毕业设计（论文）-基于USB的通用无线传输接口设计

基于USB的通用无线传输接口设计目 录目 录1ABSTRACT4第1章 绪论51.1研究背景及现状51.2研究主要内容和目的6第2章 硬件系统的设计与实现92.1硬件设计92.2 LPC2210的简介102.2.1 LPC2210概述102.2.2 LPC2210特性102.2.3 LPC2210管脚信息112.3 PDIUSBD12：带并行总线的USB接口器件122.3.1 PDIUSBD12特性122.3.2 PDIUSBD12功能描述122.3.3 PDIUSBD12功能框图132.3.4 PDIUSBD12的工作模式162.3.5 PDIUSBD12管脚配置182.4 nRF2401的简介292.4.1 nRF2401综述292.4.2 nRF2401芯片结构292.4.3 nRF2401工作模式302.4.4 nRF2401器件配置322.4.5 nRF2401芯片结构342.5 SN74LVC4245A的简介372.6 CY7C63231的简介372.7系统原理392.7.1系统结构图392.7.2系统原理图40第3章 软件系统的设计与实现423.1 PDIUSBDl2驱动软件构架423.2 CY7063231软件设计44结 论45参考文献46致 谢48摘 要USB2.0是PC机与外设最流行，最高速的标准接口；无线通信具有比有线通信更安全，更可操作的优势。本文结合USB2.0和无线通信的优点，采用集成USB2.0接口的单片机PDIUSBD12和高性能的nRF24101实现高速、可靠、小型化、便携性强的无线传输系统，改进了传统文件传输方式，避免了用户许多不便。介绍一种基于Philips公司的32位ARM7TDMIS微处理器LPC2210的USB接口设计，并使用Nordic公司生产的单片射频收发芯片nRF2401设计USB接口的无线通信模块。阐述该系统的工作原理、硬件构成及软件设计方案。实现了基于USB接口的无线串行通信。USB为USB设备与USB主机之间大量的数据传输提供了高速、可靠的传输协议。而射频通信以其优点也应用在越来越多的场合，本文所设计的USB无线串行接口电路由nRF2401单片射频收发器、LPC2210微控制器和USB接口芯片组成。本系统充分利用USB的数据传输功能，设备连接方便,系统可用于进行无线串行数据双向传输，可在仪器仪表、计算机遥测/遥控、家庭网络等系统中应用。关键词：无线传输；LPC2200；USB；nRF2401；CY7C63231；SN74LVC4245AAbstractUSB2.0 PC, and peripherals is the most popular and high-speed standard interfaces; wireless communication over wired communication with a safer, more operational advantage. In this paper, the advantages of USB2.0 and wireless communications, with integrated single chip USB2.0 interface, high performance nRF24101 PDIUSBD12 and high-speed, reliable, small, portable and strong wireless transmission systems, improve the traditional file transfer methods, to avoid The user a lot of inconvenienceIntroduction of a company based on Philips LPC2210 32-bit microprocessor ARM7TDMIS the USB interface design, and use the Nordic companys single-chip RF transceiver chip designed USB interface nRF2401 wireless communication module. Describes the working principle of the system, hardware and software design. Implemented based on the wireless USB interface, serial communication. USB to USB devices and USB host provides a large amount of data transfer speed, reliable transmission protocol. The RF communication with its advantages and applications in an increasing number of occasions, designed this Wireless USB single-chip serial interface circuit from the RF transceiver nRF2401, LPC2210 microcontroller and USB interface chip composition. This system makes use of USB data transfer function, convenient device is connected, the system can be used for wireless two-way serial data transmission, can be in the instrumentation, computer telemetry / remote control, home network systems applications.Keywords：wireless；LPC2200；USB；nRF2401；CY7C63231； SN74LVC4245A.第1章 绪论1.1研究背景及现状最近几年各种数字电子机器採用2.45GHz与5GHz的WLAN，以及2.45GHz的蓝芽(Bluetooth)进行连接的情况相当普遍，在此同时利用网路连结的电子设备，除了个人电脑(PC)与可携带资讯终端机(PDA)之外，甚至扩展到影像、音响(AV: Audio Video)等领域，因此终端消费者对无线通信技术要求更加多样化。可以支援上述时代需求的无线通信技术之一，亦即UWB(Ultra Wide Band)通信技术立即成为注目的焦点，事实上频宽介于3.110.6GHz的UWB通信技术，2002年2月获得美国联邦通信委员会(FCC)正式承认后，它的发展动向一直是全球相关业者关心的话题。虽然UWB属于短距离通信技术，不过研究人员发现能够应用它的超频宽进行高速无线通信，如一般家庭相当普及的高速串行介面无线通信，就是该技术最典型的应用例。图1.1是无线USB的典型应用例。事实上美国电气电子技术者协会(IEEE)802.15作业分组(task group)3a(TG3a)，曾经针对利用UWB进行资料通信进行标准化作业。图1.2是UWB的Through put与通信距离的关系，由图可知虽然UWB短距离时可以作高速通信，不过随着距离的增加，它的Through put却急遽下降。在IEEE的标准化作业过程中，最后成为标准化作业候选者只剩UWB Forum推荐的DS-UWB(Direct Sequence UWB)方式，与WiMedia Alliance推荐的多频道直交频率多重分割(Multiband OFDM)两种方式。如上所述UWB标准化作业非常不顺利，它与蓝芽标准化时遭遇的情况非常类似，亦即在市场上已经充分获得事实标准(de facto standard)认定的方式，最后都会成为公认的标准规范，尤其是USB IF与1394 TA(Trade Association)已经相继明确表示支持WiMedia Alliance，这意味着USB IF认定的无线USB制品，如果不採用WiMedia Alliance推荐的多频道直交频率多重分割(Multiband OFDM)方式，理论上就不能上市发表，换言之到此为止UWB标准化作业总算尘埃落定获得正式承认，上述Multiband OFDM方式可以实现距离3m时通讯速度为480Mbit/s，10m时通信速度为110Mbit/s的无线化USB2.0目的。图1.1 无线USB的应用例 图1.2 UWB的Through put与通信距离的关系WiMedia Alliance主要任务是确保封装后UWB机器之间相互连接性，依此制定业界标准的民间组织，它相当于WLAN的Wi-Fi Alliance(联盟)。该联盟除了针对物理层与MAC层之外，同时还对无线USB、无线1394等高阶层，以及可以同时使用UWB资源的IP(Internet Protocol)网路与Conversion层，进行层的规范制定、相容性测试、认证、标志程序(logo program)等标准化作业。1.2研究主要内容和目的设计一种基于Philips公司的32位ARM7TDMIS微处理器LPC2210的USB接口设计，并使用Nordic公司生产的单片射频收发芯片nRF2401设计USB接口的无线通信模块。阐述该系统的工作原理、进行系统硬件设计成及软件设计。实现基于USB接口的无线串行通信。有关USB2.0无线化的基本规格政策是必需继承现有的软件资源环境。此外基于现有的USB Host与USB元件(device)都能够直接进行无线化等考量，因此无线USB的架构还充分导入Wire Adapter观念。Wire Adapter观念具体内容，类似图1.1的Host端的HWA(Host Wire Adapter)与元件端DWA(Device Wire Adapter)，以USB2.0与UWB无线单元作物理介面时，基本上都必需使用Wire Adapter架构。由图1.1可知由于Wire Adapter被当作假想USB主控制器(Host Controller)，所以Host端与元件端彼此都是独立bus动作。此外在USB2.0的介面，亦即EHCI(Enhanced Host Controller Interface)的Pipe概念，在Wire Adapter则被RPipe(Remote Pipe)新概念取代。图1.3是利用Wire Adapter建构的USB元件的topology与Pipe的关系，如图所示HWA驱动器在USB host连接的HWA之间建构Pipe；DWA驱动器透过无线通信，在HWA-DWA之间建构RPipe；USB class驱动器则在USB元件之间建构RPipe，(此USB元件系连接于DWA本身具备的USB hub上)，由此可知各种数字电子机器，彼此为了建构假想性bus，因此必需使用Wire Adapter。以上介绍无线USB技术动向。一般认为利用低消费电力、低制作成本与高through put的UWB，使一般家庭也普遍使用的高速高速串行介面USB无线化，形成所谓的无线USB，可望获得市场高度肯定，因此国外业者正积极开发无线USB应用产品，试图藉由无线USB开拓新的无线通信商机。图1.3 无线USB相关的protocol stack第2章 硬件系统的设计与实现2.1系统总体设计整个硬件电路设计可以分为两个部分：使用带并行总线的USB接口器件PDIUSBD12 设计LPC2210的USB接口；使用Cypress公司的USB外围控制芯片CY7C63231设计射频芯片nRF2401的USB接口。两个部分通过USB口相接。整个硬件电路设计系统结构框图如图2.1所示：PDIUSBD1212芯片USB接口LPC2210微控制器NRF2401射频芯片CY7C63231芯片 芯片图2.1 硬件系统设计框图采用Philips公司的并行USB接口芯片 PDlUSBDl2，符合USB1.1版本规范。 这里以LPC2210微控制器与PDIUSBD12构成USB设备。PDIUSBD12使用LPC2210外部存储控制的Bank2部分，其地址如下：数据地址 0x82000000，命令地址 0x82000001。RST_USB、SUSP为LPC2210输出引脚，PDIUSBD12中断信号为中断输入信号，且为外部中断0。C1、C2和X1为PDIUSBD12提供工作所需的时钟输入；发光二极管GoodLink在正常通信时闪烁；LPC2210的AD0连接到PDIUSBD12的A0。当LPC2210在A0引脚输出1时，表示输出到PDIUSBD12数据总线D0 D7上的数据为命令字，当A0引脚输出0时，表示输出到PDIUSBD12数据总线D0 D7的数据为数据字。CY7C63231是8位RISC微处理器，特别适用于USB嵌入式设计，工作电压是5V。nRF2401是单片射频收发芯片，工作模式有4种：收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式。所有配置工作，工作模式选择和收发数据都通过用电压调整芯片LP2980IM5-3.3产生nRF2401的工作电压3.3V，同时，SN74LVC4245可实现控制口3.3V和5V的电平转换，使工作在不同电压水平的这两种芯片正常连接。nRF2401是单片射频收发芯片，工作于2.42.5GHz ISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF2401内置地址解码器、先入先出堆栈区、解调处理器、时钟处理器、GFSK滤波器、低噪声放大器、频率合成器，功率放大器等功能模块，需要很少的外围元件，因此使用起来非常方便。2.2 LPC2210的简介2.2.1 LPC2210概述LPC2210是PHILIPS单片32位ARM微控制器，LPC2210/2220微控制器是基于一个支持实时仿真和嵌入跟踪的32/16位ARM7TDMI-S CPU。对代码规模有严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30%，而性能的损失却很小。由于LPC2210/2220的144脚封装、极低的功耗、多个32位定时器、8路10位ADC、PWM输出以及多达9个外部中断管脚使它们特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和电子收款机(POS)。通过配置总线，LPC2210/2220最多可提供76个GPIO。由于内置了宽范围的串行通信接口，LPC2210/2220也非常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式软件调制解调器以及其它各种类型的应用。2.2.2 LPC2210特性16/32位ARM7TDMI-S微控制器，LQFP144和TFBGA144封装。16/64kB片内静态RAM(LPC2210/LPC2220)。串行boot装载程序通过UART0来实现在系统下载和编程。EmbeddedICE-RT和嵌入式跟踪接口使用片内RealMonitor软件对任务进行实时调试并支持对执行代码进行无干扰的高速实时跟踪。8路10位A/D转换器，转换时间低至2.44s。2个32位定时器(LPC2220也具有外部事件计数器)带4路捕获和4路比较通道、PWM单元(6路输出)、实时时钟(RTC)。多个串行接口，括2个16C550工业标准UART、高速I2C总线和2个SPI接口。在LPC2220上可选带有数据缓冲区和可变长度传输的同步串行口来代替一个SPI。向量中断控制器(VIC)，可配置优先级和向量地址。通过外部存储器接口可将存储器配置成4组，每组的容量高达16Mb，数据宽度为8/16/32位。多达76个通用I/O口(可承受5V)。使用9个边沿或电平触发的外部中断管脚。通过可编程的片内锁相环可实现最大为60/75MHz的CPU操作频率。带外部晶体的片内振荡器频率范围：130 MHz，外部振荡器的频率高达50MHz。2个低功耗模式：空闲和掉电。通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒。可通过个别使能/禁止外部功能来优化功耗。双电源： CPU操作电压范围：1.65V1.95 V(1.8 V 0.15 V)；I/O操作电压范围：3.03.6 V(3.3V10%)，I/O口可承受5V电压。2.2.3 LPC2210管脚信息图2.2 LPC2210芯片表2.1 管脚信息管脚名称描述P0.0P0.31P0口：P0口是一个32位双向 I/O口。每个位都有独立的方向控制。P0口管脚的操作取决于管脚连接模块所选择的功能。P0 口的 P0.26 和P0.31不可用。P1.0P1.31P1 口：P1口是一个32位双向 I/O口。每个位都有独立的方向控制。P1口管脚的操作取决于管脚连接模块所选择的功能。P1 口的 P1.2P1.15不可用。P2.0P2.31P2口：P2口是一个32位双向 I/O口。每个位都有独立的方向控制。P2口管脚的操作取决于管脚连接模块所选择的功能。P3.0P3.31P3 口：P3口是一个32位双向 I/O口，每位的方向可单独控制。P3口的功能取决于管脚连接模块的管脚功能选择。NC管脚未连接。RESET外部复位输入。该管脚的低电平将器件复位，并使 I/O 口和外围功能恢复默认状态，处理器从地址0开始执行。带迟滞的TTL电平，管脚可承受5V电压。XTAL1振荡器电路和内部时钟发生器的输入。XTAL2振荡放大器的输出。VSS地：0V参考点。VSSA_PLLPLL 模拟地：0V 参考点。标称电压与 VSS 相同，但应当互相隔离以减少噪声和故障。V181.8V 内核电源：内部电路的电源。V18A模拟1.8V 内核电源：内部电路的电源。标称电压与V18相同，但应当互相隔离以减少噪声和故障。V33.3V 端口电源：I/O口的电源。V3A模拟3.3V 端口电源：标称电压与V3相同，但应当互相隔离以减少噪声和故障。2.3 PDIUSBD12：带并行总线的USB接口器件2.3.1 PDIUSBD12特性符合通用串行总线（USB）1.1版规范高性能USB接口器件，集成了SIE、FIFO存储器、收发器以及电压调节器符合大多数器件的分类规格可与任何外部微控制器/微处理实现 高速度并行接口（2M字节/秒）完全自治的直接内存存取（DMA）操作集成320字节多结构FIFO存储器主端点的双缓冲配置增加了数据吞吐量并轻松实现实时数据传输在批量模式和同步模式下均可实现1M字节/秒的数据传输速率具有良好的EMI特性的总线供电能力在挂起时可控制LazyClock输出可通过软件控制与USB的连接采用GoodLink技术的连接指示器，在通讯时使LED闪烁可编程的时钟频率输出符合ACPI、OnNow和USB电源管理的要求内部上电复位和低电压复位电路有SO28和TSSOP28封装工业级操作温度：40 +85 高于8kV的在片静电防护电路，减少额外元件的费用具有高错误恢复率（99%）的全扫描设计确保了高品质双电源操作：3.30.3V或扩展的5V电源，范围为3.65.5V 多中断模式实现批量和同步传输2.3.2 PDIUSBD12功能描述PDIUSBD12是一款性价比很高的USB器件，它通常用作微控制器系统中实现与微控制器进行通信的高速通用并行接口，它还支持本地的DMA传输。这种实现USB接口的标准组件使得设计者可以在各种不同类型微控制器中选择出最合适的微控制器，这种灵活性减小了开发的时间、风险以及费用（通过使用已有的结构和减少固件上的投资），从而用最快捷的方法实现最经济的USB外设解决方案。PDIUSBD12完全符合USB1.1版的规范，它还符合大多数器件的分类规格：成像类、海量存储器件、通信器件、打印设备以及人机接口设备。同样的，PDIUSBD12理想地适用于许多外设，例如：打印机、扫描仪、外部的存储器（Zip驱动器）和数码相机等等，它使得当前使用SCSI的系统可以立即降低成本。PDIUSBD12所具有的低挂起功耗连同LazyClock输出可以满足使用ACPI、OnNow和USB电源管理的要求，低的操作功耗可以应用于使用总线供电的外设。此外它还集成了很多特性，包括SoftConnect、GoodLink 、可编程时钟输出、低频晶振和终止寄存器集合，所有的这些特性都为系统显著节约了成本，同时使USB功能在外设上的应用变得容易。2.3.3 PDIUSBD12功能框图图2.3 PDIUSBD12功能框图（注：这是一个概念性的框图，并不包括每一个单独的信号）（1）模拟接发器集成的收发器接口可通过终端电阻直接与USB电缆相连。（2）电压调整器片内集成了一个3.3V的调整器用于模拟收发器的供电，该电压还作为输出连接到外部1.5k的上拉电阻，可选择PDIUSBD12提供的带1.5k内部上拉电阻的软件连接技术。（3）PLL片内集成了6M到48M时钟乘法PLL，这样就可使用低成本的6M晶振，EMI也随之降低。PLL的工作不需要外部元件。（4）位时钟恢复位时钟恢复电路使用4X过采样规则，从进入的USB数据流中恢复时钟，它能跟踪USB规定范围内的抖动和频漂。（5）Philips串行接口引擎（PSIE）Philips SIE实现了全部的USB协议层，完全由硬件实现而不需要固件的参与，该模块的功能包括：同步模式的识别、并行/串行转换、位填充/解除填充、CRC校验/产生、地址识别和握手评估产生。（6）存储器管理单元（MMU）和集成RAM在以12M/s的速率传输并与微控制器并口相连时，MMU和集成RAM作为USB之间速度差异的缓冲，这就允许微控制器以它自己的速率对USB信息包进行读写。（7）并行和DMA接口一个普通的并行接口定义成易于使用，快速而且可以与主流的微控制器直接接口，对一个微控制器而言，PDIUSBD12看起来就像一个带8位数据总线和一个地址位（占用2个位置）的存储器件。PDIUSBD12支持多元和非多元的地址和数据总线，还支持主端点与本地共享RAM之间直接读取的DMA传输，支持周期和突发模式的DMA传输。（8）与80C51并行接口举例在该例中，ALE接为低电平，表示一个独立的地址和数据总线配置。PDIUSBD12的A0脚与80C51的任意一个I/O口相连，高端口控制PDIUSBD12的命令和数据状态，80C51的多位地址和数据总线可直接与PDIUSBD12的数据总线相连、80C51的频率输入可由PDIUSBD12的CLKOUT提供。图2.4 与80C51并行接口连接（9）DMA传输直接存储器寻址（DMA）允许在主端点和本地共享存储器间实现数据块的有效传输、使用DMA控制器，PDIUSBD12的主端点和本地共享存储器间的数据传输可自主进行而不需要本地CPU的干预。要处理任何DMA传输、本地CPU从主机接收必要的建立信息并对DMA控制器进行相应的编程。典型的，对控制器的传输模式、字节计数寄存器和地址计数器进行正确的编程，在该模式下，PDIUSBD12发出请求时开始传输，当字节计数器减少为零时终止，在DMA控制器编程之后，本地CPU在初始化传输时将PDIUSBD12中的DMA使能位置位。PDIUSBD12可编程为单周期DMA或突发模式DMA，在单周期DMA中，DMREQ在每单个应答后直到被DMACK_N重新激活之前保持无效。在突发模式DMA中，DMREQ在器件中突发编程时一直保持有效，该过程持续到PDIUSBD12通过EOT_N接收到一个DMA终止信息，这是产生一个终端指示本地CPU，DMA操作已经完成。在DMA读操作时，DMREQ仅当缓冲区完全表示主机成功的发送了一个信息包到PDIUSBD12时才有效。由于具有双缓冲配置，主机可以在第一个缓冲区被读出时对第二个缓冲区进行填充，这种并行的处理有效地增加了数据吞吐量，当主机没有完全填满缓冲区的情况下（单向ISO配置时小于64或128字节），DMREQ会在缓冲区的最后一个字节时无效，而不管当前的DMA突发计数，在更新了DMA突发计数的下一个包发送时，DMREQ再次被激活。DMA的写操作与之相似，当缓冲区未装满时，DMREQ一直有效。当缓冲区填满时，在下一个IN标志将信息包送入主机，当传输完成之后DMREQ变为无效，同样的，双缓冲配置在这也改善了数据的吞吐量，在非同步传输中（批量模式和中断），在数据被发送到主机之前，缓冲区需要通过DMA写操作完全装满，唯一的例外是，在DMA传输结束时，EOT_N接收的信号将会停止DMA写操作并且在下一个IN标志置位时将缓冲区的内容传送到主机。在同步模式中，本地CPU和DMA控制器必须保证它们在一个USB帧（1ms）中能够吞吐的最大信息包规模，DMACK_N的激活将自动选择主端点（端点2）而不管当前选择的端点，PDIUSBD12的DMA操作可通过普通的I/O对其它端点的存取实现交叉存取，DMA操作可通过以下方式终止：复位DMA使能寄存器位或EOT_N加上DMACK_N以及RD_N/WR_N的激活。PDIUSBD12支持单地址模式中的DMA传输，也可以在DMA控制器的双地址模式中工作，在单地址模式中，DMA通过DREQ、DMACK_N、EOT_N、WR_N和RD_N控制线实现传输。在双地址模式中，DREQ、DMACK_N和EOT_N未用，取而代之的是CS_N、WR_N和RD_N控制信号，需要遵循PDIUSBD12的I/O模式传输协议。在读周期中对DMAC信号源进行访问，在写周期对目标进行访问，传输需要两个单独的总线周期来存储存在DMAC中的数据。2.3.4 PDIUSBD12的工作模式PDIUSBD12的端点适用于不同类型的设备，例如图像、打印机、海量存储器和通信设备。端点可通过“Set Mode”命令配置为4种不同的模式，分别为：模式0（Non-ISO模式）： 非同步传输模式1（ISO-OUT模式）： 同步输出传输模式2（ISO-IN模式）： 同步输入传输模式3（ISO-IO模式）： 同步输入输出传输表2.2 模式0（非同步模式）端点数端点索引传输类型端点类型方向最大信息包规格（字节）001控制输出控制输入默认输出输入1616123普通输出普通输入普通普通输出输入1616245普通输出普通输入普通普通输出输入644644表2.3 模式1（同步输出模式）端点数端点索引传输类型端点类型方向最大信息包规格（字节）001控制输出控制输入默认输出输入1616123普通输出普通输入普通普通输出输入161624同步输出同步输出1284表2.4 模式2（同步输入模式）端点数端点索引传输类型端点类型方向最大信息包规格（字节）001控制输出控制输入默认输出输入1616123普通输出普通输入普通普通输出输入161624同步输入同步输出1284主端点主端点（端点2）在有些方面是比较特别的，它是进行吞吐大数据的主要端点。同样地，它执行主机的特性以减轻传输大数据的任务：1双缓冲，允许USB与本地CPU之间的并行读写操作，这样就增加了数据的吞吐量，缓冲区切换是自动处理的，这导致了透明的缓冲区操作。2支持DMA（直接存储器访问）操作，可以和对其它端点的正常I/O操作交叉进行。3DMA操作中的自动指针处理，在跨过缓冲区边界时不需要本地CPU干预。4可配置为同步传输或非同步（批量和中断）传输。2.3.5 PDIUSBD12管脚配置图2.5 PDIUSBD12芯片表2.5 PDIUSBD12管脚信息管脚符号类型描述1DATA0IO2双向数据位02DATA1IO2双向数据位13DATA2IO2双向数据位24DATA3IO2双向数据位35GNDP地6DATA4IO2双向数据位47DATA5IO2双向数据位58DATA6IO2双向数据位69DATA7IO2双向数据位710ALEI地址锁存使能，在多路地址/数据总线中，下降沿关闭地址信息锁存、将其固定为低电平用于单地址/数据总线配置11CS_NI片选（低有效）12SUSPENDI，OD4器件处于挂起状态13CLKOUTO2可编程时钟输出14INT_NOD4中断（低有效）15RD_NI读选通（低有效）16WR_NI写选通（低有效）17DMREQO4DMA请求18DMACK_NIDMA应答（低有效）19EOT_NIDMA传输结束（低有效）。20RESET_NI复位（低有效且不同步），片内上电复位电路，该管脚可固定接Vcc。21GL_NOD8GoodLink LED指示器（低有效）22XTAL1I晶振连接端1（6MHz）23XTAL2O晶振连接端1（6MHz），如果采用外部时钟信号取代晶振可连接XTAL1，XTAL2应当悬空。24VccP电源电压（4.05.5V），要使器件工作在3.3V对Vcc和VOUT3.3脚都提供3.3V25D-AUSB D-数据线26D+AUSB D+数据线27VOUT3.3P3.3V调整输出，要使器件工作在3.3V，对Vcc和VOUT3.3脚都提供3.3V28A0I地址位，A0=1 选择命令指令，A0=0 选择数据。该位在多路地址/数据总线配置时可忽略，应将其接高电平。注：O2： 2mA驱动输出 OD4 ： 4mA驱动开漏输出OD8： 8mA驱动开漏输出 IO2 ： 4mA输出（1）命令汇总命令描述 有3种基本的类型的命令：初始化、数据流和通用命令。初始化命令 初始化命令在USB网络进行枚举处理时使用，这些命令用于使能端点的功能，还可以来设置USB分配的地址。设置地址/使能 命令：D0h数据：写1字节该命令用于设置USB分配的地址和是能功能。地址 写入的值即为地址使能 置1使能该功能图2.6 设置地址/使能设置模式 命令：F3h数据：写2字节设置模式命令后跟2个写入的数据，第一个字节包含配备字节信息，第二个字节是时钟分频因素字节、配备字节。图2.7 设置模式无LazyClock 1表示CLKOUT不会切换到LazyClock，0表示CLKOUT在Suspend脚变高之后切换到LazyClock，LazyClock频率是30KHz40%。编程值将不过会被总线复位所改变。时钟运行 1表示内部时钟和PLL即使在挂起状态下仍然运行，0表示只要不需要时，内部时钟、晶振和PLL就停止运行，为了满足严格的挂起电流要求，该位需要设置为0，已编程的值不会被总线复位所改变。中断模式 1表示报告所有的错误和“NAKing”并产生一个中断，0表示只有OK被报告。编程值不会被总线复位所改变。SoftConnect 1表示如果VBUS可用，上行数据上拉电阻就被连接，0表示不连接。已编程的值不会被总线复位所改变。端点配置 该2位设置端点配置如下： 模式0（非同步模式），模式1（同步输出模式），模式2（同步输入模式），模式3（同步输入/输出模式）。（2）时钟分频系数字节图2.8 端点配置时钟分频系数 该值用来表示CLKOUT的时钟分频系数，用N表示分频系数，那么输出频率就为48MHz/（N+1）。复位值为11。这产生4MHz的输出频率，然后可由用户自行调节，当N为0时，得到最大频率48MHz。当N取最大11时，得到最小频率4MHz。PDIUSBD12的设计确保了在改变频率时不会出现干扰，已编程的值不会被总线复位所改变。SET_TO_ONE 该位需要在任何DMA读或写操作之前置为1，该位在上电复位值为0，复位后可将其一直设为1。仅有SOF中断模式 将该位置1后，仅当帧时钟的起始（SOF）时刻引起中断的产生，而不管引脚中断模式的设置状态（设置DMA位5）。（3）DMA配置寄存器在DMA操作中，两字节的缓冲区头（状态和字节长度信息）不参与传送，这就允许了DMA数据的连续性，不插入信息头。DMA读操作时，信息头被PDIUSBD12跳过，见读缓冲区命令，在DMA写操作信息头由PDIUSBD12自动添加，这就提供了一个简单的DMA数据传输。DMA突发串选择DMA操作的突发串长度：00单周期DMA；01突发串（4周期）DMA；10 突发串（8周期）DMA；11突发串（16周期）DMA。DMA使能 向该位写入1会通过激活DMREO启动DMA操作，在激活DMREQ之前需要装满（DMA读操作）或清空（DMA写操作）主端点缓冲器，在单周期DMA模式中，DMREQ在突发串数目耗尽后无效，然后下一个突发串时重新激活，这个过程一直持续到EOT_N和DMACK_N以及RD_N或WR_N一起被激活，此时将该位置0并终止DMA操作，DMA操作也可通过直接向该位写入0来终止。DMA方向 该位决定了DMA传输时数据流的方向，表示从外部共享存储器到PDIUSBD12（DMA写操作）；0表示从PDIUSBD12到外部存储器（DMA读操作）。自动重装 当该位设为1，DMA操作会自动重新启动。中断脚模式 0表示正常的中断脚模式，中断寄存器所有位的逻辑或产生中断，当该位写入1时表示中断会在USB总线上行数据流出现帧时钟（SOF）起始位时产生中断，其它中断仍然有效。端点索引4中断使能 该位为1表示只要端点缓冲区包含一个有效的信息包就会产生中断，通常在DMA操作时关闭以减少不必要的CPU响应。端点索引5中断使能 该位为1表示只要端点缓冲区有效（见缓冲区生效命令）就会产生中断，通常在DMA操作时关闭以减少不必要的CPU响应。选择端点 命令：00 05h 数据：可选读1字节选择端点命令将内部指针初始化到选择的缓冲区起始位置，可选的，该命令可跟一个返回的读出字节。满/空 1表示缓冲区已满，0表示缓冲区为空。停止 1表示选择的端点处于停止状态。图2.9 端点选择读最后处理状态寄存器 读最后处理状态寄存器命令后跟一个数据返回端点最后处理的状态，该命令同时复位中断寄存器中的相应位并将状态清零表示已经读取。由于它保留了每次处理的记录，所以该命令在以调试为目的时很有用，在每次新的处理之后会将原来的状态信息覆盖。图2.10 读最后处理状态寄存器数据接收/发送成功 1表示数据已经成功地接收或发送。错误代码见下表：表2.6 错误代码错误代码结果0000无误0001PID编码错误：位7 4不是位3 0的取反0010PID未知：编码有效，但PID不存在0011不期望的信息包：不是所期望的信息包（标志，数据或应答）或SETUP标志指向非控制点0100标志CRC错误0101数据CRC错误0110时间溢出错误0111串扰错误1000不期望的信息包结束1001发送或接受NAK1010发送停止，已接受到标志，但端点已停用1011溢出错误，接收的信息包大于可用的缓冲空间1101Bitstuff错误1111错误DATA PID:接收的DATA PID不是所期望的（4）读缓冲区命令：F0h数据：读多个字节（最大130）读缓冲区命令后，返回一系列从选择的端点数据缓冲区读出的数据，每读一个字节，内部缓冲区指针自动加以一，读缓冲区命令不会将缓冲区指针复位到缓冲区起始端，这意味着可被其它的命令所中断（选择端点命令除外）。缓冲区数据结构如下：字节1：保留，可为任意值字节2：数据字节的数目/长度字节3：数据字节1字节4：数据字节2头两个字节在DMA读操作中可跳过，因此第一个读出的字节是数据字节1，第二个读出的是数据字节2，等等，PDIUSBD12可通过USB信息包的EOP终于来决定包的最后一个字节。（5）写缓冲区命令：F0h数据：写多个字节（最大130）写缓冲命令后跟一系列需要写入端点缓冲区的数据。数据的结构必须与前面描述的读缓冲区命令一样，第一个字节总为0。在DMA写操作中，头两个字节会被绕过。因此，第一个写入的字节是数据字节1，第二个写入的数据字节2等等。在非同步传输中，数据被发送到主机之前缓冲区必须被完全填满并切换到下一个缓冲区。例外的情况是，当前的缓冲区内容将要被发送到主机时，由有效的EOT_N指示DMA传输的结束。（6）清缓冲区命令：F2h数据：无当一个信息包完全接收之后，内部端点缓冲区满标志置位，所有后续的包将被返回的NAK拒绝。当微控制器已读取数据，它应当通过清缓冲区命令来释放缓冲区。当缓冲区清空之后，新的信息包就可被接收了。（7）使缓冲区有效命令：Fah数据：无当微控制器已将数据写入IN缓冲区，它应当通过使缓冲区有效命令设置缓冲区满标志，这表示缓冲区内的数据有效并可以在接收到下一个IN标志时将其送入主机。（8）警告越过缓冲区边界的写入/读出或写入OUT缓冲区或读出IN缓冲区都是不受保护的。其中的任何一个都会导致错误的操作，OUT缓冲区的数据只在成功发送之后才有意义。例外的情况是在主端点的DMA操作时，指针在到达边界后会自动指向第二个缓冲区。表2.7 操作条件符号参数测试条件最小最大单位VCC1电源电压（主模式）仅将VCC1连接到VCC脚3.65.5VVCC2电源电压（可选模式）将VCC1和VOUT3.3连接到VCC脚3.03.6VVIDC输入电压范围05.5VVI/ODC输入电压范围（I/O口）05.5VVAI/ODC输入电压范围（模拟I/O口）03.6VVoDC输出电压范围0VCCVTamb操作环境温度范围见每个器件的DC和AC特性-4085C表2.8 DC特性（数字脚）符号参数测试条件最小典型最大单位输入电平VIL低电平输入电压0.8VVIH高电平输入电压2VVHYS滞后电压ST（施密特触发）脚0.40.7V输出电平VOL低电平输出电压IOL=额定驱动0.4VIOL=20A0.1VVOH高电平输出电压IOH=额定驱动2.4VIOH=20AVCC-0.1V漏电流IOZOFF状态电流5AIL输入漏电流5AIS挂起电流晶振停止，输入到GND/VCC15A图2.11 ALE时序图2.12 并行接口时序（I/O和DMA）图2.13 单周期DMA时序图2.14 突发DMA时序图2.15 DMA被EOT终止2.4 nRF2401的简介2.4.1 nRF2401综述nRF2401是单片射频收发芯片，工作于2.42.5GHz ISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低，以-5dBm的功率发射时，工作电流只有10.5mA，接收时工作电流只有18mA，多种低功率工作模式，节能设计更方便。其DuoCeiverTM技术使nRF2401可以使用同一天线，同时接收两个不同频道的数据。nRF2401适用于多种无线通信的场合，如无线数据传输系统、无线鼠标、遥控开锁、遥控玩具等。2.4.2 nRF2401工作模式nRF2401有工作模式有四种：收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式。nRF2401的工作模式由PWR_UP 、CE、TX_EN和CS三个引脚决定。nRF2401的收发模式有ShockBurstTM收发模式和直接收发模式两种，收发模式由器件配置字决定，具体配置将在器件配置部分详细介绍。 表2.9 nRF2401工作模式工作模式PWR_UPCECS收发模式110配置模式101空闲模式100关机模式0XX（1）ShockBurstTM收发模式ShockBurstTM收发模式下，使用片内的先入先出堆栈区，数据低速从微控制器送入，但高速(1Mbps)发射，这样可以尽量节能，因此，使用低速的微控制器也能得到很高的射频数据发射速率。与射频协议相关的所有高速信号处理都在片内进行，这种做法有三大好处：尽量节能；低的系统费用(低速微处理器也能进行高速射频发射)；数据在空中停留时间短，抗干扰性高。nRF2401的ShockBurstTM技术同