基于AVR实现USB2.0无线测控网络

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  前言

  nRf2401是挪威Nordic公司推出的单片2.4GHz无线收发一体芯片,支持多点间通信,最高传输速率达到1Mbit/s,可以用于无线网络中。口传输速率是480Mbps,有即插即用和热插拔功能。接口提供内置电源,可以向外设提供5V和最多500mA的电源。因此在以计算机为上位机的控制系统中,USB口比较适合作为计算机与测控网络的接口。

  USB接口器件的开发过程比较复杂,开发者需要知道USB协议、USB设备驱动程序开发、主机应用程序开发等知识,使用USB-UART桥接电路CP2102可以避免上述麻烦。

  1系统的设计思想及nRf2401和CP2102介绍

  系统的设计思想如图1所示。系统是由 CP2102、nRF2401、单片机等组成。

  nRF2401是业界体积最小、功耗最低、外围元件最少的低成本射频芯片。有125个频道,速率(0~1Mbps)、发射功率和工作频率等所有工作参数可编程设置。每个芯片可以通过软件设置最多40bit地址,而且只有收到本机地址时才会输出数据。内置CRC纠检错硬件电路和协议。nRf2401内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块。工作于2.4~2.5GHz ISM自由频段,采用SoC方法设计,只需少量外围元件便可组成射频收发电路。nRF2401没有复杂的通信协议,它完全对用户透明,同种产品之间可以自由通信。

  CP2102是美国Silicon公司生产的高集成度USB-UART桥接电路。它们能够用最简单的外部电路、最少的外部器件简便实现USB2.0到UART的转换。

  使用CP2102作为USB接口器件最大的特点是开发方便:①厂商免费提供适用于Windows(含Windows CE)、Linux等操作系统的驱动程序。驱动程序将计算机的USB口虚拟成一个COM口,计算机使用普通操作串口的命令访问虚拟COM口。②内置USB2.0全速功能控制器、USB收发器、48MHz内部晶体振荡器、1KB字节 E2PROM及异步串行数据总线(UART),电路无需任何外部的USB器件。③CP2102的UART接口波特率为300bps~921.6kbps,可以满足无线网络的传输要求。

  2硬件电路的实现

  上位机系统电路如图2所示。单片机选用ATmega16,是ATMEL公司生产的高性能、低功耗的8 位AVR® 微处理器,采用先进的RISC 结构,数据吞吐率高达1 MIPS/MHz。片内集成有16K 字节可编程Flash、512 字节的E2PROM、1K字节的SRAM、两个可编程 的串行UART和可工作于主机/从机模式的SPI 串行接口。


图2 上位机系统电路

  CP2102无需外部电阻和晶体,VBus与REGIN引脚连到USB接口的Vbus端,在REGIN端加1μF的去耦电容。CP2102与单片机接口是标准UART电平,RTX、TXD引脚分别是串口的接收、输出端,与单片机的对应引脚相连。CP2102的USB端与计算机的USB口连接。CP2102的SUSPEND脚是USB口挂起信号端,接到单片机的PC4引脚。


图3 无线收发模块

  上位机所有器件均由计算机的USB口提供电源。ATmega16L的电源电压范围为2.7~5.5V,nRF2401的电源电压范围为1.9~3.6V,利用计算机USB口的+5V电源,通过MIC2937A芯片将电压转换为3.3V。

  无线收发模块电路如图3所示。nRf2401外围元件很少,可使用单鞭天线或环形天线,电感需要采用高Q高精度的贴片绕线高频电感,晶体需采用高稳定晶体,电容应选用高稳定贴片元件。nRf2401通过SPI接口与单片机进行通讯,ATmega16集成了SPI接口(CLK、MISO、MOSI引脚),与nRf2401的CLK1、DATA相连接。nRf2401的CS是片选端,CE是发送或接收控制端,PWR_UP是电源控制端,分别由单片机的PC5、PC6、PC7引脚控制。nRf2401的DR1为高时表明在接收缓冲区有数据,接单片机的中断引脚。

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