USB數據流到無(wú)線(xiàn)數據流的轉換。

2．4 帶USB接口的無(wú)線(xiàn)收發(fā)從機
無(wú)線(xiàn)收發(fā)從機與外部USB設備的連接電路如圖3所示。無(wú)線(xiàn)收發(fā)從機電路由Philips公司的ARM7處理器LPC2103和USB嵌入式主控制器ISP1161，以及nRF24LU1+和一些外圍器件構成。LPC2103和ISP1161構成USB的主機控制單元(HCU)。ISP1161作為主機控制器時(shí)有2個(gè)下行端口，分別連接nRF24LU1+的USB口和外部USB設備。nRF24LU1+負責無(wú)線(xiàn)數據流到USB數據流的傳輸。HCU負責來(lái)自nRP24LU1+的USB數據和外部LISB設備數據的傳輸。

3 USB無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統的軟件實(shí)現
3．1 nRF24LU1+的USB模塊固件程序設計
USB設備的軟件開(kāi)發(fā)包括PC機端的USB設備驅動(dòng)程序和界面應用程序，以及USB芯片端的芯片固件程序的開(kāi)發(fā)。芯片固件程序是指運行在USB芯片內部的程序代碼，它負責USB協(xié)議的處理和USB設備與主機的數據傳輸。芯片固件程序的開(kāi)發(fā)是重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。
3．1．1 USB設備的枚舉過(guò)程
從終端用戶(hù)看，USB系統就是外設通過(guò)一根USB電纜和PC機連接起來(lái)。USB在外設和PC機之間提供通信服務(wù)，通常把外設稱(chēng)為“USB設備”，把其所連接的PC機稱(chēng)為“USB主機”。USB使用總線(xiàn)枚舉操作管理USB設備的連接和斷開(kāi)。以USB設備的連接為例說(shuō)明枚舉過(guò)程。步驟如下：
①USB設備連接在主機或集線(xiàn)器的下行端口上，USB設備上電。
②USB設備的復位。主機應提供至少10 ms的復位恢復時(shí)間。復位完成后，USB設備進(jìn)入缺省狀態(tài)，可使用缺省設備地址對管道0的控制事務(wù)作出響應。
③主機向USB設備發(fā)出Get Descriptor (Device)請求，以取得其缺省控制管道所支持的最大數據包長(cháng)度。
④主機向USB設備發(fā)出SetAddress請求，為其分配一個(gè)唯一的設備地址。
⑤主機使用新地址向USB設備發(fā)出GetDescriptor(Configuration)請求，并讀取其全部配置信息。該過(guò)程需要花費幾ms。
⑥主機根據設備的配置信息(如供應商、產(chǎn)品ID等)，為其選擇一個(gè)合適的設備驅動(dòng)程序。通常需要由開(kāi)發(fā)人員自己編寫(xiě)，有時(shí)也可以使用設備類(lèi)或供應商提供的通用驅動(dòng)程序。
⑦加載了USB設備驅動(dòng)程序后，主機發(fā)出SetCon-figuration請求為該設備選擇一個(gè)合適的配置。配置成功后，枚舉結束，USB設備可以和主機進(jìn)行數據傳輸了。
3．1．2 USB模塊固件程序設計
nRF24LU1+的USB模塊由2個(gè)SFR寄存器和XDATA寄存器組來(lái)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，調用端點(diǎn)初始化函數USB_endpoint_init(void)設置USB各個(gè)端點(diǎn)的傳輸方式、緩存區大小、中斷事件產(chǎn)生條件，調用USB服務(wù)函數USB_setvice(void)為中斷服務(wù)程序中調用做準備；打開(kāi)USB中斷，調用函數USB_device_connect(void)使得內部的1．5 kΩ上拉電阻連到D+線(xiàn)上，實(shí)現全速USB設備的配置。這樣，就可以響應主機的枚舉過(guò)程了。
(2)USB模塊的中斷服務(wù)程序
USB控制器提供2個(gè)中斷信號給nRF24LU1+，分別為喚醒中斷請求USBWU信號和USB中斷請求USBIRU信號。USB中斷請求USBIRQ為nRF24Lu1+的一個(gè)中斷，而USB中斷請求下又有許多中斷，包括：12個(gè)塊端點(diǎn)中斷、幀開(kāi)始中斷(sofir)、掛起中斷(suspir)、USB復位中斷(uresir)、建立令牌中斷(sutokir)、建立數據有效中斷(sudavir)。如果多個(gè)USB中斷同時(shí)發(fā)生，USB控制器將按優(yōu)先級次序響應。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寄存器的內容為0x04。USB中斷請求USBIRQ的部分程序代碼如下：