無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)USB接口共存的數據傳輸系統
加入技術(shù)交流群
電子技術(shù)和芯片技術(shù)的發(fā)展使得數字系統運行的速度越來(lái)越快，設備內部和設備之間的數據交換對高速、實(shí)時(shí)、突發(fā)的要求越來(lái)越高?？偩€(xiàn)技術(shù)是數據交換的必要環(huán)節。早期的總線(xiàn)傳輸一般是串行方式，一些串行總線(xiàn)已經(jīng)成為標準，非常適合語(yǔ)音和控制信號的低速數據傳輸，數據傳輸速率一般低于1 Mbps。這類(lèi)總線(xiàn)包括RS232、I2C、SPI、I2S等，特點(diǎn)是引線(xiàn)少、速率低。并行總線(xiàn)由于線(xiàn)數多，可以從8位擴充到16位、32位和64位，甚至更高，使得數據傳輸速率成倍提高。但由于布線(xiàn)的差異以及干擾的存在，使得其數據傳輸的同步時(shí)鐘速率很難超過(guò)150MHz。差分串行總線(xiàn)能夠解決布線(xiàn)差異引起的問(wèn)題，并具有較高的抗干擾性能，使得串行總線(xiàn)的傳輸速率得到迅速的提高。USB總線(xiàn)就是一種差分的串行總線(xiàn)，其速率可以達到480 Mbps，已經(jīng)得到非常廣泛的應用。
很多設備的應用場(chǎng)合中，設備之間的連接非常困難甚至不能實(shí)現，基于無(wú)線(xiàn)總線(xiàn)的數據傳輸從而得到發(fā)展和應用。無(wú)線(xiàn)總線(xiàn)包括藍牙、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡、無(wú)線(xiàn)傳感器等。無(wú)線(xiàn)USB(Wireless Universal Serial Bus，WUSB)也是這樣的一種無(wú)線(xiàn)總線(xiàn)技術(shù)。由于現有設備的存在，使得單一的WUSB設備不能直接和現有設備進(jìn)行交互。為了解決WUSB向有線(xiàn)USB兼容的問(wèn)題，需要研制同時(shí)具有WUSB和USB功能的設備，實(shí)現單一的WUSB設備和單一的USB設備之間的數據交換。本文研制了一種有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)USB共存的系統，使用Cypress公司的CY-WUSB6935實(shí)現WUSB的數據收發(fā)，使用該公司的CY7C68013實(shí)現有線(xiàn)USB的數據收發(fā)，同時(shí)使用DSP實(shí)現兩者之間的控制和數據處理。
1 硬件設計
1．1 WUSB和CYWUSB6935
WUSB技術(shù)的數據收發(fā)采用超寬帶技術(shù)(Ultra WideBand，UWB)的脈沖調制方式。由于其載波信號不是連續存在的，僅僅存在于數據傳輸瞬間，使得其數據收發(fā)間隙幾乎沒(méi)有功耗，因此非常適合電池供電并工作較長(cháng)時(shí)間。在3 m距離內，目前的WUSB2．0標準可以實(shí)現480 Mbps的數據傳輸速率，正在規劃的WUSB3．0可以實(shí)現1 Gbps的數據傳輸速率。
CYWUSB6935是Cypress公司推出的一款支持WUSB標準的芯片。其發(fā)射頻率為2．4 GHz，采用直接序列擴頻(Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS)技術(shù)，以避免來(lái)自2．4 GHz頻段中802．11b、Bluetooth、無(wú)繩電話(huà)以及微波爐等無(wú)線(xiàn)信號的干擾；具有-95 dBm的接收靈敏度，確保在50 m范圍以?xún)全@得較強的全方向信號；待機功耗非常低，具有約0．25μA的待機電流，使用普通電池待機時(shí)間可達數年；具有可自適應的發(fā)射功率，可以識別收發(fā)信號的強弱，發(fā)射功率具有-30～0 dBm的動(dòng)態(tài)范圍。注意，CYWUSB6935具有高達62．5 kbps的數據傳輸速率，平均響應時(shí)間少于10 ms。圖1是CYWUSB6935的內部結構框圖。
無(wú)線(xiàn)信號的收發(fā)由集成在片內的GFSK調制器和解調器完成，調制／解調器需要外部提供標準的13 MHz的時(shí)鐘信號。該信號經(jīng)過(guò)頻率合成器轉換為發(fā)射載波信號，如果頻率合成器鎖定時(shí)鐘，將輸出同頻率的13 MHz時(shí)鐘，可以由此判斷調制／解調器是否正常工作。
CYWUSB6935具有2路功能完全一樣的基帶信號處理通道，射頻端2路基帶通道都和調制解調器連接。發(fā)送數據經(jīng)過(guò)并串轉換傳輸到基帶處理通道；接收時(shí)基帶通道處理后的數據經(jīng)過(guò)串并轉換傳輸到數字接口?；鶐ǖ乐饕δ苁菍祿{制在擴頻碼上，可以根據設置將一個(gè)數據位擴頻到64個(gè)或者32個(gè)碼片上。
數字接口主要包括1個(gè)SPI接口，由于CYWUSB6935最大只有62．5 kbps的數據傳輸速率，所以SPI接口完全滿(mǎn)足數據傳輸要求。數字接口還具有復位、中斷、休眠選擇和設置引腳，以提高芯片的適應性。
CYWUSB6935有4種工作模式：64 chip／b單通道、32 chip／b雙通道、32 chip／b單通道雙倍采樣和32 chip／b單通道兩倍數據速率。第3種工作模式的數據傳輸速率最低，但性能更加可靠，一般在較遠距離或者信道狀況較差情況下使用；第4種工作模式的數據傳輸速率最高，但性能最差，一般在較近距離或者信道狀況較好情況下使用。模式選擇通過(guò)配置數據速率寄存器來(lái)實(shí)現。
接收和發(fā)射均采用中斷方式，有3種：發(fā)射中斷、接收中斷和喚醒中斷。這些中斷共用一個(gè)IRQ引腳。通過(guò)讀取中斷狀態(tài)寄存器可以確定中斷類(lèi)型。如果為接收中斷，則從相應的數據接收寄存器中獲得相應通道的數據；如果是發(fā)射中斷，則接收數據送到基帶通道中進(jìn)行擴頻處理；如果是喚醒中斷，則切換休眠狀態(tài)到工作狀態(tài)，準備接收或者發(fā)射數據。
1．2 CYWUSB6935和DSP的連接
CYWUSB6935的數據接口一般采用SPI接口，與各種控制器的連接非常方便。DSP芯片選用TI公司的TMS320C6727B。該芯片是浮點(diǎn)型DSP，最高工作頻率達到350 MHz；單個(gè)指令周期可以執行6個(gè)浮點(diǎn)數據運算，最高達到2 100 MFLOPS；片內具有256 KB的RAM，片內外設具有各種接口(其中包括與CYWUSB6935連接的SPI接口)。CYWUSB6935和TMS320C6727B的連接如圖2所示。
TMS320C6727B作為主控制器，提供SPI的時(shí)鐘和使能信號(圖2中的SPIO_CLK和SPIO_SCS)給CY_WUSB6935。工作狀態(tài)下，CYWUSB6935一共發(fā)送3種中斷信號到TMS320C6727B，均由IRQ引腳傳輸到TMS320C6727B。其中，工作定時(shí)中斷表明CY-WUSB6935處于正常工作狀態(tài)，如果TMS320C6727B超過(guò)時(shí)間未收到定時(shí)工作狀態(tài)信號，則由SPI接口軟件復位CYWUSB6935；如果軟件復位后仍然不能正常工作，則由GPIO0引腳硬件復位CYWUSB6935，從而確保CY-WUSB6935不會(huì )進(jìn)入死鎖和非正常工作狀態(tài)，大大提高了系統的可靠性。在休眠方式下，TMS320C6727B使用GPIO1引腳控制CYWUSB6935的PD引腳，控制其進(jìn)入休眠方式；同樣，使用該引腳可以喚醒CYWUSB6935。TMS320C6727B的Flash用于存儲程序代碼；AIC23為音頻處理芯片，可以使用音頻信號控制TMS320C6727B；CYWUSB6935的收發(fā)天線(xiàn)為PCB天線(xiàn)，直接在電路板上制作完成。
1．3 USB和CY7C68013
USB接口一般包括3個(gè)部分：具有USB接口的PC系統，能夠支持USB的系統軟件，以及使用USB接口的設備。USB接口的應用采用通用連接技術(shù)，實(shí)現外設的簡(jiǎn)單快速連接，從而達到方便用戶(hù)、降低成本、擴展PC機連接外設范圍的目的。
USB接口的特點(diǎn)如下：連接靈活、使用方便；為USB接口設計的驅動(dòng)程序和應用軟件可以自動(dòng)啟動(dòng)，無(wú)需用戶(hù)干預；單獨使用自己的保留中斷，不會(huì )同其他設備爭用資源；可以為外設提供電源，USB接口能自動(dòng)識別外設所需的電源，并通過(guò)USB電纜向該設備供電(最高可達500mA，可以使用2根USB電纜，提高供電電流到1 A)。
CY7C68013是Cypress公司推出的USB2．0芯片。它包括8051處理器、智能串行接口引擎、USB收發(fā)器、16 KB片上RAM存儲器以及通用可編程接口。智能串行接口引擎執行所有基本的USB功能，將嵌入的8051處理器解放出來(lái)用于實(shí)現其他功能，以保證連續、高速、有效的數據傳輸。RAM存儲器可以分配4 KB的大容量FIFO用于數據緩沖，作為從設備時(shí)，可采用同步或者異步FIFO接口與主設備連接；作為主設備時(shí)，可通過(guò)GPIO接口配置控制時(shí)序來(lái)實(shí)現與其他從設備連接。
CY7C68013的內部結構如圖3所示，其中與外部設備的接口包括I2C總線(xiàn)、GPIO接口和FIFO接口等。數據通過(guò)這些接口傳輸到內部的數據和地址總線(xiàn)，由8051處理器處理，或者直接送到USB接口的智能引擎單元；然后傳輸到USB收發(fā)器，最終傳輸到PC機。CY7C68013片內還包括PLL時(shí)鐘電路，將外部的24 MHz時(shí)鐘信號連接到USB收發(fā)器和8051處理器，驅動(dòng)內部模塊工作。
評論