作者：李建明；彭建學；于濤 來源：單片機與嵌入式系統應用

引言

隨著個人電腦的發展、 USB（Universal Seral Bus）技術日趨成熟，USB設備也以驚人的速度發展。日常生活里的數碼相機、打印機、掃描儀，醫院里的心電圖機、床邊監護系統，以及圖書館、超市和物流倉庫的有線條碼掃描儀等設備大都使用了USB接口的通信。但是，由于USB的電纜長度受限（一般規定低速電纜長度不超過3 m，全速電纜長度不超過5 m），為使用帶來諸多不便。為了實現數據的高速傳輸，彌補其電纜長度受限的不足，本文給出了基于RF24LU1+的USB接口設備的無線網絡化系統設計方案。

1 系統設計

系統總體框圖如圖1所示。

系統工作原理：首先，將無線收發主機的USB插頭插入PC機的USB插座，實現PC機與無線收發主機的硬件連接；同理，實現無線收發從機與USB設備 i（i=1，…，n）的硬件連接。無線收發主／從機可以根據現實情況采取自供電，或從與其所連的設備獲取供電。接著，PC機實現對無線收發主機的USB枚舉過程；同時，無線收發從機的USB主控單元實現對USB設備的USB枚舉過程。枚舉結束后，建立無線網絡。無線收發主機和每個無線收發從機都設定一個唯一的地址，無線收發主機通過查詢方式與無線收發從機進行通信。無線網絡建立后，通過無線收發主／從機就可以進行USB數據流的無線通信了。

2 硬件電路設計

2．1 nRF24LU1+的芯片結構及特點

nRF24LU1+ 是Nordic半導體公司推出的一款將高性能的射頻收發器和單片USBdongle的功能結合起來的無線收發芯片。nRF24LU1+內含1個增強型的 8051MCU內核、無線收發模塊、符合全速USB 2．0標準的器件控制器、2 KB的片內SRAM、16 KB或32 KB的片內Flash存儲器、6個通用的I／O口以及電壓調整器。nRF24LU1+顯著地增強了抗寬帶干擾和互調失真（IMD）性能。 nRF24LU1+芯片需要的外部元件只是低成本的16 MHz晶振、去耦電路、匹配網絡和天線。VBUS（USB工作電源）工作電壓范圍4．0～5．25 V。nRF24LU1+是單片結構，外形尺寸很小（5 mm×5 mm）。

無線收發器工作于全球開放的2．400～2．483 5 GHz頻段，收發器的通信波特率可以通過軟件設置工作于2 50 kbps、1 Mbps、2 Mbps；使用Enhanced ShockedBust技術可以實現數據包的自動打包／解包和傳輸處理（應答、重傳）；使用MultiCeiver技術可同時支持6個無線裝置，頻段、輸出能量和其他射頻參數可通過射頻寄存器方便地進行編程調節；具有點對多點通信，并且采用AES加密技術實現更安全的數據傳輸；使用超低功耗（ULP）無線技術，0 dBm輸出功率時典型峰值電流為11．1 mA；集成了1個穩壓器，芯片可以直接由USB總線供電。

2．2 ISP1161的芯片結構及特點

ISP1161是Philips公司的一款符合USB2．0總線協議的USB接口芯片。它既帶主機控制器（HC）又帶設備控制器（DC），支持全速／低速傳輸，16位數據總線，支持3．3 V／5 V雙供電方式。ISP1161為USB主機控制器時，提供2個USB設備連接的向下端口。

2．3 帶USB接口的無線收發主機

無線收發主機電路如圖2所示。電路由nRF24LU1+、16 MHz的晶振，以及其他元器件等構成。nRF24LU1+中的MCU負責控制其片內的USB模塊和無線模塊，實現USB數據流到無線數據流的轉換。

2．4 帶USB接口的無線收發從機

無線收發從機與外部USB設備的連接電路如圖3所示。無線收發從機電路由Philips公司的ARM7處理器LPC2103和USB嵌入式主控制器 ISP1161，以及nRF24LU1+和一些外圍器件構成。LPC2103和ISP1161構成USB的主機控制單元（HCU）。ISP1161作為主機控制器時有2個下行端口，分別連接nRF24LU1+的USB口和外部USB設備。nRF24LU1+負責無線數據流到USB數據流的傳輸。HCU負責來自nRP24LU1+的USB數據和外部LISB設備數據的傳輸。

3 USB無線網絡系統的軟件實現

3．1 nRF24LU1+的USB模塊固件程序設計

USB設備的軟件開發包括PC機端的USB設備驅動程序和界面應用程序，以及USB芯片端的芯片固件程序的開發。芯片固件程序是指運行在USB芯片內部的程序代碼，它負責USB協議的處理和USB設備與主機的數據傳輸。芯片固件程序的開發是重點，也是難點。

3．1．1 USB設備的枚舉過程

從終端用戶看，USB系統就是外設通過一根USB電纜和PC機連接起來。USB在外設和PC機之間提供通信服務，通常把外設稱為“USB設備”，把其所連接的PC機稱為“USB主機”。USB使用總線枚舉操作管理USB設備的連接和斷開。以USB設備的連接為例說明枚舉過程。步驟如下：

①USB設備連接在主機或集線器的下行端口上，USB設備上電。

②USB設備的復位。主機應提供至少10 ms的復位恢復時間。復位完成后，USB設備進入缺省狀態，可使用缺省設備地址對管道0的控制事務作出響應。

③主機向USB設備發出Get Descriptor （Device）請求，以取得其缺省控制管道所支持的最大數據包長度。

④主機向USB設備發出SetAddress請求，為其分配一個唯一的設備地址。

⑤主機使用新地址向USB設備發出GetDescriptor（Configuration）請求，并讀取其全部配置信息。該過程需要花費幾ms。

⑥主機根據設備的配置信息（如供應商、產品ID等），為其選擇一個合適的設備驅動程序。通常需要由開發人員自己編寫，有時也可以使用設備類或供應商提供的通用驅動程序。

⑦加載了USB設備驅動程序后，主機發出SetCon-figuration請求為該設備選擇一個合適的配置。配置成功后，枚舉結束，USB設備可以和主機進行數據傳輸了。

3．1．2 USB模塊固件程序設計

nRF24LU1+的USB模塊由2個SFR寄存器和XDATA寄存器組來控制。USB固件程序由2部分組成：USB模塊的初始化程序和中斷服務程序。

（1）USB模塊的初始化程序

關閉USB中斷，調用端點初始化函數USB_endpoint_init（void）設置USB各個端點的傳輸方式、緩存區大小、中斷事件產生條件，調用 USB服務函數USB_setvice（void）為中斷服務程序中調用做準備；打開USB中斷，調用函數 USB_device_connect（void）使得內部的1．5 kΩ上拉電阻連到D+線上，實現全速USB設備的配置。這樣，就可以響應主機的枚舉過程了。

（2）USB模塊的中斷服務程序

USB控制器提供2個中斷信號給nRF24LU1+，分別為喚醒中斷請求USBWU信號和USB中斷請求USBIRU信號。USB中斷請求USBIRQ為 nRF24Lu1+的一個中斷，而USB中斷請求下又有許多中斷，包括：12個塊端點中斷、幀開始中斷（sofir）、掛起中斷（suspir）、USB 復位中斷（uresir）、建立令牌中斷（sutokir）、建立數據有效中斷（sudavir）。如果多個USB中斷同時發生，USB控制器將按優先級次序響應。激活的中斷在中斷向量寄存器ivec中得到，例如sofir中斷時，ivec寄存器的內容為0x04。USB中斷請求USBIRQ的部分程序代碼如下：

3．2 nRF24LU1+的無線模塊程序設計

nRF24LU1+使用具有內嵌的協議引擎（EnhancedShockBurst）2．4 GHz GFSK的RF收發器。EnhancedShockBurst具有自動包處理的特性，這使得實現可靠的雙向數據鏈接變得容易。數據包的傳輸是在兩個收發器之間進行的，其中一個作為主接收器（PRX），另一個作為主發送器（PTX）。每個數據包的傳輸都是由PTX發送數據包開始，而以PTX接收到PRX的應答包結束。在自動包傳輸處理工作時，nRF24LU1+提供了自動應答和重發數據的硬件機制，重發數據包的最大次數和第一次傳輸到下一次重傳之間的延時均可編程設置。

nRF24LU1+發送器在Enhanced ShockBurst情況下的工作流程如圖4所示。

通過把RECON寄存器的rfce位置高使發送器進入PTX模式。如果在TX的FIFO緩存區有數據包，則無線收發器進入TX模式并發送這個數據包。如果自動重新傳輸使能，狀態機檢查NO_ACK標志位是否被置位。如果被置位，RF收發器進入RX模式準備接收應答包。如果收到的應答包為空，則只有 TX_DS（傳輸數據發出）中斷請求發生。如果應答包中包含載荷數據，則在收發器返回standby-I模式之前，TX_DS和RX_DR（接收數據準備）中斷請求同時發生。如果延時時間到了而收發器還沒有收到應答包，則收發器返回到standby-II模式。在自動重新傳輸時間沒到之前，一直保持在 standby-II模式。如果重傳次數沒有達到設定值，則RF收發器進入TX模式并再一次重傳最后一次的數據包；否則，會發生最大重傳MAX_RT中斷請求，并返回到standby-I模式。如果RECON寄存器的rfce位為高且TX FIFO（先入先出數據緩存區）為空，則RF收發器進入standby-I模式。

由于nRF24LU1+的無線收發模塊有強大數據硬件收發機制，編寫程序比較簡單，只需在初始化程序中對相關寄存器進行設置就可進入數據的收發。發送數據時，把待發送的數據放入發送FIFO后，收發器會按照設置進行發送，發送的情況通過中斷來通知MCU，MCU根據具體的中斷請求執行相應的中斷服務程序。接收數據時，收發器會不斷地搜尋有效地址，當找到一個有效地址時，會處理剩下的數據包并通過CRC驗證數據包。如果這個包是有效的，包內的載荷數據將被放入RX FIFO中。

數據包的格式如下：

無線通信程序由兩部分組成：無線通信模塊的初始化程序和中斷服務程序。

初始化程序對工作模式、傳輸速率、無線通信的工作波段頻率、RF輸出功率、地址寄存器、數據包的有效數據長度、CRC的校驗長度和RF中斷寄存器等進行相應的設置。無線通信模塊對nRF24LU1+只占一個中斷源RFIRQ，具體是何種中斷可通過查詢STATUS寄存器中的TX_DS、RX_DR、 MAX_RT位來獲得。中斷服務程序分為發送中斷服務程序、接收中斷服務程序和最大重傳中斷服務程序。

結語

本文提出一種運用無線收發芯片nRF24LU1+組建的無線網絡系統。此網絡系統充分利用USB和無線收發模塊各自的優點實現了快速、便捷的數據傳輸，具有集成度高、體積小、保密性強、功耗低的特點。

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