基于WirelessUSB LR无线的WUSB射频系统解决方案

基于WirelessUSB LR无线的WUSB射频系统解决方案

1 、WirelessUSB LR系统突出特性

③ 无线系统设计里用户十分关心电池的续航能力，不希望经常更换电池，更不希望在设备使用过程中由于电池的原因而中断传输。由于大部分无线电系统待机时都能将耗电率降至接近于零的程度，因此降低耗电率与延长电池续航能力的关键就是限制传输数据长度。通信协议越复杂，传输的数据就越多。WirelessUSB LR中的通信协议能够以极高的效率处理数据包。另一种途径就是限制无线电发送的时间，像蓝牙等解决方案，就必须定期与网络同步，才能及时发现网络中的新设备。WirelessUSB LR拥有为降低耗电率而设计的自我校正机制，使得设备待机耗电大约只有0.25 μA，输出功率降至0 dBm。如此低的耗电率能够提供典型无线键盘9个月以上的电池续航力,或者为游戏操控装置提供100小时以上的续航力;对于普通传感器/传动器，电池寿命可达数年，而且硬件采用数据驱动的工作方式，在无数据传输时，自动进入“挂起”状态[2]。

2 、系统硬件CYWUSB6935芯片介绍

CYWUSB6935是Cypress公司为配合WirelessUSB LR方案推出的低成本高集成度的2.4 GHz直接顺序扩展频谱(DSSS)射频片上系统(SoC),具有可配置的双向(接收或发送)功能。CYWUSB6935提供了完整的针对WirelessUSB LR的从串口SPI到射频发射的调制解调方案[3]。

2.1 CYWUSB6935芯片的内部结构

CYWUSB6935内部模块结构如图1所示。

图1CYWUSB6935内部模块结构

2.2 CYWUSB6935的主要特点

① 2.4 GHz的无线收发器工作在2.4~2.483 GHz的ISM公共频段内。如此以来，CYWUSB6935突破了众多27 MHz、400 MHz以及900 MHz系统共有的各种限制;工作于2.4 GHz公共ISM频段的WirelessUSB LR还使用户能够在世界范围内推广使用其解决方案，而无需受地区性频率要求的约束，从而具备了全球通用性、合理的功率规格以及更高的通信频宽[4]。

③ -95 dBm的接收灵敏度与超过50 m范围的全方位传输距离。接收灵敏度的提高和传输距离的延伸,都确保在50 m甚至更大范围内准确快速地获得全方向信号，使WirelessUSB LR技术进入更远距离的商业和工业多点对单点应用领域，从而拓展了该无线系统的应用市场。

⑥ 高集成、低成本的48QFN封装，按最少外接元件要求设计，完全可以达到用户的单片设计要求。

⑦ 片内集成30位的制造商ID、2.7~3.3 V的工作电压和-40～85℃的工作环境，在很大程度上拓展了CYWUSB6935芯片的适用领域。

2.3 CYWUSB6935芯片引脚定义

表1引脚定义

表1为CYWUSB6935芯片48QFN封装的引脚定义。

3 、WirelessUSB LR系统结构

(1) WirelessUSB LR桥最小系统

图2WirelessUSB LR桥最小系统电路

(2) WirelessUSB LR HID最小系统

图3WirelessUSB LR HID最小系统电路

4、 WirelessUSB LR系统数据传输过程

WirelessUSB LR 2Way网络中，用户主要采用多点到一点(multipoint to point)的拓扑来组建用户网络。HID与Bridge之间建立有双向数据通道，使得HID在发送数据的同时，能够接收Bridge传输来的Ack/Nak信息和数据,如图4所示。在该网络中的所有设备都具备收发数据的功能。WirelessUSB LR 2Way网络中允许多个应用设备同时进行无线传输，并且能够以无线方式把多达127个设备连接到主机(通常是1台PC)上，其中每个设备分时复用同一带宽。

图4WirelessUSB LR 2Way系统

以下是WirelessUSB LR 2Way系统中，桥接器(bridge)从人机接口设备(HID)节点上接收数据的典型过程[5]，其间的时序和电流变化如图5所示。

图5数据传输过程

① 传输开始之前，桥接器和HID同处于休眠状态，13 MHz的晶体并不工作，此时待机电流小于1 μA。

② 当HID的MCU需要发送数据时，首先通过拉高PD引脚电压将CYWUSB6935从休眠状态中唤醒。此时，晶体开始工作。一旦晶体工作稳定，CYWUSB6935通过IRQ引脚告诉MCU，它已经准备好接受串行接口(SPI)命令。

④ 综合器稳定工作后，CYWUSB6935将自动发射1个比特周期的引导信号(如：10101...)，用于帮助接收机锁定发送机信号，并自动将传输数据寄存器中的数据下载到发射移位寄存器中，并向IRQ引脚发送“传输数据寄存器空”中断。MCU使用一个字节周期(125~512 μs，其长度取决于所选择的数据率)来下载下一个将要传输的数据。当新的数据写入发射移位寄存器时,“数据空”中断会被自动清除。

⑤ 在一段时间内，MCU通过反复查询“传输数据寄存器空”中断，不断将待发送数据下载到发射移位寄存器中，直到整个数据包下载完毕为止。

⑥ 完成数据下载之后，MCU通过设置“发射中断使能”寄存器使得“寄存器空”中断无效同时使能“发射”中断,再由CYWUSB6935射频部分完成数据无线传输的工作。当发送完最后一个数据字节后，“发射”中断被送至IRQ引脚。

⑧ 当综合器频率稳定后，CYWUSB6935准备接收桥接器的“握手包”(如果在HID的CYWUSB6935综合器达到稳定之前，桥接器的“握手包”就已经到达，则HID无法成功接收到“握手包”;若HID成功接收到“握手包”，一个寄存器满信号将送至IRQ引脚)。若CYWUSB6935成功接收到了“握手包”，MCU将负责查阅该“握手包”数据，并且在接收有效寄存器中查询数据有效标志位;如果接收到无效“握手包”，或者在特定的时间内没有接收到有效“握手包”(握手包超时)，MCU将会重新执行之前的第③步。

⑨ 如果CYWUSB6935顺利接收到有效“握手包”，MCU会通过控制寄存器将CYWUSB6935设置到空闲模式下。

⑩ 在完成所有的传输后，MCU可以利用PD引脚把CYWUSB6935置于休眠模式。在连续的多次传输过程中，在上一次所传输的数据末尾存在一个附加数据包，通知MCU将CYWUSB6935设置为在连续的数据传输间隙工作在空闲模式下，准备下一次传输，而无需等待其从休眠状态中被唤醒。

5、结语

WirelessUSB LR无线USB系统解决方案，将无线通信的优点和传统的USB接口有机地结合起来，不仅能提供较高的数据传输率，而且改进了数据的接入方式，使传输系统更加方便、可靠。Wireless USB LR凭借其完美的性能和低成本，可以满足无线领域中非网络端的需求，将成为未来无线通信的主流。

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