基于AVR實現(xiàn)USB2.0無線測控網(wǎng)絡(luò)

　　前言

　　nRf2401是挪威Nordic公司推出的單片2.4GHz無線收發(fā)一體芯片，支持多點間通信，最高傳輸速率達到1Mbit/s，可以用于無線網(wǎng)絡(luò)中?？趥鬏斔俾适?80Mbps，有即插即用和熱插拔功能。接口提供內(nèi)置電源，可以向外設(shè)提供5V和最多500mA的電源。因此在以計算機為上位機的控制系統(tǒng)中，USB口比較適合作為計算機與測控網(wǎng)絡(luò)的接口。

　　USB接口器件的開發(fā)過程比較復(fù)雜，開發(fā)者需要知道USB協(xié)議、USB設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)、主機應(yīng)用程序開發(fā)等知識，使用USB-UART橋接電路CP2102可以避免上述麻煩。

　　1系統(tǒng)的設(shè)計思想及nRf2401和CP2102介紹

　　系統(tǒng)的設(shè)計思想如圖1所示。系統(tǒng)是由 CP2102、nRF2401、單片機等組成。

　　nRF2401是業(yè)界體積最小、功耗最低、外圍元件最少的低成本射頻芯片。有125個頻道，速率(0~1Mbps)、發(fā)射功率和工作頻率等所有工作參數(shù)可編程設(shè)置。每個芯片可以通過軟件設(shè)置最多40bit地址，而且只有收到本機地址時才會輸出數(shù)據(jù)。內(nèi)置CRC糾檢錯硬件電路和協(xié)議。nRf2401內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊。工作于2.4～2.5GHz ISM自由頻段，采用SoC方法設(shè)計，只需少量外圍元件便可組成射頻收發(fā)電路。nRF2401沒有復(fù)雜的通信協(xié)議，它完全對用戶透明，同種產(chǎn)品之間可以自由通信。

　　CP2102是美國Silicon公司生產(chǎn)的高集成度USB-UART橋接電路。它們能夠用最簡單的外部電路、最少的外部器件簡便實現(xiàn)USB2.0到UART的轉(zhuǎn)換。

　　使用CP2102作為USB接口器件最大的特點是開發(fā)方便：①廠商免費提供適用于Windows(含Windows CE)、Linux等操作系統(tǒng)的驅(qū)動程序。驅(qū)動程序?qū)⒂嬎銠C的USB口虛擬成一個COM口，計算機使用普通操作串口的命令訪問虛擬COM口。②內(nèi)置USB2.0全速功能控制器、USB收發(fā)器、48MHz內(nèi)部晶體振蕩器、1KB字節(jié) E2PROM及異步串行數(shù)據(jù)總線(UART)，電路無需任何外部的USB器件。③CP2102的UART接口波特率為300bps～921.6kbps，可以滿足無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸要求。

　　2硬件電路的實現(xiàn)

　　上位機系統(tǒng)電路如圖2所示。單片機選用ATmega16，是ATMEL公司生產(chǎn)的高性能、低功耗的8 位AVR? 微處理器，采用先進的RISC 結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)吞吐率高達1 MIPS/MHz。片內(nèi)集成有16K 字節(jié)可編程Flash、512 字節(jié)的E2PROM、1K字節(jié)的SRAM、兩個可編程 的串行UART和可工作于主機/從機模式的SPI 串行接口。

圖2 上位機系統(tǒng)電路

　　CP2102無需外部電阻和晶體，VBus與REGIN引腳連到USB接口的Vbus端，在REGIN端加1μF的去耦電容。CP2102與單片機接口是標準UART電平，RTX、TXD引腳分別是串口的接收、輸出端，與單片機的對應(yīng)引腳相連。CP2102的USB端與計算機的USB口連接。CP2102的SUSPEND腳是USB口掛起信號端，接到單片機的PC4引腳。

圖3 無線收發(fā)模塊

　　上位機所有器件均由計算機的USB口提供電源。ATmega16L的電源電壓范圍為2.7～5.5V，nRF2401的電源電壓范圍為1.9～3.6V，利用計算機USB口的+5V電源，通過MIC2937A芯片將電壓轉(zhuǎn)換為3.3V。

　　無線收發(fā)模塊電路如圖3所示。nRf2401外圍元件很少，可使用單鞭天線或環(huán)形天線，電感需要采用高Q高精度的貼片繞線高頻電感，晶體需采用高穩(wěn)定晶體，電容應(yīng)選用高穩(wěn)定貼片元件。nRf2401通過SPI接口與單片機進行通訊，ATmega16集成了SPI接口(CLK、MISO、MOSI引腳)，與nRf2401的CLK1、DATA相連接。nRf2401的CS是片選端，CE是發(fā)送或接收控制端，PWR_UP是電源控制端，分別由單片機的PC5、PC6、PC7引腳控制。nRf2401的DR1為高時表明在接收緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)，接單片機的中斷引腳。