基于EZ-USB FX單片機的無(wú)線(xiàn)式數據通訊接口卡的設計

引言

針對在現實(shí)生活中，大量存在各種評審、評獎活動(dòng)，作者研制開(kāi)發(fā)了一套無(wú)線(xiàn)式專(zhuān)家評審智能系統，可進(jìn)行準確、快捷的集體評審和表決工作。系統主要由中央數據處理站和若干智能評分器組成，采用輪叫輪詢(xún)的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構。為了實(shí)現中央數據處理站計算機與各智能評分器之間的數據交換，并確保評審現場(chǎng)整潔規范，空間布局有條不紊，需要設計一塊無(wú)線(xiàn)通訊卡，這樣就無(wú)需在現場(chǎng)鋪設通訊電纜。基于此，作者開(kāi)展了這方面的研究，并開(kāi)發(fā)了一塊具有RS-232和USB兩種接口的無(wú)線(xiàn)式數據通訊接口卡，以滿(mǎn)足現場(chǎng)不同的使用要求。
2 總體方案
無(wú)線(xiàn)式數據通信接口卡原理框圖如圖1所示。接口卡以一塊EZ-USB FX單片機為中心，單片機通過(guò)RS-232或USB接口接收來(lái)自計算機的命令和數據，然后經(jīng)nRF903調制后發(fā)送出去，返回的數據經(jīng)無(wú)線(xiàn)收發(fā)電路解調后，EZ-USB FX單片機可進(jìn)行正確的讀取，然后通過(guò)RS-232或USB接口傳送給計算機進(jìn)行處理。整個(gè)工作過(guò)程由X5043看門(mén)狗電路進(jìn)行監控。LED信號指示燈用于指示接口卡的工作狀態(tài)。

3 硬件設計
3.1 EZ-USB FX單片機
Cypress公司推出的帶智能USB接口的EZ-USB FX單片機，是一塊高度集成的集成電路。具有以下主要特性：
單片集成了USB收發(fā)器，智能串行接口引擎SIE(Serial Interface Engine)和增強型8051內核；
支持USB1.1和2.0協(xié)議；
軟件：8051由內部或外部RAM運行代碼；
增強型8051每個(gè)指令周期只需4個(gè)機器周期，3個(gè)定時(shí)器/計數器，2個(gè)UART，1個(gè)I2C接口，24MHz/48MHz工作頻率；
3.3V工作電壓。
EZ-USB FX單片機為USB外設提供了一種高度集成的解決方案，極大地降低了USB設備的開(kāi)發(fā)難度。其內部增強的8051核心使用內建RAM，可作為程序和數據存儲器使用，并賦予了EZ-USB FX“軟件”特性。此外，EZ-USB FX具有獨特的列舉和重列舉特性，這種特性可讓用戶(hù)的代碼通過(guò)USB總線(xiàn)下載到片內RAM中，便于用戶(hù)對系統的再開(kāi)發(fā)和升級，實(shí)現柔性開(kāi)發(fā)。
本設計中選用的EZ-USB FX單片機是CY7C64601-52NC。52腳PQFP封裝，4KB的RAM，16個(gè)可編程的I/O口，8位通用可編程接口GPIF（General Programmable Interface）。
3.2 RF無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片nRF903及其接口設計
nRF903是Nordic公司最新推出的單片無(wú)線(xiàn)433/868/915MHz收發(fā)芯片，該芯片采用藍牙核心技術(shù)設計，在一個(gè)32腳的芯片中包括了三段高頻發(fā)射與接收、三段PLL合成、FSK/GMSK調制與解調、多頻道切換、異步通信接口等多種功能，是目前集成度最高的無(wú)限數據傳輸產(chǎn)品之一。傳輸速度最高可達76.8Kbps。采用低發(fā)射功率、高接收靈敏度的設計，使用無(wú)需申請許可證，開(kāi)闊地的使用距離最遠可達1000米。
nRF903可與單片機直接接口使用，nRF903與CY7C64601的連接原理如圖2所示。nRF903的DATA為雙向數據傳輸口，與CY7C64601的TxD0和RxD0相接串行傳輸數據；TXEN用于選擇傳輸模式，TXEN為0時(shí)，nRF903工作于接收方式，TXEN為1時(shí)，nRF903工作于發(fā)射方式，用單片機的I/O口PC3控制；CFG_CLK用于配置寄存器時(shí)鐘、CFG_DATA用于配置寄存器數據、CS用于寄存器片選，分別用CY7C64601的PC7、PC6、PC5來(lái)進(jìn)行控制，對nRF903的工作頻率等參數進(jìn)行設置；STBY、PWR_DWM設置為0時(shí)，nRF903工作于接收或發(fā)送正常工作狀態(tài)。
nRF903有三個(gè)工作頻段，170個(gè)信道，4種發(fā)射功率，4種外部始終頻率輸出，通過(guò)單片機對nRF903內部的一個(gè)14位配置寄存器進(jìn)行設置，編程選擇nRF903的工作頻率，發(fā)射功率等參數。在配置過(guò)程中，首先通過(guò)單片機將TXEN設置為0，同時(shí)STBY、PWR_DMN也為0，使芯片工作在接受模式，以避免無(wú)意地在不希望的頻率進(jìn)行傳送。選取芯片外接振蕩器的頻率為11.0592MHz。nRF903的配置字通過(guò)CS、CFG_CLK、CFG_DATA組成的串行接口，在時(shí)鐘信號的控制下串行輸入內部配置單元的數據移位寄存器。激活CS信號使能nRF903的配置模式，從最高位開(kāi)始串行輸入14位配置字，CFG_DATA的位速度不可超過(guò)1Mbps，然后使CS無(wú)效，配置操作即完成。
3.3 EZ-USB FX外圍電路
EZ-USB FX工作電壓為3.3V，而USB總線(xiàn)提供的電源為5V。因此選用一塊Maxim公司的電壓轉換芯片MAX882實(shí)現從5V到3.3V的轉換。由于EZ-USB FX工作電壓為3.3V，為保證晶振能在低電壓的情況下可靠工作，在單片機XIN和XOUT之間接了一個(gè)1MΩ的反饋電阻。EZ-USB FX內部8KB的代碼和數據存儲器都是RAM，沒(méi)有永久性的存儲器，EZ-USB FX必須通過(guò)I2C接口從外部E2PROM獲得代碼和數據。在主機列舉之前，EZ-USB FX內核電路通過(guò)I2C接口從串行E2PROM讀取一個(gè)字節，這個(gè)字節告訴內核下一步該作什么。使用默認模式時(shí)，根據E2PROM字節識別設備，或從E2PROM調用固件。E2PROM選用Microchip公司的24LC64，存儲器容量為64KB。具體電路連接如圖2所示。MAX232的作用是實(shí)現RS-232電平和TTL電平之間的轉換?？删幊炭撮T(mén)狗監控芯片X5043與EZ-USB FX之間采用SPI接口進(jìn)行數據傳輸。CY7C64601的USBD-和USBD+分別通過(guò)一個(gè)22Ω的電阻與USB總線(xiàn)的D-和D+相連，構成USB總線(xiàn)接口。對EZ-USB FX單片機的復位包括USB總線(xiàn)的復位和8051的復位，圖2所示的上電復位和X5043復位均只對8051復位。

4 軟件設計
EZ-USB FX單片機軟件主要包括系統初始化、看門(mén)狗監控程序、與計算機通訊和讀寫(xiě)nRF903數據程序等4個(gè)部分。
4.1 系統初始化
系統初始化主要包括EZ-USB FX的初始化和X5043的初始化。EZ-USB FX的初始化程序是軟件設計中一個(gè)很重要的部分，包括8051的初始化和USB的初始化兩部分，下面對其進(jìn)行詳細介紹。
8051的初始化包括兩方面的初始化：I/O口初始化，寄存器初始化。EZ-USB FX是根據I/O口分配表對接口初始化。但是其I/O引腳結構與標準8051有很大的不同，它由一個(gè)OE寄存器控制輸出緩沖器，OE=0，關(guān)閉輸出緩沖器，I/O引腳做輸入用；OE=1，打開(kāi)輸出緩沖器，I/O引腳做輸出用，數據送入輸出寄存器。寄存器初始化主要是對EZ-USB FX內部特殊寄存器和數據緩沖區的初始化。由于EZ-USB FX基于增強型8051架構，內嵌USB內核，因此有些普通8051沒(méi)有的內部特殊寄存器需要進(jìn)行設置。
USB的初始化包括USB設備的初始化和USB傳輸通道的初始化。主機是通過(guò)獲取設備的描述符來(lái)獲得設備的屬性、傳輸方式等信息，而這些信息都通過(guò)設備描述符文件dscr.a51實(shí)現。以中斷傳輸為例，設備描述符的說(shuō)明包括：設備描述符定義、設備配置描述符定義、接口描述符定義、輸入終端描述符定義和輸出終端描述符定義等。
4.2 通訊軟件
接口卡通訊軟件包括與計算機通訊和無(wú)線(xiàn)通訊軟件兩部分。圖3是EZ-USB FX單片機程序流程圖。

5 結束語(yǔ)
目前，基于EZ-USB FX設計的無(wú)線(xiàn)式數據通信接口卡已取得很好的實(shí)際應用效果。通過(guò)簡(jiǎn)單移植，可以很方便地將該方案應用于其它無(wú)線(xiàn)通訊場(chǎng)合和USB外圍設備的設計中。