无线和有线USB接口共存的数据传输系统

引 言

电子技术和芯片技术的发展使得数字系统运行的速度越来越快，设备内部和设备之间的数据交换对高速、实时、突发的要求越来越高。总线技术是数据交换的必要环节。早期的总线传输一般是串行方式，一些串行总线已经成为标准，非常适合语音和控制信号的低速数据传输，数据传输速率一般低于1 Mbps。这类总线包括RS232、I2C、SPI、I2S等，特点是引线少、速率低。并行总线由于线数多，可以从8位扩充到16位、32位和64位，甚至更高，使得数据传输速率成倍提高。但由于布线的差异以及干扰的存在，使得其数据传输的同步时钟速率很难超过150MHz。差分串行总线能够解决布线差异引起的问题，并具有较高的抗干扰性能，使得串行总线的传输速率得到迅速的提高。USB总线就是一种差分的串行总线，其速率可以达到480 Mbps，已经得到非常广泛的应用。

很多设备的应用场合中，设备之间的连接非常困难甚至不能实现，基于无线总线的数据传输从而得到发展和应用。无线总线包括蓝牙、无线网卡、无线传感器等。无线USB(Wireless Universal Serial Bus，WUSB)也是这样的一种无线总线技术。由于现有设备的存在，使得单一的WUSB设备不能直接和现有设备进行交互。为了解决WUSB向有线USB 兼容的问题，需要研制同时具有WUSB和USB功能的设备，实现单一的WUSB设备和单一的USB设备之间的数据交换。本文研制了一种有线和无线USB共存的系统，使用Cypress公司的CY-WUSB6935实现WUSB的数据收发，使用该公司的CY7C68013实现有线USB的数据收发，同时使用 DSP实现两者之间的控制和数据处理。

1 硬件设计

1．1 WUSB和CYWUSB6935

WUSB技术的数据收发采用超宽带技术(Ultra WideBand，UWB)的脉冲调制方式。由于其载波信号不是连续存在的，仅仅存在于数据传输瞬间，使得其数据收发间隙几乎没有功耗，因此非常适合电池供电并工作较长时间。在3 m距离内，目前的WUSB2．0标准可以实现480 Mbps的数据传输速率，正在规划的WUSB3．0可以实现1 Gbps的数据传输速率。

CYWUSB6935是Cypress公司推出的一款支持WUSB标准的芯片。其发射频率为2．4 GHz，采用直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS)技术，以避免来自2．4 GHz频段中802．11b、Bluetooth、无绳电话以及微波炉等无线信号的干扰；具有-95 dBm的接收灵敏度，确保在50 m范围以内获得较强的全方向信号；待机功耗非常低，具有约0．25μA的待机电流，使用普通电池待机时间可达数年；具有可自适应的发射功率，可以识别收发信号的强弱，发射功率具有-30～0 dBm的动态范围。注意，CYWUSB6935具有高达62．5 kbps的数据传输速率，平均响应时间少于10 ms。图1是CYWUSB6935的内部结构框图。



无线信号的收发由集成在片内的GFSK调制器和解调器完成，调制／解调器需要外部提供标准的13 MHz的时钟信号。该信号经过频率合成器转换为发射载波信号，如果频率合成器锁定时钟，将输出同频率的13 MHz时钟，可以由此判断调制／解调器是否正常工作。

CYWUSB6935具有2路功能完全一样的基带信号处理通道，射频端2路基带通道都和调制解调器连接。发送数据经过并串转换传输到基带处理通道；接收时基带通道处理后的数据经过串并转换传输到数字接口。基带通道主要功能是将数据调制在扩频码上，可以根据设置将一个数据位扩频到64个或者32个码片上。

数字接口主要包括1个SPI接口，由于CYWUSB6935最大只有62．5 kbps的数据传输速率，所以SPI接口完全满足数据传输要求。数字接口还具有复位、中断、休眠选择和设置引脚，以提高芯片的适应性。

CYWUSB6935有4种工作模式：64 chip／b单通道、32 chip／b双通道、32 chip／b单通道双倍采样和32 chip／b单通道两倍数据速率。第3种工作模式的数据传输速率最低，但性能更加可靠，一般在较远距离或者信道状况较差情况下使用；第4种工作模式的数据传输速率最高，但性能最差，一般在较近距离或者信道状况较好情况下使用。模式选择通过配置数据速率寄存器来实现。

接收和发射均采用中断方式，有3种：发射中断、接收中断和唤醒中断。这些中断共用一个IRQ引脚。通过读取中断状态寄存器可以确定中断类型。如果为接收中断，则从相应的数据接收寄存器中获得相应通道的数据；如果是发射中断，则接收数据送到基带通道中进行扩频处理；如果是唤醒中断，则切换休眠状态到工作状态，准备接收或者发射数据。

1．2 CYWUSB6935和DSP的连接

CYWUSB6935的数据接口一般采用SPI接口，与各种控制器的连接非常方便。DSP芯片选用TI公司的TMS320C6727B。该芯片是浮点型 DSP，最高工作频率达到350 MHz；单个指令周期可以执行6个浮点数据运算，最高达到2 100 MFLOPS；片内具有256 KB的RAM，片内外设具有各种接口(其中包括与CYWUSB6935连接的SPI接口)。CYWUSB6935和TMS320C6727B的连接如图2 所示。



TMS320C6727B作为主控制器，提供SPI的时钟和使能信号(图2中的SPIO_CLK和SPIO_SCS)给CY_WUSB6935。工作状态下，CYWUSB6935一共发送3种中断信号到TMS320C6727B，均由IRQ引脚传输到TMS320C6727B。其中，工作定时中断表明 CY-WUSB6935处于正常工作状态，如果TMS320C6727B超过时间未收到定时工作状态信号，则由SPI接口软件复位CYWUSB6935；如果软件复位后仍然不能正常工作，则由GPIO0引脚硬件复位CYWUSB6935，从而确保CY-WUSB6935不会进入死锁和非正常工作状态，大大提高了系统的可靠性。在休眠方式下，TMS320C6727B使用GPIO1引脚控制CYWUSB6935的PD引脚，控制其进入休眠方式；同样，使用该引脚可以唤醒CYWUSB6935。TMS320C6727B的Flash用于存储程序代码；AIC23为音频处理芯片，可以使用音频信号控制 TMS320C6727B；CYWUSB6935的收发天线为PCB天线，直接在电路板上制作完成。

1．3 USB和CY7C68013

USB接口一般包括3个部分：具有USB接口的PC系统，能够支持USB的系统软件，以及使用USB接口的设备。USB接口的应用采用通用连接技术，实现外设的简单快速连接，从而达到方便用户、降低成本、扩展PC机连接外设范围的目的。

USB接口的特点如下：连接灵活、使用方便；为USB接口设计的驱动程序和应用软件可以自动启动，无需用户干预；单独使用自己的保留中断，不会同其他设备争用资源；可以为外设提供电源，USB接口能自动识别外设所需的电源，并通过USB电缆向该设备供电(最高可达500mA，可以使用2根USB电缆，提高供电电流到1 A)。

CY7C68013是Cypress公司推出的USB2．0芯片。它包括8051处理器、智能串行接口引擎、USB收发器、16 KB片上RAM存储器以及通用可编程接口。智能串行接口引擎执行所有基本的USB功能，将嵌入的8051处理器解放出来用于实现其他功能，以保证连续、高速、有效的数据传输。RAM存储器可以分配4 KB的大容量FIFO用于数据缓冲，作为从设备时，可采用同步或者异步FIFO接口与主设备连接；作为主设备时，可通过GPIO接口配置控制时序来实现与其他从设备连接。

CY7C68013的内部结构如图3所示，其中与外部设备的接口包括I2C总线、GPIO接口和FIFO接口等。数据通过这些接口传输到内部的数据和地址总线，由8051处理器处理，或者直接送到USB接口的智能引擎单元；然后传输到USB收发器，最终传输到PC机。CY7C68013片内还包括PLL时钟电路，将外部的24 MHz时钟信号连接到USB收发器和8051处理器，驱动内部模块工作。



1．4 CY7C6801 3和DSP的连接

CY7C68013和DSP的连接有两种方式：从设备的FIFO方式和主设备的GPIO方式。本设计采用从设备的FIFO方式，DSP作为主设备。DSP可以像读写普通FIFO一样对CY7C68013内部的多层缓冲FIFO进行读写。具体的接口电路如图4所示。



FlagA、FlagB和FlagC是CY7C68013内部FIFO的状态标志，分别对应FIFO的空、半满和全满状态。TMS320C6727B 通过GPIO0、GPIO1和GPIO2引脚来获得这些状态信息。其中，CY7C68013的半满状态可由软件设置。半满仅仅表示FIFO中有数据，还存在未写的空间。例如，如果1 024个数据为全满，可以设置半满个数为1～1 023。

TMS320C6727B通过EMIF接口的CE2空间对CY7C68013进行读写操作。当通过CY7C68013向PC机发送数据时，首先查看空、半满和全满这3个状态信号，如果状态为空或者半满，则向CY7C68013写入适当大小的数据，以保证数据不会溢出；PC机通过CY7C68013向 TMS320C6727B发送命令字时，CY7C68013通过中断方式通知DSP读取其命令字。