基于USB接口的無(wú)線(xiàn)數據傳輸系統的設計

引言

通信是信息的交換平臺，在人們的工作和日常生活中起著(zhù)重要的作用。傳統的通信技術(shù)是通過(guò)數據線(xiàn)和串口/并口將設備連接在一起，這樣就存在布線(xiàn)困難和其它不方便的因素。而且傳統的RS232串口通迅和并口通訊都存在傳輸速度低、接口的連接過(guò)于復雜等不足。本文所設計的基于USB接口的無(wú)線(xiàn)數據傳輸系統利用了USB接口的高傳輸速率、即插即用等優(yōu)點(diǎn)，并結合了無(wú)線(xiàn)數據傳輸技術(shù)，實(shí)現了計算機之間的無(wú)線(xiàn)數據通訊，解決了傳統通信技術(shù)帶給我們的不便。

系統硬件設計

基于USB接口的無(wú)線(xiàn)數據傳輸系統總體方案如圖1所示，該系統由發(fā)射和接收兩部分組成。其中，發(fā)射（接收）系統由單片機控制射頻發(fā)射模塊和單片機控制USB芯片兩部分組成。系統的工作過(guò)程為：主機將數據通過(guò)USB接口傳給單片機，數據通過(guò)單片機的SPI口再傳給射頻發(fā)射模塊，最后由射頻發(fā)射模塊把數據發(fā)射出去。射頻接收端接收到符合的數據包后，通知單片機讀取數據，單片機將數據通過(guò)USB接口送給主機，這樣就完成了一包數據從發(fā)射端到接收端的傳輸。

nRF2401芯片工作在全球開(kāi)放的2.4~2.5GHz ISM免申請頻段共125個(gè)頻點(diǎn)，可滿(mǎn)足多頻點(diǎn)和跳頻的需要；最高速率可達1Mbps，低功耗；發(fā)射功率和頻道參數可通過(guò)軟件設置完成。nRF2401內置地址解碼器、FIFO(先入先出棧區)、解調處理器、GFSK濾波器、低噪聲放大器、頻率合成器，功率放大器，晶體振蕩器等部分構成。nRF2401有兩種模式：Direct Mode(直接模式)和ShockBurst模式。ShockBurst技術(shù)采用芯片內部FIFO，數據以較低的速率存在FIFO中，再以很高的速率(1Mbps)將數據發(fā)射出去，因此它的功耗和成本都很低。nRF2401上的編程采用三線(xiàn)接口方式，單片機通過(guò)DATA，CLK1，CS三個(gè)引腳對nRF2401芯片進(jìn)行初始化設置和數據的輸入輸出，單片機還可以通過(guò)PWR_UP，CE，CS三個(gè)引腳對其進(jìn)行控制，使nRF2401進(jìn)入不同的工作模式。nRF2401的DATA引腳是數據引腳，SCK引腳是時(shí)鐘引腳，在時(shí)鐘信號的配合下，單片機通過(guò)DATA引腳從nRF2401中讀取數據或者把數據寫(xiě)入nRF2401。單片機與nRF2401連接如圖2所示。

首先對nRF2401進(jìn)行參數配置，CS=1，CE=0，PWR_UP=1。bit[119:0]有120位需要配置。這里需要注意的是nRF2401一包數據的最大長(cháng)度是256位（32Byte)，數據段的位數＝256－地址段的位數－CRC的位數。因此，要想在一包數據中傳輸盡可能多的數據段的位數，那么應該減少地址段的位數和CRC的位數。接下來(lái)進(jìn)入突發(fā)模式：CS＝0，CE＝1，PWR_UP=1。通過(guò)模擬SPI口把數據和接收方的地址寫(xiě)入nRF2401。注意該地址是接收方的地址。最后將CE置低，無(wú)線(xiàn)傳輸芯片把數據發(fā)射出去。

單片機對FT245BM的控制

FT245BM芯片是由FTDI(Future Technology Devices Intl Ltd)公司推出的第二代USB芯片，它的功能是實(shí)現USB接口與并行I/O接口之間數據的雙向傳輸。它由3.3V穩壓器，USB收發(fā)器，鎖相環(huán)，串行接口引擎(SIE)，FIFO控制器，USB協(xié)議引擎，FIFO接收緩沖區，發(fā)送緩沖區，以及6M振蕩器，8倍頻時(shí)鐘倍頻器等組成。一方面，當外部設備有數據要傳給主機時(shí)，數據通過(guò)8位并行I/O接口傳給USB芯片內部的數據緩沖區，FT245BM再將8位并行數據轉化為串行數據，通過(guò)USB接口把數據發(fā)送給主機；另一方面，當主機有數據要給外部設備時(shí)，先將串行數據通過(guò)USB接口存儲在USB芯片內部緩存區中，FT245BM再將串行數據轉化為8位并行數據，然后通過(guò)8位I/O接口把數據傳給外部設備。單片機與FT245BM的連接如圖3所示。

單片機對FT245BM的控制是通過(guò)RXF#，RD#，TXE#，WR這四個(gè)讀寫(xiě)控制信號完成的。當RXF#為低時(shí)，表示主機已經(jīng)將至少1字節的數據發(fā)送到USB的接收緩存區，單片機只需將RD#信號由低置高，就可以把D0－D7上的數據讀到單片機的寄存器中。當TXE#為低時(shí)，表示單片機可以把1字節的數據寫(xiě)入USB，只需把WR信號由高變低，就可以將D0－D7上的數據寫(xiě)入USB的發(fā)送緩存區。注意，當TXE#為高時(shí)不可以將數據寫(xiě)入USB，這時(shí)USB的發(fā)送緩存區中正在處理上一次寫(xiě)入的數據或是發(fā)送緩存區已經(jīng)寫(xiě)滿(mǎn)。同樣，當RXF#為高時(shí)，也不能從USB芯片中讀取數據。

電路設計可采用總線(xiàn)供電和自供電兩種供電方式，總線(xiàn)供電方式是指FT245BM設備的電源是通過(guò)計算機的USB接口供給的，電流要通過(guò)該口流入FT245BM設備。自供電方式是指FT245BM設備的電源由自己提供，而不通過(guò)主機供給。如果采用總線(xiàn)供電方式，在電源端采用一個(gè)磁珠，可以減少主機和設備的干擾。同時(shí)，在電源端增加去耦和旁路電容，可以提高電路的抗干擾性。如果電路沒(méi)有外接一片EEPROM，FT245BM將采用默認的VID、PID、產(chǎn)品描述符和電源描述符。

軟件設計

發(fā)射端流程、接收端流程見(jiàn)圖4、圖5。

軟件設計

當 外設連接到主機上的USB接口時(shí)，主機會(huì )檢測到新硬件，這時(shí)需安裝一個(gè)由FTDI公司免費提供的D2XX驅動(dòng)程序，在該驅動(dòng)程序中包含了一個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫（DLL）。該DLL由四部分組成：Classic Interface Functions、EEPROM Interface、Extended API和FT-Win32 API。Classic Interface Functions中包括FT_Open、FT_Read、FT_Write、FT_Close、FT_SetTimeOuts等函數，其功能如表1所示。

調用FT_Open函數，打開(kāi)設備。如果函數的返回值與FT_OK的值相等 ，那么函數調用成功，即USB設備被打開(kāi)。調用FT_Read函數，從USB中讀取數據。在程序中應該設置一個(gè)字節型數組，用來(lái)存放從USB中讀取的1字節數據。調用之前需設置FT_SetTimeOuts函數的讀/寫(xiě)操作時(shí)間，如果實(shí)際的讀操作時(shí)間超過(guò)了所設置的時(shí)間，那么認為讀數失??；只有當規定讀入的字節數與實(shí)際讀入的字節數相等時(shí)，讀操作 才算徹底完成。調用FT_Write函數，把數據寫(xiě)入USB中。在程序中應該設置一個(gè)字節型數組，用來(lái)存放要寫(xiě)入USB發(fā)送緩存器的數據，數組的長(cháng)度可以自行設定，但最好不要超過(guò)384個(gè)字節。只有當規定發(fā)送的字節數與實(shí)際發(fā)送的字節數相等時(shí)，寫(xiě)數才算成功。調用FT_Close函數，關(guān)閉設備。如果函數的返回值與FT_OK的值相等 ，那么函數調用成功，即USB設備被關(guān)閉。

結論

本系統采用了nRF2401無(wú)線(xiàn)射頻芯片和USB接口芯片FT245BM，通過(guò)PIC單片機進(jìn)行控制，在主機端用VB編寫(xiě)了USB軟件，實(shí)現了兩臺計算機之間的無(wú)線(xiàn)數據傳輸，解決了傳統通信技術(shù)的不足，具有很好的應用前景。