基于NRF24LU1的无线芯片USB模块设计与实现

zhao123966

nRF24LU1是单片2.4GHz无线收发＋Flash 51+USB2.0

2.4GHz频段无线收发，GFSK调制，2Mbps空中速率
增强型51单片机，12倍标准51速度，时钟频率最高16M
16K Flash，2K+256B RAM，32位硬件乘除协处理器
USB2.0 标准，完全支持12Mbps全速，12个EndPoint
灵活高效的开发手段，Keil C完全支持
内置高强度的128 bit AES硬件加密，适合有源RFID等高安全性应用
超小体积32 Pin 5x5mmQFN封装

USB(universal serial bus，通用串行总线)作为一个计算机与外设之间的接口方案，因其具有使用方便、传输速度快、端口易扩展等特点，已经逐步扩展应用到了消费电子、移动通信、家庭网络、工业控制以及仪器仪表等诸多领域。键盘、鼠标、数码相机、音箱、闪存盘无不通过USB与电脑相连，目前每个月有1亿多的USB接口芯片出货量。

现有的USB接口通常都是有线的，这给使用带来一定的不便。随着近距离无线通信技术的发展，无线USB(WirelessUSB。简称WUSB)技术得到了较大发展，例如，基于UWB(ultra wide band)的WUSB带宽可达480Mbps。

WUSB是2004英特尔春季技术峰会提出的一个全新无线传输标准，目的是采用无线的方式收发信号，消除计算机和外设之间的线缆，但计算机和外设这两端依然以USB的方式工作。在该标准中，WUSB可认为是应用层的技术，在应用层和物理层之间。加入了汇聚层(类似于链路层)WiMedia，提供了一个公共无线平台。应用层除WUSB外，还可以是无线1394，或叠加各种软件，以便满足三种网络客户的不同需求，实现3C网的融合。因此，WUSB具有广泛应用前途。

本文提出了一种基于NRF24LU1芯片无线USB模块的解决方案。

2 无线USB模块结构和原理

无线USB模块结构如图1所示，它包括USB接口、USB控制器、MCU、射频模块、射频匹配电路及天线六个部分组成。其中，USB控制器主要是负责把MCU发来的数据进行USB协议封装和USB数据进行控制，及对USB数据解析后转发到MCU；MCU负责对射频芯片和USB控制器的控制，实习模块总功能的实现；射频模块和射频匹配电路主要负责无线数据的发送和采集。


图1 无线USB结构图

对于无线USB模块的实现，可以有以下方案：(1)三芯片实现。分别利用USB控制器芯片、单片机和射频芯片实现，如用CP2 102+MCu+NRF905；(2)两芯片实现。利用已经集成了USB控制器的单片机芯片和射频芯片实现，如利用MSP430+CC2400；或用USB控制器芯片和射频单片机芯片实现，如用CP2102+NRF24E1；(3)单芯片实现。用集成好的芯片实现，如NORDIC公司的NRF24LU1。

三个方案中，方案(1)(2)的成本比较高，而且模块体积会比较大，方案(3)中，由于芯片是专门针对于无线USB模块设计的，只要用单芯片就可以组成无线USB模块．该方案的无线USB模块成本只要30块左右，同时体积可以达到10mmx 20mm，能很方便集成到现有的USB设备中或者直接外接在现有的USB设备外。所以本文以方案(3)作为讨论。

3 NRF24LU1 内部结构和工作原理

NRF24LU1是NORDIC公司在07年推出的一款专门针对于无线USB实现的芯片，其内部控制器采用MCS 51指令设计，但其减少了指令周期，达到传统8051的12陪；16k字节的flash和2k片上SRAM；接口包括通用10口、主从SPI接口、UART、和USB口，其中USB控制器是全速USB2．0控制器；2．4GHz的射频传输模块，传输速度可以为1MHz或2MHz，对于其作为无线USB应用有很好的传输速度保证，同时其包括自动回复和重传功能。

NRF24LU1里面集成了电压转换模块，可以直接由USB供电，不用再加电压转换芯片。无线USB模块硬件结构主要有一下几部分组成：匹配电路、USB接口和时钟输入接口电路。对于NRF24LU1芯片。其天线负载阻抗为，所以要通过天线匹配网络，使特征阻抗匹配成，使其能和通用天线匹配，电路如图2。


图2 无线模块电路图

由于模块传输速率为2.4Gbit/s，在其布线和做板的时候要注意阻抗等问题。滤波电容尽可能接近芯片电源脚，同时对于射频电路，元件放置应该紧密放置，以减少线电感的增加，同时为了接地良好，上下板层应该敷铜接地，并利用适当多的过孔连接两个底层。建议板层为两层，只有单层放元件，敷铜接地，其中板厚为1.6mm，材料FR-4，介质常数4．2。

4 系统软件设计

无线USB模块主要包括两方面，一是USB数据采集；二是无线传输。在读USB数据中。USB数据由USB控制器处理后，保存到RAM里面，再由MCU通过SPI总线发送到无线传输缓冲器，冉发送出去；而对于发送USB数据，过程相反。

NRF24LU1对于输入输出数据的USB独立终端允许5种不同的应用，如鼠标、键盘、移动控制，游戏和玩具，同时其总支持14个端点和4种传输方式，端点0支持控制传输，端点1到5(输入输出)支持批量传输和中断传输，端点8(输入输出)支持同步传输。

控制传输用于在外设初次连接时对器件进行配置；对外设的状态进行实时检测；对控制命令的传送等；也可以在器件配置完成后被客户软件用于其它目的。其包括两或三个阶段：建立阶段、数据阶段(可选)和状态阶段。在写操作时，终端收到建立申请后，USB控制器设置握手标志和建立申请中断请求标志，如果数据接收正确，USB控制器则设置数据接收中断请求标志。建立后，终端收到输出请求，则开始传输数据，传输完后设置输出终端请求标志。状态阶段在最后的操作序列中。对于读操作，过程跟写操作基本相同，它们只有在数据传输阶段中有些不同。在数据阶段，当确认host数据包后，设置输入0端点中断请求和开始把数据放到缓冲器里面，在缓冲数据的时候，设置输入0端点缓冲器忙标志，缓冲完后清除该标志。

批量传送用于进行批量的、非实时的数据传输；中断传输模式，对于那些小批量的、点式、非连续的数据传输应用的场合，如用于人机交互的鼠标、键盘、游戏杆等，中断传输的方式是最适合的。他们包括两或三个阶段：请求包、数据包和握手包(可选)。在批蕈输入过程中，host发送一个IN数据请求去接收批量数据。如果输入忙标志有效，USB控制器回复一个数据包，如果host收到有效数据，则回复一个ACK握手。当终端从host收到ACK握手后，USB控制器设置中端请求标志和清除忙标志。MCU服务终端请求，当数据是有效，则数据开始进入数据缓冲器中，并设置忙标志，并开始重复上面过程。在批量输出过程中，当host想输出批量数据，其发送OUT请求数据包。ACK握手信号返回到host，当USB控制器收到数据的时候，设置输出中断标志，并开始输出数据，并设置输出忙标志。

同步传输适用于那屿要求资料连续地、实时地、以固定的数据传输率产生、传送并消耗的场合，如数字录像机等。其不用握手确定．同时，其数据包中的DATA0和DATA1作为PID，用于标识不同的数据包。USB控制器在每次传输中都自动捆绑PID。

系统流程图如下图3：


图3 系统流程图

其中，USB初始化包括一下步骤：配置USB数据包结构；初始化USB描述，初始化成你要实现的USB类型，可以设置5种不同的类型；选择语言；设置状态寄存器；设置ACK要求；设置USB中断；设置USB RAM；选择USB应用的终端类型。

如果USB类型选择了键盘或者鼠标，要初始化无线桌面协议，如选择键盘协议，则用wdp_device_init(WDP_KEYBOARD)函数把无线桌面协议初始成键盘模式。

无线模块初始化包括：MCU和无线模块SPI接口有效；数据传输信道选择；设置数据传输速度；FIFO大小设置；发送和接收功率设置；自动回复确认和重发次数设定等。

当USB数据到来的时候，模块首先读取端点状态并选择终端输入传输端点．判断缓冲器数据是否已经满，如果未满，则接收并知道缓冲器满并置缓冲器忙，并把缓冲器数据传送到无线FIFO并发送到接收模块，当数据发送完并接收到确定后，USB控制器把忙标志清楚，在接收USB数据。其工作流程图如下图4。


图4 USB数据输入处理流程图

当模块接收到无线数据的时候，MCU通过SPI接口把FIFO的数据放到USB发送缓冲器罩，设置USB端点状态，并处理与控制输出相关的USB标准请求和USB HID设备类请求，发送USB数据，USB数据发送完毕后，通过无线发送确定信号，并再次接收无线数据，如果之前数据还没有发送完的，不用再进行USB请求等设置，以减少处理时间。

由于USB协议的交互时间有严格的要求，所以无线数据和数据处理中，延时不能太长；USB 2．0协议。其支持三种设备：低速、全速、高速，而对于NRF24LU1芯片．由于其无线传输速限制，所以无线USB模块只能工作在低速和全速。

5 结语

USB接口是计算机的基本配置，是最常用的计算机和外设的通信接口。WUSB是近距离无线通信的重要应用．可以消除计算机和外设的连线，给使用带来很大的方便，因此WUSB应用模块将会用很大的发展空间。本文基于Nordic公司新推出的NRF24LU1芯片，更好的解决了USB无线应用，其减少了现有无线USB的尺寸和成本，同时提高了无线USB性能和安全性，有一定应用前景。