基于单片机的无线式数据通讯接口卡的设计

引言

针对在现实生活中，大量存在各种评审、评奖活动，作者研制开发了一套无线式专家评审智能系统，可进行准确、快捷的集体评审和表决工作。系统主要由中央数据处理站和若干智能评分器组成，采用轮叫轮询的网络拓扑结构。为了实现中央数据处理站计算机与各智能评分器之间的数据交换，并确保评审现场整洁规范，空间布局有条不紊，需要设计一块无线通讯卡，这样就无需在现场铺设通讯电缆。基于此，作者开展了这方面的研究，并开发了一块具有RS-232和USB两种接口的无线式数据通讯接口卡，以满足现场不同的使用要求。
2 总体方案
无线式数据通信接口卡原理框图如图1所示。接口卡以一块EZ-USB FX单片机为中心，单片机通过RS-232或USB接口接收来自计算机的命令和数据，然后经nRF903调制后发送出去，返回的数据经无线收发电路解调后，EZ-USB FX单片机可进行正确的读取，然后通过RS-232或USB接口传送给计算机进行处理。整个工作过程由X5043看门狗电路进行监控。LED信号指示灯用于指示接口卡的工作状态。

3 硬件设计
3.1 EZ-USB FX单片机
Cypress公司推出的带智能USB接口的EZ-USB FX单片机，是一块高度集成的集成电路。具有以下主要特性：
?单片集成了USB收发器，智能串行接口引擎SIE(Serial Interface Engine)和增强型8051内核；
?支持USB1.1和2.0协议；
?软件：8051由内部或外部RAM运行代码；
?增强型8051每个指令周期只需4个机器周期，3个定时器/计数器，2个UART，1个I2C接口，24MHz/48MHz工作频率；
?3.3V工作电压。
EZ-USB FX单片机为USB外设提供了一种高度集成的解决方案，极大地降低了USB设备的开发难度。其内部增强的8051核心使用内建RAM，可作为程序和数据存储器使用，并赋予了EZ-USB FX“软件”特性。此外，EZ-USB FX具有独特的列举和重列举特性，这种特性可让用户的代码通过USB总线下载到片内RAM中，便于用户对系统的再开发和升级，实现柔性开发。
本设计中选用的EZ-USB FX单片机是CY7C64601-52NC。52脚PQFP封装，4KB的RAM，16个可编程的I/O口，8位通用可编程接口GPIF（General Programmable Interface）。
3.2 RF无线收发芯片nRF903及其接口设计
nRF903是Nordic公司最新推出的单片无线433/868/915MHz收发芯片，该芯片采用蓝牙核心技术设计，在一个32脚的芯片中包括了三段高频发射与接收、三段PLL合成、FSK/GMSK调制与解调、多频道切换、异步通信接口等多种功能，是目前集成度最高的无限数据传输产品之一。传输速度最高可达76.8Kbps。采用低发射功率、高接收灵敏度的设计，使用无需申请许可证，开阔地的使用距离最远可达1000米。
nRF903可与单片机直接接口使用，nRF903与CY7C64601的连接原理如图2所示。nRF903的DATA为双向数据传输口，与CY7C64601的TxD0和RxD0相接串行传输数据；TXEN用于选择传输模式，TXEN为0时，nRF903工作于接收方式，TXEN为1时，nRF903工作于发射方式，用单片机的I/O口PC3控制；CFG_CLK用于配置寄存器时钟、CFG_DATA用于配置寄存器数据、CS用于寄存器片选，分别用CY7C64601的PC7、PC6、PC5来进行控制，对nRF903的工作频率等参数进行设置；STBY、PWR_DWM设置为0时，nRF903工作于接收或发送正常工作状态。
nRF903有三个工作频段，170个信道，4种发射功率，4种外部始终频率输出，通过单片机对nRF903内部的一个14位配置寄存器进行设置，编程选择nRF903的工作频率，发射功率等参数。在配置过程中，首先通过单片机将TXEN设置为0，同时STBY、PWR_DMN也为0，使芯片工作在接受模式，以避免无意地在不希望的频率进行传送。选取芯片外接振荡器的频率为11.0592MHz。nRF903的配置字通过CS、CFG_CLK、CFG_DATA组成的串行接口，在时钟信号的控制下串行输入内部配置单元的数据移位寄存器。激活CS信号使能nRF903的配置模式，从最高位开始串行输入14位配置字，CFG_DATA的位速度不可超过1Mbps，然后使CS无效，配置操作即完成。
3.3 EZ-USB FX外围电路
EZ-USB FX工作电压为3.3V，而USB总线提供的电源为5V。因此选用一块Maxim公司的电压转换芯片MAX882实现从5V到3.3V的转换。由于EZ-USB FX工作电压为3.3V，为保证晶振能在低电压的情况下可靠工作，在单片机XIN和XOUT之间接了一个1MΩ的反馈电阻。EZ-USB FX内部8KB的代码和数据存储器都是RAM，没有永久性的存储器，EZ-USB FX必须通过I2C接口从外部E2PROM获得代码和数据。在主机列举之前，EZ-USB FX内核电路通过I2C接口从串行E2PROM读取一个字节，这个字节告诉内核下一步该作什么。使用默认模式时，根据E2PROM字节识别设备，或从E2PROM调用固件。E2PROM选用Microchip公司的24LC64，存储器容量为64KB。具体电路连接如图2所示。MAX232的作用是实现RS-232电平和TTL电平之间的转换。可编程看门狗监控芯片X5043与EZ-USB FX之间采用SPI接口进行数据传输。CY7C64601的USBD-和USBD+分别通过一个22Ω的电阻与USB总线的D-和D+相连，构成USB总线接口。对EZ-USB FX单片机的复位包括USB总线的复位和8051的复位，图2所示的上电复位和X5043复位均只对8051复位。