用络、场佑与多嫉体＜电各杖术）２００３年第９期双通道ＵＳＢ收发器的设计上海交通大学微纳米技术研究院（２０００３０）魏瑞青王森章摘要文章介绍了双通选射频收发器ｎＲＦ２４０１和ＵＳＢ嵌入式微控制器ＣＹ７Ｃ６３２３１的主要特性，并用它设计了双通道ＵＳＢ收发器，解决了ＰＣ和无线泉标和健盘的通信问题，丈章从软件和硬件两个方面阐述了设计羊健词标准收发器无线外设射频信号 众所周知，无线网络是未来网络的发展趋势，而ＵＳＢ接口标准是现在最流行的计算机和外设的接口标准，已被作为数码照相机和打印机等很多数码产品的通信标准。如何利用二者实现ＰＣ等设备与其外设的无线通信，去除连线的束缚，是很值得研究的。本文阐述的设计解决了ＰＣ与无线鼠标和键盘的通信问题。１ ｎＲＦ２４０芯片简介 Ｎｏｒｄｉｃ ＶＬＳＩ公司开发的系统级射频收发芯片ｎＲＦ２４０１工作在２． ４ － ２ ． ５ＧＨｚ波段，内部包含有集成的频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制解调器。工作电流很小，输出功率为一５ｄＢｍ时，电流仅为１０．５ｍＡ，在接收模式时电流也仅为１８ｍＡ，并内置省电模式，因此功耗很小。其结构框图和引脚如图１所示。Ｙ＇ ４ Ｑ？多４Ｙ４１４多，多１｝？阴撰双通道收ｕｍ块砚突涌模式模０ｔ 惯式选扦技块 ＩＦ帝ＲＲ２时钟恢复通谁模块 波器ＤＯＤＴ２地址解码ＣＬＫＺ，模块 叫．ＤＡＴ＾．ＣＬＫＩ．ｃｓｓｉＣＷＡＲＯＡＦＡ ＩＦｈＯ：ＧＦＳＫＭ波器 １ＩＲＮＥＴＦ２图１ ｎＲＦ２４０１芯片的结构框图和引脚 ｎＲＦ２４０１有两种工作模式：ＳｈｏｃｋＢｕｒｓｔ模式和直接模式，而前者是ｎＲＦ２４０１系列芯片特有的传输模式。所谓ＳｈｏｃｋＢｕｒｓｔ模式，就是利用片上ＦＩＦＯ３０ 万方数据以很低的速率时序化数据输人并以很高的速率传输数据的技术，使用此技术可以大幅度的降低功耗。ｎＲＦ２４０１工作在ＳｈｏｃｋＢｕｒｓｔ模式时，在２． ４ＧＨｚ波段可以提供约１ Ｍｂｉｔ／ｓ的速率，而且不需要昂贵的高速ＭＣＵ进行数据处理。ｎＲＦ２４０１有两个可同时使用的通道： 通道１和通道２。通道１由ＤＲ１，ＤＡ丁Ａ和ＣＬＫ１三线组成，通道２由ＤＲ２， ＤＯＵ Ｐ２和ＣＬＫ２三线组成。如要使用第二个数据通道则必须使通道２的频率高出通道１的频率８ＭＨｚ，而且ｎＲＦ２４０１必须被编程设置为在通道１的频率下接收数据。即如让通道．以２４１０ＭＨｚ的速率工作，则通道２应以２ ４１８ＭＨｚ的速率工作。实现这项功能不需采用时分多路技术。如果在直接模式下，则要求ＭＣＵ必须有同时处理两路的能力。在ＳｈｏｃｋＢｕｒｓｔ模式下，ＭＣＵ可将一个通道时序化输出而让另一个通道处于等待状态，而且不用担心数据包丢失，这样就可以大大降低对ＭＣＵ性能的要求。因此我们在设计中采用了内部集成了８位ＲＩＳＣ微控制器的ＣＹ７Ｃ６３２３１芯片。２ ＣＹ７Ｃ６３２２１芯片简介ＣＹ７Ｃ６３２３１是Ｃｙｐｒ ｅｓｓ半导体公司推出的一款ＵＳＢ嵌人式主机控制器芯片，该器件具有集成度高、所需外部器件少和功耗低等特点。其内部集成了８位ＲＩＳＣ微控制器、存储器、内部晶振等，而且与针对嵌入式设备的ＵＳＢ新标准—ＵＳＢ－Ｏｎ－Ｔｈｅ－Ｇｏ（ＯＴＧ）相兼容，在便携式设备之间实现了真正的“即插即用”连接。内置的８位ＲＩＳＣ微控制器采用哈佛结构，如图２所示。由图２可以看出，除了提供内部晶振外，还有可选择使用的外部振荡器。 ＣＹ７Ｃ６３２３１还集成了一个可独立配置并各带有两个端口〔一个为控制端，一个为数据端）的ＵＳＢ串行接口引擎（ｓｅｒｉａｌ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｅｎｇｉｎｅ， ＳＩＥ），ＳＩＥ允许ＵＳＢ主机与微控制器通信。３．３Ｖ标准电压源输出为Ｄ－脚的外部ＵＳＢ上拉电阻提供电压。如果不欲国准留冷ｈｔ ｔｐ，／／ｗｗｗ． ｓｅｎｓｏｒ． ｃｖｍ． ７ａ《电子孩术》２００３年第，期网络、退信与多璐体引脚不需要作任何的模式切换。外部振荡ａｓＯＮ足时器｝１２Ｖ＂ｔ１ｉｖ９６ＲＫＡＢＭＶＪＪ３硬件设计 双通道ＵＳＢ收发器在ＰＣ主机侧接收鼠标和键盘的射频信号，将它转换为ＵＳＢ信号并通过ＵＳＢ接口Ｊ１０１传送给ＰＣ。从而实现无线鼠标和无线键盘与ＰＣ的通信。硬件电路设计如图３所示。前文说过，ｎＲＦ２４０１具有独特的可以同时从两 （３ＸＲ）想使用内部电压源，也可以在ＶＲＥＧ／Ｐ２． ０引脚引人一个外部标准电压，其值可以从端口Ｐ２．０读取。此外， ＣＹ７０６３２３１不需要任何外部元件，就可以自动设置接口工作在ＰＳ／２或ＵＳＢ模式。并有ｌ０个可以连接到多个标准接口的可配置输人２输出口—ＧＰ ＩＯ口，每个ＧＰＩＯ口都有大电流驱动，支持高阻抗输人、内部上拉电阻、悬漏输出等。而且，对于既使用ＵＳＢ又使用ＰＳ／２的系统而言， ＧＰＩＯ功ＡＦＮ斌彦加ｔｐ： ／／ｗ，二，￣峋狱器复位电路中断控制器Ｕ３１Ｓ１Ｂ１６内０月口０ＧＰＩＯ月口盆个通道接收数据的能力。我们将ｎＲＦ２４０１的数据通道１分配给鼠标，通道２分配给键盘。由于两通道有同等大小的、固定的传输速率差，利用双通道技术避免了鼠标和键盘的冲突检测。ＶＲＥＧ／ｎＤ Ｄ＋ ０．Ｐ＂ＰＯ０．０．７图２ ＣＹ７Ｃ６３２３１芯片的结构框图 为了便于ＵＳＢ连接，用ＣＹ７Ｃ６３２３１ Ａ上的ＶＣＣ，Ｄ十、Ｄ一三条引线和一根地线组成ＵＳＢ线，并做成ＰＣＢ贴封Ａ类接口Ｊ１０１。此系统由ＵＳＢ连接器的５Ｖ电压供电。微控制器ＣＹ７Ｃ６３２３１工作在５Ｖ电压下，而ｎＲＦ２４０１工作在３Ｖ电压下，我们用电压转换芯片ＬＰ２９０８１ Ｍ５一３．３将电压转换为３Ｖ供给ｎＲＦ２４０１。而对微控制器到ｎＲＦ２４０１的数字线则用两组电阻进行降压，如图３所示，靠近微控制器的一组电阻全为２２ｋｄ１，另一组则全为３３ｋＱｏ翻毓雌ｖｃｃＤ＋。万方数据『粼ＯＮＩ／ＮＯＦＦ￣。曰日一ＣＹＣ７Ｃ６３２３Ｉ钾『峭Ｐｌｌ刚阳附Ｆｏｊ明明附附４软件设计 我们设置鼠标和键盘的信息包封装格式如表１所列，都有一个报头、一个地址段、８字节数据段和ＣＲＣ校验段，其中４６ｉｔ的报头和１６ｂｉｔ的ＣＲＣ校验段都是发送侧的ｎＲＦ２４０１添加的，并由接收侧的ｎＲＦ２４０１去掉。但鼠标和键盘的数据段不同，表２ＬＰ２９０２１Ｍ５一 〕〕“工Ｖ ａＮＣ ｌｒ ｝ １０ｎＦ黝ＶＳｖｃｓ＿ｃＰＡＩｎＡＮＴＩ ＡＮＴＺ ＶＤＤ ＰＡ士布士２Ｐ ＩＳ ＿泣工２２ Ｉ１，图３ ＰＣ侧双通道ＵＳＳ收发器的电路图ＰＷＲＵＦ・。、ｃＬｒｓ朴。．ＤＣＡＬＴＫＡＩ万方数据网口备、』砚信‘与乡点任体列出的是鼠标和键盘对字节０的分配情况。键盘除了对字节Ｉ作了保留以外，将字节１－７分别用来存放键工一键６的扫描码，鼠标则把字节１一３分别用来表示水平移位、垂直移位和滚动，其余字节保留。表１鼠标和键盘的信息包封装格式报头４６ｉｔ地址４０ｂｉｔ字节０８ｂｉｔ字节１８ｂｉｔ字节２８ｂｉｔ字节３８ｂｉｔ字节４８６ｉｔ字节５８ｂｉｔ字节６８ｂｉｔ字节７８６ｉｔＣＲＣ １６ｂｉｔ裹２鼠标和键盘的字节０的分配格式字节０键盘鼠标价ＧＵＩ右键ｂ６Ａｌｔ右键防Ｓｈｉｆｔ右键填充位以ＣｔＴＩ右键ｂ３ＧＵＩ左键ｂＺＡｌｔ左键鼠标右键曰Ｓｈｉｆｔ左键鼠标中健印Ｇｔｔｌ左键鼠标左键 所有的ＲＦ通信都会受到噪声的干扰，因此容易造成信息包丢失。常用的方法是建立一个安全的连接，即在收发器之间建立端到端的连接，接收端每收到一个数据包就发一个确认。如果一个数据包没有得到确认，则将它重发。建立端到端的连接会造成系统成本增加，对大多数应用来说，这样做并不经济。因此我们用一种较为安全和成本低的方式。如果键盘和ＰＣ之间采用无线连接，当键盘上 的一个或一些键被按下时，其扫描码会被发送给ＰＣ，当按下的键被释放时，其释放码也会被发送给ＰＧ假设此无线连接是在重噪声的环境下进行的，键的释放码已被发送出去，但这个信息包却在发送过程中丢失了，这样ＰＣ就接收不到此键的释放码，ＰＣ就会认为是键的重复输人。要解决这个问题，就是让ＰＣ侧的收发器负责 发送键的释放码。当收发器收到键盘发送的键扫描码时，就将收到的扫描码发送给ＰＣ，然后再发送这些键的释放码给ＰＣ。如果键被按下很长时间时，键３２ 吸它丹抓不）２００３年弟，期盘就会重复发送这些键的扫描码。也就是键盘从不发送键的释放码。无线键盘通常是由电池供电的，这种方法无疑是有利的。键盘被按住不放的情况很少出现，因此不会出现因连续发送键的扫描码而把电池很快耗尽的情况，相反，由于键盘从不发送键的释放码，相比于常用的键盘操作方式，键盘发送信息包的次数减少了５０４６。从而可以延长电池的使用时间。而鼠标的信息包丢失造成的问题并没有键盘那么严重，因此对于鼠标，转换网关只是将它发送来的信号传送给ＰＣ。软件流程图如图４所示。初始化接收，将收到的键码和相应键的释放码传送给ＰＣ扣检测收发器３￥１１备丫 ｔ１２？接收。将收到的以标信泉传送给Ｋ机 图４多通道ＵＳＢ收从器的流程图 下面仅给出了双通道ＵＳＢ收发器的循环检测程序：ｕｓｂＴａｓｋｌｏｏｐ：ｍｏｖ Ａ，ＦＦｈｉｏｗｔ ｗａｔｃｈｄｏｇ－ ＲＥＧ；清空看门狗寄存器ｉｏｒｄＰＯＲＴＯａｎｄＡ， ＤＲＩ ＿ ＭＡＳＫｃｍＦＡ，ＤＲＩ ＭＡＳＫ；ＤＲＩ信号为高扛－６－ｈｔ；是，从通道Ｉ接收数据耐Ｐ们Ｒ＂ａｎｄＡ，ＤＲ２ｃｍＰＡ，１）双２ＭＡＳＫＭＡＳＫ；ＤＲ２信号为高ｊｚｒｅｃｅｉｗｃｈ２；是，从通道２接收数据ｕｓｂＴａｓｋｌｏｏｐ 此方法设计的双通道ＵＳＢ接收器，不仅工作性能稳定，而且功耗很低，不仅可用于鼠标和键盘与ＰＣ的接口，也可用于其他人机对话接口，如游戏控制器、操纵杆等，只要对接口的功能做稍许改动。参考文献ＣＹ７Ｃ６３２３１ ｅｎｃｏｒｅ ＵＳＢ Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ． Ｃｙｐｒ ｅｓｓＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ，２００２，１０ｎＲＰ２４０１ Ｄａｔａｓｈｅｃｔ． Ｎｏｒｄｉｃ ＶＬＳＩ ＡＳＡ， ２００３，３鲁得维希＿Ｒ，布雷特奇科．Ｐ射频电路设计，北京：电子工业出版社，２００２护厕自峨夕汾ｔ ｐｔ／／ｗｗｗ． ｓｅｎｓｏｒ． ｃｎｍ． ｅｎ
