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由于USB技術在最近幾年已成長為PC主流的技術標準，幾乎所有的外設都可以借助USB接口輕易地與PC機相連。2004年，包括惠普、英特爾、微軟、NEC、飛利浦半導體、三星電子在內的多家大公司成立了WUSB（無線USB）促進聯盟，旨在將USB的使用變得更加簡便——去掉電纜，實現無線USB技術。為了給用戶提供一種低成本的WUSB射頻系統解決方案，Cypress Semiconductor公司最近推出了低成本的芯片級遠距離2.4 GHz射頻系統——WirelessUSB LR（CYWUSB6935）方案。該方案可以在半徑50 m甚至更大的范圍內為用戶提供在眾多有線應用中快速實現無線連通的途徑。與Zigbee和藍牙等復雜且昂貴的無線網絡方案相比，WirelessUSB LR憑借其出色的遠程無線通信能力和低廉的系統成本，將無線系統的應用擴展到建筑與家庭自動化、工業控制、醫療檢測、傳呼系統和顯示設備等領域。 1 WirelessUSB LR系統突出特性 ① WirelessUSB LR作為無線系統，很好地解決了如何在壅塞與干擾的數據傳輸環境中保持傳輸的有效性。WirelessUSB LR的雙向直接順序擴展頻譜（DSSS）編碼技術，結合預定義的虛擬雜訊碼以及機動頻道切換等技術，創造出一整套動態頻率調整的解決方案，其優異的處理效率足以確保無線通信數據的傳輸效率。在硬件部分中，LC網絡的阻抗匹配能排除強度更高的（如移動電話和無繩電話等）外界信號（out?of?band），對天線的不斷改進，使得系統對外接信號的靈敏度達到-95 dBm。此外，低噪聲放大器與綜合器皆在極高的頻率中進行AC耦合，故能排除不同頻率的干擾信號。例如,AM調幅廣播和電視信號,在緊鄰藍牙的環境中，發生信號碰撞的比率低于1.5 ％的無線傳輸時間，一旦發生碰撞，發送器必須重新傳送受影響的數據包。 ② WirelessUSB LR作為單芯片解決方案，高度整合了系統的應用引擎，包括無線電接收機和數字基帶組件，既降低了成本又縮短了研發時間。外接器件只需要一套低價位的8位微控制器、振蕩晶體和一些無源組件。在應用上，WirelessUSB使用CY7C63723 enCoRe或USB控制器與USB總線構建傳輸接口，可視為SPI?to?USB橋接器，并且它不需要額外的驅動程序。對于遠程控制或機頂盒外設，該項技術消除了瞄準線操作的限制。 ③ 無線系統設計里用戶十分關心電池的續航能力，不希望經常更換電池，更不希望在設備使用過程中由于電池的原因而中斷傳輸。由于大部分無線電系統待機時都能將耗電率降至接近于零的程度，因此降低耗電率與延長電池續航能力的關鍵就是限制傳輸數據長度。通信協議越復雜，傳輸的數據就越多。WirelessUSB LR中的通信協議能夠以極高的效率處理數據包。另一種途徑就是限制無線電發送的時間，像藍牙等解決方案，就必須定期與網絡同步，才能及時發現網絡中的新設備。WirelessUSB LR擁有為降低耗電率而設計的自我校正機制，使得設備待機耗電大約只有0.25 μA，輸出功率降至0 dBm。如此低的耗電率能夠提供典型無線鍵盤9個月以上的電池續航力,或者為游戲操控裝置提供100小時以上的續航力；對于普通傳感器/傳動器，電池壽命可達數年，而且硬件采用數據驅動的工作方式，在無數據傳輸時，自動進入“掛起”狀態。 2 系統硬件WirelessUSB LR芯片介紹 CYWUSB6935是Cypress公司為配合WirelessUSB LR方案推出的低成本高集成度的2.4 GHz直接順序擴展頻譜（DSSS）射頻片上系統（SoC）,具有可配置的雙向(接收或發送）功能。CYWUSB6935提供了完整的針對WirelessUSB LR的從串口SPI到射頻發射的調制解調方案。 2.1 CYWUSB6935芯片的內部結構 CYWUSB6935內部模塊結構如圖1所示。 圖 1CYWUSB6935內部模塊結構 CYWUSB6935內部集成了串行數據接口（SPI）、串并/并串轉換器（SERDES）、綜合器（synthesizer）、2.4 GHz的射頻收發器，采用高斯頻移鍵控調制解調器（GFSK Modem）和直接順序擴展頻譜（DSSS）數字基帶模塊。用戶可以通過控制信號靈活地設置射頻和數字基帶部分。為了進一步優化性能，CYWUSB6935將49個擴頻編碼調制到78個1 MHz寬度的頻率域上，從而在理論上可以為用戶提供3822個獨立的頻道，讓每個主系統能夠連接多組外圍設備，且通信距離可達到50 m或更遠。 2.2 CYWUSB6935的主要特點 ① 2.4 GHz的無線收發器工作在2.4~2.483 GHz的ISM公共頻段內。如此以來，CYWUSB6935突破了眾多27 MHz、400 MHz以及900 MHz系統共有的各種限制；工作于2.4 GHz公共ISM頻段的WirelessUSB LR還使用戶能夠在世界范圍內推廣使用其解決方案，而無需受地區性頻率要求的約束，從而具備了全球通用性、合理的功率規格以及更高的通信頻寬。 ② 高達0 dBm的輸出電平和低于1 μA的待機電流。CYWUSB6935內部配備了耗電率自我校正機制，從而將Wireless USB射頻設備的待機耗電降低到1 μA以下,且輸出電平壓低到0 dBm，打破了無線系統設計中耗電率的技術壁壘，大大延長了設備電池的續航能力。 ③ -95 dBm的接收靈敏度與超過50 m范圍的全方位傳輸距離。接收靈敏度的提高和傳輸距離的延伸,都確保在50 m甚至更大范圍內準確快速地獲得全方向信號，使WirelessUSB LR技術進入更遠距離的商業和工業多點對單點應用領域，從而拓展了該無線系統的應用市場。 ④ 高達62.5 Kb/s的數據吞吐量和高達2 MHz傳輸頻率的SPI微機接口。CYWUSB6935可實現62.5 Kb/s速率的雙向或單向RF傳輸，平均延時小于10 ms；數據傳輸率達2 MHz的SPI接口可以輕松地將設備數據上傳至上位機系統。 ⑤ 可配置的雙向直接順序擴展頻譜（DSSS）基帶相關器。借助DSSS技術，CYWUSB6935可以避免來自如2.4 GHz頻段中802.11b、藍牙（Bluetooth）等其他系統的信號干涉，以及來自無繩電話和微波爐的無線輻射。 ⑥ 高集成、低成本的48QFN封裝，按最少外接元件要求設計，完全可以達到用戶的單片設計要求。 ⑦ 片內集成30位的制造商ID、2.7~3.3 V的工作電壓和-40～85℃的工作環境，在很大程度上拓展了CYWUSB6935芯片的適用領域。 2.3 CYWUSB6935芯片引腳定義 表1為CYWUSB6935芯片48QFN封裝的引腳定義。 3 WirelessUSB LR系統結構 （1） WirelessUSB LR橋最小系統 圖2中，WirelessUSB LR橋最小系統包括Cypress公司enCoRe系列的低成本USB控制器，和由芯片CYWUSB6935組成的射頻模塊。其中USB控制器負責控制射頻模塊的工作狀態及上位機與射頻模塊之間的數據通信，而射頻模塊主要由CYWUSB6935完成數據的無線傳輸和通信協議的解讀工作。整個系統采用總線供電方式，通過USB總線可以得到5 V的電壓，供USB控制器使用；經過低壓線性穩壓器（LDO），CYWUSB6935可以得到需要的3.3 V電壓，因此系統無需外接電源，從而提高了適用性和便攜能力。 圖2 WirelessUSB LR橋最小系統電路 （2） WirelessUSB LR HID最小系統 如圖3所示，WIrel essUSB LR HID最小系統主要由一個8位微控制器（MCU）和CYWUSB6935芯片組成。微控制器主要負責外設與射頻模塊的數據傳輸，同時也可以兼顧簡單應用設備（如數據采集板和LED顯示屏）的控制工作。整個系統多采用電池供電方式。為了提高電池的續航能力，在沒有數據傳輸時，射頻模塊會被設置工作在休眠模式下，等待數據到來后被喚醒。 圖3 WirelessUSB LR HID最小系統電路 4 WirelessUSB LR系統數據傳輸過程 WirelessUSB LR 2Way網絡中，用戶主要采用多點到一點（multipoint to point）的拓撲來組建用戶網絡。HID與Bridge之間建立有雙向數據通道，使得HID在發送數據的同時，能夠接收Bridge傳輸來的Ack/Nak信息和數據,如圖4所示。在該網絡中的所有設備都具備收發數據的功能。WirelessUSB LR 2Way網絡中允許多個應用設備同時進行無線傳輸，并且能夠以無線方式把多達127個設備連接到主機（通常是1臺PC）上，其中每個設備分時復用同一帶寬。 圖4 WirelessUSB LR 2Way系統 以下是WirelessUSB LR 2Way系統中，橋接器（bridge）從人機接口設備（HID）節點上接收數據的典型過程，其間的時序和電流變化如圖5所示。 圖5 數據傳輸過程 ① 傳輸開始之前，橋接器和HID同處于休眠狀態，13 MHz的晶體并不工作，此時待機電流小于1 μA。 ② 當HID的MCU需要發送數據時，首先通過拉高PD引腳電壓將CYWUSB6935從休眠狀態中喚醒。此時，晶體開始工作。一旦晶體工作穩定，CYWUSB6935通過IRQ引腳告訴MCU，它已經準備好接受串行接口（SPI）命令。 ③ MCU在喚醒狀態寄存器中清除喚醒中斷請求，并將設置信息寫入控制寄存器,為傳輸作好準備，同時CYWUSB6935的高頻綜合器自動開始工作，經過短暫的延時后，綜合器就可以達到穩定狀態。此時，MCU可以將待發送數據的第一個字節下載到數據傳輸寄存器中。 ④ 綜合器穩定工作后，CYWUSB6935將自動發射1個比特周期的引導信號（如：10101...），用于幫助接收機鎖定發送機信號，并自動將傳輸數據寄存器中的數據下載到發射移位寄存器中，并向IRQ引腳發送“傳輸數據寄存器空”中斷。MCU使用一個字節周期（125~512 μs，其長度取決于所選擇的數據率）來下載下一個將要傳輸的數據。當新的數據寫入發射移位寄存器時,“數據空”中斷會被自動清除。 ⑤ 在一段時間內，MCU通過反復查詢“傳輸數據寄存器空”中斷，不斷將待發送數據下載到發射移位寄存器中，直到整個數據包下載完畢為止。 ⑥ 完成數據下載之后，MCU通過設置“發射中斷使能”寄存器使得“寄存器空”中斷無效同時使能“發射”中斷,再由CYWUSB6935射頻部分完成數據無線傳輸的工作。當發送完最后一個數據字節后，“發射”中斷被送至IRQ引腳。 ⑦ 數據發送完后，MCU將CYWUSB6935設置成接收模式，準備接收從Bridge返回的表示已經順利接收到數據的“握手包”。此時，高頻綜合器會降低工作頻率（在接收模式下，綜合器被用作本地振蕩器，其頻率將會從發射頻段混頻降至2 MHz的中頻,用于解調無線信號）。 ⑧ 當綜合器頻率穩定后，CYWUSB6935準備接收橋接器的“握手包”（如果在HID的CYWUSB6935綜合器達到穩定之前，橋接器的“握手包”就已經到達，則HID無法成功接收到“握手包”；若HID成功接收到“握手包”，一個寄存器滿信號將送至IRQ引腳）。若CYWUSB6935成功接收到了“握手包”，MCU將負責查閱該“握手包”數據，并且在接收有效寄存器中查詢數據有效標志位；如果接收到無效“握手包”，或者在特定的時間內沒有接收到有效“握手包”（握手包超時），MCU將會重新執行之前的第③步。 ⑨ 如果CYWUSB6935順利接收到有效“握手包”，MCU會通過控制寄存器將CYWUSB6935設置到空閑模式下。 ⑩ 在完成所有的傳輸后，MCU可以利用PD引腳把CYWUSB6935置于休眠模式。在連續的多次傳輸過程中，在上一次所傳輸的數據末尾存在一個附加數據包，通知MCU將CYWUSB6935設置為在連續的數據傳輸間隙工作在空閑模式下，準備下一次傳輸，而無需等待其從休眠狀態中被喚醒。 5 結語 WirelessUSB LR無線USB系統解決方案，將無線通信的優點和傳統的USB接口有機地結合起來，不僅能提供較高的數據傳輸率，而且改進了數據的接入方式，使傳輸系統更加方便、可靠。Wireless USB LR憑借其完美的性能和低成本，可以滿足無線領域中非網絡端的需求，將成為未來無線通信的主流。 |
