基于無(wú)線(xiàn)USB技術(shù)的系統開(kāi)發(fā)與應用
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關(guān)鍵詞：WirelessUSB LR CYWUSB6935 2-Way網(wǎng)絡(luò )
由于USB技術(shù)在最近幾年已成長(cháng)為PC主流的技術(shù)標準，幾乎所有的外設都可以借助USB接口輕易地與PC機相連。2004年，包括惠普、英特爾、微軟、NEC、飛利浦半導體、三星電子在內的多家大公司成立了WUSB（無(wú)線(xiàn)USB）促進(jìn)聯(lián)盟，旨在將USB的使用變得更加簡(jiǎn)便――去掉電纜，實(shí)現無(wú)線(xiàn)USB技術(shù)。為了給用戶(hù)提供一種低成本的WUSB射頻系統解決方案，Cypress Semiconductor公司最近推出了低成本的芯片級遠距離2.4 GHz射頻系統――WirelessUSB LR（CYWUSB6935）方案。該方案可以在半徑50 m甚至更大的范圍內為用戶(hù)提供在眾多有線(xiàn)應用中快速實(shí)現無(wú)線(xiàn)連通的途徑。與Zigbee和藍牙等復雜且昂貴的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )方案相比，WirelessUSB LR憑借其出色的遠程無(wú)線(xiàn)通信能力和低廉的系統成本，將無(wú)線(xiàn)系統的應用擴展到建筑與家庭自動(dòng)化、工業(yè)控制、醫療檢測、傳呼系統和顯示設備等領(lǐng)域[1]。
1 WirelessUSB LR系統突出特性
?、?WirelessUSB LR作為無(wú)線(xiàn)系統，很好地解決了如何在壅塞與干擾的數據傳輸環(huán)境中保持傳輸的有效性。WirelessUSB LR的雙向直接順序擴展頻譜（DSSS）編碼技術(shù)，結合預定義的虛擬雜訊碼以及機動(dòng)頻道切換等技術(shù)，創(chuàng )造出一整套動(dòng)態(tài)頻率調整的解決方案，其優(yōu)異的處理效率足以確保無(wú)線(xiàn)通信數據的傳輸效率。在硬件部分中，LC網(wǎng)絡(luò )的阻抗匹配能排除強度更高的（如移動(dòng)電話(huà)和無(wú)繩電話(huà)等）外界信號（out?of?band），對天線(xiàn)的不斷改進(jìn)，使得系統對外接信號的靈敏度達到-95 dBm。此外，低噪聲放大器與綜合器皆在極高的頻率中進(jìn)行AC耦合，故能排除不同頻率的干擾信號。例如,AM調幅廣播和電視信號,在緊鄰藍牙的環(huán)境中，發(fā)生信號碰撞的比率低于1.5 ％的無(wú)線(xiàn)傳輸時(shí)間，一旦發(fā)生碰撞，發(fā)送器必須重新傳送受影響的數據包。
② WirelessUSB LR作為單芯片解決方案，高度整合了系統的應用引擎，包括無(wú)線(xiàn)電接收機和數字基帶組件，既降低了成本又縮短了研發(fā)時(shí)間。外接器件只需要一套低價(jià)位的8位微控制器、振蕩晶體和一些無(wú)源組件。在應用上，WirelessUSB使用CY7C63723 enCoRe或USB控制器與USB總線(xiàn)構建傳輸接口，可視為SPI?to?USB橋接器，并且它不需要額外的驅動(dòng)程序。對于遠程控制或機頂盒外設，該項技術(shù)消除了瞄準線(xiàn)操作的限制。
?、?無(wú)線(xiàn)系統設計里用戶(hù)十分關(guān)心電池的續航能力，不希望經(jīng)常更換電池，更不希望在設備使用過(guò)程中由于電池的原因而中斷傳輸。由于大部分無(wú)線(xiàn)電系統待機時(shí)都能將耗電率降至接近于零的程度，因此降低耗電率與延長(cháng)電池續航能力的關(guān)鍵就是限制傳輸數據長(cháng)度。通信協(xié)議越復雜，傳輸的數據就越多。WirelessUSB LR中的通信協(xié)議能夠以極高的效率處理數據包。另一種途徑就是限制無(wú)線(xiàn)電發(fā)送的時(shí)間，像藍牙等解決方案，就必須定期與網(wǎng)絡(luò )同步，才能及時(shí)發(fā)現網(wǎng)絡(luò )中的新設備。WirelessUSB LR擁有為降低耗電率而設計的自我校正機制，使得設備待機耗電大約只有0.25 μA，輸出功率降至0 dBm。如此低的耗電率能夠提供典型無(wú)線(xiàn)鍵盤(pán)9個(gè)月以上的電池續航力,或者為游戲操控裝置提供100小時(shí)以上的續航力；對于普通傳感器/傳動(dòng)器，電池壽命可達數年，而且硬件采用數據驅動(dòng)的工作方式，在無(wú)數據傳輸時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入“掛起”狀態(tài)[2]。
2 系統硬件CYWUSB6935芯片介紹
CYWUSB6935是Cypress公司為配合WirelessUSB LR方案推出的低成本高集成度的2.4 GHz直接順序擴展頻譜（DSSS）射頻片上系統（SoC）,具有可配置的雙向(接收或發(fā)送）功能。CYWUSB6935提供了完整的針對WirelessUSB LR的從串口SPI到射頻發(fā)射的調制解調方案[3]。
2.1 CYWUSB6935芯片的內部結構
CYWUSB6935內部模塊結構如圖1所示。
圖1CYWUSB6935內部模塊結構
CYWUSB6935內部集成了串行數據接口（SPI）、串并/并串轉換器（SERDES）、綜合器（synthesizer）、2.4 GHz的射頻收發(fā)器，采用高斯頻移鍵控調制解調器（GFSK Modem）和直接順序擴展頻譜（DSSS）數字基帶模塊。用戶(hù)可以通過(guò)控制信號靈活地設置射頻和數字基帶部分。為了進(jìn)一步優(yōu)化性能，CYWUSB6935將49個(gè)擴頻編碼調制到78個(gè)1 MHz寬度的頻率域上，從而在理論上可以為用戶(hù)提供3822個(gè)獨立的頻道，讓每個(gè)主系統能夠連接多組外圍設備，且通信距離可達到50 m或更遠。
2.2 CYWUSB6935的主要特點(diǎn)
?、?2.4 GHz的無(wú)線(xiàn)收發(fā)器工作在2.4~2.483 GHz的ISM公共頻段內。如此以來(lái)，CYWUSB6935突破了眾多27 MHz、400 MHz以及900 MHz系統共有的各種限制；工作于2.4 GHz公共ISM頻段的WirelessUSB LR還使用戶(hù)能夠在世界范圍內推廣使用其解決方案，而無(wú)需受地區性頻率要求的約束，從而具備了全球通用性、合理的功率規格以及更高的通信頻寬[4]。
?、?高達0 dBm的輸出電平和低于1 μA的待機電流。CYWUSB6935內部配備了耗電率自我校正機制，從而將Wireless USB射頻設備的待機耗電降低到1 μA以下,且輸出電平壓低到0 dBm，打破了無(wú)線(xiàn)系統設計中耗電率的技術(shù)壁壘，大大延長(cháng)了設備電池的續航能力。
?、?-95 dBm的接收靈敏度與超過(guò)50 m范圍的全方位傳輸距離。接收靈敏度的提高和傳輸距離的延伸,都確保在50 m甚至更大范圍內準確快速地獲得全方向信號，使WirelessUSB LR技術(shù)進(jìn)入更遠距離的商業(yè)和工業(yè)多點(diǎn)對單點(diǎn)應用領(lǐng)域，從而拓展了該無(wú)線(xiàn)系統的應用市場(chǎng)。
?、?高達62.5 Kb/s的數據吞吐量和高達2 MHz傳輸頻率的SPI微機接口。CYWUSB6935可實(shí)現62.5 Kb/s速率的雙向或單向RF傳輸，平均延時(shí)小于10 ms；數據傳輸率達2 MHz的SPI接口可以輕松地將設備數據上傳至上位機系統。
?、?可配置的雙向直接順序擴展頻譜（DSSS）基帶相關(guān)器。借助DSSS技術(shù)，CYWUSB6935可以避免來(lái)自如2.4 GHz頻段中802.11b、藍牙（Bluetooth）等其他系統的信號干涉，以及來(lái)自無(wú)繩電話(huà)和微波爐的無(wú)線(xiàn)輻射。
?、?高集成、低成本的48QFN封裝，按最少外接元件要求設計，完全可以達到用戶(hù)的單片設計要求。
?、?片內集成30位的制造商ID、2.7~3.3 V的工作電壓和-40～85℃的工作環(huán)境，在很大程度上拓展了CYWUSB6935芯片的適用領(lǐng)域。
2.3 CYWUSB6935芯片引腳定義
表1引腳定義
表1為CYWUSB6935芯片48QFN封裝的引腳定義。
3 WirelessUSB LR系統結構
?。?） WirelessUSB LR橋最小系統
圖2中，WirelessUSB LR橋最小系統包括Cypress公司enCoRe系列的低成本USB控制器，和由芯片CYWUSB6935組成的射頻模塊。其中USB控制器負責控制射頻模塊的工作狀態(tài)及上位機與射頻模塊之間的數據通信，而射頻模塊主要由CYWUSB6935完成數據的無(wú)線(xiàn)傳輸和通信協(xié)議的解讀工作。整個(gè)系統采用總線(xiàn)供電方式，通過(guò)USB總線(xiàn)可以得到5 V的電壓，供USB控制器使用；經(jīng)過(guò)低壓線(xiàn)性穩壓器（LDO），CYWUSB6935可以得到需要的3.3 V電壓，因此系統無(wú)需外接電源，從而提高了適用性和便攜能力。
圖2WirelessUSB LR橋最小系統電路
?。?） WirelessUSB LR HID最小系統
如圖3所示，WIrelessUSB LR HID最小系統主要由一個(gè)8位微控制器（MCU）和CYWUSB6935芯片組成。微控制器主要負責外設與射頻模塊的數據傳輸，同時(shí)也可以兼顧簡(jiǎn)單應用設備（如數據采集板和LED顯示屏）的控制工作。整個(gè)系統多采用電池供電方式。為了提高電池的續航能力，在沒(méi)有數據傳輸時(shí)，射頻模塊會(huì )被設置工作在休眠模式下，等待數據到來(lái)后被喚醒。
圖3WirelessUSB LR HID最小系統電路
4 WirelessUSB LR系統數據傳輸過(guò)程
WirelessUSB LR 2Way網(wǎng)絡(luò )中，用戶(hù)主要采用多點(diǎn)到一點(diǎn)（multipoint to point）的拓撲來(lái)組建用戶(hù)網(wǎng)絡(luò )。HID與Bridge之間建立有雙向數據通道，使得HID在發(fā)送數據的同時(shí)，能夠接收Bridge傳輸來(lái)的Ack/Nak信息和數據,如圖4所示。在該網(wǎng)絡(luò )中的所有設備都具備收發(fā)數據的功能。WirelessUSB LR 2Way網(wǎng)絡(luò )中允許多個(gè)應用設備同時(shí)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸，并且能夠以無(wú)線(xiàn)方式把多達127個(gè)設備連接到主機（通常是1臺PC）上，其中每個(gè)設備分時(shí)復用同一帶寬。
圖4WirelessUSB LR 2Way系統
以下是WirelessUSB LR 2Way系統中，橋接器（bridge）從人機接口設備（HID）節點(diǎn)上接收數據的典型過(guò)程[5]，其間的時(shí)序和電流變化如圖5所示。
圖5數據傳輸過(guò)程
?、?傳輸開(kāi)始之前，橋接器和HID同處于休眠狀態(tài)，13 MHz的晶體并不工作，此時(shí)待機電流小于1 μA。
?、?當HID的MCU需要發(fā)送數據時(shí)，首先通過(guò)拉高PD引腳電壓將CYWUSB6935從休眠狀態(tài)中喚醒。此時(shí)，晶體開(kāi)始工作。一旦晶體工作穩定，CYWUSB6935通過(guò)IRQ引腳告訴MCU，它已經(jīng)準備好接受串行接口（SPI）命令。
?、?MCU在喚醒狀態(tài)寄存器中清除喚醒中斷請求，并將設置信息寫(xiě)入控制寄存器,為傳輸作好準備，同時(shí)CYWUSB6935的高頻綜合器自動(dòng)開(kāi)始工作，經(jīng)過(guò)短暫的延時(shí)后，綜合器就可以達到穩定狀態(tài)。此時(shí)，MCU可以將待發(fā)送數據的第一個(gè)字節下載到數據傳輸寄存器中。
?、?綜合器穩定工作后，CYWUSB6935將自動(dòng)發(fā)射1個(gè)比特周期的引導信號（如：10101...），用于幫助接收機鎖定發(fā)送機信號，并自動(dòng)將傳輸數據寄存器中的數據下載到發(fā)射移位寄存器中，并向IRQ引腳發(fā)送“傳輸數據寄存器空”中斷。MCU使用一個(gè)字節周期（125~512 μs，其長(cháng)度取決于所選擇的數據率）來(lái)下載下一個(gè)將要傳輸的數據。當新的數據寫(xiě)入發(fā)射移位寄存器時(shí),“數據空”中斷會(huì )被自動(dòng)清除。
?、?在一段時(shí)間內，MCU通過(guò)反復查詢(xún)“傳輸數據寄存器空”中斷，不斷將待發(fā)送數據下載到發(fā)射移位寄存器中，直到整個(gè)數據包下載完畢為止。
?、?完成數據下載之后，MCU通過(guò)設置“發(fā)射中斷使能”寄存器使得“寄存器空”中斷無(wú)效同時(shí)使能“發(fā)射”中斷,再由CYWUSB6935射頻部分完成數據無(wú)線(xiàn)傳輸的工作。當發(fā)送完最后一個(gè)數據字節后，“發(fā)射”中斷被送至IRQ引腳。
?、?數據發(fā)送完后，MCU將CYWUSB6935設置成接收模式，準備接收從Bridge返回的表示已經(jīng)順利接收到數據的“握手包”。此時(shí)，高頻綜合器會(huì )降低工作頻率（在接收模式下，綜合器被用作本地振蕩器，其頻率將會(huì )從發(fā)射頻段混頻降至2 MHz的中頻,用于解調無(wú)線(xiàn)信號）。
?、?當綜合器頻率穩定后，CYWUSB6935準備接收橋接器的“握手包”（如果在HID的CYWUSB6935綜合器達到穩定之前，橋接器的“握手包”就已經(jīng)到達，則HID無(wú)法成功接收到“握手包”；若HID成功接收到“握手包”，一個(gè)寄存器滿(mǎn)信號將送至IRQ引腳）。若CYWUSB6935成功接收到了“握手包”，MCU將負責查閱該“握手包”數據，并且在接收有效寄存器中查詢(xún)數據有效標志位；如果接收到無(wú)效“握手包”，或者在特定的時(shí)間內沒(méi)有接收到有效“握手包”（握手包超時(shí)），MCU將會(huì )重新執行之前的第③步。
?、?如果CYWUSB6935順利接收到有效“握手包”，MCU會(huì )通過(guò)控制寄存器將CYWUSB6935設置到空閑模式下。
?、?在完成所有的傳輸后，MCU可以利用PD引腳把CYWUSB6935置于休眠模式。在連續的多次傳輸過(guò)程中，在上一次所傳輸的數據末尾存在一個(gè)附加數據包，通知MCU將CYWUSB6935設置為在連續的數據傳輸間隙工作在空閑模式下，準備下一次傳輸，而無(wú)需等待其從休眠狀態(tài)中被喚醒。
結語(yǔ)
WirelessUSB LR無(wú)線(xiàn)USB系統解決方案，將無(wú)線(xiàn)通信的優(yōu)點(diǎn)和傳統的USB接口有機地結合起來(lái)，不僅能提供較高的數據傳輸率，而且改進(jìn)了數據的接入方式，使傳輸系統更加方便、可靠。Wireless USB LR憑借其完美的性能和低成本，可以滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)領(lǐng)域中非網(wǎng)絡(luò )端的需求，將成為未來(lái)無(wú)線(xiàn)通信的主流。
參考文獻
1 陳龍，等.可編程無(wú)線(xiàn)電遙控多通道開(kāi)關(guān)系統的設計.半導體技術(shù),2004,29(9)
2 Cypress Semiconductor. WirelessUSB LR 2.4 GHz DSSS Radio SoC. 200312
3 Cypress Semiconductor. Managing Power in Wireless USB Systems. 200402
4 Cypress Semiconductor. WirelessUSB LS Radio Module FCC Testing Verification. 200402
5 Cypress Semiconductor. WirelessUSB 2Way HID Systems. 200401
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