基于USB2．0的紅外數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：針對有線傳輸?shù)娜秉c或不足，為避免經(jīng)常插拔接口造成測試儀器損壞，設(shè)計基于USB2．0的紅外數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。詳細論述系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵硬件電路的設(shè)計及實現(xiàn)，并闡述系統(tǒng)的固件程序、驅(qū)動程序及應(yīng)用程序的設(shè)計方法。利用USB2．0接口技術(shù)與紅外傳輸技術(shù)實現(xiàn)測試儀與PC機之間的無線數(shù)據(jù)傳輸。


1 引言
??? 隨著測試技術(shù)和無線通信技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，測試儀器向微型化、低功耗發(fā)展，紅外數(shù)據(jù)傳輸成本低廉，簡單易用，在很多小型設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。為避免接口插拔造成儀器損壞，實現(xiàn)測試儀器與PC機間的無線數(shù)據(jù)傳輸，減少不必要的線纜連接，這里設(shè)計一種基于USB2．0的紅外數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有低功耗、控制簡單、實施方便，傳輸可靠性高等特點。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2．1 主要器件選型
??? Cypress公司的CY7C68013器件包含USB2．0的集成微控制器。它內(nèi)部集成有1個增強型的8051、1個智能USB串行接口引擎、1個USB數(shù)據(jù)收發(fā)器、2個UART、3個8位I／O口、16位地址線、8．5 KB RAM和4 KB FIFO等。增強型的8051內(nèi)核完全與標準8051兼容、而性能可達到標準8051的3倍以上。每條指令占4個時鐘周期，在48 MHz晶振下工作時，單指令周期為83．3 ns，執(zhí)行速度遠快于標準的8051單片機。EZ-USB FX2支持3種接口模式，即GPIF控制器模式、從屬FIFO模式和端口模式。GPIF控制器模式和從屬FIFO模式與外圍設(shè)備是8位或16位數(shù)據(jù)并行傳輸，根據(jù)本系統(tǒng)需要，選擇串行通信的端口模式。
??? 由于USB傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是基帶二進制信號，而紅外收發(fā)器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是3／16歸零碼，因此選用編解碼器HSDL-7001實現(xiàn)CY7C68013器件與紅外收發(fā)器之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。為了實現(xiàn)系統(tǒng)的小體積，選用TFBS4652型紅外收發(fā)器，該收發(fā)器是最小的紅外收發(fā)器之一(6．8 mmX2．8 mmX1．6 mm)，質(zhì)量僅為0．05 g。最大傳輸速率達115．2 Kbit／s(SIR)，發(fā)光二極管的工作電壓范圍為2．4～3．6 V，溫度為-25～85℃。此外，該收發(fā)器還具有發(fā)送接收的使能控制端，當(dāng)系統(tǒng)不工作時，可將此端口置低，這樣收發(fā)器就處于關(guān)閉狀態(tài)，降低系統(tǒng)消耗。

2．2 系統(tǒng)設(shè)計組成
??? 本傳輸系統(tǒng)主要由USB2．0接口電路(包括接口器件CY7C68013、電源轉(zhuǎn)換、串行E2PROM)、紅外編碼解電路和紅外收發(fā)器3部分組成。當(dāng)需將外圍設(shè)備中存儲的數(shù)據(jù)讀取到PC機時，PC機向USB2．0接口器件CY7C68013發(fā)送讀取數(shù)據(jù)的請求命令，CY7C68013接收到請求命令后，把與外圍設(shè)備通信的校驗碼通過串行通信接口發(fā)送至紅外編解碼HSDL-7001，然后將接口器件發(fā)送出的串行二進制數(shù)據(jù)編碼成3／16歸零碼的脈沖，3／16歸零碼數(shù)據(jù)通過串行數(shù)據(jù)線傳送至紅外收發(fā)器，此時接口器件開啟紅外收發(fā)電器的收發(fā)使能端，紅外收發(fā)器以紅外光信號的形式發(fā)射3／16歸零碼脈沖數(shù)據(jù)，完成命令的發(fā)送；當(dāng)外圍設(shè)備連接的紅外收發(fā)器接收到發(fā)送的3／16歸零碼數(shù)據(jù)命令后，將其送至外圍設(shè)備，外圍設(shè)備收到命令后響應(yīng)發(fā)送數(shù)據(jù)，即完成一次從PC機到外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)通信。其具體實現(xiàn)原理如圖1所示。

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2．3 紅外編解碼電路
??? 圖2為紅外編解碼電路，主要用到紅外編解碼器HSDL-7001，該器件遵循IrDA1．0通信協(xié)議物理層規(guī)范，接口與SIR收發(fā)器相兼容，可與標準的16550 UART連接，具有內(nèi)部或外部2種時鐘模式，工作電壓范圍為2．7～5．5 V，可發(fā)送／接收1．63μs或3／16脈沖數(shù)據(jù)形式。其中16XCLK為16倍波特率的時鐘輸入端，只在外部晶振時使用。

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?? OSCOUT、OSCIN為晶振接口，低電平時選擇內(nèi)部時鐘。TXD引腳接收CY7C68013單片機串行端口發(fā)送的數(shù)據(jù)，經(jīng)編碼調(diào)制后，以脈沖的方式傳輸?shù)絀R_TXD端口。紅外光脈沖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變來的電平脈沖信號，經(jīng)IR_RX端口進入HSDL-7001，經(jīng)內(nèi)部解調(diào)后，通過RX引腳將數(shù)據(jù)發(fā)送到CY7C68013單片機的串行端口。引腳A0、A1、A2用于改變HSDL-7001的波特率選擇，以匹配外同設(shè)備與PC機之間數(shù)據(jù)的傳輸。
??? 本系統(tǒng)選用外部晶體振蕩器，選用頻率為1．843 2 MHz有源晶振，在數(shù)據(jù)編碼過程，HSDL-7001接收TXD傳送的串行數(shù)據(jù)，在TXD的每個下降沿開始，IRRXD延遲7CYCLES的時間(16CYCLES為一個晶振周期)，然后輸出1個正脈沖，脈寬為3CYCLES，如果TXD0一直為低電平，則每個晶振周期內(nèi)，IRRXD都會輸出1個寬度為3CYCLES的正脈沖。如果TXDO為高電平，則IRTXD輸出低電平，如圖3所示。

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??? 解碼過程相反，編碼過程看作是把TXD脈沖變窄的過程，而解碼過程則看作是把脈沖拉寬的過程。解碼過程中，當(dāng)IRRXD傳送1個寬度為3CYCLES的負脈沖，RXD就輸出1個寬度為16CYCLES的負脈沖，如圖4所示。

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3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
??? 系統(tǒng)軟件包括固件程序、USB設(shè)備驅(qū)動程序和應(yīng)用程序。整個軟件包括系統(tǒng)初始化、采樣控制、數(shù)據(jù)傳輸和波形顯示等部分。USB設(shè)備端固件及外圍電路的底層控制程序主要采用C51編寫，計算機端客戶應(yīng)用程序采用Visual Basic和Visual C++混合編程。
3．1 USB固件設(shè)計
??? USB數(shù)據(jù)傳輸有4種方式：塊傳輸、中斷傳輸、同步傳輸和控制傳輸。當(dāng)需要快速精確大批量傳輸數(shù)據(jù)時，一般采用塊傳輸方式。設(shè)計中主要考慮本系統(tǒng)要求高速持續(xù)傳輸大容量的數(shù)據(jù)，并且對數(shù)據(jù)的完整性要求較高，故采用塊傳輸方式。
??? 固件程序的編寫采用Keil公司的Keil C51編譯器(V6．10)。它為8051微控制器的軟件開發(fā)提供C語言環(huán)境，同時保留匯編代碼高效、快速的特點，相對于傳統(tǒng)的匯編開發(fā)環(huán)境更加靈活、高效和易于使用。將代碼在Keil C51環(huán)境中進行編譯。編譯通過后，將固件代碼下載到USB單片機中，就可實現(xiàn)與外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸。

在整個固件程序中，EZ-USB FX2設(shè)備上電或復(fù)位后，首先初始化所有內(nèi)部狀態(tài)變量，隨后調(diào)用任務(wù)初始化函數(shù)TD_Init()，開啟中斷，此時固件程序不斷檢測控制端口0是否收到SETUP包。一旦收到，固件程序就開始調(diào)用用戶函數(shù)TD_Poll()，其中用戶需要完成的功能代碼在TD_Poll()函數(shù)中。調(diào)用完成后，重復(fù)檢測端口O是否收到SETUP包，若有，繼續(xù)執(zhí)行設(shè)備請求，調(diào)用TD_Poll()函數(shù)；否則檢測USB核是否有USB掛起信號。若有則調(diào)用用戶函數(shù)TD_Suspend()，其返回值為真時，檢測USB核是否有重新開始事件，沒有時，設(shè)備進入掛起狀態(tài)，反之，調(diào)用TD_Resume()進行下一次循環(huán)；當(dāng)。TD_Suspend()函數(shù)返回值為假時，直接轉(zhuǎn)入下次循環(huán)。
??? 此外，固件程序框架中還定義許多中斷處理函數(shù)，當(dāng)用到時可在相應(yīng)的位置加入用戶編寫的代碼，這樣既清晰又便于理解，就可在無需改變整個程序的前提下，僅通過改變相應(yīng)的模塊，來實現(xiàn)用戶設(shè)置的功能，本系統(tǒng)采用串口中斷處理函數(shù)實現(xiàn)紅外傳輸數(shù)據(jù)的接收。
3．2 驅(qū)動程序設(shè)計
??? USB系統(tǒng)驅(qū)動程序采用分層結(jié)構(gòu)模型(WDM)，該模型定義分層的驅(qū)動程序，USB設(shè)備驅(qū)動程序不直接與硬件對話，而是通過USB驅(qū)動程序接口將USB請求快速提交到總線驅(qū)動程序進而完成硬件操作。從系統(tǒng)的角度來說，在USB設(shè)備插入主機后，主機檢測到USB設(shè)備，讀取設(shè)備描述符，然后主機根據(jù)設(shè)備描述符中提供的廠商ID和產(chǎn)品ID等，啟用相應(yīng)USB設(shè)備驅(qū)動程序，讀取USB設(shè)備中的配置描述符、接口描述符和端點描述符，根據(jù)需要選擇恰當(dāng)?shù)呐渲谩⒔涌诤投它c，確定傳輸方式。這一過程完成后，PC機與USB設(shè)備之間就可傳輸數(shù)據(jù)。
3. 3 應(yīng)用程序設(shè)計
?? 應(yīng)用程序是測試系統(tǒng)軟件的核心，其對USB設(shè)備的操作功能為：開啟或關(guān)閉USB設(shè)備，檢測USB設(shè)備，設(shè)置USB數(shù)據(jù)傳輸管道。設(shè)置數(shù)據(jù)端口的初始狀態(tài)，通過USB接口回傳數(shù)據(jù)、存儲、顯示并分析數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論
??? 本文設(shè)計的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)具有低功耗、控制簡單、實施方便等特點，系統(tǒng)將USB2．O接口技術(shù)與紅外傳輸技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)了測試儀與PC機之間的無線數(shù)據(jù)傳輸，達到了設(shè)計應(yīng)用要求。
??? 為了保證傳輸數(shù)據(jù)的正確性，避免其他光波對傳輸數(shù)據(jù)的干擾，系統(tǒng)殼體安裝紅外濾光片：一方面，消除或減少散射輻射或背景輻射的有害影響：另一方面，分出具有特定波長區(qū)的紅外波長。經(jīng)多次試驗證明，該系統(tǒng)能夠可靠穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)，具有很好的實用性。