基于USB接口的嵌入式無線傳輸系統(tǒng)設計在涉及通信接口時，為了解決PC機串口和并口嚴重不足的問 題以及方便儀器設備之間的連接，提出了無線傳輸技術(shù)和USB接口相結(jié)合的方案。無線傳輸和USB接口在各 自的應用領域都不再是新概念，但將兩者相結(jié)合確是一個較為獨特的設計創(chuàng)新。

　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設計

　　整個設計主要實現(xiàn)基于USB接口的數(shù)字無線RF發(fā)送與接收，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計如圖1所示，可分為3大部分： 無線RF電路、微控制器電路、USB接口電路。

　　無線RF電路的主要功能是將從微控制器送來的數(shù)據(jù)按照預設的調(diào)制格式送到天線激勵電磁波發(fā)射，并 將從天線接收到的調(diào)制信號解調(diào)得到基帶信號，再送給微控制器。微控制器（AT89C51）電路是整個設計系 統(tǒng)的控制核心，是RF電路與USB接口之間的通信橋梁，同時也是RF電路的控制芯片，這部分需完成兩大功 能：其一是對RF芯片進行寄存器配置（通信參數(shù)配置）和數(shù)字通信，其二是與USB芯片進行數(shù)據(jù)傳遞以及對 USB接口通信波特率設置。

　　2 硬件電路設計與實現(xiàn)

　　硬件電路按結(jié)構(gòu)與功能分由3部分組成：無線RF電路、微控制器接口電路、USB接口電路。

　　2.1 無線RF電路

　　基于CC1101的無線RF電路設計如圖2所示。

　　CC1101是TI公司生產(chǎn)的一款高集成度、高靈敏度、多通道UHF收發(fā)機，專為低功耗無線數(shù)據(jù)傳輸所設 計，特別是用在315/433/868/915 MHz頻點的ISM（工業(yè)、科學、醫(yī)療）和SRD（短距離設備）領域。它的RF收發(fā) 器集成了一個配置非常靈活的調(diào)制解調(diào)器，支持多種不同的調(diào)制方式，其數(shù)據(jù)傳輸率可達500 kbps，且具 有遠程無線喚醒（WOR）功能。RF芯片CC1101采用的是基于0.18靤CMOS晶體的Chipcon的SmartRF04技術(shù)，它資源開放性非常好，外圍電路設計簡單，特別是這款RF芯片的輸出功率、載波頻率、通信波特率可由控制 芯片對相關寄存器編程更改，設計與應用非常靈活。

　　2.1.1 輸出功率調(diào)節(jié)

　　來自設備的RF輸出功率等級有兩個可程控等級。

　　首先，專用的PATABLE寄存器能保持8個用戶（PATABLE（0）～PATABLE（7））選擇輸出功率設定。然后，3位 FREND0.PA_POWER［2：0］值選擇PATABLE使用入口。這個兩級功能在傳輸?shù)拈_始和結(jié)束時提供靈活的PA功率 線性上升或下降，及ASK調(diào)制整形。在每種情況下，PATABLE中序號0～FREND0.PA_POWER的所有PA功率設定 值都會用到。

　　2.1.2 載波頻率控制

　　CC1100的頻率控制用來最小化一個信道導向系統(tǒng)需要的設計。為了建立一個帶信道數(shù)目的系統(tǒng)，理想 信道間隔由MDMCFG0.CHANSPC_M和MDMCFG1.CHANSPC_E寄存器設定。信道間隔寄存器分別為尾數(shù)和指數(shù)?；?頻率和起始頻率由位于FREQ2、FREQ1和FREQ0寄存器的24位頻率詞匯設定。這個詞匯典型地設定為將要使用 的最低信道頻率的中心。理想信道數(shù)目由8位信道數(shù)目寄存器CHANNR.CHAN設定。寄存器CHANNR.CHAN為信道 偏移的倍數(shù)。合成載波頻率為（式中的fxosc晶振選用的頻率為26MHz）：

　　選定的fIF（中間頻率）由FSCTRL1.FREQ_IF寄存器控制：

　　2.1.3 通信波特率設置

　　系統(tǒng)傳輸時的數(shù)據(jù)率由MDMCFG3.DRATE_M和MDMCFG4.DRATE_E配置寄存器控制。數(shù)據(jù)率由下式算得，控 制的數(shù)據(jù)率由晶體頻率決定。

　　下面的方法能用來找到對應于給定數(shù)據(jù)率的合適的值：

　　若DRATE_M靠近其最近的寄存器而且接近256，則增加DRATE_E，使DRATE_M為0。

　　2.2 微控制器接口電路

　　微控制器接口電路設計如圖3所示。整個控制電路的核心即MCU選用的是Atmel公司生產(chǎn)的低電壓，高性 能CMOS 8位單片機AT89C51，它片內(nèi)含4 KB的Flash和128字節(jié)的數(shù)據(jù)RAM，提供5個中斷源并支持兩級中斷嵌 套，擁有一個全雙工串行通信口，器件采用高精度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)。

　　整個系統(tǒng)采用的是上電復位，與基于USB接口即插即用的特性非常吻合。圖中D1和D2兩個LED為整個模 塊的通信指示燈，分別接單片機的P1.6和P1.7，工作狀態(tài)由編程控制;J1為微控制器與無線RF電路的接口， 其中SCLK為RF芯片CC1101的時鐘輸入信號，接單片機P1.0與單片機時鐘同步，端口SO（GDO1）、GDO0、還有GDO2為無線RF電路的數(shù)字輸出口，端口SI和CSn為無線RF電路的數(shù)字輸入口。微控制器除了為RF電路提供控 制以外，還預留了鍵盤輸入與液晶顯示端口，為以后的需求作鋪墊。

　　2.3 USB接口電路

　　USB接口電路（如圖4所示）完成了系統(tǒng)和計算機或設備端的物理連接，提供總線的硬件收發(fā)接口，實現(xiàn) 電氣和底層的邏輯功能，完成上層協(xié)議處理、數(shù)據(jù)收發(fā)控制以及電壓調(diào)節(jié)。

　　圖中的USB芯片采用的是美國Silicon公司生產(chǎn)的高集成度USB轉(zhuǎn)UART專用芯片CP2101，它集成度高，內(nèi) 置USB2.0全速功能控制器、USB收發(fā)器、晶體振蕩器、EEPROM（EEPROM可以通過USB在應用板上進行編程這使 得在產(chǎn)品制造和調(diào)試過程中就可以實現(xiàn)對它進行編程）及異步串行數(shù)據(jù)總線（UART），內(nèi)帶電壓調(diào)節(jié)器（3.3V 輸出），支持調(diào)制解調(diào)器全功能信號，無需任何外部的USB器件，功能強大且占用空間非常小。

　　利用CP2101設計的工作電路有很大的優(yōu)越性，它只需使用USB接口就可以完成提供TTL電源、串行口通 信、IAP編程及復位信號控制，減少了計算機與外設之間的接口。使用CYGNAL免費提供的器件驅(qū)動程序 CP2101可以很容易地將PC的USB口虛擬成COM口。虛擬COM口的器件驅(qū)動程序允許一個基于CP2101的器件以PC 應用軟件的形式，作為一個增加的COM口獨立于任何現(xiàn)有的硬件。COM口使用運行在PC上的應用軟件，以訪 問一個標準硬件COM口的方式訪問基于CP2101的器件。因此，無需修改現(xiàn)有的軟件和硬件就可以通過USB向 基于CP-2101的器件傳輸數(shù)據(jù)，大量省去了CP2101系列器件二次開發(fā)的投入?！?/p>

　　3 軟件設計

　　由于RF芯片CC1101優(yōu)秀的接收器選擇性和模塊化性能，整個系統(tǒng)的通信協(xié)議可以人為編程設定。在無 線傳輸系統(tǒng)之間的通信中大多采用主從式結(jié)構(gòu)，主機和從機之間的通信都是采用查詢中斷方式進行，它的 通信信道是半雙工的，最適合點對點、點對多點的通信方式。

　　點對多點多機通信的多機通信方式首先需要設一個主機，其余為從機，所有主從機都編一個唯一的地 址。通信的協(xié)調(diào)完全由主機控制，主機采用帶地址碼的數(shù)據(jù)幀發(fā)送數(shù)據(jù)或命令，從站全部都接收，并將接 收到的地址碼與本地地址碼比較，不同則將數(shù)據(jù)全部丟掉，不作任何響應。地址碼相同，則證明數(shù)據(jù)是給 本地的，從站根據(jù)傳過來的數(shù)據(jù)或命令進行不同的響應，將響應的數(shù)據(jù)發(fā)送回去。這些工作都需要采用上

　　層通信協(xié)議來完成，并可保證在任何一個瞬間，通信網(wǎng)中只有一對電臺處于通信狀態(tài)，以免相互干擾。

　　4 系統(tǒng)測試及結(jié)論

　　基于USB接口的嵌入式無線傳輸系統(tǒng)的整個電路設計集于一塊PCB板上，由于采用了極低功率和具有同 類芯片中性能極佳的UHF無線收發(fā)器CC1101，結(jié)合高度集成的USB收發(fā)器CP2101，使整個系統(tǒng)模塊幾乎不需 要外部器件，體積小，傳輸距離遠。為了避免高頻收發(fā)信號會對MCU產(chǎn)生干擾，所以無線RF電路必須外加金 屬罩屏蔽。系統(tǒng)設計在利用LNA（低噪聲放大器）和可編程PA（功率放大器）模塊在不同環(huán)境和通信參數(shù)下做了 大量測試。表1是在下列條件下的測試結(jié)果：天線輸入阻抗50？，增益2.5 dB;GFSK調(diào)制方式;在開闊地環(huán)境 下通信。

　　測試結(jié)果表明：基于USB接口的嵌入式無線傳輸系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在中短距離內(nèi)準確（在信道誤碼率為10-3 時，可得到實際誤碼率低于10-5）、穩(wěn)定（可長時間抗干擾通信）、高速（最高傳輸率可達500 kbps）的數(shù)據(jù)傳 輸。它的電路設計簡單實用，成本低，功耗低，能提供256個通信信道，且各項通信指標良好，具有非常好 的實用性。此設計模塊已成功應用于無線傳感器網(wǎng)絡。