n R F24 LU 1+的U S B無線網絡系統設計

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：