（电路与系统专业论文）基于USB接口的无线传输模块设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 在电子测控、信号获取系统中都会有大量的数据的需要及时、可靠的传输到 计算机做进一步的分析、处理。过去仪器设备都用电缆以有线的形式连接到计算 机，有线电缆连接距离有限，且会给设备的安装布置和操作维护带来很多不便： 另外，可能不同类型的设备或同类仪器的不同制造公司其接口都会不一样，相应 的在计算机侧也需要种类繁多的接口或用额外的扩展板卡来实现其要求的接口功 能，这对使用日益广泛的笔记本电脑是一个难以克服的障碍，现在很多笔记本电 脑出于应用需求都不再配置串口和并口而配置了更多的u s b 接口。 为了解决接口种类不统一的问题和方便仪器设备之间的连接，本文提出了无 线通信技术和u s b 接口相结合的方案，即：基于u s b 接口的无线传输模块，通 信模块和电脑之间的连接界面是广泛使用的u s b 接口，模块与模块问的通信是采 用工作于i s m 频段的无线方式。无线通信和u s b 接口在各自的应用领域都不再 是新概念，但将两者相结合确是一个较为独特的设计创新。由于现阶段常用的无 线通信标准要么协议过于复杂需要较长的研究时间要么开发成本太高都不适合。 所以根据需求选择了t i 公司的无线通信芯片c c l l 0 0 和u s b 接口芯片 p d i u s b d l 2 设计出了基于u s b 接口的低功耗无线数据传输模块。 本文论述了模块应用的系统方案以及通信协议框架，按照无线数据传输模块 的功能结构，从电脑接口端到天线，重点分析了u s b 接口的通讯协议详细讨论了 模块的固件程序设计架构和流程。研究了在无线收发电路设计中需重点注意的阻 抗匹配及平衡与非平衡转换( b a l u n ) 和差分、单端滤波器；并根据芯片特点和模 块技术指标要求给出了详细的电路设计和仿真验证。研究了天线的基本特性和在 短距离无线通信中常用的几种天线物理结构，并比较了其各自的优缺点。最后， 讨论了无线传输模块电路板制作中需要注意的要点和模块功能调试和性能测试。 关键词：无线数据传输，u s b 接口，b a l u n ，天线 a b s t r a c t a b s t r a c t t h e r ea r em a n yd a t as h o u l db et r a n s m i t t e dt oc o m p u t e rf o rf u r t h e ra n a l y s i s p r o c e s s i n gt h e ns e n dc o r r e s p o n d i n gc o n t r o lc o m m a n dt oi n s t r u m e n tr e l i a b l ya n d t i m e l yi ns o m et e s t i n go rd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m t h ee q u i p m e n to f t e nu s e dt o c o n n e c tt oc o m p u t e rb yc a b l eb u ts i n c ei t sl i m i t e dl e n g t hm a k es o m ed i f f i c u l t p r o b l e mf o ri n s t a l l a t i o na n dm a i n t a i n ，f u r t h e r m o r e ，d i f f e r e n ti n s t r u m e n to rs a m e i n s t r u m e n tm a n u f a c t u r e db yd i f f e r e n tc o r p o r a t i o nm a y b eh a v ed i f f e r e n tp e r i p h e r a l i n t e r f a c e c o m p u t e ra l s om u s te q u i pd i f f e r e n tp o r to ri n t e r f a c eb o a r dt om a t c h a l o n gw i t h i t sab i go b s t a c l et ow i d eu s e dn o t e b o o k sb e c a u s et h e yd e p l o ym a n y u s bi n t e r f a c e so t h e rt h a nt r a d i t i o n a lp o r t s i no r d e rt or e s o l v et h ep r o b l e mo fc o n n e c t i n gb e t w e e nd i f f e r e n ti n s t r u m e n t i n t e r f a c et oc o m p u t e rt h et h e s i sp u t t i n gf o r w a r dt h es o l u t i o nt h a tc o m b i n e st h e w i r e l e s sa n du s b t e c h n i q u e ，w h i c hi sw i r e l e s st r a n s m i t t i n gm o d u l eb a s e do nu s b b u s t h ei n t e r f a c eb e t w e e nc o m p u t e ra n dt r a n s c e i v e rm o d u l ei su s bb u tt h e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt h a tw o r ki ni s mf r e q u e n c yr a n g ei su s e df o rm o d u l et o m o d u l ed a t ac o n n e c t i n g b o t hw i r e l e s sa n du s ba r en o tan e wc o n c e p ti n c o m m u n i c a t i o na n dc o m p u t e rf i e l dr e s p e c t i v e l y , b u ti n t e g r a t et h e mt oa ne n t i r e t y i sad i s t i n c tc r e a t i v ed e s i g n s i n c et h ew i r e l e s ss t a n d a r dw h i c hw i d eu s e da tt h e p r e s e n ts t a g es o m eh a v ec o m p l e xp r o t o c o lt h eo t h e r sm a y b eh a v er e l a t i v eh i 曲 c o s tf o rr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ra p p l i c a t i o na c t u a l l y a c c o r d i n gt op r a c t i c a l d e m a n ds e l e c t i n gm u l t ic h a n n e l sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni cc ell0 0f r o mt ia n d u s bi n t e r f a c ei cp d i u s b d l 2f r o mn x pf o rt h em o d u l e t h i st h e s i sd i s c o u r s e st h es y s t e ma p p l i c a t i o nf r a m e w o r ka n dc o m m u n i c a t i o n p r o t o c 0 1 a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o np a r to fm o d u l ef r o mc o m p u t e t ri n t e r f a c et o a n t e n n a ，a n a l y z et h eu s bs p e c i f i c a t i o na n dd i s c u s sm o d u l ef i r e w a r ed e s i g n a r c h i t e c t u r ei nd e t a i l e d m a k i n gad e e ps t u d yo fi m p e d a n c em a t c h i n g 、b a l u n a n df i l t e ri nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nc i r c u i td e s i g n g i v i n gt h es c h i m a t i ca n d s i m u l a t i o nv a l i d a t i o nb a s e do nm m i cf e a t u r ew i t hm o d u l es p e c i f i ct e c h n i c a l r e q u i r e m e n t r e s e a r c ht h eb a s i cf e a t u r ea n dp h y s i c a ls t r u c t u r eo fa n t e n n a st h a t i i a b s t r a c t f r e q u e n t l y u s e di ns h o r tr a n g ed e v i c e s ，c o m p a r i n gt h e i rs t r o n gp o i n ta n dw e a k p o i n t a tl a s t ，d i s c u s s i n gt h ea t t e n t i o ni t e ms h o u l db ep a i di np c bd e s i g n ， h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e b u ga sw e l la sm o d u l ef u n c t i o nt e s t i n g k e y w o r d s - w i r e l e s sd a t at r a n s c e i v e r ，u s bi n t e r f a c e ，b a l u n ，a n t e n n a i i i 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 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 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 获得电子科技大学或其它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 说明并表示谢意。 签名：如尘丛 日期：年月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技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，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：蛐导师签名：凄k 越 日期：年月 e 1 第一章引言 1 1课题背景 第一章引言 随着电子通信技术的发展，电子设备和系统变得更加复杂，其内部或与外部 对数据交换的需求同益增加，有线通信在现代通信网络占有重要地位，各种通信 连接电缆种类繁多、血花a i - j ，有线连接在满足通信基本要求的同时，也给设备 的安装、布置带来了不少的问题，诸如使用不便、连线频繁出故障、各种电缆之 间无法通用等。为解决有线的这些不足，人们希望能有一个取代线缆的短距离无 线连接技术去弥补其缺点，无线数据传输技术便应运而生了，利用短距离无线通 信实现各种电子产品( 包括通信、计算机和仪器设备) 之间的无线连接，以无线替 代有线电缆是无线数据传输丌发的初衷和其最基本用途。 计算机是目自订功能最为强大的数据存储、处理设备，在各行各业都得到了广 泛的应用。随着计算机应用领域的拓展，外设种类越来越多，计算机所提供用于 连接外设的资源同渐捉襟见肘，时常因为不能提供更多的接口，而导致各种i o 的冲突，加之各种中低速外设缺少一个双向、低价、即插即用的统一总线，限制 了外部设备的开发。因此，简化外设扩充方法使之方便易行，便显得更为迫切。 而u s b f 是为了克服这些困难而被提出的一种解决方案。利用u s b 可以实现较 传统方式更有效、更经济、更多扩展的计算机外设与计算机相连。u s b 作为一种 新兴的计算机外设总线标准，从标准的出现到大规模的应用，仅用了短短几年的 时间，这一切都得益于它简单易用、支持带电热插拔、高性能和系统造价低廉等 优点。特别是，随着u s b 2 0 协议的出现，使得u s b 总线速度达到4 8 0 m b p s 。而 且u s b 接口理论上可以同时挂接1 2 7 个外设，可以预计未来的计算机外设几乎可 以统一到u s b 总线上来【l 】。 1 2常用无线通信技术 1 2 1 蓝牙技术( b l u et o o t h ) b l u e t o o t h 原为一千多年前丹麦维京王的名字( h a r a l db l u e t o o t h ) 。1 9 9 8 年5 月， 爱立信、i n t e l 、i b m 、诺基亚和东芝公司共同成立的特别兴趣小组( s p e c i a li n t e r e s t 1 电子科技大学硕士学位论文 g r o u p ，s i g ) 联合制定了蓝牙技术的产业标准，不久便得到了包括摩托罗拉、朗讯、 康柏、西门子等大批公司的一致拥护。 从应用方面来讲，蓝牙工作于2 4 g h z 的i s m 频段( 工业、科学和医疗频段) 上，是一种用于各种固定与移动设备之间的近距离无线通讯连接技术，蓝牙网络 模型基于邻近组网的原则，是对等( p e e rt op e e r ) 通信的一种。两个彼此靠近到一定 程度的设备可以自发的建立通信连接。标准0 d b m 蓝牙无线设备的正常通信范围 是1 0 米，带有外部功放的蓝牙无线设备的通信范围可以达到1 0 0 米左右。它的连 接范围为1 0 厘米到1 0 米，如果增加传输功率的话，其连接范围可以扩展到1 0 0 米。为了提高可靠性和灵活性并保证通信的安全可靠，蓝牙使用了全球统一的4 8 比特设备识别码来唯一标识设备。蓝牙技术的系统结构被分为三大部分：传输协 议部分、中间件协议部分和高层应用。 传输协议部分包括无线层( r a d i of r e q u e n c y ，r f ) 、基带( b a s e b a n d ，b b ) 层、 链路管理层( l i n km a n a g e m e n t ，l m ) 和l 2 c a p 层【2 】。 ( 1 ) 无线层主要完成频率的合成、比特到符号的转换和过滤，以及符号的收 发等操作；蓝牙的无线层采用了快速跳频扩频( f h s s ) 技术，1 6 0 0 跳每秒，在7 9 个1 m h z 的信道中按伪随机序列方式跳频。 ( 2 ) 基带层位于无线层之上，定义了使蓝牙设备相互通信的主要过程，包括 编解码、跳频频率的生成和选择；基带协议还定义了各个蓝牙设备之间的物理射 频连接，以形成微微陬j ( p i c o n e t ) 的技术问题，包括如何共享带宽资源、加密和解 密以及分组类型等。 ( 3 ) 链路管理层负责两个或多个设备链路的建立、拆除及链路的安全控制， 包括设备认证、链路硬件配置、加密、控制和协商基带分组的大小等，l m 能够 发现其它蓝牙设备的l m ，并通过链路管理协议( l m p ) 建立通信联系。它还为上 层软件的模块提供了不同的访问入口，可以控制无线设备的工作周期和服务质量 ( q o s ) ，并使微微网中的蓝牙设备进入低功率模式。 ( 4 ) l 2 c a p 层是蓝牙协议栈的核心部分，也是其它协议实现的基础。l 2 c a p 层位于基带层之上，为高层协议屏蔽了下层传输协议的细节，向上层提供面向连 接和无连接的数据服务，使高层协议不必了解无线层和基带层的频率跳变和蓝牙 空中接口上的特殊分组格式，它主要完成数据的拆装、协议的多路复用、分给的 拆分和重组( s e g m e n t a t i o na n dr e a s s e m b l y ) 及其分组提取等功能。 中间件协议层包括服务发现协议( s d p ) 、r f c o m m 协议和电话通信协议 ( t c s ) 。 2 第一章引言 ( 1 ) 蓝牙网络是一个动态的自适应网络，其服务发现与传统网络环境下的服 务项发现有很大的不同，并没有一个固定的服务器来实现服务的提供、配置和维 护，而且其服务参数提不断变化的。s d p 是一种基于客户机- n 务器结构的协议， 它工作在l 2 c a p 层之上，为上层应用程序提供一种机制来发现其它蓝牙设备中 提供的可用服务及其属性，以及如何使用这些服务的方法。服务属性中包括服务 的类型及服务所需的机制或协议信息。一旦两个蓝牙设备位于相互有效的通信范 围之内，它们之间就可以建立l 2 c a p 连接。这时从设备就需要发现主设备能够 提供的服务。使用s d p ，可以查询到一个设备所提供的服务类型及其相关属性， 然后，蓝牙设备之间才能建立连接来使用对应的服务。 ( 2 ) r f c o m m 是一个简单的串口仿真协议，提供了基于l 2 c a p 协议层之上 的虚拟串口。它在基带上仿真串口的数据和控制信号，以实现对现有利用串行接 口的应用软件的支持。另外，r f c o m m 还可以提供对a t 命令集的支持，从而实 现电话机和传真机或调制解调器的无线连接。 ( 3 ) 电话通信协议( t c s ) 是一个基于国际电信联盟电信组( i t u t ) q 9 3 l 标准 的二进制编码协议，它定义了用于蓝牙设备之间建立语音和数据呼叫的控制信令， 并负责处理蓝牙的移动管理进程。 蓝牙技术目前主要应用于电脑和p d a 以及手持设备间的少量数据交换。目前 还存在成本较高，协议复杂，开发工具昂贵的问题。 1 2 2 红外通信技术( i r d a ) i r d a 技术，简单的讲是一种利用波长为8 5 0 n m 红外线进行数据传输的技术， i r d a 的最高传输速率可达1 6 m b p s ，一般光路夹角不能超过3 0 度，常用通信距离 为1 - - 3 米。i r d a 技术比较成熟，设备体积小，功耗低，所使用的频谱资源不需 申请，很好地解决了当前频谱资源归纳紧张的问题。此外红外线l e d 及接收器等 组件远比一般射频组件便宜，且实现和操作都相对简单。比如两台笔记本电脑间 交换数据或与p d a 间交换电子名片，这在展览或会议现场都可以很方便的实现。 另外i r d a 由于短距离和小角度的原因具有很好的安全性，几乎无干扰。但是红 外技术的缺陷也是显而易见的，首先，它只能实现点对点的连接，不能实现点对 多点的连接，也就是只能用于两台设备之间进行连接，不能同时连接多台设备， 这样就不能灵活的构成网络。其次红外收发装置只支持视线可达的范围内定向传 输，中间不能有任何障碍物阻挡，要求通信设备的位置相对固定，无法用于移动 办公，功能单一，扩展性差。点对点的视距传输，要求通信收发双方的距离能太 3 电子科技大学硕士学位论文 远，红外用于双向数据传输时通信距离不能超过1 米。最后，红外传输的标准目 前在全球并不统一，不同设备之间的互操作性可能存在障碍。 1 2 38 0 2 n 系列 i e e e 8 0 2 1 1 是第一代无线局域网的标准之一b 1 ，该标准定义了物理层和介质 访问控制( m a c ) 子层协议的规范。8 0 2 1 1 主要用于解决办公室局域网和校园网中 用户终端的无线接入，业务主要限于数据存取，速率最高只能达到2 m b p s 。由于 它在速率和传输距离上都不能满足用户的需要，因此，i e e e 小组又推出了 8 0 2 1 l b 、8 0 2 1 1 a 和8 0 2 1 l g 等新标准。 8 0 2 1 l b 使用丌放的2 4 g h z 频段，带宽最高可达11 m b p s ，比最初的8 0 2 1 1 标准快5 倍，扩大了无线局域网的应用领域。另外，它也可根据实际情况采用 5 5 m b p s 、2 m b p s 和1 m b p s 带宽。一般情况下的实际工作速率在5 m b p s 左右，与 普通的有线l a n 几乎处于同一水平。 8 0 2 1 l a 则工作在5 g h z 频段，物理层速率可高达5 4 m b p s ，传输层速率可达 2 5 m b p s 它采用正交频分复用( o f d m ) 独特的扩展频谱技术，可提供2 5 m b p s 的无 线a t m 接口和1 0 m b p s 的以太网无线帧结构接口以及t d d t d m a 的空中接口， 支持语音、数据、图像等多种服务。 8 0 2 1 1 9 实际上是一种混合标准，它既能适应传统的8 0 2 1 i b 标准，在2 4 g h 频率下提供11 m b p s 的数据传输率，也符合8 0 2 1 l a 标准在5 g h z 频率下提供 5 4 m b p s 的据传输率。8 0 2 1 1 9 的优点主要表现在视频方面，通过其高速模式可同 时支持多个质量的视频信道。 i e e e 8 0 2 n 标准的无线局域网的设备主要包括无线网卡、无线网桥、无线h u b 、 a p ( a c c e s s p o i n t 访问节点，俗称基站) 、天线等。这些设备都以全双工方式工作， 无线网卡和a p 是组建无线局域网中最常用的设备，无线网卡像有线局域网中的 网卡一样，而a p 的主要作用如下：将无线网络接入有线网络；将各无线网络客 户端连接在一起，起传统以太网中集线器或交换机的作用；a p 都有一个识别序 列号b s s i d ，b s s i d 是基本服务集标识( b a s i cs e r v i c es e ti d e n t i f i c a t i o n ) 的简称，也 称网络i d ，它是一个6 字节的地址，用于在众多的a p 中标识其中一个特定的 a p 。大多数a p 都有自己缺省的b s s i d ，每个a p 中还包括一个有关m a c 地址 的访问控制列表，只有那些m a c 地址在这个列表中的工作站才能对a p 进行访 问。在一个网络中必须将某个a p 的b s s i d 放置到同一网络中的其它a p 的m a c 中，以便于相互之间建立通信连接。 4 第一章引言 8 0 2 1 l 系列虽然具有较好的性能在无线局域网方面得到广泛的应用但是由于 其射频和基带协议复杂所以开发难度较大，而且使用成本也相对更高，不适合用 于仪器设备和计算机之间的数据通信。 1 2 4g p r s 数据通信技术 g p r s 是通用分组无线业务( g e n e r a l p a c k e tr a d i o s e r v i c e ，g p r s ) 的英文 简称，是在现有g s m 系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为g s m 用户 提供分组形式的数据业务。g p r s 采用与g s m 同样的无线调制标准、同样的频带、 同样的突发结构、同样的跳频规则以及同样的t d m a 帧结构，这种新的分组数据 信道与当前的电路交换的话音业务信道极其相似，因此现有的基站子系统( b s s ) 从一开始就可提供全面的g p r s 覆盖。g p r s 允许用户在端到端分组转移模式下 发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源，从而提供了一种高效、 低成本的无线分组数据业务，特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数 据传输，g p r s 是移动通信过渡代产品，是一种高速分组数据交换技术，同时支 持两种主流的分组数据网络协议：i p 和x 2 5 。它改良了现有的g s m 网络系统， 使得g s m 系统可以在第三代移动通信系统得到实际应用之前实现同时提供电路 交换和分组交换两种承载业务。基于分组数据包，使现有的移动通信系统提供的 数据业务首次从9 6 k b p s 飞跃到了1 0 0 k b p s 以上，极大地提高了移动用户的移动 通信能力以及无线信道和核心网络的使用效率。通过g p r s 移动用户可以直接连 接到i n t e r n e t 上处于长期在线的状态，无须拨号连上一个特定的i s p ，而且用户只 须为他们实际使用的通信数据总量付费。g p r s 具有更好的移动性和全国性的覆 盖网络，但是其最高1 0 0 k b p s 的数据速率限制了其应用范围，另外，网络使用费 和硬件成本也比较高，所以g p r s 技术在除开手机之外用到的地方并不多。 1 3论文的主要工作及意义 本文在分析当前常用的短距离无线通信技术标准：蓝牙、i r d a 、i e e e 8 0 2 1 1 和g p r s 技术的基础上，分别指出了其存在的不足之处，要么协议过于复杂开发 成本太高，要么对通信拓朴结构的限制太多或数据传输速率太低等。为此提出了 一种性价比更高、使用更为灵活方便的解决方案，即：基于u s b 接口的无线数据 传输模块；制定了系统总体设计方案、技术指标和通信协议，完成了具体硬件电 路的设计，u s b 固件程序的编写，p c b 制作与实际电路调试。在此模块基础上进 5 电子科技大学硕士学位论文 行应用层的软件开发即可以将其用于计算机间短距离通信或计算机与测试控制仪 器间的无线接口等，既可用于点对点数据传输，又可以用于组建网络。该模块成 本低，体积小，应用范围广泛，主要协议功能和u s b 固件程序在通用的m c u 中 实现。射频信号采用了直接序列扩展频谱技术，可以在相对恶劣的电磁噪声环境 下以较低的功耗达到较为理想的数据传送速率。u s b 和无线技术使得该模块具有 简单的接口界面、优秀的扩展性、方便的通用性，且具有很高的实用价值及广阔 的市场前景。 1 4内容安排 本文主要研究了u s b 接口无线传输模块的设计，按照从总体到各个功能部分 的顺序对其进行了深入的分析讨论。 第一章研究了当前的常用的短距离无线通信技术，分析了其各自的特点， 论述了该课题的背景及研究意义。 第二章从总体上论述了系统方案和模块问通信的协议框架，对无线传输模 块进行了功能划分，定义了模块发送和接收数据包的构建和处理流程。 第三章系统深入研究了u s b l 1 总线接口协议标准，基本结构与特性，并 对协议做了简明扼要的归纳总结，在此基础上详细设计了本模块的固件处理程序、 在模块控制器上实现了整个系统的通信协议。 第四章重点研究射频部分的b a l u n 与阻抗匹配，针对无线通信芯片的端 口阻抗特性设计了b a l u n 和相关的匹配滤波电路，并对其主要参数做了详细仿 真验证。 第五章简明扼要的论述了天线的基本知识，比较了短距离无线通信常用的 几种不同物理结构天线的优缺点。 第六章讨论了制版时在布局、布线方面需要注意地方，结合自己的体会， 提出了解决方法，然后进行了软硬件调试和功能测试。 第七章研究工作总结和后续展望。 6 第二章设计方案 2 1系统方案 第二章设计方案 整个无线数据传输系统的拓扑结构如图2 1 所示。通过无线传输模块将仪器 设备获取的数据或信号迅速可靠的传到计算机作存贮或进一步的分析，并根据相 关的处理结果对设备发出相应的控制命令。每个模块和计算机的的通信优先级在 模块的固件程序中预先设定，其优先级按模块编号从l 到n 的顺序级递减，即： 1 号模块具有最高的通信优先级与0 号模块进行数据传输，n 号模块的通信优先 级最低。每个设备需要传送到计算机的瞬时最大数据量是可以预知的，模块上微 处理器可以缓存的数据数量一定，在连接设备时将l 号传输模块配给瞬时数据量 可能最大的设备，使其能及时的将数据传到计算机，以免模块上的缓冲区泄出而 导致数据丢失，相应的将n 号模块配给数据量最小的设备。 厂 厂 q i 仪器设备矧无线模块1h f 无线模块。p 计算机 图2 1 无线传输系统结构图 设备与计算机间的通信协议如图2 2 所示。 设备端模块从1 至n 分别占用工作频段的信道1 至n 作为和计算机端模块0 交换数据的通道。模块0 启动后按固定的优先级顺序从信道l 开始，在各个信道 保持一定时间的载波侦听状态，看是否有相应的模块发出数据传送请求 ( r e q u e s t ) ，如果一直到信道n 都没有发现，则又从信道1 开始循环执行侦听的 工作。 7 电子科技大学硕士学位论文 若模块o 发现某个设备模块正在发送传输数据的请求，则在相应的信道发出 允许模块通信的应答信号( a c k ) ，外设模块收到应答信号后开始以每个数据包2 5 6 个字节向模块0 发送数据，直到最后一个数据包小于2 5 6 字节表示当前缓冲区里 数据已发送完毕，然后模块0 继续按照预定的顺序到下一个信道侦听。 如果模块没有收到发送数据请求( r e q u e s t ) 的应答信号( a c k ) 则其请求会一 直发送下去，直到收到应答信号，将当前缓冲区里的数据发送到计算机。设备端 模块发j 羞( r e q u e s t ) 的条件是当设备获取的数据字节占到数据缓冲区容量的7 0 时，另外3 0 的容量作为可能需要等待时的备用空间。 图2 - 2 系统通信协议简图 8 第二章设计方案 2 2 模块系统结构 模块系统结构如图2 3 所示。主要由u s b 接口、u s b 固件和协议处理、无 线收发和天线四大功能部分组成。 u s b 协议 处理 无线 接口收发 天线 固件 图2 3u s b 无线模块功能结构图 2 2 1u s b 接口 u s b 接口主要完成模块和计算机或设备端的物理连接，提供总线的硬件收发 接口，实现电气和底层的逻辑功能，是u s b 外围设备的核心之一。由于u s b 协 议的复杂性，所以u s b 接口需要具有相当的智能，知道如何检测并对u s b 端口 事件做出响应。任何u s b 接口必须包括串行接口引擎( s e r i a li n t e r f a c ee n g i n e ，s i e ) 和数据缓冲区。 串行接口引擎s i e 通常用来处理事务数据的传送和接收。它不会解析或是使 用该数据，而是单纯地传送与接受事务数据。下列是s i e 的基本功能3 1 ： ( 1 ) 检测进来的信息包。 ( 2 ) 传送信息包。 ( 3 ) 检测和产生信息包开始( s t a r to fp a c k e t ，s o f ) 、信息包结束( e n do f p a c k e t ) 、重置以及回复信号。 ( 4 ) 编码和译码在总线上传输的数据格式( n r z i 和位填充) 。 ( 5 ) 检查和产生c r c 数值。 ( 6 ) 解码和产生信息包i d ( p a c k e ti d ，p i d ) 。 ( 7 ) 在寄存器或内存中转换u s b 的串行和并行数据。 数据缓冲区是u s b 接口内用来储存接收到的数据或是将要发送数据的寄存 器，通常是先进先出的缓冲区结构( f i r s ti nf i r s to u t ，f i f 。 u s b 接口中一类是芯片内部集成了微处理器的；另一类是不带微处理器的。 后一种芯片由于只提供接口与微处理器相连接以实现u s b 通信功能，所以成本较 低、选择灵活方便、可靠性高。按传输速度的高低，还可以分为符合u s b l 1 协议的接口和符合u s b 2 0 协议的接口。 9 电子科技大学硕士学位论文 根据模块的功能分配和性能要求，选择了p h i l i p s 公司的p d i u s b d l 2 ( 以下 简称为d 1 2 ) 作为u s b 接i ：3 芯片。d 1 2 是一款性价比较高的u s b 接口器件，它完 全符合u s b l 1 规范，内部不带微处理器。它集成了硬件处理u s b 协议的串行 接口引擎( s 1 e ) 、f i f o 缓冲器、收发器以及电压调整器；可与任何外部微处理器 实现高速并行接口，速度可达2 m b p s ；在批量模式和同步模式下均可实现lm b p s 的数据传输速度；可通过软件控制与u s b 主控制器的连接。 蟊骐h z 图2 4p d i u s 肋1 2 概念框图 d 1 2 内部功能框图如图2 - 4 所示【3 】。模拟收发器接口可通过终端电阻直接与 u s b 电缆相连。3 3v 电压调整器负责为模拟收发器供电。串行接口引擎( p s i e ) 实现了全部的u s b 协议层，完全由硬件实现而不需要固件的参与。d 1 2 与u s b 主机相连接时，集成在片内的1 5 后q 上拉电阻将d + 置为高，主机就可检测到有 设备接入。默认状态下1 5 后q 上拉电阻不与内部3 1 3v 电压相连，连接的建立 是通过微控制器向d 1 2 发送命令来实现的( s o f tc o n n e c t 技术) 。这就允许系统微 控制器在决定与u s b 建立连接之前完成初始化时序，不需要拔出电缆就可对u s b 总线连接重新进行初始化。对于微控制器而言，d 1 2 相当于一个带8 位数据总线 和一个地址位( 占用2 个位置) 的存储器件。d 1 2 有两种数据总线方式：多路地j a k 数据总线和单地址数据总线，在模块设计中采用单地址数据总线方式， p d i u s b d l 2 的引脚a l e 接地，a 0 与单片机的f o 口相连，a 0 为1 时，输出的 是命令，a 0 为o 时，输出的是数据。另外d 1 2 还支持主端点与本地共享r a m 之 间直接读取的d m a 传输；支持单周期和突发模式的d m a 传输。 1 0 第二章设计方案 2 2 2 固件和协议处理 固件和协议处理部分主要功能是实现u s b 固件程序以及模块间的通信协议。 f i r e w a r e ( 固件) 是固化在微控制器中的程序，它的工作流程和方式与硬件紧密联 系，包括控制器中断、定时器的设置、u s b 设备的连接等。编写f i r e w a r e 时，需 要考虑微处理器的端口、中断和系统硬件结构，因此它的设计比普通软件复杂【4 1 。 u s b 的固件程序将在第三章深入研究u s b 协议的基础上进行详细的分析设计。 微处理器能过s p i 接口与无线收发芯片相连接对其载波侦听、信道变换功能进行 控制，并根据收到的数据传送请求确定是否允许相应的设备模块传送数据，实现 系统的通信协议。 在综合考虑微处理器速度、功耗、和外部接口的情况下，选用了t i 公司的 m s p 4 3 0 微处理器作为模块控制器。 2 2 3无线收发 无线收发部分的主要功能是将从微处理器送来的数据按照预设的调制格式送 到天线激励电磁波发射，并将从天线接收到的调制信号解调得到基带信号再送给 微处理器。 2 2 - 3 1 无线收发芯片的选用原则 无线收发芯片厂商和种类比较多，如何在设计中根据性能要求选择合适的无 线收发芯片是非常关键的，为了正确的选择需要重点考虑以下几项指标【5 】【6 】。 ( 1 ) 功耗，大多数无线收发芯片都用于便携式产品中，采用电池供电，因此 功耗非常重要，应该根据需要选择综合功耗比较小的产品。 ( 2 ) 调制格式，不同的调制格式具有不同的性能特点，有的具有较高的数据 传输效率，有的具有更好的抗噪声性能，支持的调制格式越多，在设计时根据需 要选择越灵活。 ( 3 ) 数据传送速率，数据传送速率是无线收发芯片的最重要指标，传送速率 越高越好，即使同样的芯片在不同的调制格式下的数据传输速率也不一样，需要 在速率和抗干扰中权衡。 ( 4 ) 发送功率和接收灵敏度，在一定的功耗下可达到发送功率越大越好，接 收灵敏度越高越好，但一般情况下，发送功率和接收灵敏度相互制约。 ( 5 ) 基带处理能力，如果无线收发芯片能从硬件上提供较多的基带处理功能， 如曼彻斯特编码、数据白化、c r c 校验等则可以减轻微处理用软件实现上述功能 1 1 电子科技大学硕士学位论文 的编程复杂度和性能要求。 ( 6 ) 收发芯片需要的外围元器件数量，芯片需要的外围元器件数量越少，则 成本越低，电路和可靠性越高。 综合考虑以上的性能指标，t i 公司的c c l1 0 0 是一款实现无线收发功能最合适 的芯片。 2 2 3 2c c l1 0 0 简介 c c l l 0 0 是一款高度集成、多通道u h f 收发机，设计用于低功耗无线数据传 输。特别是用在4 3 3 、8 6 8 和9 1 5 m h z 频点的i s m ( 工业、科学、医疗) 和s r d ( 短距离设备) 领域。r f 收发器集成了一个配置非常灵活的调制解调器，支持多 种不同的调制方式，如：2 一f s k 、g f s k 、m s k 、a s k o o k 。其数据传输率最高 可达5 0 0 k b p s ，通过开启集成在调制解调器上的前向误差校正和交织选项并白化 数据，能使抗干扰性及连接可靠性得到较大提升。支持完整的数据分组处理和无 线电唤醒功能，其分立的6 4 字节发送( t x ) 和接收( 1 ) 数据f i f o ( 先进先 出堆栈) 可用于突发模式数据传输，且传输时对数据封包长度无限制。c c l l 0 0 的所有工作寄存器皆通过一个四线的s p i 接口控制，并且在节电模式下可实现配 置数据的保留【7 1 。 簟口k s o l 0 _ 鬟 c 瓤 c - g ) 0 0 似嘲 6 鼬 图2 5c c l l 0 0 结构简图 c c l l 0 0 具有卓越的无线电性能，在1 m b p s 的最高数据传输速率时的电流消耗 1 2 第二章设计方案 大约3 5 m a ，发射功率可在3 0 d b m , - - + 1 0 d b m 之间可以步进调节，接收灵敏度根据所 数据传输速率的变化而不同但在最差的情况下仍然有7 0 d b m 的灵敏度，电流消耗 大约1 7 m a ，既使采用笔记本电脑的u s b 接口供电也能满足其工作需要。 c c l l 0 0 是一款低中频( i f ) 接收器，天线接收的r f 信号先经过l n a ( 低噪声放 大器) 放大后变换至i j l q 两路正交的中频，再分别通过a d c 被数字化。自动增益控 制( a g c ) 、可微调的通道滤波器带宽和解调以及数据包与数据位的同步均数字方 式实现。 c c l l 0 0 的发送部分将基带信号直接综合到载波频率。频率合成器包含一个完 整的芯片内嵌v c o 以及一个9 0 度移相器，为接收模式下射频信号到中频的下混频 器提供正交本振信号。一个外接的晶体连接在x o s cq 1 和x o s c 引脚上，晶体q2 振荡器产生频率合成器需要的参考频率，同时为数字部分和a d c 提供时钟。 2 2 3 3模块通信链路预算 在通信链路中，用于估算可实现的距离的基础是链路预算( l i n kb u d g e t ) 。链路 预算描述了所接收的功率p r 及所传输的功率a t 2 _ 间的关系，如式2 1 所示【8 】： 厂j、2，1 、嚣 p r2 娜r g r 【意j 【言j ( 2 - 1 ) 式中：g t 、g r ，发射机及接收机天线的增益；n ，通道损失指数； 九，工作波长；d ，发射机与接收机之间的距离( 九，d 使用相同的单位) 。 所接收到的功率与波长的平方成正比( 或表述为与频率的平方成反比) ，这是 源于同等增益的天线，频率越低，则尺寸越大，因此能捕捉到更多的辐射场功率。 通道损失指数n 描述了传输介质的影响，在自由空间中( f r e es p a c e ) ，通道损失 指数的理论值为2 ，描述了在球形辐射面上与等方向性辐射体相等的功率分配。n 2 。 发射机与接收机之间在具有可视的直线通路时，如果在第一阶菲涅耳区域 ( f r e s n e lz o n e ) l 内不存在障碍物，则我们可将通道损失系数设定为2 。菲涅尔区域是 一个椭圆体，发射机及接收及天线处于其焦点位置，如图2 7 所示【3 5 。 1 3 电子科技大学硕士学位论文 一 2 h 图2 7 发射机及接收机之间的菲涅尔区域 在发射机及接收机中间，第一菲涅尔区域直径为： 2 办= 而( 2 - 2 ) 通常情况下，在大多数电波传播区域为自由空间，不存在障碍时，所假定的 通道损失指数为2 依然合适。通道损失是发射天线和接收天线之间的功率比，可按 公式2 3 计算【3 5 】。 a ” p l ( d ) = 2 0 l o g ( _ ) + 10 n l o gd ( m e 据，) ( 2 3 ) l ( 研e f p r ) 当不处于直线可视的情况下，将会由于吸收、衍射及折射而造成额外的损失。 隔离物损失值取决于特定障碍物所独有的特性，并同时取决于频率【8 1 。 表2 - 1 典型隔离物损失 材料类型损失( d b ) 混泥土墙或地板 1 3 2 0 可移动隔墙 1 4 窗户 2 金属绝缘线圈 3 9 存贮柜 4 6 考虑非理想环境下隔离物带来的额外信号衰减时，整个通道的功率损失可计 算如式2 - 4 。 f 咒= 2 0 1 0 趴t 4 7 - aj + ( 隔离物损失) ( 2 4 ) l一 本文所讨论的实际系统中，设备