基于USB2．0的红外数据传输系统的设计与实现

摘要：针对有线传输的缺点或不足，为避免经常插拔接口造成测试仪器损坏，设计基于USB2．0的红外数据传输系统。详细论述系统的总体结构和关键硬件电路的设计及实现，并阐述系统的固件程序、驱动程序及应用程序的设计方法。利用USB2．0接口技术与红外传输技术实现测试仪与PC机之间的无线数据传输。


1 引言
    随着测试技术和无线通信技术的发展和应用，测试仪器向微型化、低功耗发展，红外数据传输成本低廉，简单易用，在很多小型设备中得到广泛应用。为避免接口插拔造成仪器损坏，实现测试仪器与PC机间的无线数据传输，减少不必要的线缆连接，这里设计一种基于USB2．0的红外数据传输系统，该系统具有低功耗、控制简单、实施方便，传输可靠性高等特点。

2 系统硬件设计
2．1 主要器件选型
    Cypress公司的CY7C68013器件包含USB2．0的集成微控制器。它内部集成有1个增强型的8051、1个智能USB串行接口引擎、1个USB数据收发器、2个UART、3个8位I／O口、16位地址线、8．5 KB RAM和4 KB FIFO等。增强型的8051内核完全与标准8051兼容、而性能可达到标准8051的3倍以上。每条指令占4个时钟周期，在48 MHz晶振下工作时，单指令周期为83．3 ns，执行速度远快于标准的8051单片机。EZ-USB FX2支持3种接口模式，即GPIF控制器模式、从属FIFO模式和端口模式。GPIF控制器模式和从属FIFO模式与外围设备是8位或16位数据并行传输，根据本系统需要，选择串行通信的端口模式。
    由于USB传输的数据是基带二进制信号，而红外收发器传输的数据是3／16归零码，因此选用编解码器HSDL-7001实现CY7C68013器件与红外收发器之间的数据转换。为了实现系统的小体积，选用TFBS4652型红外收发器，该收发器是最小的红外收发器之一(6．8 mmX2．8 mmX1．6 mm)，质量仅为0．05 g。最大传输速率达115．2 Kbit／s(SIR)，发光二极管的工作电压范围为2．4～3．6 V，温度为-25～85℃。此外，该收发器还具有发送接收的使能控制端，当系统不工作时，可将此端口置低，这样收发器就处于关闭状态，降低系统消耗。

2．2 系统设计组成
    本传输系统主要由USB2．0接口电路(包括接口器件CY7C68013、电源转换、串行E2PROM)、红外编码解电路和红外收发器3部分组成。当需将外围设备中存储的数据读取到PC机时，PC机向USB2．0接口器件CY7C68013发送读取数据的请求命令，CY7C68013接收到请求命令后，把与外围设备通信的校验码通过串行通信接口发送至红外编解码HSDL-7001，然后将接口器件发送出的串行二进制数据编码成3／16归零码的脉冲，3／16归零码数据通过串行数据线传送至红外收发器，此时接口器件开启红外收发电器的收发使能端，红外收发器以红外光信号的形式发射3／16归零码脉冲数据，完成命令的发送；当外围设备连接的红外收发器接收到发送的3／16归零码数据命令后，将其送至外围设备，外围设备收到命令后响应发送数据，即完成一次从PC机到外围设备的数据通信。其具体实现原理如图1所示。

 


2．3 红外编解码电路
    图2为红外编解码电路，主要用到红外编解码器HSDL-7001，该器件遵循IrDA1．0通信协议物理层规范，接口与SIR收发器相兼容，可与标准的16550 UART连接，具有内部或外部2种时钟模式，工作电压范围为2．7～5．5 V，可发送／接收1．63μs或3／16脉冲数据形式。其中16XCLK为16倍波特率的时钟输入端，只在外部晶振时使用。

 

   OSCOUT、OSCIN为晶振接口，低电平时选择内部时钟。TXD引脚接收CY7C68013单片机串行端口发送的数据，经编码调制后，以脉冲的方式传输到IR_TXD端口。红外光脉冲数据转变来的电平脉冲信号，经IR_RX端口进入HSDL-7001，经内部解调后，通过RX引脚将数据发送到CY7C68013单片机的串行端口。引脚A0、A1、A2用于改变HSDL-7001的波特率选择，以匹配外同设备与PC机之间数据的传输。
    本系统选用外部晶体振荡器，选用频率为1．843 2 MHz有源晶振，在数据编码过程，HSDL-7001接收TXD传送的串行数据，在TXD的每个下降沿开始，IRRXD延迟7CYCLES的时间(16CYCLES为一个晶振周期)，然后输出1个正脉冲，脉宽为3CYCLES，如果TXD0一直为低电平，则每个晶振周期内，IRRXD都会输出1个宽度为3CYCLES的正脉冲。如果TXDO为高电平，则IRTXD输出低电平，如图3所示。

 


    解码过程相反，编码过程看作是把TXD脉冲变窄的过程，而解码过程则看作是把脉冲拉宽的过程。解码过程中，当IRRXD传送1个宽度为3CYCLES的负脉冲，RXD就输出1个宽度为16CYCLES的负脉冲，如图4所示。

 


3 系统软件设计
    系统软件包括固件程序、USB设备驱动程序和应用程序。整个软件包括系统初始化、采样控制、数据传输和波形显示等部分。USB设备端固件及外围电路的底层控制程序主要采用C51编写，计算机端客户应用程序采用Visual Basic和Visual C++混合编程。
3．1 USB固件设计
    USB数据传输有4种方式：块传输、中断传输、同步传输和控制传输。当需要快速精确大批量传输数据时，一般采用块传输方式。设计中主要考虑本系统要求高速持续传输大容量的数据，并且对数据的完整性要求较高，故采用块传输方式。
    固件程序的编写采用Keil公司的Keil C51编译器(V6．10)。它为8051微控制器的软件开发提供C语言环境，同时保留汇编代码高效、快速的特点，相对于传统的汇编开发环境更加灵活、高效和易于使用。将代码在Keil C51环境中进行编译。编译通过后，将固件代码下载到USB单片机中，就可实现与外围设备的数据传输。

在整个固件程序中，EZ-USB FX2设备上电或复位后，首先初始化所有内部状态变量，随后调用任务初始化函数TD_Init()，开启中断，此时固件程序不断检测控制端口0是否收到SETUP包。一旦收到，固件程序就开始调用用户函数TD_Poll()，其中用户需要完成的功能代码在TD_Poll()函数中。调用完成后，重复检测端口O是否收到SETUP包，若有，继续执行设备请求，调用TD_Poll()函数；否则检测USB核是否有USB挂起信号。若有则调用用户函数TD_Suspend()，其返回值为真时，检测USB核是否有重新开始事件，没有时，设备进入挂起状态，反之，调用TD_Resume()进行下一次循环；当。TD_Suspend()函数返回值为假时，直接转入下次循环。
    此外，固件程序框架中还定义许多中断处理函数，当用到时可在相应的位置加入用户编写的代码，这样既清晰又便于理解，就可在无需改变整个程序的前提下，仅通过改变相应的模块，来实现用户设置的功能，本系统采用串口中断处理函数实现红外传输数据的接收。
3．2 驱动程序设计
    USB系统驱动程序采用分层结构模型(WDM)，该模型定义分层的驱动程序，USB设备驱动程序不直接与硬件对话，而是通过USB驱动程序接口将USB请求快速提交到总线驱动程序进而完成硬件操作。从系统的角度来说，在USB设备插入主机后，主机检测到USB设备，读取设备描述符，然后主机根据设备描述符中提供的厂商ID和产品ID等，启用相应USB设备驱动程序，读取USB设备中的配置描述符、接口描述符和端点描述符，根据需要选择恰当的配置、接口和端点，确定传输方式。这一过程完成后，PC机与USB设备之间就可传输数据。
3. 3 应用程序设计
   应用程序是测试系统软件的核心，其对USB设备的操作功能为：开启或关闭USB设备，检测USB设备，设置USB数据传输管道。设置数据端口的初始状态，通过USB接口回传数据、存储、显示并分析数据。

4 结论
    本文设计的数据传输系统具有低功耗、控制简单、实施方便等特点，系统将USB2．O接口技术与红外传输技术结合，实现了测试仪与PC机之间的无线数据传输，达到了设计应用要求。
    为了保证传输数据的正确性，避免其他光波对传输数据的干扰，系统壳体安装红外滤光片：一方面，消除或减少散射辐射或背景辐射的有害影响：另一方面，分出具有特定波长区的红外波长。经多次试验证明，该系统能够可靠稳定传输数据，具有很好的实用性。