基于LabVIEW的 無線USB高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)
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通用串行總線USB(Universal Serial Bus)作為一種新型的數(shù)據(jù)通信技術(shù)，具有即插即用、支持熱插撥、易于擴(kuò)展、傳輸速度快、性價比高等優(yōu)點；短距離無線通信技術(shù)是未來計算機(jī)和外設(shè)間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢，它具有分布靈活、使用簡單、幾乎不受空間條件限制等特點。USB緊跟通信技術(shù)的無線化趨勢，2004年，惠普、英特爾、微軟、NEC、飛利浦半導(dǎo)體、三星電子等多家大公司成立了WUSB(Wireless USB)的促進(jìn)聯(lián)盟，旨在將USB的使用變得更加簡單，實現(xiàn)無線化。Cypress公司推出了低成本的芯片級遠(yuǎn)距離2．4 GHz射頻系統(tǒng)一一Wireless USB LR方案，與ZigBee和藍(lán)牙等復(fù)雜且昂貴的無線網(wǎng)絡(luò)方案相比，Wireless USB LR憑借其出色的遠(yuǎn)程無線通信能力和低廉的系統(tǒng)成本，將無線系統(tǒng)的應(yīng)用擴(kuò)展到建筑、家庭自動化、工業(yè)控制、醫(yī)療檢測、傳呼系統(tǒng)和顯示設(shè)備等領(lǐng)域。所以說，如果將無線和USB完美結(jié)合，在保證數(shù)據(jù)采集速率的前提下，可以使得數(shù)據(jù)傳輸更加方便，與PC接口也更加簡單。
通常開發(fā)USB系統(tǒng)時，先用Windows DDK(設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)包)或第三方開發(fā)工具(如Driver Studio)開發(fā)USB驅(qū)動程序，然后用Visual C++編寫DLL(動態(tài)連接庫)，最后再調(diào)用DLL來開發(fā)應(yīng)用程序，這對不熟悉Win―dows編程的人有一定的難度；而USB應(yīng)用程序也大都是使用Visual C++來編寫的，過程繁瑣，調(diào)試麻煩，花費的時間也比較長。
美國國家儀器NI(National Instlrument)公司開發(fā)的LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)語言是一種基于圖形程序的編程語言，含有豐富的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)信號分析以及控制等子程序，易于調(diào)試和維護(hù)，且程序編程簡單、直觀?？梢灾苯釉?a class="contentlabel" href="http://www.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/LabVIEW">LabVIEW環(huán)境下通過NI一VISA(Virtual Instlrument Software Architecture，以下簡稱為“VISA”)開發(fā)驅(qū)動程序，完全避開了以前開發(fā)USB驅(qū)動程序的復(fù)雜性，大大縮短了開發(fā)周期。用它來開發(fā)應(yīng)用程序，把采集來的數(shù)據(jù)傳送到主機(jī)上，再通過LabVIEW的模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示、分析和存儲。
本設(shè)計將利用Cypress公司的CYWUSB6935來實現(xiàn)無線USB的高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，通過LabVIEW來簡化開發(fā)過程，縮短開發(fā)周期。
1 無線USB與LabVIEW概述
1．1 無線USB和CYWUSB6935芯片
無線USB技術(shù)是一個全新的通信標(biāo)準(zhǔn)。它通過USB接口和最先進(jìn)的無線通信技術(shù)擴(kuò)展了設(shè)備之間的連通性，最基本的工作原理是發(fā)送和接收脈沖間隔嚴(yán)格受控于高斯單周期超短時脈沖；具有傳輸速度快、功耗小、移植方便、安全性高等優(yōu)點；最大的特點是傳輸速率高，3 m距離的最大傳輸速率達(dá)480 Mbps，其性能與現(xiàn)有的USB2．O相同。雖然在傳輸距離上，WUSB性能沒有達(dá)到USB2．0所規(guī)定的最長5 m的距離，但對置于計算機(jī)周圍的設(shè)備來說，3 m的距離已經(jīng)足夠了。一般情況下，通信距離越長，速率越慢；因此WUSB規(guī)定10 m的傳輸速率為110 Mbps。10 m足以覆蓋當(dāng)前家庭的居室，此距離的速率已經(jīng)超過了目前的WLAN。
無線USB和有線USB2．0一樣，它也能處理4種傳輸形式，即控制傳輸、塊傳輸、中斷傳輸、同步傳輸。主機(jī)和無線USB設(shè)備合稱WUSB集群，采用星型拓?fù)?，不需要WUSB集線器，WUSB主機(jī)能直接連接多達(dá)127個設(shè)備。主機(jī)支持8種數(shù)據(jù)速率：53．3 Mbps、80 Mbps、106．7Mbps、200 Mbps、160 Mbps、320 Mbps、400 Mbps和480Mbps。設(shè)備必須支持3種數(shù)據(jù)速率53．3 Mbps、106．7Mbps、200 Mbps，其他5種為可選數(shù)據(jù)率。
針對無線傳輸?shù)默F(xiàn)狀，Cypress公司推出了低成本、高集成度的芯片CYWUSB6935，CYWUSB6935芯片結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
CYWUSB6935內(nèi)部集成了串行數(shù)據(jù)接口(SPI)、串并／并串轉(zhuǎn)換器(SERDES)、綜合器(synthesizer)、2．4 GHz的射頻收發(fā)器；采用高斯頻移鍵控調(diào)制解調(diào)器(GFSKModem)和直接順序擴(kuò)展頻譜(DSSS)數(shù)字基帶模塊；用戶可以通過控制信號靈活地設(shè)置射頻和數(shù)字基帶部分。為了進(jìn)一步優(yōu)化性能，CYWUSB6935將49個擴(kuò)頻編碼調(diào)制到78個1 MHz寬度的頻率域上，從而在理論上可以為用戶提供3 822個獨立的頻道，讓每個主系統(tǒng)能夠連接多組外圍設(shè)備，且通信距離可達(dá)到50 m或更遠(yuǎn)。
WUSB6935有4種工作模式：64 chips／bit單通道、32chips／bit雙通道、32 chips／bit單通道雙倍采樣和32chips／bit單通道雙倍數(shù)據(jù)速率。該系統(tǒng)選用32 chips／bit單通道雙倍采樣。模式選擇通過配置REG―DATA―RATE(0X04)來實現(xiàn)。接收和發(fā)射均采用中斷的方式。中斷的方式有3種：發(fā)射中斷、接收中斷和喚醒中斷。這些中斷共用一個IRQ引腳。配置REG(0XOD)使得發(fā)射中斷使能，將要發(fā)送的數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)發(fā)送寄存器(0XOF)，數(shù)據(jù)便通過RFOUT引腳發(fā)送出去。接收中斷使能寄存器為REG(0X07)，通過讀取中斷狀態(tài)寄存器REG(0X08)可以確定中斷類型，然后從相應(yīng)的數(shù)據(jù)接收寄存器中獲得相應(yīng)通道的數(shù)據(jù)。
1．2 LabVIEW和NI VISA
LabVIEW是美國國家儀器NI公司開發(fā)的一種基于圖形程序的編程語言，廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集與控制、信號處理以及數(shù)據(jù)表達(dá)等方面，它提供了一種全新的編程方法，即對軟件對象“虛擬儀器(VI)”進(jìn)行圖形化的組合操作。LabVIEW程序的執(zhí)行順序是按數(shù)據(jù)流的方式確定的，可以實現(xiàn)多任務(wù)的并行。用戶通過創(chuàng)建和調(diào)用子程序的方法編寫程序，使創(chuàng)建的程序模塊化，而且程序簡單、直觀。
LabVIEW的應(yīng)用程序，即虛擬儀器(VI)，包括3部分：前面板(front panel)，是LabVIEW程序的圖形用戶界面，用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量，相當(dāng)于傳統(tǒng)儀器的面板；框圖程序(block diagram)，提供VI的圖形化源程序，是利用圖形語言編程控制和定義在前面板上的輸入和輸出功能；圖標(biāo)／連結(jié)器(icon／connector)，用于把Lab―VIEW程序定義成一個子程序，從而實現(xiàn)模塊化編程。
NI―VISA也是NI公司開發(fā)的一種用來與各種儀器總線進(jìn)行通信的高級應(yīng)用編程接口(API)。VISA總線I／0軟件是一個綜合軟件包，不受平臺、總線和環(huán)境的限制，可用來對USB、GPIB、串口、VXI、PXI和以太網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行配置、編程和調(diào)試。本文介紹的高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用它開發(fā)USB驅(qū)動，大大簡化了開發(fā)過程。
2 無線USB高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計
該無線USB數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。
2．1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
該系統(tǒng)使用了128引腳的CY7C68013單片機(jī)以及CYWUSB6935射頻模塊，其硬件設(shè)計框圖如圖3所示。
CY7C68013是Cypress公司的EZ―USB FX2系列芯片。其芯片固件存儲在主機(jī)上而不是在芯片內(nèi)部，顯著特點是代碼升級容易。該系列芯片集成了USB2．O收發(fā)器、串行接口引擎(SIE)、帶8．5 KB片上RAM的增強(qiáng)型8051、16 KB的RAM、4 KB的FIFO存儲器、I／0口、數(shù)據(jù)總線、地址總線和通用可編程接口(GPIF)。CYWUSB6935的SPI四個引腳(MOSI、MISO、SS、SCK)支持兩種傳輸模式――單字節(jié)模式和序列多字節(jié)模式。為了提高傳輸效率，本系統(tǒng)采用序列多字節(jié)模式。
2．2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)軟件設(shè)計分為3部分：設(shè)備固件程序、驅(qū)動程序以及應(yīng)用程序，如圖4所示。
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