一种基于USB的通用无线传输接口设计
摘 要：本文介绍了一种基于微处理器LPC2210的USB接口的设计，并使用射频收发芯片nRF2401设计了USB接口的无线通信模块。阐述了该系统的工作原理、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。
关键词：LPC2210；USB；nRF2401；CY7C63231
引言
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。
图1 PDIUSBD12与LPC2210连接电路原理图
图2 nRF2401与CY7C63231的连接电路原理图
图3 硬件系统设计框图
图4 USB驱动分层结构图
硬件设计
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，其电路如图1所示；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，其电路如图2所示。两个部分通过USB口相接，整个硬件设计系统框图如图3所示。
图1中，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。
由图1可知，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；PDIUSBD12的AD0连接到LPC2210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。
表1 USB驱动程序软件包6个API函数
图2为射频芯片nRF2401与CY7C63231的连接电路原理图。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CY7C63231的P0引脚控制完成，其连接方式如图中标号所示。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。
软件设计
PDIUSBD12驱动软件构架
为了增强驱动软件的可移植性，且容易维护，采用分层的方法编写PDIUSBD12的驱动程序。在LPC2210应用C/OS-II操作系统的基础上综合考虑USB协议、PDIUSBD12硬件接线、C/OS-II的结构来组织驱动软件的构架，图4所示为USB驱动程序软件分层结构。
USB驱动程序软件包提供给用户6个API函数，这6个函数都在USB应用层中定义。这6个函数如表1所示。
下面以接收和发送数据任务为例来说明怎样使用表1的API函数，例子演示了一个任务，从端点2发送1024个字节。部分源代码如下：
#define RW_NUMS 1024 //任务收发数据字节数
void TaskRec1(void *pdata)
{ #if OS_CRITICAL_METHOD == 3 /* Allocate storage for CPU status register */
OS_CPU_SR cpu_sr;
#endif
INT8U Buff[RW_NUMS]; //接收及发送缓冲区
INT8U ack = 0x01; //应答主机数值
INT8U err; //函数返回值
pdata = pdata; /* Prevent compiler warning */
for (;;){
OSSemPend(TaskRec1_Sem,0,&err); //等待TaskStart的命令
err = WritePort1(1,&ack,200); //应答USB主机
if (err == USB_NO_ERR){
//应答正确
err = ReadPort2(RW_NUMS, Buff,200); //接收数据
OSTimeDly(1);
//延时一个时钟周期
if (err == USB_NO_ERR){
//接收正确
Buff[0] = OSPrioCur;
//标识该任务
err = WritePort2(RW_NUMS, Buff,200); //发送数据
}
}
}
}
CY7C63231软件设计
USB外围控制器CY7C63231控制nRF2401，同时与LPC2210的USB口相连，实现无线数据的接收和发送。nRF2401可以接收两个频段的数据，以接收无线数据为例，CY7C63231的程序主要分为：主程序UsbTaskLoop，它是一个无限循环，仅仅在中断的时候跳出，程序检测nRF2401的DR1和DR2引脚，当DR1上的电平为高时，产生中断，跳到Receivech1子程序，当DR2上的电平为高时，产生中断，跳到Receivech2子程序；USBSend程序负责从端口1向上位机发送数据；WaitforAck程序等待上位机对端口1的应答信号；Receivech1和Receivech2程序分别从nRF2401的通道1和通道2接收数据，最后调用DATAOUT，把数据传给上位机；DATAOUT程序将接收到的字节发送给上位机，然后调用WaitforAck；Prg2401程序段负责对nRF2401进行操作控制，能够通过设置不同的参数使nRF2401工作在三种不同的工作模式。限于篇幅，该部分的程序源代码不在此详述。
结语
本系统采用32 位嵌入式微处理器进行核心控制，采用C/OS-II作为操作系统，具有强大的数据处理能力。本系统可以通过无线局域网进行无线传输，并且可在ARM 中对无线接收的数据进行处理，以进一步应用于图像处理、智能监控，以及远程电视/电话会议等。