摘 要：基于USB控制器芯片CY7C68013A和無線射頻芯片nRF2401，設(shè)計(jì)了一種無線USB接口的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹無線USB接口的軟硬件設(shè)計(jì)。與采用多芯片實(shí)現(xiàn)USB接口的系統(tǒng)相比，使用單芯片完成USB接口的設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性。下位機(jī)由FPGA作為主控芯片，使得硬件設(shè)計(jì)更加靈活，提高了硬件部分的可移植性。該系統(tǒng)具有USB接口所支持的可熱插拔、即插即用的特點(diǎn)，并且實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無線傳輸，無需布置通信電纜。

關(guān)鍵詞：無線USB;CY7C68013A;nRF2401;FPGA

中圖分類號(hào)：TL82文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1004373X(2008)1904902

Data Transmission System Based on Wireless USB

WANG Meng1，ZHAO Shujun1，SHAN Baoci2

(1.Zhengzhou University，Zhengzhou，450001，China；2.Institute of High Energy Physics，Chinese Academy of Sciences，Beijing，100049，China)

Abstract：Based on USB controller CY7C68013A and radio frequency chip nRF2401，a data transmission system with wireless USB interface is designed，and the hardware software design of wireless USB interface is introduced.Comparing to the system of using multi-chip to realize USB interface，using single chip to design the USB interface enhances reliability of the system.Adopting FPGA as the down-side machine can improve flexibility and portability of hardware design.This system supports hot plug and play of USB interface，and also realizes wireless transmission for data without communication cable.

Keywords：wireless;USB;CY7C68013A;nRF2401;FPGA

USB(Universal Serial Bus，通用串行總線)作為計(jì)算機(jī)和外設(shè)之間的標(biāo)準(zhǔn)接口，因其使用方便、傳輸速度快、支持熱插拔等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到了消費(fèi)電子、移動(dòng)通信、工業(yè)控制及儀器儀表等諸多領(lǐng)域。 但是在不宜布置通信電纜的場合，有線USB通信就受到了限制。為此，本文提出了一種使用USB接口進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆桨浮?/p>

1 硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)由兩部分組成。由CY7C68013A和nRF2401組成模塊一，并將該模塊與計(jì)算機(jī)的USB接口相連，nRF2401用來完成數(shù)據(jù)的無線發(fā)射和接收，CY7C68013A作為nRF2401和計(jì)算機(jī)USB接口的紐帶，用來實(shí)現(xiàn)USB通信功能;由Xilinx公司的FPGA芯片XC2VP4-5FG256C和另外一片nRF2401組成模塊二，nRF2401用來完成數(shù)據(jù)的無線發(fā)射和接收，由FPGA將數(shù)據(jù)發(fā)送給nRF2401或讀取nRF2401的數(shù)據(jù)。圖1中的雙向箭頭表示數(shù)據(jù)通信是雙向的。整個(gè)數(shù)據(jù)通信的流程如下：模塊二中的FPGA將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給nRF2401，nRF2401以2.4 GHz的基頻將此數(shù)據(jù)調(diào)制成高頻電磁波發(fā)射出去，計(jì)算機(jī)端模塊二上的nRF2401將接收此高頻電磁波并進(jìn)行解調(diào)，然后將解調(diào)后的數(shù)據(jù)通過CY7C68013A發(fā)送給計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)端的數(shù)據(jù)可通過與此相反的方向?qū)?shù)據(jù)發(fā)送給FPGA。

1.1 FPGA與nRF2401的數(shù)據(jù)接口

nRF2401上電以后有4種工作模式，分別為：收發(fā)模式、配置模式、空閑模式和關(guān)機(jī)模式。這4種工作模式由PWR，CE，CS三個(gè)引腳的電平?jīng)Q定，如表1所示。nRF2401內(nèi)部有兩個(gè)數(shù)據(jù)通道，并且兩個(gè)通道能同時(shí)工作用來提高數(shù)據(jù)傳輸速率。CLK1為nRF2401通道一收發(fā)數(shù)據(jù)的時(shí)鐘， DR1為通道一接收數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好的狀態(tài)指示信號(hào)， DATA為通道一的數(shù)據(jù)線。以上6個(gè)信號(hào)可以與XC2VP4-5FG256C的任意6個(gè)用戶可用引腳相連，在FPGA代碼編寫完成后，通過Xilinx開發(fā)軟件ISE的管腳約束選項(xiàng)將這6個(gè)信號(hào)指定到相應(yīng)的引腳即可。XC1，XC2外接16 MHz晶振，ANT1，ANT2為nRF2401的天線接口。

1.2 CY7C68013A與nRF2401的數(shù)據(jù)接口

CY7C68013A 的D口與nRF2401相連，如圖3所示。CY7C68013A是Cypress公司推出的集成USB 2.0接口的微控制器，該芯片具有一種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，使USB接口和應(yīng)用環(huán)境直接共享FIFO(先入先出存儲(chǔ)器)，而微控制器可不參與數(shù)據(jù)傳輸，但允許以FIFO或RAM的方式訪問這些共享FIFO，這一結(jié)構(gòu)較好地解決了USB高速傳輸?shù)膸拞栴}。

2 軟件設(shè)計(jì)

通過此無線USB接口，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)接收FPGA發(fā)送的數(shù)據(jù)的功能。整個(gè)系統(tǒng)軟件包括以下幾個(gè)部分：計(jì)算機(jī)端USB接口的驅(qū)動(dòng)程序以及應(yīng)用程序、USB控制器芯片CY7C68013A固件程序和FPGA配置nRF2401，并發(fā)送數(shù)據(jù)給nRF2401的Verilog HDL程序。

FPGA端的Verilog HDL程序流程圖如圖4所示。配置nRF2401就是往nRF2401寫入18 B的配置字，主要作用是：設(shè)置發(fā)送數(shù)據(jù)的長度、數(shù)據(jù)通道的地址；啟用CRC校驗(yàn)并設(shè)置CRC校驗(yàn)?zāi)Ｊ?，nRF2401使用硬件對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)以保證傳輸?shù)臏?zhǔn)確性；設(shè)置nRF2401外接晶振的頻率，信號(hào)發(fā)射的功率、速率及發(fā)射模式。nRF2401支持兩種信號(hào)發(fā)射速率，分別為250 kb/s和1 Mb/s，本系統(tǒng)選用250 kb/s的信號(hào)發(fā)射速率。nRF2401的收發(fā)模式有ShockBurstTM收發(fā)模式和直接收發(fā)模式兩種。ShockBurstTM收發(fā)模式下數(shù)據(jù)從外部控制器輸入，但高速發(fā)射、與射頻協(xié)議相關(guān)的高速信號(hào)處理都在nRF2401內(nèi)部進(jìn)行，這樣信號(hào)在空中的滯留時(shí)間短，抗干擾性強(qiáng)。采用ShockBurstTM收發(fā)模式時(shí)，nRF2401自動(dòng)處理數(shù)據(jù)包的字頭(地址)和CRC校驗(yàn)碼。為此，采用ShockBurstTM收發(fā)模式進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。在數(shù)據(jù)發(fā)送階段，配置階段寫入nRF2401的配置字決定了發(fā)送的數(shù)據(jù)包的長度為32字節(jié)，前兩字節(jié)為地址，接下來的28字節(jié)為數(shù)據(jù)，最后兩字節(jié)為CRC校驗(yàn)碼(由nRF2401自動(dòng)生成)。

CY7C68013A內(nèi)部集成了USB收發(fā)器、串行接口引擎SIE以及增強(qiáng)型的8051單片機(jī)，USB收發(fā)器將CY7C68013A的數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)的USB總線上，串行接口引擎SIE用于處理與USB協(xié)議相關(guān)的操作，8051單片機(jī)用于CY7C68013A與外部器件的接口。CY7C68013A的固件程序由Keil μVision開發(fā)。固件程序的實(shí)現(xiàn)過程如下：首先設(shè)置與USB傳輸相關(guān)的寄存器；接著檢測nRF2401 DR1引腳的電平，當(dāng)DR1為有效電平時(shí)，說明nRF2401已接收到有效數(shù)據(jù)，CY7C68013A在CLK1的上升沿讀取nRF2401的數(shù)據(jù)，最后將讀到的數(shù)據(jù)存入塊端點(diǎn)緩沖區(qū)以等待計(jì)算機(jī)讀取。

計(jì)算機(jī)USB的驅(qū)動(dòng)程序采用CY7C68013A的生產(chǎn)商Cypress公司提供的通用驅(qū)動(dòng)cyusb.sys，計(jì)算機(jī)通過cyusb.inf安裝cyusb.sys驅(qū)動(dòng)程序， cyusb.inf文件里CY7C68013A的產(chǎn)品序列號(hào)和版本號(hào)必須與固件程序里的一致。計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序里必須包含頭文件cyapi.h和 cyioctl.h，并連接cyapi.lib才能通過驅(qū)動(dòng)程序cyusb.sys對(duì)CY7C68013A進(jìn)行操作。應(yīng)用程序首先生成一個(gè)USB設(shè)備類的對(duì)象，然后打開設(shè)備并調(diào)用讀塊端點(diǎn)的API 函數(shù)讀取CY7C68013A塊端點(diǎn)中的數(shù)據(jù)。

3 結(jié) 語

無線USB接口實(shí)現(xiàn)了USB接口和無線通信兩大功能。在USB接口部分采用集成8051內(nèi)核的USB控制器，簡化了硬件設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性。在FPGA外圍擴(kuò)展ＡＤ轉(zhuǎn)換電路，就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)帶有無線USB接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

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作者簡介

王 錳 男，1983年出生，鄭州大學(xué)碩士研究生。主要研究方向?yàn)楹酸t(yī)學(xué)儀器與方法。

趙書俊 男，1960年出生，鄭州大學(xué)博士生導(dǎo)師。

單保慈 男，1965年出生，中科院高能物理研究所博士生導(dǎo)師。