基于nRF24L01的无线USB控制系统

　　引言

　　当今，无线技术飞速发展，应用的领域越来越广，与有线技术相比，无线技术具有方便、灵活、减少布线施工难度、降低成本等优点。本文阐述了无线USB控制系统的组成、功能和设计方法，系统由PC、无线USB控制器和多个终端节点组成，本文分别给出了实现无线USB控制器和终端节点的一种方案：无线USB控制器的方案是以单片机STC89C58RD+为微控制器，基于Nordic公司的2.4GHz的无线收发芯片nRF24L01，结合Philips公司的PDISUBD120D USB控制芯片来实现的;终端节点的方案是以STC89C58RD+为微控制器，基于nRF24L01无线收发芯片和根据需求的实际应用电路来实现的。

　　1系统组成及其实现方案

　　1.1系统描述

　　如图1，无线USB控制系统的组成包括PC、无线USB控制器和终端节点（n个）。PC和无线USB控制器之间通过USB接口进行通信，在PC端，用VC++开发应用程序实现对无线USB控制器进行控制，无线USB控制器和各个终端节点通过无线收发芯片nRF24L01实现无线通信。

　　1.2系统实现方案

　　1.2.1无线USB控制器实现方案

　　无线USB控制器实现方案如图2所示，主要包括微控制器STC89C58RD+、USB控制芯片PDIUSBD12和无线模块nRF24L01 Module。STC89C58RD+内含32KB程序存储器、1280B RAM和16KB E2PROM，E2PROM可用来存储终端节点的地址及需要掉电存储的其他数据，32KB程序存储器和1280B RAM可以满足绝大多数应用需求。USB控制芯片PDIUSBD12是一个性能优化的USB控制器件，完全符合USB1.1规范，支持本地DMA传输，用于基于微控制器的系统。USB1.1最大支持的传输速度是12Mb/s，比一般的PC接口速度都快，足够满足无线USB控制系统的应用。无线模块部分采用Nordic公司的nRF24L01单片射频收发芯片，该芯片工作于2.400~2.4835GHz的ISM（工业、医学和科学）频段，工作电压为1.9~3.6V，有多达126个频道可供选择，支持多点间通信，最高速率达2Mb/s，内置链路层，减少了MCU的复杂性和成本，提高了数据传输的可靠性，而且只需少量的外围元件便可组成射频收发电路，具有体积小、功耗低、性价比高等优点。

　　

　　1.2.2终端节点实现方案

　　终端节点实现方案如图3所示，主要包括微控制器STC89C58RD+、无线模块nRF24L01 Module和实际应用需求的扩展电路。STC89C58RD+微控制器和nRF24L01无线模块构成终端节点与无线USB控制器之间无线通信的基础，终端节点的扩展电路是根据实际应用需求来设计的，如应用于温度数据采集系统，则扩展电路应是温度传感器的电路，终端节点的灵活设置使得整个系统可以满足多种应用场合的需求。

　　2系统的硬件部分

　　2.1 nRF24L01无线模块原理图

　　nRF24L01是挪威Nordic VLSI公司推出的单片射频收发芯片，20个引脚4mm×4mm QFN封装，内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，采用Enhanced ShockBurst技术，使用SPI接口与微控制器通信，速率为0~8Mb/s，配置方便。nRF24L01适用于无线数据通信、无线个人电脑外设、无线报警及安全系统、无线开锁、无线监测、家庭自动化和玩具等诸多领域。关于该芯片的具体功能和工作模式及其编程过程请参照参考文献。该模块电路原理图，如图4所示。

　　nRF24L01模块在PCB布线时采用双面板，底层全部铺地，顶层放置元器件，所有电容电阻电感采用0402封装电容电感电阻尽量靠近芯片引脚，顶层也需大面积铺地，在顶层和底层放置大量的通孔。该模块供电电压为3.3V，SPI接口可以直接与5V的MCU的IO口相连接，无SPI接口的MCU可以用IO口模拟SPI时序，使用方便。

　　2.2 USB控制芯片PDIUSBD12原理图

　　PDIUSBD12是一款性价高的USB控制芯片，它与MCU配合使用，这使得设计者可以灵活地选择MCU，它与MCU之间通过并行接口通信，还支持本地DMA传输。图5是PDIUSBD12与STC89C58RD+单片机连接的原理图。

　　上图未画出STC89C58RD+单片机，只给出了网点名称，如P00-P07、P27、ALE、INT1、WR、RD，STC89C58RD+与标准的80C51（如AT89S51）引脚完全兼容，PDIUSBD12与MCU的连接有2种方式：总线方式和分开的地址数据方式。采用总线方式时引脚10的ALE连接MCU的ALE，引脚28的A0接到高电平;采用分开的地址数据方式，则ALE连接低电平，A0连接任意的IO口，数据或地址（命令）由A0来区分。图5采用总线方式。另外该无线USB控制器直接使用USB接口供电，省去了电源，降低了成本。