基于WUSB技術(shù)和CYWUSB6935芯片實(shí)現(xiàn)USB數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引 言

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。總線技術(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。

1．4 CY7C6801 3和DSP的連接

CY7C68013和DSP的連接有兩種方式：從設(shè)備的FIFO方式和主設(shè)備的GPIO方式。本設(shè)計(jì)采用從設(shè)備的FIFO方式，DSP作為主設(shè)備。DSP可以像讀寫普通FIFO一樣對CY7C68013內(nèi)部的多層緩沖FIFO進(jìn)行讀寫。具體的接口電路如圖4所示。

FlagA、FlagB和FlagC是CY7C68013內(nèi)部FIFO的狀態(tài)標(biāo)志，分別對應(yīng)FIFO的空、半滿和全滿狀態(tài)。TMS320C6727B 通過GPIO0、GPIO1和GPIO2引腳來獲得這些狀態(tài)信息。其中，CY7C68013的半滿狀態(tài)可由軟件設(shè)置。半滿僅僅表示FIFO中有數(shù)據(jù)，還存在未寫的空間。例如，如果1 024個(gè)數(shù)據(jù)為全滿，可以設(shè)置半滿個(gè)數(shù)為1～1 023。

TMS320C6727B通過EMIF接口的CE2空間對CY7C68013進(jìn)行讀寫操作。當(dāng)通過CY7C68013向PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先查看空、半滿和全滿這3個(gè)狀態(tài)信號，如果狀態(tài)為空或者半滿，則向CY7C68013寫入適當(dāng)大小的數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)不會(huì)溢出；PC機(jī)通過CY7C68013向 TMS320C6727B發(fā)送命令字時(shí)，CY7C68013通過中斷方式通知DSP讀取其命令字。

2 軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括3個(gè)部分：DSP的軟件設(shè)計(jì)，PC的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)，以及CY7C68013的軟件設(shè)計(jì)（包括固件設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)）。

DSP運(yùn)行的軟件主要是作為CYWUSB6935和CY7C68013的數(shù)據(jù)收發(fā)通道。其具體的工作流程如圖5所示。DSP上電初始化后，將依次掃描所有可用的127無線頻帶的無線信號，查看周圍是否存在可用的無線USB設(shè)備，并判斷它們是否屬于本系統(tǒng)的設(shè)備。如果存在本系統(tǒng)的設(shè)備，則進(jìn)行信噪比檢測，并控制發(fā)射功率，也可以優(yōu)先采用空閑頻帶。當(dāng)雙方建立連接后，即可進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)通信。DSP完成了某個(gè)頻帶的設(shè)備通信后，將進(jìn)行下一個(gè)頻帶設(shè)備的搜索，直到搜索完成所有頻帶設(shè)備，然后重復(fù)整個(gè)搜索過程。

對于有線USB設(shè)備，DSP軟件處理較簡單，等待USB通信建立包就可以了。由于設(shè)備的識別和連接均由CY7C68013完成，DSP只須等待CY7C68013發(fā)出的通信中斷。

CY7C68013運(yùn)行的軟件為固件程序，主要功能是控制CY7C68013接收并處理USB驅(qū)動(dòng)程序的請求，控制CY7C68013接收應(yīng)用程序的控制指令，通過CY7C68013存放數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)上傳至PC機(jī)等。固件程序存儲(chǔ)在PC機(jī)驅(qū)動(dòng)程序中，通過CY7C68013的枚舉過程自動(dòng)下載到 CY7C68013中運(yùn)行。

驅(qū)動(dòng)程序一般由兩部分組成：較高級的通用串行總線驅(qū)動(dòng)程序模塊和較低級的主控制器驅(qū)動(dòng)程序模塊。主要功能：實(shí)現(xiàn)管理USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和USB控制器之間的通信；加載及卸載USB驅(qū)動(dòng)程序；與USB設(shè)備建立通信，并執(zhí)行設(shè)備配置、數(shù)據(jù)與USB協(xié)議框架和打包格式的雙向轉(zhuǎn)換任務(wù)。Cypress公司為了方便用戶開發(fā)USB接口，在CY7C68013的軟件開發(fā)包中提供了一個(gè)通用驅(qū)動(dòng)程序。該程序可不加修改，編譯后直接使用。

CY7C68013的工作流程如圖6所示。上電初始化后，程序處于TD_Init狀態(tài)，CY7C68013等待PC的設(shè)備建立命令。如果此時(shí)將 CY7C68013連接到PC機(jī)，PC機(jī)將檢測到新的USB設(shè)備，并調(diào)用相應(yīng)的USB驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行CY7C68013的枚舉工作。枚舉完成后PC機(jī)將提示有一個(gè)可用的USB外設(shè)，CY7C68013就可以和PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信了。此時(shí)CY7c68013運(yùn)行在TD_Poll狀態(tài)，一直檢測是否收到通信建立包。如果收到該協(xié)議包則進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，直到數(shù)據(jù)通信結(jié)束；若空閑，則自動(dòng)進(jìn)入TD_Poll狀態(tài)。CY7C68013在DSP控制過程中，如果收到通信建立包，則將該命令存儲(chǔ)到其內(nèi)部寄存器中，直到空閑時(shí)才會(huì)響應(yīng)該通信建立包。作為PC機(jī)驅(qū)動(dòng)程序，如果長時(shí)問未收到CY7C68013的響應(yīng)，則重發(fā)該命令，若連續(xù)重發(fā)3次以上，會(huì)取消該命令。

結(jié) 語

USB設(shè)備作為高速實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)通信接口已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，無線USB也逐漸得到發(fā)展和應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)無線USB和普通有線USB之間的數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)具有小型化、低功耗、高性能的特點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用前景。由于采用DSP為處理器，可以方便地實(shí)現(xiàn)各種處理算法（例如壓縮多個(gè)WUSB的語音信號傳輸?shù)絇C機(jī)），也可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)WUSB語音信號的混音功能，實(shí)現(xiàn)多路的無線通信。

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