基于nrf2401usb串口ppt
基于USB的无线数据接收器 本章导读 本章将介绍一种基于USB的无线数据接收器系统设计的全过程，其中包括了系统方案的设计和各模块芯片的选型、硬件的制作、软件程序的编写及系统的调试等4个完整的系统设计步骤。6.1 设计任务书 在系统开始设计之前，设计者需要了解本系统设计的目的、意义，有关的要求以及整个设计的时间安排，这样才能做到有目的有计划的完成系统设计。6.1.1 设计的目的与意义 设计的目的：根据无线RF和USB数据传输的特点，完成PC机与数据发生器之间的有效数据传输，能够完成数据发生器对PC机的无线鼠标操作功能。 设计的意义：如今很多场合需要对电脑进行远距离无线操作和数据传输。例如：无线打印机、无线鼠标、无线移动硬盘等。而USB接口具有热插拔、即插即用等特点，使用非常方便，所以设计一个基于USB接口的无线数据接收系统很有意义。并且只要将此系统应用于合适的场合，则会实现设备预想中的功能。由此可见，随着无线通信的发展，本系统的使用领域也将越来越广，PC机周围繁多的电缆线也将得到改观。6.1.2 设计的要求 1. 完成硬件设计及制作并编写相关的软件程序。 2. 完成系统调试，使系统能正常工作。6.1 设计任务书v6.1.3 设计及论文的时间安排 第一部分 阅读相关资料（2周）。 第二部分 设计系统的总体方案并完成芯片的选型工作（4周）。 第三部分 绘制PCB版图并完成元器件的焊接（3周）。 第四部分 编制相应的软件程序（2周）。 第五部分 系统各部分分开调试以及系统总体联调（3周）。 第六部分 完成论文写作准备答辩（2周）。v6.1.4 摘要 通信是信息交互的平台，传统的电缆通信存在着布线的困难，USB接口技术具有支持热插拔，即插即用等优点。因此本文设计了一种基于USB的无线链路系统，能将无线接收模块接收到的数据通过USB接口传送给PC机。 本设计采用ADI公司的高性能单片机AduC845作为主控制器，实现了将无线收发芯片nRF2401接收到的数据通过USB芯片CH375转为具有USB协议的数据包并传输给PC机，对PC机进行操作。 本论文对该系统的设计方案、器件选择、设计过程和系统的设计调试等一系列过程做出了较为详细的说明。 6.2 引言 本课题研究来源于生活，具有很大的实用性，下面将讲述本课题的研究背景以及本论文研究的主要内容。 v6.2.1 研究背景 随着电子技术的发展，PC机接口种类越来越丰富，能够连接的外围设备也越来越多，但是这些外围设备与PC机都是通过电缆线来连接的，因此，PC机要完成更多的功能、就需要用更多的电缆线与外围设备（如打印机、移动硬盘、音箱、手柄等）连接。这样对PC机使用方便程度及其美观度都有一定的影响。所以设计一种无线接收器，使PC机外设与PC机之间的连接仅需无线传输就能完成是非常有用的。 USB接口易于扩充多个外围设备；价格低廉，支持12M比特率的数据传输；对音频和压缩视频等实时数据传输充分支持；协议灵活，综合了同步和异步数据传输；兼容了不同设备的技术；综合了不同PC机的结构和体系特点；提供一个标准接口，广泛接纳各种设备；赋予PC机新的功能，使之可以接纳许多新设备。这些优点使USB接口成为了PC机上必备的外围接口之一。由于其可即插即用，使用非常方便，因此，综合考虑，设计一个基于USB接口的无线数据接收器具有很大的实用价值。 6.2 引言v6.2.2 本文研究的主要内容 本课题利用单片机ADuC845、USB芯片CH375以及无线收发芯片nRF2401设计了一个具有无线数据接收功能的系统，其主要工作有：l 设计一个合理的总体系统方案。l 了解单片机，USB芯片以及无线收发芯片的选型要求，完成本系统各部分元器件的选型。l 完成PCB板的设计和各元器件的焊接。l 完成本系统软件的设计和编写。l 对每个模块分别进行调试，证明各部分系统设计的合理性与正确性。最后对整个系统完成总体调试，证明整个系统设计的正确性。6.3 系统方案论证与芯片选型 系统方案设计的是否恰当决定了整个系统的可实现性及其完成后的性能。为了可以高指标，高稳定的实现系统设计，就必须要对系统的设计方案进行权衡与综合，它既要考虑到使设计满足设计要求，又要考虑到系统的可行性和易行性。所以系统方案的论证显得尤为重要。本节首先介绍本系统总体方案的设计，然后详细说明本系统中每个功能模块的设计方案。 v6.3.1 总体方案设计 基于USB接口的无线数据链路系统的总体方案设计如下图所示。该系统主要由PC机，USB芯片，单片机最小模块，射频接收端四个部分组成。当射频信号接收端接收到符合格式的有效数据包后，将通知单片机读取数据，单片机将数据通过USB接口芯片转换为符合USB协议规定的数据包然后送给PC机。这样，整个系统就完成了一个数据包的数据传输过程。 6.3 系统方案论证与芯片选型v6.3.2 各个模块方案论证及芯片选型 1. 单片机控制模块 2. 无线接收模块 无线收发芯片的种类和数量很多，如何在设计中选择所需要的芯片是非常关键的，正确的选择需要考虑如下因素： 1）收发芯片的数据传输编程是否方便 2）收发芯片所需的外围元件数量 3）发射功率 4）收发芯片的封装和管脚数 3. USB接口芯片模块 按芯片结构的不同，一般可以把USB接口芯片分为两种类型： 1）典型器件有CYPRESS公司的EZUSB系列芯片，Atmel的AT43USB321等。 2）典型器件有Philips公司的PDIUSBD12，以及National Semiconductor 公司的USBN9602等。 6.4 硬件电路设计 系统硬件电路的设计是本系统设计实现的基础，也是难点。本节由电源模块设计，单片机最小模块设计，USB接口芯片模块设计，射频接收模块设计，串口调试模块设计五部分组成。文中给出了各模块的原理图，并进行了相关的介绍。 v6.4.1 电源模块设计 电源是整个系统的动力，也是整个系统最基础的部分。如果电源部分设计的不好将会给系统造成毁灭性的打击。 该系统设计的总电源由USB总线接口提供5V电源，但是由于本系统在设计中对USB接口芯片CH375选择3.3V供电，因此与其相连的其他电路供电不能超过3.3V，同时nRF2401也需要供3.3V左右的电源，因此本系统将全部采用3.3V电源对每个芯片进行供电。这就需要做一次电源的DC-DC变换。考虑到单片机系统属数字系统，以尽量不引入干扰为前提，本设计采用TI公司生产的，较为常用的线性电压变换芯片REG1117-3.3实现5V电压到3.3V电压变换的实现。 电源部分的电路设计如下图所示。图中的四个电容均起着电源滤波的作用，大电容滤除低频纹波，小电容滤除高频纹波。这两个滤波电容的值一般选取为10uF和0.1uF，在对各个芯片进行供电时，需要在其引脚附近加0.1uF的电容作退藕处理，在PCB布局安放中应离芯片足够近。 6.4 硬件电路设计6.4.2 单片机模块设计 单片机是本系统的控制核心，因此单片机模块的设计也是本系统硬件设计最核心的部分，这部分设计的成功与否决定了整个电路板是否能够实现。 本系统单片机模块原理图如下图所示。 6.4 硬件电路设计6.4 硬件电路设计v 6.4.3 USB接口芯片模块设计 从本章第三节中已知本系统所选用的USB芯片为CH375。CH375是一个USB总线的通用接口芯片，支持USB-HOST主机方式和USB-DEVICE/SLAVE设备方式。在本地端，CH375具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便地挂接到单片机/DSP/MCU/MPU等控制器的系统总线上。在USB 主机方式下，CH375还提供了串行通讯方式，通过串行输入、串行输出和中断输出与单片机/DSP/MCU/MPU 等相连接。 本系统的USB芯片模块电路图如下图所示。 6.4 硬件电路设计6.4 硬件电路设计v6.4.4 无线接收模块设计 nRF2401是单片射频收发芯片，其最小模块设计如下图所示。nRF2401具有两个收发通道。其中DR1，CLK1和DATA属于第一通道的接收数据中断引脚、输入输出时钟信号引脚、数据输入输出引脚，分别由单片机I/O口控制，在单片机模块设计中有一定的介绍。DR2 、CLK2 、DOUT2引脚分别属于第二通道的接收数据中断引脚、输入输出时钟信号引脚和数据输入输出引脚。CE、CS分别为芯片片选与配置模式选择引脚。PWR_UP引脚是上电引脚，只有当PWR_UP引脚为高电平时芯片才能正常工作，在本设计中此引脚由ADuC845控制。ANT1和ANT2引脚为天线接口，XC1和XC2间需要连接16MHZ的晶振。 6.4 硬件电路设计6.4 硬件电路设计v6.4.5 串口调试模块设计 ADuC845通过UART串行口下载程序代码。在单片机复位和上电之前，将PSEN引脚通过外部1k下拉电阻拉至低电平，则ADuC845在复位和上电后进入串行下载模式。所以串口设计成功与否决定了ADuC845能否成功地下载程序。 本系统串口设计采用的max3232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的接口芯片，供电电压为5V或3.3V（本系统设计中采用3.3V），耗电0.3mA，外接四个0.1uF电容。其电路图如下图所示。6.5 系统软件各模块设计 软件系统是整个系统设计的灵魂。6.4节对硬件系统的设计进行了详细的描述，在此基础上，软件系统实现了对各个硬件模块的软件驱动与总体控制。 不同的硬件模块（包括串口调试模块、无线接收模块、USB接口芯片模块）都应有相应的软件驱动模块，实现单片机对这些硬件模块的控制。本节将详细介绍本系统软件模块的设计流程和每个模块软件编程的特点。 v6.5.1 程序设计流程 本系统的程序设计总体流程是通过USB接口芯片，将无线接收模块收到的数据转换为具有USB协议规定格式的数据包，然后传送给电脑，实现对PC机的无线数据接收，与此同时对PC机进行控制。整个系统软件包括以下几个分散的模块：l 单片机配置CH375使其与PC机进行握手，与PC机进行数据传输的子程序。l 单片机配置nRF2401并通过nRF2401接收数据给单片机的子程序。l 通过串口收发数据最后完成程序下载的子程序。6.5 系统软件各模块设计 最后再由一个主程序将这三个模块联系起来实现整个系统预期实现的功能。 系统的主要功能是通过main主程序来实现的。单片机的主程序本身就是一个无限循环函数，在主程序中所要完成的功能就是不断调用三个子程序模块中的子函数，实现检测nRF2401是否收到数据，如果收到数据即读出此数据，一方面将数据送给串口，通过串口调试助手软件观察所收到的数据与发送数据是否一致。一方面将此数据通过USB芯片打包成具有USB数据包格式的数据传送给PC机，实现对PC机的鼠标操作。本系统的主函数流程图如图下所示。 6.5 系统软件各模块设计v 6.5.2 无线接收模块的程序介绍 nRF2401共有四种工作方式，分别为收发模式，配置模式，空闲模式和掉电模式。其引脚设置如下表所示。 工作模式收发模式配置模式空闲模式掉电模式PWR1110CE100XCS010X6.5 系统软件各模块设计v6.5.3 USB接口模块的程序介绍 CH375一共有三个端点，其中端点0的接收缓冲区和发送缓冲区各是8个字节。SETUP事务和OUT事务使用同一个接收缓冲区，但是使用不同的事务应答方式。端点1包括上传端点和下传端点，上传和下传缓冲区各是8个字节，上传端点的端点号是81H，下传端点的端点号是01H；端点2包括上传端点和下传端点，上传和下传缓冲区各是64个字节，上传端点的端点号是82H，下传端点的端点号是02H。 在外部固件模式下，端点0作为默认端点，端点1和端点2可以根据USB产品的需要选择使用，并且可以由外部固件提供的描述符分别定义其用途。通常情况下，端点2作为数据传输的主端点，如果USB产品需要，可以将端点1作为辅助端点。 驱动的安装与初始化是由CH375内置USB固件实现的，不需要单片机的任何干预，而USB数据通讯需要由单片机收到USB中断
