基于无线USB技术的系统开发应用

由于USB技术在最近几年已成长为PC主流的技术标准，几乎所有的外设都可以借助USB接口轻易地与PC机相连。2004年，包括惠普、英特尔、微软、NEC、飞利浦半导体、三星电子在内的多家大公司成立了WUSB（无线USB）促进联盟，旨在将USB的使用变得更加简便——去掉电缆，实现无线USB技术。为了给用户提供一种低成本的WUSB射频系统解决方案，Cypress Semiconductor公司最近推出了低成本的芯片级远距离2.4 GHz射频系统——WirelessUSB LR（CYWUSB6935）方案。该方案可以在半径50 m甚至更大的范围内为用户提供在众多有线应用中快速实现无线连通的途径。与Zigbee和蓝牙等复杂且昂贵的无线网络方案相比，WirelessUSB LR凭借其出色的远程无线通信能力和低廉的系统成本，将无线系统的应用扩展到建筑与家庭自动化、工业控制、医疗检测、传呼系统和显示设备等领域[1]。
1 WirelessUSB LR系统突出特性
① WirelessUSB LR作为无线系统，很好地解决了如何在壅塞与干扰的数据传输环境中保持传输的有效性。WirelessUSB LR的双向直接顺序扩展频谱（DSSS）编码技术，结合预定义的虚拟杂讯码以及机动频道切换等技术，创造出一整套动态频率调整的解决方案，其优异的处理效率足以确保无线通信数据的传输效率。在硬件部分中，LC网络的阻抗匹配能排除强度更高的（如移动电话和无绳电话等）外界信号（out?of?band），对天线的不断改进，使得系统对外接信号的灵敏度达到-95 dBm。此外，低噪声放大器与综合器皆在极高的频率中进行AC耦合，故能排除不同频率的干扰信号。例如,AM调幅广播和电视信号,在紧邻蓝牙的环境中，发生信号碰撞的比率低于1.5 ％的无线传输时间，一旦发生碰撞，发送器必须重新传送受影响的数据包。
② WirelessUSB LR作为单芯片解决方案，高度整合了系统的应用引擎，包括无线电接收机和数字基带组件，既降低了成本又缩短了研发时间。外接器件只需要一套低价位的8位微控制器、振荡晶体和一些无源组件。在应用上，WirelessUSB使用CY7C63723 enCoRe或USB控制器与USB总线构建传输接口，可视为SPI?to?USB桥接器，并且它不需要额外的驱动程序。对于远程控制或机顶盒外设，该项技术消除了瞄准线操作的限制。
③ 无线系统设计里用户十分关心电池的续航能力，不希望经常更换电池，更不希望在设备使用过程中由于电池的原因而中断传输。由于大部分无线电系统待机时都能将耗电率降至接近于零的程度，因此降低耗电率与延长电池续航能力的关键就是限制传输数据长度。通信协议越复杂，传输的数据就越多。WirelessUSB LR中的通信协议能够以极高的效率处理数据包。另一种途径就是限制无线电发送的时间，像蓝牙等解决方案，就必须定期与网络同步，才能及时发现网络中的新设备。WirelessUSB LR拥有为降低耗电率而设计的自我校正机制，使得设备待机耗电大约只有0.25 μA，输出功率降至0 dBm。如此低的耗电率能够提供典型无线键盘9个月以上的电池续航力,或者为游戏操控装置提供100小时以上的续航力；对于普通传感器/传动器，电池寿命可达数年，而且硬件采用数据驱动的工作方式，在无数据传输时，自动进入“挂起”状态[2]。
2 系统硬件CYWUSB6935芯片介绍
CYWUSB6935是Cypress公司为配合WirelessUSB LR方案推出的低成本高集成度的2.4 GHz直接顺序扩展频谱（DSSS）射频片上系统（SoC）,具有可配置的双向(接收或发送）功能。CYWUSB6935提供了完整的针对WirelessUSB LR的从串口SPI到射频发射的调制解调方案[3]。
2.1 CYWUSB6935芯片的内部结构
CYWUSB6935内部模块结构如图1所示。

图1CYWUSB6935内部模块结构

CYWUSB6935内部集成了串行数据接口（SPI）、串并/并串转换器（SERDES）、综合器（synthesizer）、2.4 GHz的射频收发器，采用高斯频移键控调制解调器（GFSK Modem）和直接顺序扩展频谱（DSSS）数字基带模块。用户可以通过控制信号灵活地设置射频和数字基带部分。为了进一步优化性能，CYWUSB6935将49个扩频编码调制到78个1 MHz宽度的频率域上，从而在理论上可以为用户提供3822个独立的频道，让每个主系统能够连接多组外围设备，且通信距离可达到50 m或更远。
2.2 CYWUSB6935的主要特点
① 2.4 GHz的无线收发器工作在2.4~2.483 GHz的ISM公共频段内。如此以来，CYWUSB6935突破了众多27 MHz、400 MHz以及900 MHz系统共有的各种限制；工作于2.4 GHz公共ISM频段的WirelessUSB LR还使用户能够在世界范围内推广使用其解决方案，而无需受地区性频率要求的约束，从而具备了全球通用性、合理的功率规格以及更高的通信频宽[4]。
② 高达0 dBm的输出电平和低于1 μA的待机电流。CYWUSB6935内部配备了耗电率自我校正机制，从而将Wireless USB射频设备的待机耗电降低到1 μA以下,且输出电平压低到0 dBm，打破了无线系统设计中耗电率的技术壁垒，大大延长了设备电池的续航能力。
③ -95 dBm的接收灵敏度与超过50 m范围的全方位传输距离。接收灵敏度的提高和传输距离的延伸,都确保在50 m甚至更大范围内准确快速地获得全方向信号，使WirelessUSB LR技术进入更远距离的商业和工业多点对单点应用领域，从而拓展了该无线系统的应用市场。
④ 高达62.5 Kb/s的数据吞吐量和高达2 MHz传输频率的SPI微机接口。CYWUSB6935可实现62.5 Kb/s速率的双向或单向RF传输，平均延时小于10 ms；数据传输率达2 MHz的SPI接口可以轻松地将设备数据上传至上位机系统。
⑤ 可配置的双向直接顺序扩展频谱（DSSS）基带相关器。借助DSSS技术，CYWUSB6935可以避免来自如2.4 GHz频段中802.11b、蓝牙（Bluetooth）等其他系统的信号干涉，以及来自无绳电话和微波炉的无线辐射。
⑥ 高集成、低成本的48QFN封装，按最少外接元件要求设计，完全可以达到用户的单片设计要求。
⑦ 片内集成30位的制造商ID、2.7~3.3 V的工作电压和-40～85℃的工作环境，在很大程度上拓展了CYWUSB6935芯片的适用领域。
2.3 CYWUSB6935芯片引脚定义

表1引脚定义

表1为CYWUSB6935芯片48QFN封装的引脚定义。
3 WirelessUSB LR系统结构
（1） WirelessUSB LR桥最小系统
图2中，WirelessUSB LR桥最小系统包括Cypress公司enCoRe系列的低成本USB控制器，和由芯片CYWUSB6935组成的射频模块。其中USB控制器负责控制射频模块的工作状态及上位机与射频模块之间的数据通信，而射频模块主要由CYWUSB6935完成数据的无线传输和通信协议的解读工作。整个系统采用总线供电方式，通过USB总线可以得到5 V的电压，供USB控制器使用；经过低压线性稳压器（LDO），CYWUSB6935可以得到需要的3.3 V电压，因此系统无需外接电源，从而提高了适用性和便携能力。

图2WirelessUSB LR桥最小系统电路

（2） WirelessUSB LR HID最小系统
如图3所示，WIrelessUSB LR HID最小系统主要由一个8位微控制器（MCU）和CYWUSB6935芯片组成。微控制器主要负责外设与射频模块的数据传输，同时也可以兼顾简单应用设备（如数据采集板和LED显示屏）的控制工作。整个系统多采用电池供电方式。为了提高电池的续航能力，在没有数据传输时，射频模块会被设置工作在休眠模式下，等待数据到来后被唤醒。

图3WirelessUSB LR HID最小系统电路

4 WirelessUSB LR系统数据传输过程
WirelessUSB LR 2Way网络中，用户主要采用多点到一点（multipoint to point）的拓扑来组建用户网络。HID与Bridge之间建立有双向数据通道，使得HID在发送数据的同时，能够接收Bridge传输来的Ack/Nak信息和数据,如图4所示。在该网络中的所有设备都具备收发数据的功能。WirelessUSB LR 2Way网络中允许多个应用设备同时进行无线传输，并且能够以无线方式把多达127个设备连接到主机（通常是1台PC）上，其中每个设备分时复用同一带宽。

图4WirelessUSB LR 2Way系统

以下是WirelessUSB LR 2Way系统中，桥接器（bridge）从人机接口设备（HID）节点上接收数据的典型过程[5]，其间的时序和电流变化如图5所示。

图5数据传输过程

① 传输开始之前，桥接器和HID同处于休眠状态，13 MHz的晶体并不工作，此时待机电流小于1 μA。
② 当HID的MCU需要发送数据时，首先通过拉高PD引脚电压将CYWUSB6935从休眠状态中唤醒。此时，晶体开始工作。一旦晶体工作稳定，CYWUSB6935通过IRQ引脚告诉MCU，它已经准备好接受串行接口（SPI）命令。
③ MCU在唤醒状态寄存器中清除唤醒中断请求，并将设置信息写入控制寄存器,为传输作好准备，同时CYWUSB6935的高频综合器自动开始工作，经过短暂的延时后，综合器就可以达到稳定状态。此时，MCU可以将待发送数据的第一个字节下载到数据传输寄存器中。
④ 综合器稳定工作后，CYWUSB6935将自动发射1个比特周期的引导信号（如：10101...），用于帮助接收机锁定发送机信号，并自动将传输数据寄存器中的数据下载到发射移位寄存器中，并向IRQ引脚发送“传输数据寄存器空”中断。MCU使用一个字节周期（125~512 μs，其长度取决于所选择的数据率）来下载下一个将要传输的数据。当新的数据写入发射移位寄存器时,“数据空”中断会被自动清除。
⑤ 在一段时间内，MCU通过反复查询“传输数据寄存器空”中断，不断将待发送数据下载到发射移位寄存器中，直到整个数据包下载完毕为止。
⑥ 完成数据下载之后，MCU通过设置“发射中断使能”寄存器使得“寄存器空”中断无效同时使能“发射”中断,再由CYWUSB6935射频部分完成数据无线传输的工作。当发送完最后一个数据字节后，“发射”中断被送至IRQ引脚。
⑦ 数据发送完后，MCU将CYWUSB6935设置成接收模式，准备接收从Bridge返回的表示已经顺利接收到数据的“握手包”。此时，高频综合器会降低工作频率（在接收模式下，综合器被用作本地振荡器，其频率将会从发射频段混频降至2 MHz的中频,用于解调无线信号）。
⑧ 当综合器频率稳定后，CYWUSB6935准备接收桥接器的“握手包”（如果在HID的CYWUSB6935综合器达到稳定之前，桥接器的“握手包”就已经到达，则HID无法成功接收到“握手包”；若HID成功接收到“握手包”，一个寄存器满信号将送至IRQ引脚）。若CYWUSB6935成功接收到了“握手包”，MCU将负责查阅该“握手包”数据，并且在接收有效寄存器中查询数据有效标志位；如果接收到无效“握手包”，或者在特定的时间内没有接收到有效“握手包”（握手包超时），MCU将会重新执行之前的第③步。
⑨ 如果CYWUSB6935顺利接收到有效“握手包”，MCU会通过控制寄存器将CYWUSB6935设置到空闲模式下。
⑩ 在完成所有的传输后，MCU可以利用PD引脚把CYWUSB6935置于休眠模式。在连续的多次传输过程中，在上一次所传输的数据末尾存在一个附加数据包，通知MCU将CYWUSB6935设置为在连续的数据传输间隙工作在空闲模式下，准备下一次传输，而无需等待其从休眠状态中被唤醒。
结语
WirelessUSB LR无线USB系统解决方案，将无线通信的优点和传统的USB接口有机地结合起来，不仅能提供较高的数据传输率，而且改进了数据的接入方式，使传输系统更加方便、可靠。Wireless USB LR凭借其完美的性能和低成本，可以满足无线领域中非网络端的需求，将成为未来无线通信的主流。