（通信与信息系统专业论文）嵌入式无线外设接口与会议系统终端的开发.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 本文主要针对单片机高低端应用展开研究，设计开发了基于5 l 单片机的嵌入式 无线外设接口和基于a r m 单片机的会议系统终端两个嵌入式无线设备。 所开发的无线外设接口主要功能是将基于p s 2 的有线鼠标、键盘等转换为无线设 备，包括发射器和接收器两部分。发射器基于a t 8 9 c 2 0 5 1 处理器平台，接收器基于 c y 7 c 6 8 0 1 3 处理器平台，采用r f 2 4 1 0 数字无线收发模块实现无线通信功能。本文阐 述了外设接口硬件和软件的设计，硬件部分包括键盘鼠标接口设计、无线收发模块接 口设计、电压转换电路设计、e 2 p r o m 电路设计及最终的p c b 板设计。软件部分主 要包括无线模块软件接口设计以及发射器和接收器两部分单片机固件的设计。测试结 果表明，开发出来的无线外设接口能够成功将有线键盘鼠标转换成无线键盘鼠标，使 用距离达到1 5 米，且使用u s b 接口与计算机连接，实现了即插即用。 会议无线信息系统终端的开发，硬件部分基于a r m 9 2 0 t 内核的$ 3 c 2 4 1 0 处理器 平台，采用u s b 接口的无线网卡实现无线通信功能。软件部分采用嵌入式l i n u x 系 统作为操作系统，采用了q t o p i a 4 作为终端的桌面环境。包括了软硬件开发环境的建 立，b o o t l o a d e r 的移植，l i n u x 内核的移植，无线网卡驱动的移植以及根文件系统的 制作实现，q t e m b e d d e d 4 开发环境的安装，q t o p i a 4 桌面系统的移植，以及基于u d p 协议的局域网聊天室应用程序的开发等，并对相关原理、实现过程进行了详细的说明。 测试结果表明，终端设备能够提供图形用户界面j 支持触摸屏操作，两个终端设备可 以在无线局域网环境中通过开发出来的聊天室程序进行信息通信。 本文成功开发出了实用的无线外设接口，扩展部分初步实现了一种带有无线通信 功能的终端设备，为整个会议无线信息系统的实现打下了基础。 关键词：嵌入式；无线；单片机；u s b ：a r m l i n u x ；q t e m b e d d e d 西南交通大学硕士研究生学位论文第t i 页 a b s t r a c t f o c u s i n go nt h eh i g l l - a n dl o w 1 e v e la p p l i c a t i o n so fm i c r o p r o c e s s o r s ，t h et h e s i s d e v e l o p st w oe m b e d d e dw i r e l e s sd e v i c e s ，i n v o l v i n ga ne m b e d d e dw i r e l e s si n t e r f a c eb a s e d o n51 s e r i e ss i n g l e c h i pm i c r o p r o c e s s o ra n da na i 洲b a s e dw i r e l e s sc o n f e r e n c et e r m i n a l i n c l u d i n gat r a n s m i t t e ra n dar e c e i v e r , t h ed e v e l o p e dw i r e l e s si n t e r f a c ec a nt r a n s f o r m t h ew i r e dm o u s ea n dk e y b o a r di n t ow i r e l e s se q u i p m e n t s w 1 1 i l ea t 8 9 c 2 0 51a n d c y 7 c 6 8 013p r o c e s s o rp l a t f o r ma r eu s e dt oi m p l e m e n tt h et r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e r r e s p e c t i v e l y , t h ew i r e l e s si n t e r f a c ee m p l o y sr f 2 4 10d i g i t a lw i r e l e s st r a n s c e i v e rm o d u l er o p r o v i d ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nc a p a b i l i t y i nt h et h e s i s ，b o t ht h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e s i g no ft h ew i r e l e s si n t e r f a c e a r ed e s c r i b e d t h eh a r d w a r ep a r ti n c l u d e sd e s i g n so f k e y b o a r da n dm o u s ei n t e r f a c e ，w i r e l e s st r a n s c e i v e rm o d u l ei n t e r f a c e v o l t a g ec o n v e r s i o n c i r c u i t , e 2 p r o mc i r c u i ta n dp c bd e s i g n s o f t w a r ep a r ti n v o l v e st h ei n t e r f a c ef u n c t i o n s d e s i g no fw i r e l e s sm o d u l e ，a n dm c u f i r m w a r ed e s i g no ft r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e r t h et e s t r e s u l t ss h o wt h a tu s i n gt h ew i r e dk e y b o a r da n dm o u s ec a nb es u c c e s s f u l l yc o n v e n e di n t oa w i r e l e s so n et h r o u g ht h ed e v e l o p e dw i r e l e s si n t e r f a c ea n dt h em a x i m u md i s t a n c ei sl5 m e t e r s b e s i d e s 。a sc o n n e c t e du s i n gu s bi n t e r f a c e t h ew i r e l e s si n t e r f a c ei sp l u ga n dp l a y b a s e do ns 3 c 2 4 10p r o c e s s o rp l a t f o n i lw i t ha r m 9 2 0 tk e r n e l t h ew i r e l e s s c o n f e r e n c et e r m i n a lu s e saw i r e l e s sn e t w o r ka d a p t e r 、析t hu s bi n t e r f a c ef o rw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s e m p l o y i n gt h ee m b e d d e dl i n u xs y s t e ma st h eo p e r a t i n gs y s t e m ，t h e t e r m i n a lu s e sq t o p i a 4a s t h et e r m i n a ld e s k t o pe n v i r o n m e n t t h et h e s i sd e s c r i b e st h e s o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o nf r o mt h eb o t t o mt ot h e t o p i n c l u d i n g t h ee n v i r o n m e n t e s t a b l i s h m e n t ，b o o t l o a d e rp o r t i n g ，l i n u xk e r n e lp o r t i n g ，w i r e l e s sn e t w o r ka d a p t e rd r i v e r p o r t i n g ，r o o t f i l es y s t e mg e n e r a t i o n ，q t e m b e d d e d 4e n v i r o n m e n ti n s t a l l a t i o n , q t o p i a 4 d e s k t o ps y s t e mp o r t i n g u d p b a s e dl a nc h a t - r o o mp r o g r a md e v e l o p i n ga n ds oo n b e s i d e s t h er e l e v a n tp r i n c i p l e sa n di m p l e m e n t a t i o np r o c e s s e sa r ee l a b o r a t e d t h et e s t r e s u l t ss h o wt h a tt h et e r m i n a le q u i p m e n tc a np r o v i d eag r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c ea n ds u p p o r t f o rt o u c h s c r e e no p e r a t i o n i nt h ew i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r ke n v i r o n m e n t t w ot e r m i n a l s c a na c h i e v ei n f o r m a t i o nc o m m u n i c a t i o n s u c c e s s f u l l yt h r o u g ht h ed e v e l o p e dl a n c h a t r o o mp r o g r a m i nt h et h e s i s t w ok i n d so fe m b e d d e dw i r e l e s sd e v i c e sa r ed e v e l o p e d t h ew i r e l e s s i n t e r f a c et h a tc a nc o n v e r t st h ew i r e dp s 2d e v i c e si n t ow i r e l e s so n e sa r ed e v e l o p e d s u c c e s s f u l l ya n dt h ed e v e l o p m e n to ft h ew i r e l e s st e r m i n a lw i c hi sb a s i c a l l yr e a l i z e di nt h e e x t e n s i o np a r tp r o v i d e st h ef o u n d a t i o nf o rt h et h r o u g h o u tr e a l i z a t i o no ft h ew i r e l e s s i n f o r m a t i o nc o n f e r e n c es y s t e m k e yw o r d s ：e m b e d d e d ；w i r e l e s s ；s i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e r ；u s b ；a r m l i n u x ； q t e m b e d d e d 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在 年解密后适用本授权书； 2 不保密一，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：絮喇、 指导老师签名：郝茹】 日期：沙f 口、f 、 日期：力1 0 , ，1 土 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 利用基于2 4 g 的无线收发模块加单片机进行了无线外设接口的设计，完成了 整个无线外设接口的硬件设计以及软件程序的设计。设计出的无线外设接口能成功地 将有线键盘鼠标转换成无线的，最远使用距离达1 5 米。接收器采用u s b 接口与主机 连接，纯固件设计，主机无需安装驱动程序，实现了设备的即插即用，具有一定的实 用价值。 2 成功地将嵌入式l i n u x 操作系统移植到基于a r m 9 处理器的终端设备上，包 括软硬件开发环境的搭建，对b o o t l o a d e r 的分析和移植，l i n u x 内核的裁剪、配置和 移植以及根文件系统的创建等。成功移植q t o p i a 4 桌面系统到终端设备，构建了一个 高效快速开发上层应用的框架。开发了基于u d p 协议的网络聊天室程序，并将其移 植到终端设备上，实现了终端设备之间的无线通信。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 飞艇栝、 日期：沙hf 1 f 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 单片机技术的发展 第1 章绪论 单片机诞生于2 0 世纪7 0 年代末，经历了s c m 、m c u 、s o c 三大阶段n 1 。 1 s c m 即单片微型计算机( s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ) 阶段，主要是寻求最佳的 单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功，奠定了s c m 与通用计 算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上，i n t e l 公司功不可没。 2 m c u 即微控制器( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ) 阶段，主要的技术发展方向是：不断 扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智 能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展m c u 的重任不可避 免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看，i n t e l 逐渐淡出m c u 的发展也有其 客观因素。在发展m c u 方面，最著名的厂家当数p h i l i p s 公司。p h i l i p s 公司以其在嵌 入式应用方面的巨大优势，将m c s 5 1 从单片微型计算机迅速发展到微控制器。 3 单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向m c u 阶段发展的重要因素，就是 寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了s o c 化 趋势。随着微电子技术、i c 设计、e d a 工具的发展，基于s o c 的单片机应用系统设 计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延 伸到单片应用系统。 单片机自上世纪7 0 年代问世以来己对人类社会产生了巨人的影响，尤其是美国 i n t e l 公司生产的m c s 5 1 系列单片机，其在工业控制、家用电器和智能仪器仪表等领 域均得到了广泛应用。随着电子设备智能化和网络化程度的不断提高，以a r m 处理 器为核的单片机以其低功耗和高性价比逐渐占据了市场，成为市场高端应用的主流产 品。由于a r m 单片机采用了新型的3 2 位a r m 核处理器，使其在指令系统、总线结 构、调试技术、功耗以及性价比等方面远远超过了传统的5 1 系列单片机。同时a r m 单片机在芯片内部集成了大量的片内外设，使其功能和可靠性大大提高。a r m 单片 机虽然比传统的5 1 系列单片机性能强大得多，但其仍然存在着一些有待解决的问题。 在许多低端应用的场合，人们还是愿意使用熟悉的5 1 系列单片机而不愿使用复杂的 a r m 单片机。 1 2 嵌入式系统的发展 嵌入式系统是一种面向应用、功能定制、资源受限、响应要求高、性能稳定、无 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 自举开发能力，由硬件和软件两部分构成的专用计算机系统业1 。“嵌入性”、“专用性” 与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素，应用对象系统指嵌入式系统所嵌入 的宿主系统。按产品的构成方式主要有如下四类：嵌入式微处理器( e m b e d d e d m i c r o p r o c e s s o ru n i t ，e m p u ) 、嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 、嵌入式 d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，e d s p ) 和嵌入式片上系统( s y s t e mo n c h i p ，s o c ) 。 嵌入式系统总体特点： ( 1 ) 嵌入式系统工业是不可垄断的高度分散的工业。 ( 2 ) 嵌入式系统是面向用户，特定种类的产品和具体领域应用。 ( 3 ) 嵌入式系统对软件要求高。一般固化在存储器芯片中，多任务嵌入式系统 中，对重要性各不相同的任务进行统筹兼顾的合理调度是保证每个任务及 时执行的关键。 ( 4 ) 嵌入式系统开发需要特定的开发环境和开发工具。 ( 5 ) 嵌入式系统软件需要实时操作系统( r t o s ) 开发平台。 ( 6 ) 嵌入式系统开发人员以专家为主。开发人员需要和各个不同行业的应用结 合，要求计算机专业以外的更多知识，往往是各个应用领域的专家。 目前，作为主流3 2 位r i s c 嵌入式处理器，a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 以其 高性能、低功耗的优势占据很大的市场份额。a r m 处理器家族大致分为如下系列口1 ： a r m 7 、a r m 9 、a r m l 0 、s e c u r c o r e 、s t r o n g a r m 、x s c a l e 等。嵌入式操作系统除了 通用操作系统的基本特点外，还满足嵌入式便携式设备所需的可裁剪性、可移植性、 实时性和低资源占用性等特点，常用通用型嵌入式操作系统有l i n u x 、v x w o r k s 、 w i n d o w sc e 、p a l m o s 等，专用型嵌入式操作系统有s m a r tp h o n e 、p o c k e t p c 、s y m b i a n 、 w i n d o w sm o b i l e 等。国内凯思集团推出了“女蜗h o p e f f 已能支持所有主流的嵌入式芯 片。嵌入式控制器体积小、可靠性高、功能强、灵活方便等许多优点，其应用已深入 到多个领域。 1 3 课题的研究内容及意义 5 1 单片机内核出现于8 0 年代，是最早的嵌入式m c u ，由于其价格低廉、便于 设计，因此至今在低端市场上仍有广泛的应用。a r m 内核最早出现在9 2 年，经过几 个版本的演变，已经非常成熟了。a r m 内核是目前最流行的，目前9 0 以上的电子 产品中至少采用了l 项或几项a r m 技术。因此针对单片机高低端应用场合的研究， 对研究单片机嵌入式应用技术有着重大意义。 本课题的主要研究内容分为两个部分，第一部分是对单片机低端场合应用进行了 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 研究，进行了基于5 1 内核单片机的无线外设接口的设计；第二部分作为扩展部分， 对单片机高端场合应用进行了研究，进行了基于a r m 单片机并结合嵌入式系统技术 的会议无线信息系统终端的初步设计。 1 3 1 无线外设接口的研究意义 键盘、鼠标是最常用的计算机外设。无线外设能够让使用者摆脱各种连接线的束 缚，在一些教学、会议等场合，能够让使用者更加自由的表达自己，因而近几年来， 无线外设得到越来越多人的青睐。目前市场上的无线键盘鼠标产品一般价格都比较昂 贵，其市场普及率还很低，p c 用户基本仍然使用的是标准p s 2 接口的键盘鼠标。人 们为了使用无线外设，就得丢弃现有的有线外设，从而造成了一定的浪费。如果能设 计这样一种无线外设接口，可以连接现有的p s 2 键盘鼠标并实现无线传输功能，最 终将其转换为无线键盘鼠标。用户使用将有线键盘鼠标接上该无线外设接口进行转 接，便可以获取到一套物美价廉的无线键盘鼠标了，而且使用起来也会相当顺手( 就 是自己一直使用着的外设) 。这样的无线外设接口充分利用了有线外设，从而带来成 本的大大降低。因此，研究这样一种无线外设接口具有重要意义。 1 3 2 会议无线信息系统终端的研究意义 现在无线会议系统主要是三种类型h 1 ：无线麦克风、红外无线会议发言系统和利用 2 4 g h z 频段无线会议系统。目前市场上主流的这些无线会议系统，大都为无线语音 会议系统，而利用嵌入式终端来无线传输会议信息的系统很少。而在人类的交流过程 中，有效性的信息5 5 - - 6 0 依赖于视觉效果，3 3 0 0 - - 3 8 依赖于声音，只有7 依赖 于内容，所以单单是一个声音的表现，远远不能满足现代会议的要求。 国外厂商对会议无线信息系统终端设备的研究起步较早，较著名的如美国的 s p o t m e 产品，该设备功能简单易用，但是也有一些缺点。首先就是不支持触摸屏； 其次就是反映速度不是很快，显示的内容多时等待时间较长；还有虽然s p o t m e 支持 显示中文，但是却不能输入中文，而且其价格十分昂贵。 国内研发会议无线信息系统的厂商不多，产品不成熟。预计国内许多会场会在未 来几年内配备或升级会议系统，因此会议无线信息系统具有良好的市场前景，研究一 种新型的会议无线信息系统具有重大意义。 作为扩展内容，本课题第二部分对会议无线信息系统终端进行了基本设计及研 究，为实现整个会议无线信息系统打下一定的基础。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 3 论文主要工作和章节安排 本文第一部分设计并实现了一种无线外设接口，基于单片机和无线通信模块，实 现对现有的标准p s 2 键盘鼠标从有线到无线的转换。无线外设接口包括发射器和接 收器两部分，发射器提供两个p s 2 接口分别连接标准有线的键盘鼠标，接收器提供 u s b 接口与p c 主机相连。选择a t 8 9 c 2 0 5 1 单片机为发射器的处理器，选择e z u s b f x 2 芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 为接收器的处理器，选择r f 2 4 0 1 数字无线通信模块，进行了硬 件电路和软件程序的设计与实现。该部分设计在第二章和第三章进行。 本文第二部分进行了会议无线信息系统终端的初步设计，选择基于a r m 9 2 0 t 内 核的$ 3 c 2 4 1 0 芯片为终端的处理器，以广州华天正科技有限公司的r e a l 删2 4 1 0 开 发板做为开发的硬件平台，选择了嵌入式l i n u x 作为终端的操作系统，选择了q t 作 为嵌入式g u i 。最终完成了嵌入式l i n u x 系统在a r m 9 平台上的移植，嵌入式g u i 的移植，q t 4 环境下基于u d p 协议的聊天室程序设计，q t o p i a 4 的裁剪定制，无线网 卡驱动的移植，终端设备上网络聊天室的实现等。该部分设计在第四章和第五章进行。 详细的论文章节安排如下： 第一章绪论，介绍了课题的背景、研究内容和意义以及论文的组织结构。 第二章是无线外设接口的硬件部分设计，在分析了外设接口的总体设计方案基础 上，分发射器和接收器两部分分别介绍了设计方案，具体又从p s 2 键盘鼠标接口电路 设计、无线收发模块接口电路设计、电压转换电路设计、e 2 p r o m 电路设计等方面 分别进行了介绍。 第三章是无线外设接口的软件部分设计，主要包括无线模块软件接口程序设计、 发射器固件程序设计、接收器固件程序设计。其中，无线模块软件接口程序部分主要 介绍了无线模块的配置以及各软件接口函数的设计；发射器固件程序部分主要介绍了 p s 2 键盘鼠标的驱动程序设计、键盘扫描码以及鼠标位移数据包的获取程序设计以及 发射器主函数流程设计等；接收器固件程序部分主要介绍了u s b 描述符设计( 标准 描述符和报告描述符) 、u s b 端点配置以及接收器无线数据处理程序设计等。 第四章开始进行扩展部分内容的设计，即会议无线信息系统终端的设计，本章进 行了嵌入式l i n u x 系统的移植，包括软硬件开发环境的建立、b o o t l o a d e r 的移植、嵌 入式l i n u x 系统内核的移植、根文件系统的构建以及y a f f s 文件系统制作及烧写等。 第五章是终端设备g u i 应用程序开发及终端无线通信功能的测试部分，主要包 括q t e m b e d d e d 开发环境的建立，终端设备q t o p i a 桌面系统的移植，基于u d p 的聊 天室程序的开发，无线局域网的搭建，以及终端设备之间的通信测试等内容。 最后对本文主要工作进行了总结，包括了在系统设计过程中获取的一些经验教训 等，并对未来工作进行了展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章无线外设接口的硬件设计 2 1 无线外设接口的工作原理 本章提出了一种无线外设接口的方案，实现了对现有标准p s 2 键盘鼠标从有线 到无线的改装。其基本原理是将普通p s 2 键盘鼠标设备和主机的电缆断开，两端分别 连接无线发射器和无线接收器，但其中接收器采用了u s b 接口与p c 主机连接，而 不是原来的p s 2 接口。系统原理图如图2 1 所示，设计的无线外设接口主要由两部分 组成，分别为发射器和接收器。 无线 信道 图2 - 1 无线外设接口的工作原理框图 发射器完成对p s 2 键盘鼠标的操作信息的获取，并按照一定的格式封装成数据 帧，然后通过无线模块进行射频发送。接收器将接收到的射频信号处理为基带信号后， 提取有用信息后转换成符合u s b 协议规范的数据格式，通过u s b 接口传送给p c 机 主机，实现无线键盘鼠标的功能。设计具体的无线外设接口方案如图2 2 所示。 无线电波 强ps2 a t 8 9 c 2 0 51 霾 llij 銎= 键盘hh 竺苫 鼠标il 单片机il 嚣磊 图2 2 无线外设接v l 的设计方案 在该设计方案中，首先选择了一对数字无线通信模块以实现外设接口的无线通信 功能。发射器选择了a t 8 9 c 2 0 5 1 单片机作为主控制器，用以实现和p s 2 键盘鼠标的 接口，获取键盘鼠标操作信息，并能够驱动无线通信模块进行数据的无线发送。接收 器由于要采用u s b 接口与p c 主机连接，故选择e z u s bf x 2 单片机作为接收器的 控制器，用以实现驱动无线通信模块接收无线数据并进行处理，最终要基于u s b 协 议与p c 主机进行通信。 可以看到，无线外设接口的硬件设计最终要的就是发射器和接收器的设计，主要 包括无线模块与微处理器的接口、发射器与p s 2 键盘鼠标的接口、接收器到计算机的 接口、供电电源以及其他一些辅助功能设计等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 下面对设计中使用到的主要硬件模块进行具体介绍。 2 2 无线外设接口的硬件模块介绍 1 a t 8 9 c 2 0 5 1 单片机 发射器端的单片机采用a t m e l 公司的单片机 v p p 击1 讽v 。c a t 8 9 c 2 0 5 1 ，其引脚分布如图2 3 所示。a t 8 9 c 2 0 5 1 r t x x d 。播p i 3 i 0 ；目i 吾 ；目i ；i 是一个低电压，高性能c m o s8 位单片机脚，片内含i 耵o ；饕? ；目i f 0 1 i ；皂；i ： 2 kb y t e s 的可反复擦写的只读f 1 a s h 程序存储器和1 2 8 1 n t t 0 1 ，p 3 p 3 4 3 吕j , ；0 0i , 3 i b 5p i , l i ： ，a i h l b y t e s 的随机存取数据存储器( r a m ) ，器件采用a t m e l 6 1 1 9c 10 1 1 卢p 8 7 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 图2 3 a t 8 9 c 2 0 5 1 的引脚分布图 m c s 5 1 指令系统，片内置通用8 位中央处理器和f l a s h 存储单元，功能强大a t 8 9 c 2 0 5 1 单片机可提供许多高性价比的应用场合。 a t 8 9 c 2 0 5 1 是一个功能强大的单片机，但它只有2 0 个引脚，1 5 个双向输入输 出( i o ) 端口，其中p 1 是一个完整的8 位双向i 0 口，两个外中断口，两个1 6 位可编 程定时计数器，两个全双向串行通信口，一个模拟比较放大器。 同时a t 8 9 c 2 0 5 1 的时钟频率可以为零，即具备可用软件设置的睡眠省电功能， 系统的唤醒方式有r a m 、定时计数器、串行口和外中断口，系统唤醒后即进入继续 工作状态。省电模式中，片内r a m 将被冻结，时钟停止振荡，所有功能停止工作， 直至系统被硬件复位方可继续运行。 2 e z u s bf x 2c y 7 c 6 8 0 1 3 单片机 随着u s b 技术的发展成熟及其本身的诸多优点，如速度快、支持热插拔等。越 来越多的外设都通过u s b 接口与主机相连接，现有的p c 机都带有u s b 接口，因此 接收器端单片机采用c y p r e s s 公司的单片机e z u s bf x 2c y 7 c 6 8 0 1 3 a ，该系列芯片 的结构如图2 - 4 所示哺1 。 2 4 k t w 2 矗体 b d 瑚 i 忘甄 r a m 8 【b 数撅( 1 i ) 臣! 忙 i 0 ll l 伪 op l f ( 透用了缀弦 图2 - 4e z u s bf x 2 系列芯片的结构图 摧 龛一孽鬈ol薪 0 1 ) | i f 精 一溅一蝴艟 r。hii_。”卜三一 嗣镰 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 景曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼璺曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼! ! 曼皇曼曼曼舅曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼! 曼曼蔓i i i i 曼曼曼曼曼曼曼 c y p r e s ss e m i c o n d u c t o r 公司的e z - - u s bf x 2 是世界上第一款集成u s b 2 0 的微 处理器，它集成了u s b 2 0 收发器、s i e 、增强的8 0 5 1 微控制器和可编程的外围接口。 f x 2 这种独创性结构可使数据传输率达到5 6 m b y t e s s ，即u s b 2 0 允许的最大带宽。 在f x 2 中，智能s i e 可以硬件处理许多u s b l 1 和u s b 2 0 协议，从而减少了开发时 间和确保了u s b 的兼容性。 8 0 5 1 程序从内部r a m 开始运行，可以借助下列几种方式进行程序装载：通过 u s b 下载、从e e p r o m 中装载、通过外部存储器设备装载，本设计中选用从e e p r o m 中装载的方式。 e z u s bf x 2c y 7 c 6 8 013 有三种封装形式：5 6 s s o p ，io o t q f p 和i 2 8 t q f p 。本 设计中采用了5 6 s s o p 的封装形式。 3 数字无线通信模块n e w m s gr f 2 4 0 1 图2 5n r f 2 4 0 1 功能模块 无线通信模块选用了杭州中源通信生产的n e w m s gr f 2 4 0 1 ，该模块使用n o r d i c 公司的n r f 2 4 0 1 a 芯片开发而成，n r f 2 4 1 0 a 芯片的功能模块如图2 5 所示口3 。 n e w m s g模块的性能参数如下：_rf2401 2 4 g h z 全球开放i s m 频段免许可证使用 最高工作速率1 m b p s ，高效g f s k 调制，抗干扰能力强，适合工业控制场合 1 2 5 频道，满足多点通信和跳频通信需要 内置硬件c r c 检错和点对多点通信地址控制 低功耗1 9 3 6 v 工作，待机模式下状态仅为l u a 内置2 4 g h z 天线，体积小巧3 4 m m x1 7 m m 模块可软件设地址，只有收到本机地址时才会输出数据( 提供中断指示) ，可直 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 曼曼曼曼曼i , i i 曼曼曼曼 接接各种单片机使用，软件编程非常方便 内置专门稳压电路，使用各种电源包括d c d c 开关电源均有很好的通信效果 标准d i p 间距接口，便于嵌入式应用 开阔地无干扰视距1 0 0 米 2 3 发射器电路设计 由2 1 小节介绍的无线外设接口的工作原理可知，发射器需要连接基于p s 2 接 口的键盘鼠标设备，并提供无线通信功能。发射器的微处理器选择了a t 8 9 c 2 0 51 单 片机，因此发射器的硬件主要是p s 2 键盘鼠标及无线收发模块与a t 8 9 c 2 0 5 1 单片机 的接口电路设计。 2 3 1p s 2 键盘鼠标接口电路设计 m a l e 公的f e m a l e 母鲍 6 - p r om i n i d i n ( p s2 ) ： 6 瞵m u u - d i n f p $ 2 ) 加心 1 d a t a 1 一数戥 2 - n o ti m p l e m e n t e d2 一表吱现。豫暾 1 = ：夕 3 一g r o u n d3 一电源地 4 0 5 、 4 - - 电源4 5 v ( p l u g ) 捅又 ( s o c k e t ) 撬癌 5 c l o c k5 一纠讳 6 一n o th n p l e m e n t e d6 一东文现促留 图2 - 6p s 2 键盘鼠标连接器引脚定义 具有六脚m i n i d i n 连接器( 如图2 6 所示) 的键盘鼠标称为p s 2 键盘鼠标1 。 其实这种连接器都只有四个脚有意义，它们分别是c l o c k ( 时钟脚) 、d a t a ( 数据脚) 、 + 5 v ( 电源脚) 和g r o u n d ( 电源地) 。在p s 2 键盘鼠标与p c 机的物理连接上只要保 证这四根线一一对应就可以了【9 。 m o u s e 个 j 口：) ： 。! ： 毒一r s t p 3 0 ( r x d ) p 3 i ( t x d ) 毒一x t a l 2 x t 札l p 3 2 ( i n t 0 ) p 3 3 ( i n t l ) 寸p 3 4 ( t 0 ) = 警u 广一u n u a t 8 9 c 2 0 5 1 图2 7 键盘鼠标接口电路设计 p s 2 设备靠p c 主机的p s 2 端口提供+ 5 v 电源n 刳，另外两个脚c l o c k ( 时钟脚) 侉一墙一一mbmb一屹一一 c 7 石5 4 3 2 j m 7 忱n n n 九n h h h 玛 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 曼蔓曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼,i i 曼量鼍曼曼曼! 笪曼皇曼蔓曼鼍曼 和d a t a ( 数据脚) 都是集电极开路的，所以必须接大阻值的上拉电阻。它们平时保 持高电平，有输出时才被拉到低电平，之后自动上浮到高电平。a t 8 9 c 2 0 5 1 单片机 的p s 2 接口设计比较简单，只需将单片机的两个通用i o 引脚分别接到f e m a l e 插座 的d a t a 、c l o c k 引脚，具体接口电路如图2 7 所示。 2 3 2 无线模块接口电路设计 本设计采用的无线收发模块r f 2 4 0 1 具有标准d i p 间距接v i ，便于嵌入式应用口1 。 该模块的接口引脚如图2 8 所示。 撇 d ( ) 1 1 ： i ) r l d 嗣 图2 - 8n e w m s 蝉2 4 0 1 模块接v i 引脚图 无线模块的引脚功能描述如表2 1 所示。 表2 1 无线模块的引脚功能描述 引脚名称引脚功能 描述 c e数字输入 使n r f 2 4 0 1 工作丁接收或者发送状态 c s数字输入配置模式的片选端 d r l 数字输出频道1 接收数据准备好 c l k l数字i o频道1 接收数据时钟输入输出 d r 2数字输出频道2 接收数据准备好 c l l 2数字i o 频道2 接收数据时钟输入输出 d o u t 2数字输出频道2 接收数据 d a t a数字i o频道1 接收发送数据端 p w ru p数字输入芯片激活端 v c c电源电源正端 由引脚功能的描述可知，无线模块具有双通道通信功能。本设计中只用到通道l 进行无线数据收发，因此无线模块用到的引脚有p w r u p 、c e 、c s 、c l k l 、d r l 和d a t a 。因此，无线模块的接口设计主要是将这几个接口引脚与a t 8 9 c 2 0 5 1 的i o 口相连接。在与p s 2 设备连接时a t 8 9 c 2 0 5 1 单片机的一部分i o 口已经被占用，此 时应选用单片机其余的i o 口与无线模块进行连接，具体电路连接方式如图2 - 9 所示。 h 隰 一一幔一一一心一一 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 皇曼曼皇曼曼皇曼皇曼皇曼舅i i iii - - , 一i _ 鼍 图2 - 9 无线模块和a t 8 9 c 2 0 51 的接e l 电路设计 至此完成了发射器主要的接口电路设计，当然要实现发射器的功能，还有一些基 本的电路需要设计，如电源开关电路、单片机晶振和复位电路等，这部分电路设计较 简单，此处不具体介绍，完整的发射器电路原理图见附录一。 2 4 接收器电路设计 接收器基于e z u s bf x 2c y 7 c 6 8 0 1 3 单片机处理器，主要实现接收无线模块数 据及与p c 主机进行通信的功能。主要的电路设计包括电压转换电路设计、e 2 p r o m 电路设计和无线收发模块接口设计。 2 4 1 电压转换电路设计 由于设计中采用了u s b 接口实现与p c 机的连接，因而接收器采用u s b 总线供 电。u s b 总线供电为+ 5 v 口引，而c y 7 c 6 8 0 1 3 以及e 2 p r o m 的工作电压为+ 3 3 v ，因 此需要进行电压转换。本设计中利用三端稳压器s p x l l l 7 将u s b 总线输出的+ 5 v 电 压转换成3 3 v ，电压转换电路设计如图2 1 0 所示。 u 2 g n d 图2 1 0 电压转换电路设计 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 2 4 2e 2 p r o m 电路设计 为了实现设备的即插即用功能，接收器的固件程序必须从接收器本身的r o m 中 加载运行，这是e z u s bf x 2 的“c 2 加载”启动模式。由于单片机c y 7 c 6 8 0 1 3 内部不 含有r o m ，因此需要外接一个r o m ，本设计选用了一块大小为6 4 k b 的e 2 p r o m ， 型号为2 4 l c 6 4 ，具体的电路设计如图2 1 1 所示。 3 3 v 图2 - 1 1e 2 p r o m 电路设计 单片机c y 7 c 6 8 0 1 3 提供了s c l 和s d a 两个引脚用来外接e 2 p r o m ，它的s c l 和s d a 引脚都需要外接2 2 k 的上拉电阻，连接两个上拉电阻的目的是允许f x 2 内 部逻辑检测“无e e p r o m 或e e p r o m 无效”的状态。因此，本设计中的e 2 p r o m 的 s c l 和s d a 引脚，需要分别外接1 0 k 的上拉电阻。图中p 3 是一个两脚的跳线帽， 用于e 2 p r o m 下载程序时候的模式切换。 2 4 3 无线模块接口电路设计 无线收发模块的接口设计原理等同于发射器部分，设计中选用c y 7 c 6 8 0 1 3 的p a 口实现与无线收发模块的连接。主要是将无线收发模块的c e ，c l k l ，d a t a ，d r l ， c s 和d a t a 实现与p a 口引脚的连接，电路连接如图2 1 2 所示。 p a o1 n t 0 = p a l 卫m