無線和有線USB接口共存的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)
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電子技術(shù)和芯片技術(shù)的發(fā)展使得數(shù)字系統(tǒng)運(yùn)行的速度越來越快，設(shè)備內(nèi)部和設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換對高速、實(shí)時(shí)、突發(fā)的要求越來越高?？偩€技術(shù)是數(shù)據(jù)交換的必要環(huán)節(jié)。早期的總線傳輸一般是串行方式，一些串行總線已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)，非常適合語音和控制信號的低速數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸速率一般低于1 Mbps。這類總線包括RS232、I2C、SPI、I2S等，特點(diǎn)是引線少、速率低。并行總線由于線數(shù)多，可以從8位擴(kuò)充到16位、32位和64位，甚至更高，使得數(shù)據(jù)傳輸速率成倍提高。但由于布線的差異以及干擾的存在，使得其數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐綍r(shí)鐘速率很難超過150MHz。差分串行總線能夠解決布線差異引起的問題，并具有較高的抗干擾性能，使得串行總線的傳輸速率得到迅速的提高。USB總線就是一種差分的串行總線，其速率可以達(dá)到480 Mbps，已經(jīng)得到非常廣泛的應(yīng)用。
很多設(shè)備的應(yīng)用場合中，設(shè)備之間的連接非常困難甚至不能實(shí)現(xiàn)，基于無線總線的數(shù)據(jù)傳輸從而得到發(fā)展和應(yīng)用。無線總線包括藍(lán)牙、無線網(wǎng)卡、無線傳感器等。無線USB(Wireless Universal Serial Bus，WUSB)也是這樣的一種無線總線技術(shù)。由于現(xiàn)有設(shè)備的存在，使得單一的WUSB設(shè)備不能直接和現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行交互。為了解決WUSB向有線USB兼容的問題，需要研制同時(shí)具有WUSB和USB功能的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)單一的WUSB設(shè)備和單一的USB設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。本文研制了一種有線和無線USB共存的系統(tǒng)，使用Cypress公司的CY-WUSB6935實(shí)現(xiàn)WUSB的數(shù)據(jù)收發(fā)，使用該公司的CY7C68013實(shí)現(xiàn)有線USB的數(shù)據(jù)收發(fā)，同時(shí)使用DSP實(shí)現(xiàn)兩者之間的控制和數(shù)據(jù)處理。
1 硬件設(shè)計(jì)
1．1 WUSB和CYWUSB6935
WUSB技術(shù)的數(shù)據(jù)收發(fā)采用超寬帶技術(shù)(Ultra WideBand，UWB)的脈沖調(diào)制方式。由于其載波信號不是連續(xù)存在的，僅僅存在于數(shù)據(jù)傳輸瞬間，使得其數(shù)據(jù)收發(fā)間隙幾乎沒有功耗，因此非常適合電池供電并工作較長時(shí)間。在3 m距離內(nèi)，目前的WUSB2．0標(biāo)準(zhǔn)可以實(shí)現(xiàn)480 Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，正在規(guī)劃的WUSB3．0可以實(shí)現(xiàn)1 Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。
CYWUSB6935是Cypress公司推出的一款支持WUSB標(biāo)準(zhǔn)的芯片。其發(fā)射頻率為2．4 GHz，采用直接序列擴(kuò)頻(Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS)技術(shù)，以避免來自2．4 GHz頻段中802．11b、Bluetooth、無繩電話以及微波爐等無線信號的干擾；具有-95 dBm的接收靈敏度，確保在50 m范圍以內(nèi)獲得較強(qiáng)的全方向信號；待機(jī)功耗非常低，具有約0．25μA的待機(jī)電流，使用普通電池待機(jī)時(shí)間可達(dá)數(shù)年；具有可自適應(yīng)的發(fā)射功率，可以識(shí)別收發(fā)信號的強(qiáng)弱，發(fā)射功率具有-30～0 dBm的動(dòng)態(tài)范圍。注意，CYWUSB6935具有高達(dá)62．5 kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，平均響應(yīng)時(shí)間少于10 ms。圖1是CYWUSB6935的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。
無線信號的收發(fā)由集成在片內(nèi)的GFSK調(diào)制器和解調(diào)器完成，調(diào)制／解調(diào)器需要外部提供標(biāo)準(zhǔn)的13 MHz的時(shí)鐘信號。該信號經(jīng)過頻率合成器轉(zhuǎn)換為發(fā)射載波信號，如果頻率合成器鎖定時(shí)鐘，將輸出同頻率的13 MHz時(shí)鐘，可以由此判斷調(diào)制／解調(diào)器是否正常工作。
CYWUSB6935具有2路功能完全一樣的基帶信號處理通道，射頻端2路基帶通道都和調(diào)制解調(diào)器連接。發(fā)送數(shù)據(jù)經(jīng)過并串轉(zhuǎn)換傳輸?shù)交鶐幚硗ǖ溃唤邮諘r(shí)基帶通道處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換傳輸?shù)綌?shù)字接口?；鶐ǖ乐饕δ苁菍?shù)據(jù)調(diào)制在擴(kuò)頻碼上，可以根據(jù)設(shè)置將一個(gè)數(shù)據(jù)位擴(kuò)頻到64個(gè)或者32個(gè)碼片上。
數(shù)字接口主要包括1個(gè)SPI接口，由于CYWUSB6935最大只有62．5 kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，所以SPI接口完全滿足數(shù)據(jù)傳輸要求。數(shù)字接口還具有復(fù)位、中斷、休眠選擇和設(shè)置引腳，以提高芯片的適應(yīng)性。
CYWUSB6935有4種工作模式：64 chip／b單通道、32 chip／b雙通道、32 chip／b單通道雙倍采樣和32 chip／b單通道兩倍數(shù)據(jù)速率。第3種工作模式的數(shù)據(jù)傳輸速率最低，但性能更加可靠，一般在較遠(yuǎn)距離或者信道狀況較差情況下使用；第4種工作模式的數(shù)據(jù)傳輸速率最高，但性能最差，一般在較近距離或者信道狀況較好情況下使用。模式選擇通過配置數(shù)據(jù)速率寄存器來實(shí)現(xiàn)。
接收和發(fā)射均采用中斷方式，有3種：發(fā)射中斷、接收中斷和喚醒中斷。這些中斷共用一個(gè)IRQ引腳。通過讀取中斷狀態(tài)寄存器可以確定中斷類型。如果為接收中斷，則從相應(yīng)的數(shù)據(jù)接收寄存器中獲得相應(yīng)通道的數(shù)據(jù)；如果是發(fā)射中斷，則接收數(shù)據(jù)送到基帶通道中進(jìn)行擴(kuò)頻處理；如果是喚醒中斷，則切換休眠狀態(tài)到工作狀態(tài)，準(zhǔn)備接收或者發(fā)射數(shù)據(jù)。
1．2 CYWUSB6935和DSP的連接
CYWUSB6935的數(shù)據(jù)接口一般采用SPI接口，與各種控制器的連接非常方便。DSP芯片選用TI公司的TMS320C6727B。該芯片是浮點(diǎn)型DSP，最高工作頻率達(dá)到350 MHz；單個(gè)指令周期可以執(zhí)行6個(gè)浮點(diǎn)數(shù)據(jù)運(yùn)算，最高達(dá)到2 100 MFLOPS；片內(nèi)具有256 KB的RAM，片內(nèi)外設(shè)具有各種接口(其中包括與CYWUSB6935連接的SPI接口)。CYWUSB6935和TMS320C6727B的連接如圖2所示。
TMS320C6727B作為主控制器，提供SPI的時(shí)鐘和使能信號(圖2中的SPIO_CLK和SPIO_SCS)給CY_WUSB6935。工作狀態(tài)下，CYWUSB6935一共發(fā)送3種中斷信號到TMS320C6727B，均由IRQ引腳傳輸?shù)絋MS320C6727B。其中，工作定時(shí)中斷表明CY-WUSB6935處于正常工作狀態(tài)，如果TMS320C6727B超過時(shí)間未收到定時(shí)工作狀態(tài)信號，則由SPI接口軟件復(fù)位CYWUSB6935；如果軟件復(fù)位后仍然不能正常工作，則由GPIO0引腳硬件復(fù)位CYWUSB6935，從而確保CY-WUSB6935不會(huì)進(jìn)入死鎖和非正常工作狀態(tài)，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。在休眠方式下，TMS320C6727B使用GPIO1引腳控制CYWUSB6935的PD引腳，控制其進(jìn)入休眠方式；同樣，使用該引腳可以喚醒CYWUSB6935。TMS320C6727B的Flash用于存儲(chǔ)程序代碼；AIC23為音頻處理芯片，可以使用音頻信號控制TMS320C6727B；CYWUSB6935的收發(fā)天線為PCB天線，直接在電路板上制作完成。
1．3 USB和CY7C68013
USB接口一般包括3個(gè)部分：具有USB接口的PC系統(tǒng)，能夠支持USB的系統(tǒng)軟件，以及使用USB接口的設(shè)備。USB接口的應(yīng)用采用通用連接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)外設(shè)的簡單快速連接，從而達(dá)到方便用戶、降低成本、擴(kuò)展PC機(jī)連接外設(shè)范圍的目的。
USB接口的特點(diǎn)如下：連接靈活、使用方便；為USB接口設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用軟件可以自動(dòng)啟動(dòng)，無需用戶干預(yù)；單獨(dú)使用自己的保留中斷，不會(huì)同其他設(shè)備爭用資源；可以為外設(shè)提供電源，USB接口能自動(dòng)識(shí)別外設(shè)所需的電源，并通過USB電纜向該設(shè)備供電(最高可達(dá)500mA，可以使用2根USB電纜，提高供電電流到1 A)。
CY7C68013是Cypress公司推出的USB2．0芯片。它包括8051處理器、智能串行接口引擎、USB收發(fā)器、16 KB片上RAM存儲(chǔ)器以及通用可編程接口。智能串行接口引擎執(zhí)行所有基本的USB功能，將嵌入的8051處理器解放出來用于實(shí)現(xiàn)其他功能，以保證連續(xù)、高速、有效的數(shù)據(jù)傳輸。RAM存儲(chǔ)器可以分配4 KB的大容量FIFO用于數(shù)據(jù)緩沖，作為從設(shè)備時(shí)，可采用同步或者異步FIFO接口與主設(shè)備連接；作為主設(shè)備時(shí)，可通過GPIO接口配置控制時(shí)序來實(shí)現(xiàn)與其他從設(shè)備連接。
CY7C68013的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中與外部設(shè)備的接口包括I2C總線、GPIO接口和FIFO接口等。數(shù)據(jù)通過這些接口傳輸?shù)絻?nèi)部的數(shù)據(jù)和地址總線，由8051處理器處理，或者直接送到USB接口的智能引擎單元；然后傳輸?shù)経SB收發(fā)器，最終傳輸?shù)絇C機(jī)。CY7C68013片內(nèi)還包括PLL時(shí)鐘電路，將外部的24 MHz時(shí)鐘信號連接到USB收發(fā)器和8051處理器，驅(qū)動(dòng)內(nèi)部模塊工作。
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