WUSB技术和CYWUSB6935芯片实现USB数据收发系统的设计

1、【Word版本下载可任意编辑】 WUSB技术和CYWUSB6935芯片实现USB数据收发系统的设计 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位扩大到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

2、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，其速率可以到达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开展交互。为了解决WUSB向有线USB 兼容的问题，需要研制同时具有

3、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

4、.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，以防止来自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0.25A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

5、号的强弱，发射功率具有-300 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的内部构造框图。 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

6、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 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 chipb单通道、32 chipb双通道、32 chipb单通道双倍采样和32 chipb单通道两倍数据速率。第3种工作模式的数据传输速率 ，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 ，但性能

7、 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存放器来实现。 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。通过读取中断状态存放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存放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开展扩频处理；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，

8、工作频率到达350 MHz；单个指令周期可以执行6个浮点数据运算， 到达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，工作定时中断说明 CY-WUSB6935处于正常工作状态，如果T

9、MS320C6727B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

10、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，从而到达方便用户、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；单独使用自己的保存中断，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（ 可达500mA，可以使用2根USB电缆，提高供电电流到1 A）。 CY7C680

11、13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的内部构造如图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

12、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， 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开展读写。具体的接口电路如图4所示。 FlagA、FlagB和FlagC是CY7C68013内部FIFO的

13、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11 023。 TMS320C6727B通过EMIF接口的CE2空间对CY7C68013开展读写操作。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 TMS320C6

14、727B发送命令字时，CY7C68013通过中断方式通知DSP读取其命令字。 2 软件设计 整个系统的软件设计包括3个部分：DSP的软件设计，PC的应用程序设计，以及CY7C68013的软件设计（包括固件设计和驱动程序设计）。 DSP运行的软件主要是作为CYWUSB6935和CY7C68013的数据收发通道。其具体的工作流程如图5所示。DSP上电初始化后，将依次扫描所有可用的127无线频带的无线信号，查看周围是否存在可用的无线USB设备，并判断它们是否属于本系统的设备。如果存在本系统的设备，则开展信噪比检测，并控制发射功率，也可以优先采用空闲频带。当双方建立连接后，即可开展正常的数据通信。DS

15、P完成了某个频带的设备通信后，将开展下一个频带设备的搜索，直到搜索完成所有频带设备，然后重复整个搜索过程。 o4YBAGCGGO6AeMjeAABKXYB0JOA171.png 对于有线USB设备，DSP软件处理较简单，等待USB通信建立包就可以了。由于设备的识别和连接均由CY7C68013完成，DSP只须等待CY7C68013发出的通信中断。 CY7C68013运行的软件为固件程序，主要功能是控制CY7C68013接收并处理USB驱动程序的请求，控制CY7C68013接收应用程序的控制指令，通过CY7C68013存放数据并实时上传至PC机等。固件程序存储在PC机驱动程序中，通过CY7C680

16、13的枚举过程自动 到 CY7C68013中运行。 驱动程序一般由两部分组成：较 的通用串行总线驱动程序模块和较低级的主控制器驱动程序模块。主要功能：实现管理USB设备驱动程序和USB控制器之间的通信；加载及卸载USB驱动程序；与USB设备建立通信，并执行设备配置、数据与USB协议框架和打包格式的双向转换任务。Cypress公司为了方便用户开发USB接口，在CY7C68013的软件开发包中提供了一个通用驱动程序。该程序可不加修改，编译后直接使用。 CY7C68013的工作流程如图6所示。上电初始化后，程序处于TD_Init状态，CY7C68013等待PC的设备建立命令。如果此时将 CY7C68013连接到PC机，PC机将检测到新的USB设备，并调用相应的USB驱动程序开展CY7C68013的枚举工作。枚举完成后PC机将提示有一个可用的USB外设，CY7C68013就可以和PC机开展数据通信了。此时CY7c68013运行在TD_Poll状态，一直检测是否收到通信建立包。如果收到该协议包则开展数据通信，直到数据通信结束；若空闲，则自动进入TD_Poll状态。CY7C68013在DSP控制过程中，如果收到通信建立包，则将该命令存储到其内部存放器