摘    要：本文介绍了一种基于微处理器LPC2210的USB接口的设计,并使用射频收发芯片nRF2401设计了USB接口的无线通信模块。阐述了该系统的工作原理、硬件构成及软件设计方案。实现了基于USB接口的无线串行通信。
关键词：LPC2210;USB;nRF2401;CY7C63231

引言
USB为USB设备与USB主机之间大量的数据传输提供了高速、可靠的传输协议。而射频通信以其优点也应用在越来越多的场合,本文所设计的USB无线串行接口电路由nRF2401单片射频收发器、LPC2210微控制器和USB接口芯片组成。本系统充分利用USB的数据传输功能,设备连接方便,系统可用于进行无线串行数据双向传输,可在仪器仪表、计算机遥测/遥控、家庭网络等系统中应用。

图1  PDIUSBD12与LPC2210连接电路原理图

图2  nRF2401与CY7C63231的连接电路原理图

图3 硬件系统设计框图

图4  USB驱动分层结构图
硬件设计
整个硬件电路设计可以分为两个部分: 使用带并行总线的USB接口器件PDIUSBD12 设计LPC2210的USB接口,其电路如图1所示;使用Cypress公司的USB外围控制芯片CY7C63231设计射频芯片nRF2401的USB接口,其电路如图2所示。两个部分通过USB口相接,整个硬件设计系统框图如图3所示。
图1中,采用Philips公司的并行USB接口芯片 PDlUSBDl2,符合USB1.1版本规范。 这里以LPC2210微控制器与PDIUSBD12构成USB设备。
由图1可知,PDIUSBD12使用LPC2210外部存储控制的Bank2部分,其地址如下：数据地址 0x82000000,命令地址 0x82000001。RST_USB、SUSP为LPC2210输出引脚,PDIUSBD12中断信号为中断输入信号,且为外部中断0。C1、C2和X1为PDIUSBD12提供工作所需的时钟输入;发光二极管GoodLink在正常通信时闪烁;PDIUSBD12的AD0连接到LPC2210的A0。当LPC2210在A0引脚输出1时,表示输出到PDIUSBD12数据总线D0 ~ D7上的数据为命令字,当A0引脚输出0时,表示输出到PDIUSBD12数据总线D0 ~ D7的数据为数据字。
表1  USB驱动程序软件包6个API函数
图2为射频芯片nRF2401与CY7C63231的连接电路原理图。CY7C63231是8位RISC微处理器,特别适用于USB嵌入式设计,工作电压是5V。nRF2401是单片射频收发芯片,工作模式有4种：收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式。所有配置工作,工作模式选择和收发数据都通过CY7C63231的P0引脚控制完成,其连接方式如图中标号所示。用电压调整芯片LP2980IM5-3.3产生nRF2401的工作电压3.3V,同时,SN74LVC4245可实现控制口3.3V和5V的电平转换,使工作在不同电压水平的这两种芯片正常连接。

软件设计
PDIUSBD12驱动软件构架
为了增强驱动软件的可移植性,且容易维护,采用分层的方法编写PDIUSBD12的驱动程序。在LPC2210应用C/OS-II操作系统的基础上综合考虑USB协议、PDIUSBD12硬件接线、C/OS-II的结构来组织驱动软件的构架,图4所示为USB驱动程序软件分层结构。
USB驱动程序软件包提供给用户6个API函数,这6个函数都在USB应用层中定义。这6个函数如表1所示。    
下面以接收和发送数据任务为例来说明怎样使用表1的API函数,例子演示了一个任务,从端点2发送1024个字节。部分源代码如下：
#define RW_NUMS 1024 //任务收发数据字节数
void TaskRec1(void *pdata)
{ #if  OS_CRITICAL_METHOD == 3  /* Allocate storage for CPU status register */
OS_CPU_SR cpu_sr;
#endif
INT8U Buff[RW_NUMS]; //接收及发送缓冲区
INT8U ack = 0x01; //应答主机数值
INT8U err; //函数返回值
pdata = pdata;  /* Prevent compiler warning */
for (;;){
OSSemPend(TaskRec1_Sem,0,&err);    //等待TaskStart的命令
err = WritePort1(1,&ack,200);          //应答USB主机
if (err == USB_NO_ERR){          
 //应答正确
err = ReadPort2(RW_NUMS, Buff,200);  //接收数据
OSTimeDly(1);                    
//延时一个时钟周期
if (err == USB_NO_ERR){          
 //接收正确
Buff[0] = OSPrioCur;               
//标识该任务
err = WritePort2(RW_NUMS, Buff,200); //发送数据
                           }
                           }
         }
}
CY7C63231软件设计
USB外围控制器CY7C63231控制nRF2401,同时与LPC2210的USB口相连,实现无线数据的接收和发送。nRF2401可以接收两个频段的数据,以接收无线数据为例,CY7C63231的程序主要分为：主程序UsbTaskLoop,它是一个无限循环,仅仅在中断的时候跳出,程序检测nRF2401的DR1和DR2引脚,当DR1上的电平为高时,产生中断,跳到Receivech1子程序,当DR2上的电平为高时,产生中断,跳到Receivech2子程序;USBSend程序负责从端口1向上位机发送数据;WaitforAck程序等待上位机对端口1的应答信号;Receivech1和Receivech2程序分别从nRF2401的通道1和通道2接收数据,最后调用DATAOUT,把数据传给上位机;DATAOUT程序将接收到的字节发送给上位机,然后调用WaitforAck;Prg2401程序段负责对nRF2401进行操作控制,能够通过设置不同的参数使nRF2401工作在三种不同的工作模式。限于篇幅,该部分的程序源代码不在此详述。

结语
本系统采用32 位嵌入式微处理器进行核心控制,采用C/OS-II作为操作系统,具有强大的数据处理能力。本系统可以通过无线局域网进行无线传输,并且可在ARM 中对无线接收的数据进行处理,以进一步应用于图像处理、智能监控,以及远程电视/电话会议等。