基于nRF24L01的無線USB控制系統(tǒng)

　　引言

　　當今，無線技術飛速發(fā)展，應用的領域越來越廣，與有線技術相比，無線技術具有方便、靈活、減少布線施工難度、降低成本等優(yōu)點。本文闡述了無線USB控制系統(tǒng)的組成、功能和設計方法，系統(tǒng)由PC、無線USB控制器和多個終端節(jié)點組成，本文分別給出了實現(xiàn)無線USB控制器和終端節(jié)點的一種方案：無線USB控制器的方案是以單片機STC89C58RD+為微控制器，基于Nordic公司的2.4GHz的無線收發(fā)芯片nRF24L01，結合Philips公司的PDISUBD120D USB控制芯片來實現(xiàn)的;終端節(jié)點的方案是以STC89C58RD+為微控制器，基于nRF24L01無線收發(fā)芯片和根據(jù)需求的實際應用電路來實現(xiàn)的。

　　1系統(tǒng)組成及其實現(xiàn)方案

　　1.1系統(tǒng)描述

　　如圖1，無線USB控制系統(tǒng)的組成包括PC、無線USB控制器和終端節(jié)點（n個）。PC和無線USB控制器之間通過USB接口進行通信，在PC端，用VC++開發(fā)應用程序?qū)崿F(xiàn)對無線USB控制器進行控制，無線USB控制器和各個終端節(jié)點通過無線收發(fā)芯片nRF24L01實現(xiàn)無線通信。

　　1.2系統(tǒng)實現(xiàn)方案

　　1.2.1無線USB控制器實現(xiàn)方案

　　無線USB控制器實現(xiàn)方案如圖2所示，主要包括微控制器STC89C58RD+、USB控制芯片PDIUSBD12和無線模塊nRF24L01 Module。STC89C58RD+內(nèi)含32KB程序存儲器、1280B RAM和16KB E2PROM，E2PROM可用來存儲終端節(jié)點的地址及需要掉電存儲的其他數(shù)據(jù)，32KB程序存儲器和1280B RAM可以滿足絕大多數(shù)應用需求。USB控制芯片PDIUSBD12是一個性能優(yōu)化的USB控制器件，完全符合USB1.1規(guī)范，支持本地DMA傳輸，用于基于微控制器的系統(tǒng)。USB1.1最大支持的傳輸速度是12Mb/s，比一般的PC接口速度都快，足夠滿足無線USB控制系統(tǒng)的應用。無線模塊部分采用Nordic公司的nRF24L01單片射頻收發(fā)芯片，該芯片工作于2.400~2.4835GHz的ISM（工業(yè)、醫(yī)學和科學）頻段，工作電壓為1.9~3.6V，有多達126個頻道可供選擇，支持多點間通信，最高速率達2Mb/s，內(nèi)置鏈路層，減少了MCU的復雜性和成本，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕抑恍枭倭康耐鈬憧山M成射頻收發(fā)電路，具有體積小、功耗低、性價比高等優(yōu)點。

　　1.2.2終端節(jié)點實現(xiàn)方案

　　終端節(jié)點實現(xiàn)方案如圖3所示，主要包括微控制器STC89C58RD+、無線模塊nRF24L01 Module和實際應用需求的擴展電路。STC89C58RD+微控制器和nRF24L01無線模塊構成終端節(jié)點與無線USB控制器之間無線通信的基礎，終端節(jié)點的擴展電路是根據(jù)實際應用需求來設計的，如應用于溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，則擴展電路應是溫度傳感器的電路，終端節(jié)點的靈活設置使得整個系統(tǒng)可以滿足多種應用場合的需求。

　　2系統(tǒng)的硬件部分

　　2.1 nRF24L01無線模塊原理圖

　　nRF24L01是挪威Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發(fā)芯片，20個引腳4mm×4mm QFN封裝，內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，采用Enhanced ShockBurst技術，使用SPI接口與微控制器通信，速率為0~8Mb/s，配置方便。nRF24L01適用于無線數(shù)據(jù)通信、無線個人電腦外設、無線報警及安全系統(tǒng)、無線開鎖、無線監(jiān)測、家庭自動化和玩具等諸多領域。關于該芯片的具體功能和工作模式及其編程過程請參照參考文獻。該模塊電路原理圖，如圖4所示。

　　nRF24L01模塊在PCB布線時采用雙面板，底層全部鋪地，頂層放置元器件，所有電容電阻電感采用0402封裝電容電感電阻盡量靠近芯片引腳，頂層也需大面積鋪地，在頂層和底層放置大量的通孔。該模塊供電電壓為3.3V，SPI接口可以直接與5V的MCU的IO口相連接，無SPI接口的MCU可以用IO口模擬SPI時序，使用方便。

　　2.2 USB控制芯片PDIUSBD12原理圖

　　PDIUSBD12是一款性價高的USB控制芯片，它與MCU配合使用，這使得設計者可以靈活地選擇MCU，它與MCU之間通過并行接口通信，還支持本地DMA傳輸。圖5是PDIUSBD12與STC89C58RD+單片機連接的原理圖。

　　上圖未畫出STC89C58RD+單片機，只給出了網(wǎng)點名稱，如P00-P07、P27、ALE、INT1、WR、RD，STC89C58RD+與標準的80C51（如AT89S51）引腳完全兼容，PDIUSBD12與MCU的連接有2種方式：總線方式和分開的地址數(shù)據(jù)方式。采用總線方式時引腳10的ALE連接MCU的ALE，引腳28的A0接到高電平;采用分開的地址數(shù)據(jù)方式，則ALE連接低電平，A0連接任意的IO口，數(shù)據(jù)或地址（命令）由A0來區(qū)分。圖5采用總線方式。另外該無線USB控制器直接使用USB接口供電，省去了電源，降低了成本。