USB无线翻页笔设计及实现.docx

USB无线翻页笔设计及实现.docx

《USB无线翻页笔设计及实现.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《USB无线翻页笔设计及实现.docx（43页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

USB无线翻页笔设计及实现

信息工程学院本科毕业论文

题目

USB无线翻页笔设计及实现

系

电子工程

专业

电子信息科学与技术

班级

学号

学生姓名

指导教师

完成日期

诚信承诺

我谨在此承诺：

本人所写的毕业论文《USB无线翻页笔设计及实现》均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。

承诺人（签名）：

年月日

摘要

本设计是一个基于USB2.0的无线翻页笔。

由于时间和经费原因，为简化系统，数据无线传输部分使用市面上的315Mhz的成品。

研究的内容主要为数据的USB传输以及HID设备。

通过使用Cypress公司开发的EZ-USBFX2单片机CY7C68013，来控制数据的接收和处理以及传送到PC机。

短距离无线通信技术和USB技术是目前非常流行的两项数据传输技术，得到了广泛的应用。

本文结合无线通信和USB技术的优点，设计了一种短距离无线USB接口控制系统的方案。

论文首先介绍了短距离无线通信技术的动态，分析了相关的关键技术;接着介绍了USB接口协议，着重分析了本文采用的USBHID协议和CY7C68013单片机、SC2262和SC2272（或PT2272）。

论文的重点是设计短距离无线USB接口控制系统方案，包括硬件设计和软件设计。

利用CY7C68013单片机做控制，作为USB接口芯片，实现了基于315M射频电路的无线控制的上下翻页系统。

论文设计了系统的硬件原理图，软件流程图和源代码，并通过固件程序设计、仿真和调试等手段，在对固件的编程配置中实现设计的功能。

关键词：

无线通信；USB技术；射频技术；HID设备

ABSTRACT

ThisdesignisasystembasedonUSB2.0wirelessnextpage.Duetotimeandfinancialreasons,inordertosimplifythesystem,partofthewirelesstransmissionofdatausingthe315Mhzofthefinishedproductonthemarket.StudythecontentsoftheUSBkeyfordatatransmission,aswellasHIDdevices.CypressdevelopedthroughtheuseofEZ-USBFX2microcontrollerCY7C68013,tocontrolthedatareceptionandprocessing,andsenttothePC.

Short-rangewirelesscommunicationtechnologyandUSBtechnologyiscurrentlyverypopulartwodatatransmissiontechnology,hasbeenwidelyused.Inthispaper,wirelessandUSBtechnology,theadvantagesofdesignedashort-rangewirelessUSBInterfaceControlSystemprogram.

Paperfirstdescribestheshort-rangewirelesscommunicationtechnologydevelopments,analysisoftherelevantkeytechnologies;thenintroducedtheUSBinterfaceprotocol,focusingonanalysisofthispaper,theUSBHIDprotocolsandCY7C68013microcontroller,SC2262andSC2272（orPT2272）.Paperfocusesonthedesignshort-rangewirelessUSBinterfacecontrolsystemsolutions,includinghardwaredesignandsoftwaredesign.CY7C68013microcontrollerusedtodocontrol,astheUSBinterfacechiptoachieve315M-basedRFwirelesscontrolsystemfromtoptobottomnextpage.

Paperdesignofthesystem'shardwareschematicsandsoftwareflowchartandsourcecode,andthroughfirmwaredesign,simulationanddebuggingtools,programminginthefirmwareconfigurationtoachievethedesignfunctionality.

Keywords：

Wirelesscommunication;USBtechnology;RFtechnology;HIDEquipment

1引言

目前高校的多媒体投影教室的装备和使用也越来越多，由于其图，声，文并茂深得学校和学生的喜欢，但是其使用也暴露出一个问题，为了控制演示进度，老师必须亲自用键盘或鼠标近距离操作电脑，因此在演示过程中，老师一直都只能活动在电脑附近很小的区域，甚至就坐在电脑旁边。

这样不仅局限了老师自身的活动空间，还增大了老师与学生的距离，使得原本生动的多媒体演示缺乏重要的亲和力和沟通性，也使得老师的思维由于要进行键盘操作而影响到讲课的连贯性，另外，老师的肢体语言也没有充分表现出来。

能否有一种装置解决上述问题呢?

根据这个问题，研制出了基于USB接口的短距离无线翻页控制系统设备，目的主要是为了解决传统的演示操作方式带来的种种弊端，使得老师彻底摆脱空间的束缚。

在教学的整个过程中，老师可以在教室里边随意走动，可以走到学生当中，进行沟通，从而实现演示无线，沟通无限的最佳演示效果，使得多媒体教学更加方便灵活，整个教学过程更加自然、亲和、人性化。

USB作为一种新的解决方案能够克服其他接口的常见缺点，并提供新的能力，包括：

●USB是一个可以连接任何设备的简单连接器。

●可以把很多外围设备连接到同一连接器上。

●可以消除系统资源冲突。

●自动检测和配置外围设备。

●以较低成本实现系统和外围设备的连接。

●提高系统性能。

●支持对新设计的外围设备的连接。

●支持老式的硬件和软件。

●低功率。

所以，在数据传输系统中，采用USB（UniversalSerialBus通用串行总线）在PC连接外围设备方面是一个相当好的解决方案。

2概述

2.1USB无线翻页概述

USB无线翻页系统[1-3]的工作原理是发射装置上的信号产生、编码、发射电路和无线电信号产生发射信号。

接收装置的信号接收、取出信号、解码、处理。

单片机CY7C68013的原理结构应用，单片机与计算机的USB接口通信，单片机固件程序的设计，射频接收芯片的原理与应用，发射电路和接收电路的设计调试，整个系统的联调工作。

图2-1发射器功能部件

图2-2接收器功能部件

短距离无线技术的范围很广，在一般意义上，只要通信收发双方通过无线电波传输信息，并且传输距离限制在较短的范围内，通常是几十米以内，就可以称为短距离无线通信。

短距离无线通信技术的特征:

低成本、低功耗和对等通信，是短距离无线通信技术的三个重要特征和优势。

首先，低成本是短距离无线通信的客观要求，因为各种通信终端的产销量都很大，要提供终端间的直通能力，没有足够低的成本是很难推广的。

其次，低功耗是相对其它无线通信技术而言的一个特点，这与其通信距离短这个先天特点密切相关，由于传播距离近，遇到障碍物的几率也小，发射功率普遍都很低，通常在1毫瓦量级。

最后，对等通信是短距离无线通信的重要特征，有别于基于网络基础设施的无线通信技术。

终端之间对等通信，无须网络设备进行中转，因此空中接口设计和高层协议都相对比较简单，无线资源的管理通常采用竞争的方式。

2.2本设计方案思路

要实现对PPT等应用软件的全屏观看时的前后翻页的短距离无线控制，需要发射装置上的信号产生、编码、发射电路和高频无线电信号产生发射信号，接收装置上的信号接收、取出信号、解码、处理，以及通过单片机实现与计算机通信。

简单的说是三个步骤组成：

信号发出、信号接收、计算机响应。

2.3本设计用到的软件工具

KeilC51：

随着硬件的发展，51单片机软件工具已经有C级编译器。

目前常用的FranklinC51和KeilCsl二种，这二种C51编译器略有差别。

PROTEL：

PROTEL是PORTEL公司在20世纪80年代末推出的电路行业的CAD软件，它当之无愧地排在众多EDA软件的前面，是电路设计者的首选软件。

它较早在国内使用，普及率也最高，几乎所有的电路公司都要用到它。

早期的PROTEL主要作为印刷板自动布线工具使用，运行在DOS环境，对硬件的要求很低，在无硬盘286机的IM内存下就能运行。

它的功能较少，只有电原理图绘制与印刷板设计功能，印刷板自动布线的布通率也低。

现在的PROTEL己发展PROTEL99以上了，是个庞大印制电路板软件，完全安装有200多MB，是个完整的全方位电路设计系统，它包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印刷电路板设计（包含印刷电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电路表格生成、支持宏操作等功能，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如ORCAD、PSPICE、EXCEL等。

使用多层印制线路板的自动布线，可实现高密度PCB的100%布通率。

2.4主要技术指标

系统技术指标:

●有效距离—大于等于15m

●按键迟延—小于等于0.25

●工作温度—20~+70℃

●误码率—小于10一5

●工作电压—发送器:

3V[电池供电]

●最大功耗—发送器:

80袱〔电池提供〕

●接收器:

100mw〔USB口提供〕

●接收器:

5V[USB口供电〕

●可控制软件—Powerpoint

3USB协议简介和数据传输的实现

3.1USB（UniversalSerialBus）的发展

USB（UniversalSerialBus通用串行总线）是1995年康柏、微软、IBM、DEC等公司为解决传统总线不足而推广的一种新型的通信标准。

该总线接口具有安装方便、高带宽、易于扩展等优点，已逐渐成为现代数据传输的发展趋势。

基于USB的数据采集传输系统充分利用USB总线的上述优点，有效解决了传统数据采集传输的缺陷。

USB1.0有低速传输（1.5Mb/s）和全速传输（12Mb/s）模式。

12Mbps的带宽对于键盘鼠标等低中速外设是完全足够的。

也正是USB的诸多优点推动了它的发展。

为了适应其他高速设备，如打印机、扫描仪、硬盘和影像设备，第二代USB协议，也就是USB2.0，在第一代协议的基础上，作了以下扩展：

●480Mb/s传输速度，这个速率是USB1.1协议（12Mb/s）的40倍。

●完全的向前及向后兼容性，所有的USB1.1的设备及连接器都可以在USB2.0下运行。

●一种全新的集线器架构，这种架构可以提供多路12Mb/s的下行接口用来连接USB1.1设备。

自从USB1.0发布短短几年间，USB不光成为了微机主板上的标准端口，而且还成为了所有微机外设，包括键盘、鼠标、打印机、数字相机扫描仪和游戏手柄等等与主机相连的设备的标准协议之一。

这种连接较以往普通并口和串口的连接，更具有的优势有：

●一个USB设备可以随时接入或者拔出，即使是在计算机运行中（即所谓的即插即用Plug&Play）。

●开发维护方便。

●当一个USB设备连接到计算机上时，计算机会自动检测到并与之通信，获取这个设备的功能以及运行要求。

基于这些信息，计算机自动将对应的驱动程序加载到操作系统中。

当设备拔出时，计算机则会自动卸载这些驱动程序，释放内存空间。

●USB设备没有拨动设置开关，没有跳线，也没有特定的配置程序。

在USB协议中，还没有IRQ，DMA，memory，或者I/O的概念。

●USB扩展集线器是一条USB总线可以同时连接数个，数十个，甚至上百个设备。

●在USB2.0协议中规定，新的规范支持3种传输速率。

3.1.1USB传输方向

一个USB系统中，只有一个主控制器：

主机计算机。

USB设备响应主机的请求。

USB设备之间无法进行任何直接的通讯，必须通过主机才可以。

相比之下，IEEE1394则是点对点的通讯协议，设备之间可以互相通讯，但实现起来就要复杂很多了。

然而，只有一种情况下例外，设备可以初始化一个请求。

当主机使设备进入省电模式（SuspendMode）后，设备可以发出“远程唤醒”信号。

其他任何情况都是主机发出请求，设备来响应。

这种主从结构的通讯方式有一个很突出的优点，就是大部分智能处理都在主机端，也就是计算机端，而设备端的接口就可以很简单，大大降低了USB总线系统的成本。

相比之下，IEEE1394设备接口的软件和硬件开销都大很多。

因为主机是USB总线的主控制者，所以很容易区分USB的传输方向。

OUT就是从主机到设备；IN就是从设备到主机。

一次USB传输由一些数据包组成，这些数据包由包标识符区分。

一个包标识符代表一种类型的数据包。

共有4种包标识符，见表3-1：

表3-1USBPIDs

PIDTYPE

PIDNAME

Token

IN,OUT,SOF,SETUP

Data

DATA0,DATA1,DATA2,MDATA

Handshake

ACK,NAK,STALL,NYET

Special

PRE,ERR,SPLIT,PING

图3-1描述了一个USBOUT传输。

主机传输为红色部分，设备传输为黄色部分。

Packet1是一个OUT令牌，由OUTPID标识，标志着从主机到设备的数据就要从总线通过。

Packet2装载着数据，由DATA1PID标识。

Packet3是一个握手包，由设备向主机发出ACKPID包，表示已经正确接受到数据。

如此重复执行，例如从Packet4（OUTtoken4）开始，还有DATAPacket5等等，如果成功了，则从设备端返回ACKPID。

图3-1USBPackets

在全速传输中，每一个OUT传输都带有一个OUT数据包。

在高速传输中，为了节省带宽，采用了一种新的包，叫“Ping”包。

主机在发送数据包之前，先向设备发出一个Ping包，如果接口设备有足够的空间并且已经准备好接收数据了，则返回ACKPID包，此时主机就将装有大量数据的数据包发出。

在图3-1中有两种数据包标识符，DATA0和DATA1,是因为USB协议有严格的校验过程。

前面讲到的ACK握手数据包是为了表明设备端已经正确接受了数据，经过了CRC校验。

但是为了避免包与包之间次序的混淆，主机与设备需要同时处理一个数据交替位（DATATogglebit），保证数据包的PID以DATA0－DATA1－DATA0－DATA1的顺序传送。

这样就可以防止中断的不完整的数据传输。

SETUP令牌用在控制传输中（ControlTransfers），它用来传输标志设备请求的8个字节。

在全速设备中，帧起始令牌包每1ms发出一次。

在高速设备中，原先的每一帧数据又被分为8个微帧，这里的帧起始令牌包每125um发出一次。

在USB2.0中，共有4个包标识符来表明传输的状态，它们是：

●ACK（ACKnowledge），表明一次传输成功。

●NAK（NegativeACKnowledge），表明设备或主机繁忙，请稍后重新发送这个数据包。

NAK不是错误，USB中的错误通常都表现为没有任何反应。

●STALL，一个设备发出STALL表示它不明白当前接收到的设备请求，或者主机访问了不可访问的设备资源。

●NYET（NotYet），与ACK有相同的含义，但同时又表明没有准备好接受另一个OUT传输。

这个包标识符只在USB2.0中存在，只在高速方式时有效。

一个PRE（Preamble前导）PID置于低速（1.5Mb/s）USB传输之前，是为了在高速传输系统中声明一个全速传输的数据传输。

而EZ-USBFX2芯片只支持全速（12Mb/s）传输和高速（480Mb/s）传输方式，它将忽略PRE包以及其后跟随的低速传输。

3.1.3从主机端接收数据

为了发送数据到USB外围设备，主机会在数据之后发出OUT令牌包。

如果外围设备还有容量空间，并能无错误地接收数据，就会回复ACK，让主机知道。

如果正处在忙状态，则以NAK来取代传输。

假如发现了一个错误，则不传输任何信息。

对于后两种情况，主机会在稍后传输数据。

USB设备不会“自然地”将数据传输到主机上，为了传输,EZ-USBFX2的固件或外围逻辑任何时候都能装载数据到EZ-USBFX2端点缓冲区并完成打包。

但是，直到主机端发出IN的设备请求，这些数据才会从设备传送的主机端。

如果主机一直不发IN令牌，则这些数据就永远也发不出去，是否还保存在EZ-USBFX2端点缓冲区就不一定了。

3.1.5USB帧

对于所有USB设备，USB主机通过每1ms向设备发送一个SOF（帧起始）来时间同步。

SOF（帧起始）包含对每一帧进行累加计数的11位计数值，当前的帧计数值[0-2047]可在任何时刻从EZ-USBFX2内部寄存器中读到。

在高速传输状态，每1ms帧被分为8个125us“微帧（microframe）”，每一个微帧都由SOF包作为先导。

而帧计数值则仍然是每1ms累加一次，所以这些SOF包中包含同样的帧计数值。

为了保持当前的微帧计数值[0-7]，EZ-USBFX2提供了一个可读的微帧计数器。

只要FX2接收到一个SOF包，它就生成一次中断请求（全速方式时，每1ms一次；高速方式时，每125us一次）。

这个SOF中断非常有用，例如可以用于同步端。

3.1.6USB传输类型

USB定义了四种传输类型，它们分别满足不同的数据传输需要。

●批量传输（BulkTransfers）

图3-2两个Bulk传输，INAndOUT

批量传输是一种突发（burst）的传输模式的。

在全速方式时，数据包的大小可以是8个字节，16个字节，32个字节或者64个字节。

高速传输中数据包的大小为512个字节。

由于其具有自动的错误数据校验机制（CRC），所以批量传输能确保其正确性。

当带宽允许的时候，主机端才发送批量传输请求。

批量传输主要用于打印机，扫描仪，硬盘，调制/解调器等。

批量传输示意图如图3-3所示：

●中断传输（InterruptTransfers）

图3-3中断传输

中断传输有点儿类似批量传输。

中断传输的数据包的大小在全速方式为1－64字节，而在高速方式时，可以达到1024字节。

中断端点必须设置轮询间隔，以保证经过主机做有规则的询问（接收IN令牌）。

因此，此种中断传输方式有点儿像PC主机的轮询方式。

早期的USB1.0协议，仅具备中断IN传输；而在USB1.1以后的协议，则增加了中断OUT传输。

●同步传输（IsochronousTransfer）

同步传输具有时间临界的特性，通常应用在视频或者音频数据流的传送。

一个同步信息包，在全速方式时可以达到1023个字节，而在高速方式时可以达到1024个字节。

对于同步传输，传输的时间是最重要的请求信息。

在每一个USB帧里，会申明某些带宽给同步传输使用。

为了减轻带宽的负担，同步传输没有设置任何的握手包（ACK/NAK/STALL/NYET），而且也不会在发生错误时重试。

错误检测仅限于16位CRC错误检验码。

由于同步传输没有采用DATA-toggle机制，所以在全速方式中，同步传输仅使用了DATA0PID；而在高速方式中，同步传输使用了DATA0、DATA1、DATA2和MDATA。

在全速方式下，每一端点、每一帧仅只有一个同步信息包能被传输；而在高速方式下，可以有3个同步信息包。

同步传输示意图如图3-4所示：

图3-4同步传输

●控制传输

控制传输用来配置设备和给设备发送命令。

由于其重要性，所以采取了更为严格的校验机制。

主机在每一USB帧中都保留了一部分带宽给控制传输（一般为10%）。

控制传输示意图如图3-5所示。

一个控制传输包括2－3个阶段。

其中，SETUP阶段包含8个字节的USB控制数据。

如有必要，可以执行DATA阶段，次阶段包含有更多的数据。

在STATUS（或握手）阶段中，允许设备返回成功标识。

图3-5控制传输

即插即用的USB设备实现了真正意义上的即插即用，哪怕你的计算机正在使用。

在每一个USB设备的内部都有一个设备描述符表，其中包含了设备全部的要求和特性。

当一个USB设备插入计算机后，USB主机端将会执行认证程序，这个过程被称为设备枚举。

设备枚举只要有以下五个步骤：

●主机通过预设的地址0向设备发送获取描述符的请求（GetDescriptor）来获得设备描述符。

每一个刚连接上的设备都必须响应0地址的请求。

●设备响应请求，将ID数据发送到主机端，确认自己连上了。

●主机向设备发送设置地址的请求（SetAddress），分配给设备一个唯一的通讯地址，可以与其他设备区分开来。

●主机通过新分配的地址向设备发送更多的索要描述符的请求，进一步了解设备的信息，包括端点数目，电力要求，带宽要求，需要什么样的驱动程序，等等。

●加载符合USB指定的PID（产品码）和VID（制造商码）的驱动程序。

因为FX2软件式的配置模式，当一个设备连接到主机时，它可以作为一个默认的设备出现，然后从主机端下载固件程序和新的设备描述符。

这时候，FX2设备重新进行枚举，在主机端看来就好像变成了另外一个设备。

这个过程就是二次枚举过程。

同时，FX2也可以从外部扩展的EEPROM中读取描述符和程序。

3.1.9行接口引擎（SerialInterfaceEngine,SIE）

图3-6串行接口引擎示意图

USB带宽

每一个USB设备都有一个串行接口引擎（SIE）连接到USB数据线（D+和D-）。

设备通过这个引擎发送或者接收数据。

在图3－6中介绍了SIE工作的基本情况。

SIE的功能是对信息包PID进行译码，利用传输的CRC位进行错误检测，并且传输下载数据到USB设备。

当设备发送数据时，SIE接受设备的控制命令和数据，把数据打包成标准数据包，通过D+和D-传输到主机端。

由于USB采用了自时钟数据格式（NRZI），为了保证在串行数据传输的品质，SIE会在适当的地方插入位，这个动作称之为填充。

显然这一动作是由FX2的SIE控制的。

FX2的一个突出的特性就是它的运行配置是“软件”式的，取代了以往需要ROM或者可烧写存储器的要求。

取而代之的是一片内置的RAM内存，它包含了内部程序、数据RA