（控制理论与控制工程专业论文）基于usb与无线技术的电机故障数据传输应用研究.pdf

摘要 随着世界各地工、农业自动化的不断进步和完善，电机在这些领域的应用 也日益普及，单机数量和容量也不断提高，电机发生故障会直接影响人们的生 产、生活。研究电动机的故障监测与诊断技术有助于电机故障的预报和对电机 故障的进行检修。 本论文首先介绍了课题的开发背景和研究意义，阐述了常用的电机故障数 据传输、处理方法以及它们存在的一些问题，并对u s b 总线开发所必须掌握的 u s b 2 0 规范进行了深入的分析研究。 论文提出了一种基于无线传输和u s b 接口技术的数据传输方案，完成了基 于n r f 2 4 l 0 1 的无线数据传输单元的硬、软件设计以及基于a t m e g a 6 4 微处理器 的系统软件开发，进行了u s b 接口数据传输芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 的固件程序开发与 硬件设计，并针对其在系统中的应用由v c + + 6 0 完成了数据传输系统的上位机 软件开发。系统实现了基于u s b 接口的高速无线数据传输。 论文对整个系统进行了调试实验，实验结果达到了预期目标，系统完成了 电机故障数据到p c 的可靠、快速传输。从而证实了基于无线传输和u s b 接口 技术的数据传输方案的可行性与正确性。该系统也可供其它工业数据采集、监 控系统、数字娱乐设备等基于u s b 接口和无线技术的数据传输参考。 关键词：电机故障诊断u s bn r f 2 4 l 0 1 无线数字传输c y 7 c 6 8 0 1 3 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a la n da g r i c u l t u r ea u t o m a t i o n ，m o t o ri su s e d m o r ew i d e l yi nt h i sd o m a i n s ot h ef a u l to ft h em o t o rw i l li n f l u e n c ep e o p l e s d a i l y - l i f ea n di n d u s t r i a lp r o d u c t i o n r e s e a r c ho nt h em o t o rf a u l tm o n i t o r i n gc a n h e l pf o r e c a s t i n ga n dr e p a i r i n gt h em o t o rf a u l t 、 t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c ef i r s t l y , t h e n e x p a t i a t e sm e t h o d sa b o u td a t at r a n s m i s s i o n ，m o t o rf a u l ta n a l y s ea n dt h ep r o b l e m s e x i s t i n gi nt h e s em e t h o d s t h eu s b 2 0p r o t o c o lw h i c hi sn e e d e dt om a s t e ri nu s b d e v e l o p i n gi sa l s or e s e a r c h e dd e e pi nt h i sp a p e r t h i sp a p e rp r o p o s e sad a t at r a n s m i s s i o ns c h e m eb a s e do nw i r e l e s sa n du s b i n t e r f a c et e c h n i q u e t h i sp a p e ra l s oa c c o m p l i s h e st h ed e s i g no fh a r d w a r ea n d s o f t w a r ea b o u tw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o nu n i tb a s e do nn r f 2 4 l 0 1 ；t h e d e v e l o p m e n t o fs y s t e ms o f t w a r eb a s e do nm c ua t m e g a 6 4 ；a n df i r m w a r e p r o g r a m m i n gd e v e l o p m e n t a n dh a r d w a r e d e s i g n o fu s bi n t e r f a c ed a t a t r a n s m i s s i o nc h i pc y 7 c 6 8 0i3 a i m i n ga tt h ea p p l i c a t i o ni nt h i sc e r t a i ns y s t e m ， u s i n gv c + + 6 0t oa c t u a l i z et h es o f t w a r ed e s i g ni np c a n dt h es y s t e mr e a l i z e st h e h i g hs p e e dw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o nb a s e do nu s b t h ee x p e r i m e n td e b u g g i n gi sa l s od o n ei nt h i sp a p e r t h ee x p e r i m e n tr e s u l t s r e a c h t h ee x p e c t e dg o a l t h es y s t e mc a nt r a n s m i td a t aq u i c k l ya n de x a c t l yf r o m m o t o rt op c s ot h ed a t at r a n s m i s s i o ns c h e m eb a s e do nw i r e l e s sa n du s bi n t e r f a c e t e c h n i q u ei sf e a s i b l ea n dc o r r e c t t h et e c h n o l o g i e sd i s c u s s e di nt h ep a p e rc a na l s o b eu s e di no t h e rd a t aa c q u i s i t i o na n dm o n i t o r i n gs y s t e mi nt h ei n d u s t r yo rd i g i t a l e n t e r t a i n m e n td e v i c e k e yw o r d s ：m o t o rf a u l tm o n i t o r i n g ，u s b ，n r f 2 4 l 0 1 ，w i r e l e s sd a t a t r a n s m i s s i o n ，c y 7 c 6 8 0 1 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 墨盗墨兰盘：至 或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者瓤叫请签字帆少7 年，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解天津理工大学有关保留、使用学位论文的 规定。特授权天津理工大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编，以供查 阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：驯葫导师签名：省 i ，1 签字日期：声呷年月7 日 签字日期：汐一7 年月厂日 j 第一章绪论 ； 1 1 开发背景与研究意义 第一章绪论 异步电动机是人们生产过程中广泛使用的能量转换装置，它们实现了工、 农业生产中大部分的能量转换。随着工、农业自动化的全面发展，生产中使用 的电机数量不断增加，单机容量也不断提高。电动机发生故障而毁坏本身是一 种较大的损失，如果因此影响整个生产系统损失就无法估量了。因此研究异步 电动机的故障监测与诊断技术一方面有助于电动机的维修处理，另一方面可在 故障未发生之前，提出可能发生故障的预报，便于管理人员尽早采取措施，避 免发生重大故障所造成停机停产带来重大经济损失。通过对此项课题的研究， 可以提高设备管理水平和企业的经济效益，对于加快国民经济发展有重要现实 意义。 随着电子、计算机等相关技术的发展，电机故障诊断技术也在不断的进步， 目前在所应用的电机故障诊断技术中较多的是小型简单诊断，即诊断的全部工 作都集中在一个特定研制并且相对独立的装置上，这种装置用到的核心处理器 主要是m c u 、d s p 等，由于处理器性能以及硬件结构的原因使其不能得到其它 数学分析处理软件的支持，只能做一些简单的识别算法，很多先进的算法和工 具都无法运用到实际的诊断当中去，这样在功能上有很大的局限性。在一些分 点检测集中识别的诊断系统中电机故障诊断装置适应性不强，往往一个装置只 能对应某一个电动机和它所在的网络环境，对不同的电动机不同的网络环境就 必须重新开发，这样不适用于实际的生产管理。另外因为没有完善的硬件平台 支持，目| i i 基于人工智能的电机故障诊断方法很多还是处于理论的阶段离实际 的应用有一段距离“1 1 。 在电机故障诊断装置中必须有一个将采集得到的数据经过处理后向上位 机传输的过程，而在现阶段工业数据传输中都采用各种现场总线方式进行传 输，这样必须对各种现场总线的传输协议、格式等有深入的了解然后将采集的 数据按照协议规定的方式传给上位机，在现场总线协议完全透明的情况下此方 案还可行，但也有一定的开发难度和较高的开发费用，而且开发出的装置只能 针对某一种现场总线，这样在功能上受到较大限制。针对这样的情况我们研究 决定将无线数字传输技术运用到电机故障诊断装置中去，这样在数据传输方面 不需要任何总线设备的支持，并且将接收到的数据通过u s b 接口传送给已经接 入现场总线的计算机，如果计算机需要对其分析处理后的数据进行下一步的传 输就可以直接用各种现场总线专用的设备去实现。这样解决了故障诊断装置中 采集处理后的底层数据向上传输困难的问题。另外，由于有现今计算机强大的 第一章绪论 功能以及丰富的数学分析软件的支持在电机故障诊断方面也有明显的优势。这 样的数据传输及处理方法同样也可以用于其它各种工业数据传输处理中，并且 不受现场总线类型的限制，有很强的实用性和广泛的应用领域”1 ”。 总的来说所研制的数据传输装置有以下优点： ( 1 ) 将无线数字传输技术运用到工业数据采集中，摆脱了总线的硬软限制。 现阶段涉及到数据采集的装置大部分为有线方式，这样总会受到现场硬件连接 的限制以及数据通信协议软的限制给开发带来很大不便，采用无线方式后可以 很方便、简洁地进行数据传输。 ( 2 ) 由芯片自带的硬件校验、重发功能以及辅助加入自己的软件校验可以 很好地解决数据传输的正确性问题，并且针对具体应用加入一定的传输协议可 以保证数据的可靠、快速传输。 ( 3 ) p c 上数据的接入采用u s b 方式，这样使得故障诊断装置与p c 易于连 接，并且通用性很强。目前在外设数据与p c 进行交换时多数仍旧采用串口 ( r s 2 3 2 或4 8 5 ) 、并口、总线接口( p c i 、i s a ) 等，这些老式接口都是非共享 式接口，只支持单个外设的连接，即在同一个时刻一个接口只能连接一个外设， 由于p c 接口的数量有限，并且现在很多p c 都不支持一些老式的接口，在使用 这些老式接口时受到很大的限制。而u s b 接口具有即插即用、共享接口、体积 小巧、提供电源等众多优点，在数据采集方面有很大的发展空间1 。 ( 4 ) 能根据程序设定的地址实现数据的多点采集。选用的无线数字传输芯 片支持4 0 位的地址设置寄存器，可以方便设置地址，以进行数据的多点传输。 并且配置为接收模式的芯片可以同时接收6 个不同地址发来的数据包。 1 2 系统组成与主要工作 本论文提到的无线数字传输系统主要由以下四大部分组成： ( 1 ) 数据采集交换部分，该部分用于和进行数据采集的d s p 交换数据，该 部分主要由一块双口r a m 来实现，以实现和d s p 的无缝数据交换。 ( 2 ) 数据发送、接收部分，该部分用于数据的无线发送和接收，以传输由 上位机发出的各种控制命令以及现场采集的故障数据，主要由微处理器 a t m e g a 6 4 控制无线收发芯片n r f 2 4 l 0 1 构成。 ( 3 ) u s b 数据传输部分，该部分用于上位机和数据发送接收模块之问的数 据传输，主要由c y p r e s s 公司的u s b 2 0 接口芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 来实现，该芯片 能和外围电路共享大容量灵活配置的数据缓冲区，在速度上没有瓶颈限制，较 好地解决了u s b 高速模式下的带宽问题。系统中c y 7 c 6 8 0 1 3 工作在s l a v ef i f o 模式下，与高速微处理器连接时c y 7 c 6 8 0 1 3 的数据缓冲区类似接在处理器上的 r a m 一样读取方便“”。 ( 4 ) p c 应用软件，该软件在v c + + 6 0 环境下编写，用于提供用户界面，以 第一章绪论 及进行数据传输、故障诊断等功能。 在课题中主要完成了以下工作： ( 1 ) 系统硬件电路设计、制作：选定合适的方案后设计、制作系统各部分 的应用电路，以及系统中各个部分相互衔接的电路设计、p c b 制作等。 ( 2 ) 无线芯片控制软件开发、调试：在硬件电路设计制作完成后，针对该 部分作了大量的测试，主要测试数据传输的可靠性、距离、以及传输速度等。 ( 3 ) u s b 固件程序开发：主要是针对选定的u s b 接口芯片和系统硬件连接 电路开发u s b 芯片的运行程序，以配合微控制器以及上位机进行数据通信。 ( 4 ) 下载固件驱动程序制作：针对系统以及实际情况选择了从上位机自动 下载u s b 固件程序的方法，这样利于固件程序的调试和修改。 ( 5 ) 微控制器程序开发：该部分用于衔接各模块的具体工作，以及配合上 位机软件工作，以将整个系统构成一个统一的整体。 ( 6 ) 上位机应用软件开发：该软件在v c + + 6 0 环境下编写，用于用户界面， 以及进行数据传输、故障诊断等功能。 1 3 论文内容介绍 论文根据课题的实际工作内容详细论述了其中的要点，主要包括： 第一章介绍了课题的开发背景与研究意义以及系统组成。 第二章详细介绍了所选用的无线芯片n r f 2 4 l 0 1 的特性和具体应用。包括 芯片详细参数、应用要点、硬件设计与软件编写。 ， 第三章着重介绍了作为u s b 开发所必须掌握的u s b 协议相关内容，以及 在u s b 接口开发的详细过程及相关技术。 第四章重点介绍了所选用的u s b 芯片特点和具体应用。，包括芯片结构、 封装、开发工具，详细的硬件设计与软件开发要点。 第五章介绍了选用的微控制器特点及相关开发技术，针对所应用的部分 ：以及系统的连接与实现进行了重点介绍。 j 。第六章给出了论文的工作总结与展望。指出了本系统需要完善与改进的 地方。 以上工作内容是无线数字传输技术与u s b 接口技术结合在电机故障诊断装 置中的应用的全部内容，基本涵盖了应用的每一个细节，对于其他的基于u s b 接口的无线数据传输应用有一定的参考价值。下面的章节将对这些内容进行进 一步叙述。 第二章无线数字传输芯片特点r j 应用 第二章无线数字传输芯片特点与应用 n r f 2 4 l 0 1 是挪威( n o r d i c ) 公司0 5 年1 2 月推出的一款工业级内置链路层 逻辑的2 4 g h z 超低成本的无线收发芯片，n r f 2 4 l 0 1 支持多点间通信，最高传 输速率达2 m b i t s ，比蓝牙具有更高的传输速度。嵌入的链路层控制减少了m c u 的复杂性和成本并且提高了数据传输的可靠性，它采用s o c 方法设计只需少 量外围元件便可组成射频收发电路。与蓝牙不同的是，n r f 2 4 l 0 1 没有复杂的通 信协议，它完全对用户透明通过一个标准的s p i 接口与外围控制器连接，同种 产品之间可以自由通信，并且比蓝牙产品更便宜。所以n r f 2 4 l 0 1 是业界体积 最小、功耗最少、外围元件最少的低成本射频系统级芯片“”。 2 1n r f 2 4 l 0 1 的主要性能和引脚配置 挪威( n o r d i c ) 公司新推出的工业级芯片n r f 2 4 l 0 1 相比其它芯片有以下 主要突出性能“”： 1 ) 传输速度达到2 m b i t s 可以应用在很多场合如高性能的v o i p 。 2 ) 电源电压范围广1 9 3 6 v ，并且功耗低，在2 m b i t s 速率下 o d b m 输出 时的峰值电流1 l m a 掉电模式下的功耗4 0 0 n a ，待机模式下的功耗3 2 u a ， 电源特别适合采用电池供电的2 4 g 应用。 3 ) 嵌入硬件链路层减少了外部控制器件的复杂性和成本，支持自动应答和 自动重发；自带硬件校验，并且接收和发送缓冲区都有三级深度的f i f o ，这些 强大的硬件功能提高了数据的传输速度和可靠性。 4 ) - 优秀的无线电性能n r f 2 4 l 0 1 为满足全球范围内的无线电管理规定设 计。这个芯片包括载波监测功能，可以用于在w l a n 环境下的可靠通信。高速 率和独特的切换时间减少了与跳频系统如蓝牙出现碰撞的可能。 5 ) 以s p i 接口和外部微控制器连接，速度范围为o - 8 m b p s ，这样和支持硬 件s p i 接口的微控制器连接非常方便。 芯片的引脚排列如图2 1 所示。各引脚的功能如下“”： 引脚1c e 为片选端，它与c o n f i g 寄存器的p w r - u p 和p r i m r x 位组合用 于选择芯片的工作方式。 引脚2c s n 为芯片内部s p i 硬件接口的使能端，低电平有效。 引脚3s c k 为s p i 接口的时钟输入端，上跳沿有效。 引脚4m o s i 为s p i 接口的数据输入端，用于输入指令或者数据。在应用 中n r f 2 4 l 0 1 总是作为s p i 通信中的从机单元来实现的所以m o s i 引脚为数据 4 第二章无线数字传输芯片特点与应用 输入端。 引脚5m i s o 为s p i 接口的数据输出端，用于输出数据或者状态寄存器晕 的值。 。 引脚6i r o 为中断请求端，为低电平中断方式，当中断条件满足时则中 断i r q 引脚电平变低，当往中断标志寄存器写1 即清除中断，引脚电平变高。 r i r f 2 4 l 0 1 输出三种中断请求：发送数据完成中断，接收数据完成中断，重发次 数超限中断。 引脚7 、8 、1 4 、1 5 、1 7 、1 8 、2 0 为电源输入端，v d d 为直流电源输入端， v s s 为电源地。 引脚9 、1 0x c l 、x c 2 分别为时钟输入、输出端。 引脚1 l v i ) d p a 端为功率放大器的电源输出端，用于提供1 8 v 稳定电源 给放大器引脚1 2 、1 3a n t l 、a n t 2 为天线接口端。 引脚1 6i r e f 为电流源输入端，输入参考电流源。 引脚1 9d v d d 为退耦电源输出端。 y s sd v d ov i 吁 团回回回回 u u u u 凹 职o v d o v s sx c ：m i 图2 1n r f 2 4 l o l 的引脚分布图 2 2n r f 2 4 l 0 1 的具体应用 本节主要介绍了n r f 2 4 l 0 1 的具体应用知识要点，包括n r f 2 4 l 0 1 的工作 模式、数据的发送接收过程、特殊功能寄存器配置和硬软件设汁等。 2 2 1 n r f 2 4 l 0 1 的工作模式 n r f 2 4 l 0 1 能够配置工作在以下几种工作模式详见表2 - 1 ，主要由外部引脚 啦 懈 一 一 哪 第二章无线数7 传输芯片特点与应用 c e 和寄存器的p w r u p 和p r i m r x 位以及f i f o 状态四个因素决定“”。 1 s t a n d b y 模式 s t a n d b y i 模式常被用于在保证最快的启动时间下降低平均电流的消耗， 在该模式下的晶体仍旧处于激活状态下，在s t a n d b y - i i 模式下数据寄存器的数 据仍然是可读写的，当配置为发送模式的n r f 2 4 l o l 的c e 脚电平置高并且发送 缓冲区没有数据时自动进入s t a n d b y - i i 模式，在s t a n d b y 模式下配置寄存器的 内容不会丢失，可以通过s p i 接口读写寄存器。 表2 - 1n r f 2 4 l 0 1 的工作模式 模式 p w r - u pp r i m r xc ef i f os t a t e r xm o d e1 l 1 t xm o d e1o1发送数据缓冲区有数 据 s t a n d b v l1发送数据缓冲区为空 i i s t a n d b y 一 oo没有数据要发送 1 p o w e r0 d o w n 2 p o w e rd o w n 模式 。 通过使c o n f i g 寄存器的p w r - u p 位置0 可以使芯片进入该模式，在此模 式下n r f 2 4 l 0 1 的工作被禁止以保证极低的电流消耗，当进入该模式后芯片处 于非激活状态下但是所有的寄存器的值通过s p i 接口仍然是可以读写的，s p i 接口通过使c s n 引脚电平变低 3 接收模式 依据表2 一l 所示设置相应的引脚和寄存器使芯片进入该模式，在接收模式 下芯片一直处于数据侦测状态一旦接收到有效数据，芯片的i r q 引脚即给出中 断信号，以通知外部微处理器读取数据。 ! ， 4 发送模式 依据表2 1 所示设置相应的引脚和寄存器使芯片进入该模式，在发送模式 下只要放发送数据缓冲区有数据则迅速发送数据，如果发送成功由i r q 引脚给 出中断信号，如果失败则自动重新发送，如果超过自动重新发送限定的次数也 同样给出中断信号，中断信号的识别由s t a t u s 寄存器里的值来判别。 6 第二章无线数字传输芯片特点与应用 2 2 2n r f 2 4 l 0 1 的数据发送与接收 n r f 2 4 l 0 1 支持两种数据包握手机制 1 s h o c k b u r s t 模式 l 2 e n h a n c e ds h o c k b u r s t 模式 s h o c k b u r s t 模式可以在不需要高性能外部微控制器的情况下通过 n r f 2 4 l o l 获得高的数据传输速度，这样可以减少微控制器的开销。n r f 2 4 l 0 1 通过把所有的高速数据处理协议嵌入芯片内部而不需要外部微控制器参与数 据处理，留给外部的只是一个s p i 的硬件接口，数据的传输速度仅由微处理器 的s p i 接口的速度决定。s h o c k b u r s t 模式将数字部分以较低速度运行而将最快 的速度放在数据的发送处理上这样可以在应用中降低平均损耗。 在s h o c k b u r s t 模式下配置为接收模式的n r f 2 4 l 0 1 如果接收到有效的地址 和数据信息将通过i r q 引脚通知外部微处理器，这时微处理器就可以通过s p i 接口从接收数据缓冲区r x f i f o 里读取数据。 在s h o c k b u r s t 模式下配置为发送模式的n r f 2 4 l 0 1 将自动产生数据的帧头 信息以及c r c 校验信息，数据包的格式见表2 2 ，当发送成功后i r q 引脚通知 外部处理器以读取数据，这样意味着可以减少外部处理器的运算量，并且降低 了外部软件的工作量，n r f 2 4 l 0 1 有三级深度的接收缓冲区r x f i f o ( 被6 个不 同的数据接收地址所共享) ，并且有三级深度的发送缓冲区t x f i f 0 ，外部处理 器可以在s t a n d b y 模式，p o w e rd o w n 模式，数据发送接受模式中读取数据。这 样可以加快整体的数据传输速度，在没有硬件s p i 接口的处理器中优势更加明 显，s h o c k b u r s t 模式下的n r f 2 4 l o l 可以用来和该公司前期的一些产品进行通 信如n r f 2 4 0 1 、n r f 2 4 e 1 等，能很好的和以前的产品兼容“”1 。 表2 - 2s h o c k b u r s t 模式下的数据包格式 帧头信息1 个字i 地址信息3 5 个字l 数据字节1 - 3 2 个字lc r co 1 2 个 节i 节l 节l 字节 表2 - 3e n h a n c e ds h o c k b u r s t 模式下的数据包格式 帧头信息1 个字i 地址信息3 5i 标志位i 数据字节卜3 2 c r c 0 i 2 节1 个字节9 位1 个字节1 个字节 e n h a n c e ds h o c k b u r s t 模式是在s h o c k b u r s t 模式下增加了数据握手机 制，这样使得数据传输更可靠，具体实现是接收端的n r f 2 4 l 0 1 接收到有效的 数据将以接收到的地址返回握手信号，发送端接收到j 下确的握手信号后才认为 此次发送成功，如果失败则发送端会自动重发，这样可以避免数据在发送过程 中丢失。表2 3 是e n h a n c e ds h o c k b u r s t 模式下的数据包格式，可以看出其在 第二章无线数字传输芯片特点与应用 s h o e k b u r s t 模式下多了9 位的标志位，这是为了避免数据包的重复发送而设立 的一个包的i d ，其中仅用到2 位，剩余7 位是为以后产品升级备用的。 配置为接收模式的n r f 2 4 l 0 1 能够接收配置为6 个不同地址的发束的数据， 这样意味着一个配置为接收模式的n r f 2 4 l 0 1 可以和6 个配置为发送模式的 n r f 2 4 l 0 1 进行数据通信，接收端的n r f 2 4 l 0 1 可以通过读s t a t u s 的内容来识别哪 个地址发来的数据。在e n h a n c e ds h o e k b u r s t 模式下当接收到有效数据后，会 利用接收到的地址信息返回握手信号。配置为发送模式的n r f 2 4 l 0 1 将会用地址 o 去接收返回的握手信号，所以接收地址0 必须和发送地址一样以接收以成功 发送数据。图2 2 给出了一个具体的地址配置图。 图2 - 2n r f 2 4 l o l 的地址配置 2 2 3n r f 2 4 l o i 的s p i 接口及寄存器配置 n r f 2 4 l 0 1 的s p i 接口是一个最大传输速度可以达到8 m b p s 的标准s p i 接口， n r f 2 4 l 0 1 所有的操作都通过s p i 接口进行，所有的这些寄存器都可以通过s p i 接口读写3 。 图2 3 和图2 - 4 是s p i 接口的时序图，其中c n 是s p i 的命令字的数据位， 命令字类似于积存器的地址一样，是每一个寄存器的唯一标识，s n 是s t a t u s 寄存器的值，d n 是数据位低字节在前高字节在后，每一个字节的高位在前低位 在后。图2 3 是s p i 的读操作，图2 4 是s p i 的写操作。 第一二章无线数字传输芯片特点与应用 c s n 厂 s c k n 几几n 几几几几：几几几几几兀n 几几几n 几几几nn m o s i m i s o 图2 - 3s p i 的读操作 c $ n 厂 s c k 几几几几几几几几几几几n 几n 几几几n 几几几几几几 图2 4s p i 的写操作 n r f 2 4 l 0 1 是主要是通过寄存器设置和对寄存器读写来控制其工作以及发 送、接收数据的，下面对几个重要的寄存器进行说明“”。 ( 1 ) c o n f i g 寄存器，该寄存器的地址为o 。其定义见表2 - 4 ，其中b i t 7 为保留位没有实际意义，m a s k r x d r 是接收中断屏蔽位如果为1 则i r q 引脚不 映射接收中断，m a s kt x d s 是发送中断屏蔽位如果为1 则i r q 引脚不映射发送 完成中断，m a s k m a x r t 是发送次数超限中断屏蔽位如果为l 则i r q 引脚不映 射发送次数超限中断，e n 二c r c 为c r c 校验使能位，c r c o 为c r c 校验字节选择 位，如果为0 则表示一个校验字节，为1 表示两个校验字节。p w r u p 为模式控 制位当为0 表示掉电模式，p r i lr x 为发送接收模式选择位0 为发送模式，1 。 为接收模式。 表2 - 4c o n f i g 寄存器 b i t 7 b i t 6b i t 5b i t 4b i t 3b i t 2b i t l b i t 0 lr e s e r v e d m a s kr xm a s k t xd sm a s km a xr te nc r cc r c op w ru pp r i mr x i d r ( 2 ) s e t u p r e t r 寄存器，该寄存器地址为4 ，其定义见表2 5 ，其中a r d 由b i t 7 到b i t 4 四位组成，表示n r f 2 4 l 0 1 在发送失败后自动重发的时问间隔， 通过对四位数值的设置可以有1 6 种选择。时间间隔为2 5 0 * ( n + 1 ) + 8 6 微秒，其 9 第二章无线数字传输芯片特点与应用 中n 为4 位数字对应的值。a r c 由b i t 3 到b i t o 四位组成，表示自动重新发送 的次数，当为o 时表示自动重发禁止，为1 5 时表示自动重新发送1 5 次后还没 有握手信号返回则申请中断。 ， 表2 - 5 s e t u pr e t r 寄存器 lb i t 7 4 b i t 3 一一0 i a r da r c ( 3 ) s t a t u s 寄存器，该寄存器的地址为7 ，其定义见表2 6 ，其中b i t 7 为保留位没有实际意义，r x d r 是接收数据标志位如果接收到数据则该位置l ， 写1 清零，t x d s 是发送数据标志位如果发送数据完成则该位置1 ，e n h a n c e d s h o e k b u r s t 模式下只有当接收到返回的握手信号后该位才置1 ，往该位写1 清零，m a x r t 是发送次数超限标志位，如果重新发送次数超过在s e t u p r e t r 中设置的值则该位置1 ，同样也是写l 清零，r x p n o 由b i t 3 到b i t l 三位组 成接收数据的地址序列号位，如果三位的值为0 0 0 则是0 号地址发送来的数据， 依次如果为1 0 l 则是5 号地址发送来的数据，如果为l l l 则表示接收数据缓冲 区没有数据，1 1 0 没有意义。t x f u l l 表示发送数据缓冲区的数据是否己满， 为1 表示数据已满不能继续往缓冲区写数。 表2 - 6s t a t u s 寄存器 b i t 7b i t 6b i t 5 b i t 4b i t 3 一一1b i t 0 r e s e r v e dr x d rt x d sm a xr tr xpn ot xf u l l ( 4 ) f i f o s t a t u s 寄存器，该寄存器的地址为1 7 ，其定义见表2 7 ，其中 b i t 7 为保留位没有实际意义，t x r e u s e 为数据重复使用控制位当为1 时配置 为发送模式的n r f 2 4 l o l 会一直发送上一次发送的数据包，t xf u l l 为发送数据 缓冲区满标志位，为1 时表示缓冲区己满。t x e m p t y 为发送数据缓冲区空标志 位，当为l 时表示缓冲区没有数据。b i t 3 和b i t 2 为保留位，r x f u l l 为接收 缓冲区满的标志位，为l 时表示缓冲区已满，r x e m p t y 为接收数据缓冲区空标 志位，当为1 时表示缓冲区没有数据。 表2 - 7f i f os t a t u s 寄存器 b i t 7 b i t 6b i t 5b i t 4b i t 3 - - 2b i t lb i t 0 r e s e r v e dt xr e u s et xf u l lt xe m p t yr e s e r v e dr xf u l lr xe m p t y n r f 2 4 l 0 1 通过s p i 接口和外部控制器件( 如m c u 、。d s p ) 进行数据交换， 如果外部控制器件没有s p i 接口可以用普通i o 口模拟，在实际中我们选用的 0 第二章无线数7 传输芯片特点与应用 a t m e g a 6 4 则带有可灵活配置的s p i 接口可以方便地和n r f 2 4 l 0 1 连接，在这里 n r f 2 4 l o l 总是作为从设备来使用，第一个送入n r f 2 4 l o l 的字节是一次s p i 操 作的命令字( 也可以认为是地址) ，它通过m o s i 引脚串行移入，高位在前低位 在后，同一时刻其内部的s t a t u s 寄存器的值从m i s o 引脚移出，n r f 2 4 l 0 1 的各 种命令字都只有一个字节，分为读寄存器、写寄存器、读数据接收缓冲区、写 发送数据缓冲区、清空发送f i f o 、清空接收f i f o 、重新发送数据命令和空操 作命令，当输入任意的命令字的同一时刻m i s o 输出的都是s t a t u s 寄存器的内 容。发送数据时只需要将数据放入发送数据缓冲区，芯片会自动产生p r e a m b l e 和c r c 数据并将这些数据和地址信息、发送数据缓冲区的数据等组成一个数据 包发送出去，配置为接收数据的n r f 2 4 l 0 1 接收到数据包后由硬件解析地址数 据和数据信息，当接收到有效的数据信息后在i r q 引脚产生中断通知外部处理 器读走数据。当配置为e n h a n c e ds h o c k b u r s t 时n r f 2 4 l 0 1 发送数据后会自动 切换到接收模式以等待接收返回的握手信号，当收到确认信号后发送数据完成 标志位即置位，如果没有握手信号返回表示发送失败，芯片会自动重新发送如 果重新发送的次数超过在a r c c n t 寄存器里面设定的值则将发送次数超限标志 位置位“。下面以a t m e g a 6 4 单片机的控制程序说明n r f 2 4 l o l 的操作方法。开 发环境为i c c a v r 6 3 i 。 b y t es p i r w ( b y t eb y t e ) ls p d r = b y t e ： w h i l e ( ! ( s p s r & o x 8 0 ) ) ： r e t u r ns p d r ： 该函数正确运行的前提是按照图2 3 和图2 4 所示的时序表正确配置好 a t m e g a 6 4 的s p i 口，关于a t m e g a 6 4 的配置在第五章将会具体讨论。当往s p d r 寄存器写入一个字节后a t m e g a 6 4 的m o s i 引脚向n r f 2 4 l o l 输入一个字节数据 并且在s p d r 寄存器返回由m i s o 引脚输出的数据。 b y t es p i r w r e g ( b y t er e g ，b y t ev a l u e ) ， ， b y t es t a t u s ： ， s s o ：选中n r f 2 4 l 0 1 的s p i 口，低电平有效 s t a t u s = s p ir w ( r e g ) ： s p i r w ( v a l u e ) ： s s l ：释放s p i 口 r e t u r n ( s t a t u s ) ： ) ，此函数向n r f 2 4 l o 】l 指定的寄存器地址r e g ( 也可以认为是命令字) 写入一 个字节数据v a l h e ，可以看出此函数中第一个函数s p i r w ( r e g ) 写入地址( 命 令) ，第二个函数s p i r w ( v a l u e ) 写入数据。 第二章无线数字传输芯片特点与应用 b y t es p i w r i t e b u f ( b y t er e g ，b y t e * p b u f ，b y t eb y t e s ) b y t es t a t u s ，b y t e c t r ： s s o ： s t a t u s = s p i r w ( r e g ) ： f o r ( b y t e c t r = o ：b y t e c t r s t a t u s = d e v i c e i o c o n t r o l ( t h r e a d c o n t r o l 一 h d e v i c e ， t h r e a d c o n t r 0 1 一 i o c t l t h r e a d c o n t r 0 1 一 i n b u f f e r t h r e a d c o n t r 0 1 一 i n b u f f e r s iz e t h r e a d c o n t r o l 一 o u t b u f f e r ， t h r e a d c o n t r 0 1 一 o u t b u f f e r s i z e & t h r e a d c o n t r 0 1 一 b y t e s r e t u r n e d n u l l ) ： i f ( t h r e a d c o n t r o 卜 c o m p l e t i o n e v e n t ) 如果创建事例对象成功 s e t e v e n t ( t h r e a d c o n t r 0 1 一 c o m p l e t i o n e v e n t ) ： ) 掌主程序 结构变量初始化 t r a n s f e r i o ( o u t t h r e a d c o n t r 0 1 ) ： 宰主程序 第四章u s b 芯片特点及戍用 第四章u s b 芯片特点及应用 本章针对开发u s b 系统的u s b 芯片进行讨论，其中重点介绍了在课题中用 的u s b 芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 的特点以及开发技术。 4 1 u s 8 芯片的选择 目前u s b 芯片按功能的实现分为以下三类：u s b 主控制器芯片、u s b 集线 器芯片和u s b 功能设备芯片。 u s b 主控制器芯片负责实现和u s b 设备之间的数据通信，它是构成u s b 主 机的必需部件。世界上第一块单片u s b 2 0 主控制器芯片是2 0 0 1 年6 月n e c 公 司发布的u p d 7 2 0 1 0 0 ，它有5 个u s b 端口，并支持p c i 总线。随着嵌入式技术 的飞速发展，u s b 主机已经不再局限于p c 了，可以是含有u s b 主控制器的任何 设备，如m p 3 、打印机等。在u s b 2 0 规范中也增加了u s b 嵌入式外设标准 一o n t h e g o ( o t g ) ，它使得外设可以在u s b 主机和u s b 设备之间进行切换“”。 u s b 集线器芯片负责将一个u s b 上行端口转化为多个下行端口，它是构成 u s b 集线器的必需部件。有些u s b 集线器芯片提供了驱动外围电路的i o 口， 可以构成u s b 复合设备，世界上第一块u s b 2 0 集线器芯片是n e c 公司于2 0 0 1 年8 月发布的u p d 7 2 0 1 1 0 ，它支持4 个下行端口。 u s b 功能设备芯片负责实现功能设备和u s b 主机的数据传输，它是构成u s b 外围功能设备必需的器件。u s b 功能设备芯片是以u s b 串口引擎为主的专用集 成电路，并可延伸至对其进行管理的m c u 以及相应的软硬件。功能设备芯片在 外设领域的应用面很广，u s b 外设控制芯片通常包括u s b 收发器、串行接口引 擎( s i e ) ，u s b 控制器和外设功能等四个模块( s i e 主要以硬件方式处理大多数 u s b 协议，u s b 控制器负责与p c 交互通信信息) 。按速度划分可以有低速、全 速、高速三种。从硬件资源来讲，分为包含c p u 的和不含c p u 的两种。不含c p u 的u s b 功能设备芯片即是仅包含u s b 的串行接口引擎( s i e ) 、f i f o