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和USB接口相結合的方案,。無線傳輸和USB接口在各自的應用領域都不再是新概念,，但將兩者相結合確是一個較為獨特的設計創(chuàng)新。
1 系統(tǒng)結構總體設計
整個設計主要實現基于USB接口的數字無線RF發(fā)送與接收,，系統(tǒng)結構設計如圖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據按照預設的調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制信號解調得到基帶信號,，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(通信參數配置)和數字通信，其二是與USB芯片進行數據傳遞以及對USB接口通信波特率設置,。
2 硬件電路設計與實現
硬件電路按結構與功能分由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,，專為低功耗無線數據傳輸所設計，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制解調器，支持多種不同的調制方式,，其數據傳輸率可達500kbps,，且具有遠程無線喚醒(WOR)功能。RF芯片CC1101采用的是基于0.18μsCMOS晶體的Chipcon的SmartRF04技術,，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的開始和結束時提供靈活的PA功率線性上升或下降,，及ASK調制整形,。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和指數,。基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。理想信道數目由8位信道數目寄存器CHANNR.CHAN設定,。寄存器CHANNR.CHAN為信道偏移的倍數,。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)傳輸時的數據率由MDMCFG3.DRATE_M和MDMCFG4.DRATE_E配置寄存器控制。數據率由下式算得,，控制的數據率由晶體頻率決定,。
下面的方法能用來找到對應于給定數據率的合適的值：
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公司生產的低電壓,，高性能CMOS 8位單片機AT89C51,，它片內含4 KB的Flash和128字節(jié)的數據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,、非易失性存儲技術生產，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電路的數字輸出口,，端口SI和CSn為無線RF電路的數字輸入口,。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,，實現電氣和底層的邏輯功能,，完成上層協(xié)議處理、數據收發(fā)控制以及電壓調節(jié),。
圖中的USB芯片采用的是美國Silicon公司生產的高集成度USB轉UART專用芯片CP2101,，它集成度高，內置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品制造和調試過程中就可以實現對它進行編程)及異步串行數據總線(UART),，內帶電壓調節(jié)器(3.3V輸出),，支持調制解調器全功能信號，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，無需修改現有的軟件和硬件就可以通過USB向基于CP-2101的器件傳輸數據,，大量省去了CP2101系列器件二次開發(fā)的投入,。
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構,，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)調完全由主機控制,，主機采用帶地址碼的數據幀發(fā)送數據或命令,，從站全部都接收，并將接收到的地址碼與本地地址碼比較,，不同則將數據全部丟掉,，不作任何響應。地址碼相同,，則證明數據是給本地的,，從站根據傳過來的數據或命令進行不同的響應，將響應的數據發(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)境和通信參數下做了大量測試,。表1是在下列條件下的測試結果：天線輸入阻抗50Ω,，增益2.5dB；GFSK調制方式,；在開闊地環(huán)境下通信,。
測試結果表明：基于USB接口的嵌入式無線傳輸系統(tǒng)能夠實現在中短距離內準確(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)的數據傳輸。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絡,。