《基于单片机的USB无线翻页器的设计》17000字

３基于单片机的USB无线翻页器的设计目录TOC\o"1-2"\h\u5049摘要 229856第1章绪论 2296181.1课题研究背景 3132111.2课题研究的目的及意义 454301.3国内外研究现状 416982第2章系统设计方案与研究内容 6254252.1短距离无线技术 7278392.2即插即用的实现 769162.3硬件模块的选择 8167582.4系统框图设计与概述 918317第3章系统硬件电路设计 9249493.1单片机控制主电路 915083.2射频发射电路 1476983.2.3315M射频电路 16289933.3射频接收电路 1724574第4章USB的协议简介和通信分析 20267844.1USB的发展历史 21263994.2USB1.1的通信原理 2175864.3USB的数据传输 22129354.4HID人机接口设备 247997第5章系统软件流程与设计 2463565.1单片机主控制程序设计 2526390本小节讲述了USB与单片机主要控制电路的软件流程设计，如图16所示。 2573425.2发射端软件流程 27262325.3USB总线枚举软件流程 279811第6章焊接与调试 29144106.1焊接 29210596.2调试 2918059第7章总结与展望 31300787.1总结 31192757.2展望 3127553参考文献 32摘要近些年来，由于社会的快速发展，社会各界对无线技术的需求越来越高，因此基于无线收发技术的幻灯片翻页器也就顺势开始进入国人的市场，也由于无线翻页器的不断革新换代，至此对于其制造技术已逐渐趋于成熟。在许多中学、高校的讲堂上，还有那些用于商业和演讲的各种会议室里，都可以看到这种USB无线翻页器的使用，时至今日，它已成为社会上一种不可或缺的辅助工具。目前，市面上的主流USB无线翻页器大多采用蓝牙或者红外收发技术，它们存在着成本高、速率低、距离过近且易被阻挡等各种缺点，因此要对其进行相应的改进。本文介绍了一种低耗无线射频收发模式的幻灯片翻页器，它解决了指向性、距离短和高成本的问题。在控制部分采用STC89C52单片机芯片，与SC2260/PT2272编解码芯片相结合实现信号的无线射频传输。主电路模块采用单片机与PDIUSBD12接口芯片协同工作，并通过USB接口与PC端相连接，实现信号的转换，以此来模拟键盘的操作并完成翻页功能。本文讲述了发射接收和编解码电路的工作原理，主电路的搭建，以及HID标识符对USB端点的信号传输交流，和主要芯片的介绍等，同时记述了各个阶段的选型和设计，最后完成了满意的实物成果。关键词：无线射频；单片机技术；编解码技术；USB接口；HID标识符绪论随着无线技术的蓬勃发展，那些原本只服务于工业用途的红外或不同频率的通信技术已开始步入我们的生活。而纵观课堂教学工具的发展历程，从最早的激光笔指示教学，到后来的投影仪和遥控鼠标类工具，再发展到电子教鞭产品，现如今的USB无线翻页器已然成为教室乃至社会的主流。而随着无线技术趋于成熟，各种无线通信广泛应用于社会的方方面面，自然也延伸到了USB翻页器中。近年来市场上的各种不同的幻灯片翻页器比比皆是，而对于不同的无线技术也自然各有其优缺点。这一章主要讲述了应用到USB翻页器的各种不同的无线技术以及社会背景等，阐述了产品的发展现状和研究的意义。课题研究背景由于教学环境和办公场合的变化，USB翻页器被普遍采用，它使用了无线传输技术，通过USB接口与电脑进行信号的传输，有着即插即用的特性，不用加载过于繁琐的驱动即可投入使用，极为方便。对于老师和商务人员来说，这无疑是教学及演示的最好工具，不仅使多媒体教学更加简捷方便，还能节省不少时间。而现如今的无线技术已经非常成熟，例如2.4GHz无线技术和27MHz无线电等等。而在本文中则是选用了315/433M射频技术，因为这种频率是国家开放频段，适用于各种场景，信号稳定，满足技术要求。现状分析随着单片机研究的日益突破与发展，其应用范围可以说是愈加广泛。在人们的日常中对单片机技术的应用早已屡见不鲜，例如洗衣机、冰箱甚至是微波炉都或多或少存在着单片机，人们的现实生活早已离不开单片机的存在。而为了使信号处理的更加迅速，响应的更加快捷，本设计采用的是STC89C52芯片作为核心，可以实现在线烧录，方便快捷。在传统的幻灯片翻页器上，制造厂家往往都会增加一个激光发射器，在遥控翻页的同时可以用激光来指示PPT上的内容，进行辅助教学。对于USB翻页器这个产品而言，目前国内外主流的技术还是使用的红外传输，或者是蓝牙技术进行通信控制，射频技术使用的还在少数。红外发射技术有着多年的历史，广泛应用于各个方面，相关联的技术也开发的非常成熟。但是市面上的红外遥控翻页器已经不能满足大众的需求了，低耗电的射频翻页器开始逐渐走向市场，为人们所熟知。1.1.2选题背景随着社会的发展进程来看，多媒体演示已经是各大高校的标配了，上至大学下至初中都有很多教师在使用多媒体授课，除了教学之外，在那些商业活动中或是某些演讲里都会用到多媒体。而由此而衍生的USB无线翻页器也就出现在了大众的视野之中。USB翻页器不仅可以帮助人们快速的操作幻灯片的播放，也完美的使老师们摆脱了电脑的束缚，使用多媒体演示的老师们可以不用亲自操作电脑，从而使讲课更方便，老师也能随心所欲的在课堂上走动，在授课的同时拉近与台下学生们的距离，这样不仅可以把握授课的进度，甚至还能促进师生关系，让二者更加融洽。而随着无线技术的日新月异，人们对USB翻页器的要求也在逐渐增高，对于无线翻页的距离和成本都有了不同程度的需求。同时又伴随着单片机的逐渐开发和更新，USB翻页器也出产了各种不同的型号。对于使用红外以及蓝牙技术的传统USB翻页器而言，已经满足不了人们的需求了。使用低耗无线射频方式开发的幻灯片翻页器更容易应用在教学领域。所以本课题运用现有的无线射频技术，结合传统的设计方法和思路，设计出一款新的无线遥控翻页器。课题研究的目的及意义目前，高校及中学使用的USB翻页器还都是一些红外发射的版本，这种翻页器采用的是红外数据传输，它通过与单片机的配合，能实现遥控翻页的功能。由于其技术成熟，成本低，所以在之前被人们广泛使用。但是这种技术的缺点却显而易见，红外信号极其容易被障碍物所阻挡，所以必须要在特定的角度将遥控器与接收口对准，这就造成了老师们极差的体验。而且红外信号的传输距离也是硬伤，无线遥控的距离很短，使老师们也几乎离不开讲堂。至于蓝牙传输技术，是由一部分蓝牙模块与对应的USB接收器相结合。它们通过获取蓝牙发射部分的按键信息，经转化后再与PC端交流，从而实现了远程的翻页功能。这种技术虽然可以让传输距离达到10米以上，但是其功率消耗过大，成本较高，且它的通讯速率差强人意，所以逐渐被淘汰。所以综上所述，针对上面的情况来看，本设计的目的就是要研究一款低功耗、传输距离大、不易被阻挡且成本低的USB翻页器，能够满足市场大众的需求。国内外研究现状说到无线通信，其实我们或多或少都对其有一定的了解。就以我们的手机为例，手机通过流量的使用来发送和接收信号，本质上与无线通信如出一辙。我们都知道，电磁波可以携带信息，并在空间里自由传输，不受外界物体的干扰。我们就是利用这个，钻研出了可以跨时代的无线通信技术。自21世纪始，由于国内外电子技术的蓬勃发展，短距离无线技术在通信领域里已算得上是独占鳌头。所以，在无线遥控方面，无论是鼠标还是其他种类的无线遥控产品都已被人们广为熟知。其中使用了包括27MHz和2.4GHz无线电技术以及使用蓝牙适配器来进行连接的各式无线鼠标层出不穷。而在过去的几十年里，最为热门的当属红外线遥控。红外线遥控器其实就是根据红外线技术的原理与单片机控制器相组成的电路为核心，来完成数据的传输[1]。但是经过了这么多年的发展，由于其他无线技术的抨击，红外遥控鼠标已在不知不觉中渐渐失去了它的市场。至于蓝牙类的遥控鼠标，其结构就是由一个蓝牙控制模块与一个相应的USB接收器组成。在鼠标工作的过程中，蓝牙发射模块的内置单片机先获取其按下的模拟信号，根据信号发出的命令去转化成对应的编码信号，然后USB接收器在接收到信号后，通过连接端口将数据传给计算机，PC端对接收到的这些数据进行解码编译后，向系统发送命令，并执行相应的操作[2]。经过二者的对比来看，这两种技术在特点上有着不小的差异，红外传输技术易被阻挡，只能进行直线的信号传输，而且传输距离很不理想，并不符合本次设计的距离要求。而蓝牙无线技术虽然距离可以达到十米以上，但是功率消耗太大，而且成本较高，通讯速率也不太理想[3]。至于2.4GHz的新兴无线产品，经了解其造价成本更加高昂，这类产品一般只会出现在高端的价格市场，就拿红外产品来比较，2.4GHz产品价格几乎翻了一番。所以就对比而言，采用低耗低价的无线射频遥控已逐渐成为主流。对于USB翻页器设计流程来说，第一步就是电路设计，随后是电路板焊接、软件程序设计以及成品调试等步骤，而第一步电路设计是最为关键的[4]。USB翻页器的总体是由射频发射和接收两部分组成，其中发射部分国内外常用的有315/433M和SAW声表面稳频技术相结合的模块。SAW声表稳频技术的优点显而易见，不仅基频可以达到千兆，而且稳定性极为不错[5]。在文献[6]中，射频部分采用的是SYN113无线集成芯片，它和SYN470R接收芯片相配合，对电路进行了极大的简化，成本较低且减少了器件布局，接收效果较为满意。而在文献[7]中，无线接收部分则是采用了一个由RX3310A构成的超外差电路，这种接收电路可以配合SAW声表谐振技术，对工作环境几乎没有要求。无线收发模块中要配合相对的编解码器才能进行射频信号交流的工作。其中的编解码器选用了PT2262/PT2272组合，PT2262编码器芯片有18个功能引脚，它与SC2260芯片的功能大致相同，工作模式也并无差别，不过在引脚数目上SC2260只有16个，所以后者的体积较小。单片机主控电路则是采用了STC系列的89C52芯片，它外围分布了P0~P3四种I/O口，并以此来控制各个电路以及对无线通信做一定的中间处理[8]。最后谈到USB控制器的类别，对于这部分模块来说，要根据具体的使用和开发环境要求来选择合适的USB控制器。目前市场上的相关USB控制器主要分为两种，一种是附带了USB接口的内嵌式单片机，主要由单片机来对信号进行处理，若是采用这种USB控制器则需要我们对计算机系统结构和指令非常了解，而且还需要单独的系统进行开发，不仅开发成本略高，而且开发环境较难，因此不在我们的选择之内。另一种USB控制器则是纯粹的USB接口芯片，在工作时需要配合外部单片机来进行相关信号的协议处理与数据传输。特点是这种接口芯片较为便宜，而且引脚简单，与计算机接口非常方便，可靠性较高，电路连接和开发环境都比较简单，因此对于USB接口芯片，则是选用了PDIUSBD12功能芯片[9]。对于USB翻页器的即插即用，就是USB的总线枚举过程[10]。在与PC端的数据交互方面则采用了HID人机接口设备，这种新型设备简单好用，由于现在的电脑系统都自带了上位机的驱动，所以不用我们编写，只需要通过HID设备发送必要的描述符即可。这些描述符可以让USB键盘模拟电脑键盘的up/down等各种操作，从而实现了PPT的遥控翻页功能[11-12]。在文献[13]中，需要用USB摄像头捕捉图像中的激光点位置，分析轨迹再实现交互，过于繁琐。所以建议只在电路中加一个激光指示器即可。综上所述，要实现USB无线翻页器的功能，需要设计收发电路，选择合适的编解码器和单片机，再建立USB控制芯片的主电路，实现总线枚举和HID设备识别功能，再进行相关软件程序协议的移植、编写和调试即可。系统设计方案与研究内容本设计要制作的是一个基于USB的射频遥控翻页器，由于其315M/433M的射频技术部分较为成熟，同时为了简化系统，配套件数据无线传输部分使用的是市面上的成熟构件，无需多余的调试即可正常工作。本设计主要研究的内容是：射频接收部分与单片机之间的信号通信、单片机与USB芯片之间的连通交流，USB传输原理与计算机HID人机接口设备，以及软件程序协议的移植与设计、调试等工作。这一章主要讲述了本设计的技术要求与硬件选型，并给出了系统的主框图。2.1短距离无线技术本设计要完成USB无线翻页的功能，就势必要用到对应的无线技术。因此，对短距离无线技术的了解和选用就是设计的第一个要点。短距离无线技术有着很广泛的应用，一般来说，只要传输距离在几十米以内，都可以称之为短距离。此外，这种技术主打的是低成本和低耗。通信双方使用电磁波技术来进行各种交流，例如27MHz和2.4GHz无线技术，还有红外以及蓝牙技术，这种技术范畴很广。不过经过比对发现，相对于更加低耗的无线射频技术来说，红外和蓝牙就毫无优势可言了。无线射频技术不仅稳定可靠，无指向性，而且传输的距离也是它们的几倍，并且对环境要求不高，低耗节能。因此在确定了采用射频技术后，又进行了一次深入的对比，并发现315M/433M技术比较符合本次设计，因为在满足设计要求的前提下，315/433M的制作价格要比2.4G技术低廉不少，且难度较小，所以经权衡之下，本设计采用了属于国家开放频段的315M射频技术。2.2即插即用的实现本设计要求要对设备做到即插即用，经查找多方资料后，我们了解到USB设备的即插即用功能是通过计算机总线枚举来实现的。所谓即插即用，是指就算计算机正在执行其他程序，也不会耽误USB设备的插入和执行。至于总线枚举，就是指USB设备在使用之前，必须要对其进行一系列的配置操作，这些配置包含了设备的各种类描述符，可以向主机阐述自己的特性和功能。当这个USB设备连接到主机上，其主机端口或节点将会产生一系列的指令和操作，来对这个USB设备进行认证和配置，这个过程即被叫做总线枚举。它也可分为以下几个步骤：（1）设备所连接的PC端口检测到设备的连接，并通过特殊管道向主机发送报告，主机随即向设备发送复位命令。（2）复位信号结束，主机向设备提供电源，设备得电复位。（3）主机通过预设的地址0和端点0向设备发出通讯，请求获取其自带的标准设备描述符。每个起始设备都要无条件响应地址和端点0的命令请求。（4）设备响应后，主机通过预设的端点0与设备进行通信，给设备加载一个唯一的地址信息用于区分，随后读取其设备描述符及配置。（5）最后主机加载USB设备指定的协议驱动程序，该设备就能正常配置使用了。2.3硬件模块的选择（1）编解码硬件的选择：射频收发的核心就在于编解码器的存在，目前市面上最成熟的编解码器无疑是PT2262+PT2272的配套组合，它们是普城公司研制的一款CMOS通用编解码器。其18位管脚中有6位是数据脚，有12位是它们的三态地址引脚，这三态地址在物理意义上是指引脚的悬空、接正电源和接地状态，在解码器收到信号解码的时候会反复比对PT2262与PT2272的地址数据是否相同，也就是地址引脚焊接的方式是否相同，只有确认无误后其VT脚和数据脚才会输出高电平，整个流程简单易懂。但在这里由于厂家的不同和成熟构件的限制，本设计的编码器是采用了SC2260，它与PT2262的功能和使用方式几乎一样，不同的是SC2260的管脚只有16位，在功能不变的同时简化了管脚的数量和芯片的体积，更符合本设计4个按键的电路设计。（2）单片机芯片的选择：因为本设计的功能较为简单，所以目前市面上大多数的在售单片机都可以满足本设计的要求，例如STM32、AT和STC系列的51芯片。但是STM32功能复杂，对于本设计而言完全是大材小用，所以不在考虑范围之内。至于51系列的芯片，在功能方面大同小异，但是STC系列可以提供在线烧录，调试起来极其方便，而且它的处理速度更快，所以我在斟酌之后选用了STC系列的89C52单片机。它引脚功能齐全，能与USB接口芯片实现完美配合，而且造价也普遍较低，对于本设计来说非常符合。（3）USB通信芯片的选择：因为本设计的功能实现要通过USB接口来满足，所以就必须要选用一款合适的USB芯片，能够同时实现接口和通信控制的功能。本人在经过多方对比之后，选用了PDIUSBD12芯片。它属于USB接口芯片，与那种内嵌通用微控制器的USB控制芯片对比而言，不仅造价较为便宜，而且无需开发者对系统结构和相关指令集进行额外的研究了解，也不用外加单独的开发系统。总体来说PDIUSBD12芯片开发环境简单，灵活性较高，可以与任意一种单片机相结合，为研究者节省时间、费用以及风险。此外它的外围电路也简单易懂，采用并行通信的方式来与单片机进行连接交流，能实现USB的功能，并满足USB1.1协议。2.4系统框图设计与概述整个系统框架可大致分为两个部分：射频发射部分和射频接收部分。而接收部分又可细分为解码电路和主电路两个模块。本设计的系统框图如图1所示。图1系统框图射频发射部分主要是由SC2260编码器来对按键信号进行编码操作，按键有四个，当按键按下时设备通电将信号存入数据端，编码完成后由315M发射模块经过无线射频天线发射出去。而射频接收部分则是由315M加上LM358双运算放大器组成的复合电路来进行对射频信号的接收，接收完成后再由PT2272解码器进行地址码的比对工作，经多次比对完成后确认无误再进行编码信号的解码工作。解码完成的信号则变成数据发送给单片机进行储存。单片机经处理过的信号发送给USB控制芯片，二者配合通过总线枚举以及HID人机接口设备给PC端发送设备描述符和输入报告，来使计算机控制键盘上的四个up/down/F5/Esc按键以此完成上下翻页、开始播放和结束播放等操作。系统硬件电路设计继上一章对总体方案与研究内容进行了大致规划后，本章节将会着重介绍硬件芯片的功能，并阐述相关电路设计的原理和选用此电路的原因，同时它们之间的信号运送流程也都会介绍到。3.1单片机控制主电路本设计所选用的单片机为STC系列的89C52芯片，它与PT2272的四个数据管脚相连接，进行辅助解码和信息的储存与发送。另一边又与USB接口芯片进行连接，实现USB接口的功能。所以在这里单片机起到了一个枢纽的作用。3.1.1STC89C52芯片简介STC89C52RC是以COMS工艺研制出的一种低耗低价通用微型处理器。它具有8K可编程Flash存储器，内核为MCS-51，RAM为512字节，EEPROM为4K字节。相对于传统51系列单片机来说，STC系列做了许多改进，使芯片拥有了很多其他的功能。在单芯片方面，它具有的高性能CPU为许多系统提供了各种灵活有效的处理模式。如图2所示，为C52芯片的引脚功能图。图2STC89C52引脚功能图从图中可以看出，它有32位I/O口引脚，4个中断引脚和3个定时计数器。此外它还可以降低至0Hz静态模式，在另一方面，运行频率甚至可达到35MHz，有着6T或者12T模式。3.1.2STC89C52芯片外围电路C52芯片的P1.0~P1.3四个脚与PT2272的D0~D3四个数据管脚相连接，解码信号就是从这里实现数据的传输。只要发射板中每按下一个按键，就会将对应的单片机I/O口拉到低电平状态。具体的连接电路图如图3所示。图3单片机与解码器连接电路图单片机拥有独立的外部晶振电路，它主要的功能是发出脉冲信号，为单片机正常运行提供工作时钟。如图4晶振电路图所示。图4晶振电路图单片机还有一个最小复位电路，其功能是在单片机系统上电时使芯片复位，直到电源稳定时再结束复位操作。如图5复位电路图所示。图5复位电路图3.1.3PDIUSBD12接口芯片PDIUSBD12接口芯片就总体而言它的性价比很高，并且符合USB1.1的规范，但由于USB1.1是USB的基础协议，所以它对win7系统基本上完全兼容，但对win10系统少部分兼容。不过这款芯片可以完全实现USB接口的功能，它本身具有的八位并行数据总线使它在进行数据传输时效率非常高，可以在与单片机控制的系统中与其实现高速率通信，并且D12芯片兼容性很强，对外部单片机并没有多余的要求，可以让使用者放心选择更合适的单片机，省时省力省钱，这也是我们选择它的一大理由。如图6D12芯片引脚功能图所示。图6PDIUSBD12引脚功能图此外D12芯片还经常被应用在许多常用的外设中，比如打印机或者Zip驱动器。它主要的功能特点还有：DMA传输，集成RAM以及GoodLink技术。DMA传输：是指存储器直接存储模式，意思是USB芯片可以跳过主机CPU的干预而直接与本地存储器建立联系，从而实现数据的交换。这样就大大提高了信息的传送速率。集成RAM：是指储存器管理单元，让单片机与D12芯片在进行数据传输的时候，在中间建立一个缓冲区，不仅可以保存USB的数据，还能让单片机以自己更快的处理速度来对信息进行处理。GoodLink技术：GoodLink翻译过来就是良好的连接指示，它主要的功能就是用发光二极管的闪烁状态来让使用者了解目前的USB连接情况。在PDIUSBD12的第21引脚GL_N脚外接着一个发光二极管，它作为USB的状态指示灯，通过低电平有效进行触发。当它突然闪亮时，代表着USB设备正在PC端进行设备枚举，当它常亮时，代表着设备已枚举完成，可以正常使用。而当它在某个时间段间歇性闪烁时，那就说明USB设备正在向主机传送数据。3.1.4单片机与D12芯片的控制电路控制电路部分本设计采用了89C52芯片与USB控制芯片相结合，能够正常实现USB的接口功能[15]。如图7主要控制电路图所示。图7主要控制电路图它是单片机和D12芯片所组成的通信控制电路，此电路的引脚连接采用了典型的USB控制芯片与微处理器连接法。图中89C52芯片的P0口直接与D12芯片的八位并行I/O口进行连接，通过这些数据总线实现数据的高速传输。D12芯片的13引脚CLKOUT代表着时钟信号输出，它可以与单片机直接连接并为其提供时钟信号输入，但是一般在实际连接时，却并不采用这种连接方式，因为单片机有自己的外接晶振电路，处理速度极快，而且在和D12芯片进行信息交换期间，由于其集成RAM的存储管理单元的存在，其二者的时钟脉冲并不影响。所以一般这个引脚悬空。其中D12芯片的A0脚主要对单片机信号是命令还是输入进行控制，第10脚ALE控制着二者之间是否采用单独或者复用的数据和地址总线。这两个引脚只能同时采用一个，而在本设计中采用了ALE引脚接地，代表着数据和地址总线单独采用，此时A0脚接任意I/O口。D12芯片的11和12引脚代表着片选位和挂机位，此时全部接地。14、15和16引脚代表着中断、读选通和写选通，它们分别接到单片机对应引脚即可。而在单片机的P2.0引脚则增加了一个信号接收指示灯，用来指示是否接收到了发射端的按键信号。至于D12芯片的外围电路，则是属于成熟模块，无需赘述，具体如图8USB外围电路图所示。图8USB外围电路图3.2射频发射电路本设计的射频发射电路是由四个独立按键和编码发射电路组合而成。3.2.1按键开关电路射频电路中的按键和二极管分别有四个，一一对应，如图9所示。图9按键电路图这四个按键分别是上翻页、下翻页、开始播放和结束播放四个功能。它们连接着一个12V的电源，当某个按键按下时，就会形成一个特定的回路，此时处于干路的发光二极管必会发光显示，以表明按键成功按下，随后按键信息存入编码器的对应数据端。3.2.2SC2260编码器SC2260编码器是属于CMOS工艺打造而成的低价低耗通用编码器，它可用在任何电路环境，其特点是外围电路少。SC2260对地址端和数据端的信号编码组用RF射频的方式通过射频天线发出。其芯片最多有10位地址编码区，在焊接时可悬空也可接电源或是接地，只要解码器的地址区也以同样的方式进行焊接，就可以实现地址配对。当二者配对成功后，由于按键信号的输入，解码器的D0~D3数据端的某个引脚就会输出高电平。SC2260编码器引脚图如图10所示。图10SC2260编码器引脚图图中A0~A9管脚即为SC2260的10个三态地址脚，D0~D5管脚则是它的6个数据脚。管脚说明如表1所示。表1SC2260管脚说明表管脚名称管脚标号输入/输出说明A0~A7，A8~A91~8，10~11输入地址脚，用来表示编码器的地址信息，可置为三态D0~D3，D5~D413~10，7~8输入数据管脚，通过数字信号“1”和“0”来判断是否有数据产生OSC14输入单端接入电阻实现振荡器的功能Dout15输出编码输出端（通常情况为"0"）Vss9电源负端（一）Vcc16电源正端（+）本次设计由于只有四个按键，所以SC2260只采用了四个数据脚：D0~D3。其16和9管脚分别是电源正负引脚，OSC管脚负责接入振荡电阻，对接的电阻越大就会导致震荡频率越大。15脚Dout是输出脚，主要负责编码后的数据输出。当有按键按下时，编码器SC2260上电工作，在编码完成后会把第15脚Dout置1，此时Dout就会将按键数据串行输出，然后发送给315M电路，在此期间由于Dout上升为高电平，所以诱发了315M的振荡电路起振，并同时将数据转换成等幅的射频信号发射出去。而在15脚为低电平时，315M电路就会停止振荡。所以射频电路完全被15脚的数字信号控制，从而对整个电路实现百分百幅度键控。3.2.3315M射频电路射频部分经过查验比较，最后采用了一个典型的振荡发射电路。它位于发射板的射频电路部分，外接天线，整体采用了315MHz和SAW声表面谐振技术，组成了电容三点式振荡电路。振荡晶体把电路稳定振荡在315兆赫，如果没有晶体的话，当有物体在电感线圈附件移动时，就会影响频率的稳定，甚至会发生偏移。电阻R3的作用就是稳压，使得频率输出很稳定。三极管的作用就是控制信号发出的频率，能够在SC2260的15脚数据传输过来后，让数据以315M的频率发射出去。具体的振荡发射电路图如图11所示。图11315M振荡电路图如今的科技愈发强大，很多生产厂家都有自己独特的线路设计，都在源源不断的进步和创新，希望可以让原先的零部件更加小型化，同时性能更强。对于晶振来说又可分为普通晶振、受控晶振，常用的有100MHz晶振或是65.536M等等，而对于本设计的射频电路315M晶振则是选用的声表面SAW晶振技术，它的频率稳定性和晶振对比并无差别，基频可放大至上千兆赫兹，不需要倍频，解决了频率漂移的问题，电路也极其简单，抗干扰能力极强。射频电路的末端采用的是外置射频天线，关于它的的长度部分，可以用公式计算。比如315M电路需要的天线长度约等于1/4的波长，而波长又可以按照光速除于频率来求得，所以到最后求得的天线长度为0.238米，又因为导线传播高频信号会降低到0.98的程度，所以天线的长度求得的最终值为0.233米。可以得出结论，一般情况下315M的射频天线长度都是在23厘米左右。而对于天线的阻抗则是选择了50欧姆，因为对于以往的同轴电缆来说，在30欧姆时可以承载最大的功率，在70欧姆的程度上损耗最小，效率最高，所以折中后选用了50欧姆。3.3射频接收电路射频接收电路是由PT2272解码器和LM358双运算放大器组成的一个超再生接收电路。3.3.1PT2272解码器PT2272是以COMS工艺打造出的一种低价低耗通用解码器。它周边分布了18个引脚，其中三态地址脚有12个，数据脚也有6个。由于在本设计中只牵扯到四个按键，所以只用到了4个数据脚。PT2272引脚图和功能如图12、表2所示。图12PT2272引脚图表2PT2272引脚功能表名称管脚说明A0~A111~8,10~13地址管脚D0~D57~8,10~13数据和地址管脚DIN14数据信号输入端OSC215振荡电阻振荡器输出端OSC116振荡电阻输入端VT17输出端解码判定，解码成功则置“1”Vcc18电源正端Vss9电源负端PT2272芯片有着多种不同的后缀，例如L4、M4、L6、M6这几种，它们分别代表着不同的功能。其中M代表瞬时输出，意味着数据接收后只会输出一次，受控于发射端的按键动作。L则代表着锁存输出，表示会一直保存本次接收的信号，直到有另一个数据输入才能将其替换。至于它们后续带有的数字代表着解码器有几路并行通道。若使用4路数据通道即M4/L4，则地址码就会配对前八位的地址信息，若是采用6路并行通道即M6/L6，则地址码是六位。至于PT2272和SC2260之间实现编解码通信的原理，乃是采用了脉冲宽度区分法，通过编码中脉冲的不同宽度，来对信号进行识别区分。因为发射的无线信号里地址码和数据码是一同发射的，所以为了让它们区分开来，开发者们就用不同的宽度脉冲来表示不同的编码信号。一个窄脉冲长度是4α，若是连续发射两个则意味着信号“0”。一个宽脉冲长度是12α，若是连续发射两个则意味着信号“1”。而若是这两种不同的脉冲交替发射，则代表着专门服务于地址码的信号“F”,它的物理意义是悬空。由不同宽度的脉冲组成的通信字码也有一套具体的规范。在射频通信中，一组地址码和一组数据码会相互结合为一个“字码”，而两个相邻的字码中间必须用同步码隔开，这就为编码信号的分步通信打下了基础。因此要用PT2272进行解码的话，系统只需要检测出中间的同步码，之后对后续的字码通过脉冲宽度来进行区分，就能分辨出地址码和数据码。而SC2260至少都会一次性发送4组相同的字码，并且由于无线技术的特性，每次第一个字码都会受到零电平的干扰，往往都会容易产生误码，所以第一个字码都会被程序丢掉，PT2272只有在接收到相同的两个字码中的地址码并与自己配对成功后才会判定接收成功。3.3.2LM358双运算放大器本设计的接收电路部分需要用到LM358双运算放大器。它之所以叫双运算，是因为它里面包含了两个独立的运算放大器，并且由此产生了其内部频率互补的特性。LM358的电路模型如图13所示。图13LM358放大器引脚图在相应的工作环境下，它电源的电流和电压无关。所以这种放大器特别适合那些电压范围较为广泛的单电源供电场所，并且对于双电源的工作模式也可以胜任。在工业用途上，像一些红外探测这一类的报警器产品，基本上都有着LM358的身影，它们能探测出人体放射的红外线，以此来达到监视或报警的目的，通常在实验室、仓库或者一些私密的重要场所进行使用。3.3.3超再生接收解码电路本设计的射频接收模块采用的是一个典型的超再生接收电路。它采用的是LC振荡原理，内部含有放大整形功能，其功耗很小，最低可达100μA，并且为市面上的成熟模块[14]。其接收电路图如图14所示。图14超再生接收电路图图中为一个调试良好的超再生电路，就在稳定性方面而言，它的选择性和抗干扰能力逊色于超外差接收机，但是在整个电路的灵敏度方面，它的表现非常不错，可与一级高放一级混频的超外差接收电路比肩。而且在成本方面超外差接收电路的价格普遍较为昂贵，一般都在35RMB左右，再反观超再生电路，对比之下它的价格就比较低廉了，在应用到USB翻页器后，可以相应的降低其市场价格，从而更加满足大众市场的需求。一直以来，人们对超再生电路颇有微词，认为它的频带和抗干扰能力远远不如超外差电路，但是据了解，现在市场上的超再生接收电路却应用极其广泛，例如很多应用类的报警器，或者几乎所有的遥控类玩具，都搭载的是这种接收电路，市场极大。究其原因，还是因为它的灵敏度极高，甚至超过了大多数超外差电路，而且调试起来也相对简单，减少了部分工作量。接收信号完成后，编码信号将交由PT2272处理。LM358的输出端OUT1与PT2272的信号接收端DIN脚相连接，当超再生接收电路将无线编码信号接收完成后，交由PT2272解码，在解码成功后再将信息发送给单片机。解码电路图如图15所示。图15解码电路图USB的协议简介和通信分析继上一章讲述了各大模块的硬件介绍和原理图分析后，本章将会对USB模块进行拆分介绍，对USB的协议、数据传输的实现以及HID人机接口进行一个简要的概述。4.1USB的发展历史USB在最早的时候是以一种新型的连接技术而被研发出来的，它可以在任意时间连接计算机且不影响其他程序的正常运行，也可以在任意计算机上代替原有的接口来连接外设，并以规定的传输速度标准进行运行。它的出现解决了因传统技术而导致的总线不足等问题，随着时间的发展，USB的协议越来越先进，且其本身又安装方便，取代性高扩展性强，因此已渐渐成为后世发展趋势。4.1.1USB的协议发展1994年，当时最负有盛名的七家计算机以及通讯公司联合建立了USB论坛，在历经了两年后，其中的四家于1995年正式联合制定并发行了USB0.9的协议规范。直到1996年，相关论坛才进一步的开发出了USB1.0规范。并在两年后，又制定了更进一步的USB1.1协议。USB1.1协议中有着低速和全速两种数据传输模式，其速率分别为1.5Mb/s和12Mb/s。对于传统的外设，例如键盘和鼠标来说，在全速模式下就能够运行的非常流畅了。也正是由于1.1协议的发行，USB开始迅速占领各大市场。但是随着各种高速设备越来越多，USB1.1协议的运行速率就开始捉襟见肘了。因此为了USB的更好发展，USB2.0协议便应运而生。它不仅在传输速度方面达到了480Mb/s，而且还支持向前兼容，意思是就算USB协议低于2.0的USB设备也可以做到对2.0协议兼容。不仅如此，2.0协议的出现还带来了一种全新的架构，名为集线器，这种架构提供了一个中间集线模块，并支持同时连接多个USB1.1设备。4.2USB1.1的通信原理USB的信号通信是指USB设备与主机之间进行的通信，这部分内容可分为两个部分，端点和管道。4.2.1端点每一个USB设备中都蕴含着很多端点，在这里我们可以将其看作单片机的I/O口。USB的端点是USB设备中唯一的物理寻址位，只有通过端点，USB设备才能与主机实现通信，而端点也可以看作是发送或接收的数据的缓冲区。此外，每一个端点都是独一无二的，它们在出厂时就有着自己的定义，其端点称号和通信方向都是唯一的，每个端点的信号传输方向也有不同，有的是输入信号，有的则是输出，不过可以肯定的是，它们的传输方向都是单向且固定的。端点的特性包括：带宽、总线频率以及数据包的大小等。从端点号方面来看，可分为端点0和其他端点。端点0之所以如此特殊是因为它属于控制端点，每个USB设备里都必须出厂一个0号端点，主机会在USB连接时对端点0发出各种控制命令，用来对USB设备设置地址以及获取设备的具体信息，如设备的类型、设备全部描述符、端点配置、电源管理等等。而只有在外部设备全部初始化完成后，那些非0号端点才可以进行使用。4.2.2管道管道与设备端点相对应，端点可以作为USB设备中的数据缓冲区，那么PC端自然也有自己的数据缓冲区。而从设备端点到PC端缓冲区之间的数据通道就被开发者称为管道。它意味着主机和外设之间信息通道，只要USB设备一连入主机，那么就会自动生成管道。不过管道也并非真实存在，它只是一种逻辑上的定义，实际上主机与外设的通信还是通过总线接口层进行实现。一个USB设备从逻辑功能方面可以划分为三个层次，从下往上分别是总线接口层、端点交流层和外设功能层。4.3USB的数据传输USB传输信号的形式是以二进制代码来完成的，由代码组成字段，再把字段组合成包。而在数据总线上，数据传输的单位基本都是包，再由包进行不同的传输事务。4.3.1包的组成一个USB数据包由五个字段组成，分别是同步字段、包标识符字段、数据字段、循环冗余校验字段和包结束字段。同步字段是一个包的开始部分，它在差分信号段中被描述为八个电平信号，由两个不同的信号交替产生，即“KJKJKJKK”。其前六个信号是用来实现数据传输的同步，而最后两个信号“KK”则是代表着这个字段的结束并由此引出下个字段。包标识符是用来检测包的格式是否正确以及指出它的错误类型。它还可以对包进行一系列的描述，其最后四个字段是用来给包标识符的解码提供正确性。数据字段是表示数据包传输的信息，它其中的具体内容由包的标识符和类型来决定。循环冗余校验字段是一种特殊函数，它可以根据包中的数据来产生一定位数的校验码。并以此来保证包数据传输的正确性，既不会丢失，也不会让杂余字段或数据影响包的完整性。包结束字段是用来结束包的传输，由发送端在包的末尾加一个结束字段，可以使差分信号线拉低，接收端在采集到低电平信号后，就会默认传输结束。4.3.2USB的四种传输方式USB有四种传输方式如下，它们在传输格式、容量和方向等方面各有特点。控制传输：它是一种双向传输方式，通过Setup事务传输来给给外设发布命令。因为其命令贴近于设备定义方面，所以必须要通过管道进行。而且其校验机制较为严格，对于包的最大长度也有严格的要求，在低速设备上包的长度最大为8，高速设备上最大64。同步传输：同步传输是发射端与接收端同时进行信号的传输交流，只有高速和全速设备才可使用，处理速度极快，但是却不可靠，因为它没有处理错误信号的能力，也不支持重发。同步传输是单向传输，若是设备需要进行双向传输，则需要再调用另一个端点配合。中断传输：中断传输类似于批量传输，但是主机会定时查询中断端点的传输情况，若这时还有数据要处理，那就返回继续处理。批量传输：这种传输比较可靠，对数据的传输速率不做太多要求。而且具有数据错误校验机制。但是这种传输的优先级很低，只有当USB中没有其他传输方式时才会允许批量传输的进行。4.4HID人机接口设备在USB中最常用的设备就是HID设备，HID是英文缩写，意为人机接口。其中最常见的就是鼠标和键盘。HID设备的出现就是为了和计算机进行更为方便的通信，这些设备不需要考虑各种驱动的编写和安装，由于系统的升级和覆盖，现在基本上都自带HID的驱动程序。HID设备还可以作为各种速度的设备进行使用，其通信速率极为快捷，对使用者的各种操作都可以快速反应。对于USB的总线枚举我们在第二章就已经介绍到，USB的枚举是通过端点0进行实现的，而USB设备会将自己的设备描述符提交给主机查看，以此来让主机明白USB的配置。而USBHID设备则是通过HID设备描述符来让主机明白自己的各种配置信息。标准的设备描述符通常分为五种：设备描述符，配置描述符，接口描述符，端点描述符和字符串描述符。至于USBHID设备，则是通过报告来与主机进行信号的传输。报告分为两个方面，一个是输入报告，另一个则是输出报告。输入报告是指HID设备给PC端发送的报告，必须通过中断端点来进行发送，例如键盘的按键按下信息、滚轮的翻滚信息以及鼠标的移动和点击信息等。输出报告是指PC端给HID设备发送的报告，例如电脑同意数字键盘的使用，则会把Num键点亮，同意大小写，就会将Caps键点亮。报告的本质就是一个数据包的集合，里面包含了要发送的数据。而报告是伴随着报告描述符一起发送出去的，报告描述符就是用来表示报告的用途。至于本设计的外接USB设备就是一个HID类设备，而本设计要实现的功能是PPT幻灯片翻页，所以我们先查阅HID用途文档表，来获取计算机键盘上的Pageup/Pagedown/F5/Esc这几个按键的描述符代码，再通过接收发射端按下的相应按键信息，来使HID设备发送相应的键值描述符代码，就可让计算机通过输入报告来实现PPT的远程翻页功能。系统软件流程与设计前面几章对于系统的硬件以及通信方式进行了详细的介绍，接下来这一章将会对系统软件方面进行框图式的介绍，并对其流程进行一定的解释。5.1单片机主控制程序设计本小节讲述了USB与单片机主要控制电路的软件流程设计，如图16所示。图16软件主控制流程图在单片机上电启动时，会执行单片机主函数，此时单片机所有串口都会初始化，并且发送与D12芯片的连接请求，D12芯片在初始化完成后就会响应并与单片机相连接。随后就会执行While大循环，检测是否有按键信号输入进来，如果成功接收到了按键信号，就会采用相关的键值处理函数来解析按键值，解析完成后，会输出相应的HID键值描述符代码，随后D12芯片就会将这些代码打包成输入报告，然后读取D12芯片中可以采用的中断端点，前文讲述到HID设备的输入报告必须要通过内部的中断端点来进行输入，所以在检测到可用的中断端点后，就会将报告成功发送给计算机处理，计算机在响应按键命令后，就能实现幻灯片的翻页功能，最后向HID设备发送输出报告宣示结束。D12芯片的初始化并响应流程如图17所示。图17D12芯片初始化流程图程序部分的设计采用的是KeiluVision4开发工具，它于09年被发布，有着非常灵活的控制系统，可以一次性打开多个窗口并有效利用，为使用者提供了一个简洁高效的办公环境。主程序的设计部分如图18所示。图18主程序图5.2发射端软件流程本小节主要介绍了发射端的信号传输流程。发射端的编码器经上电初始化后，开始检测按键信号，一旦有按键按下，其相应的数据脚就会拉高，然后经由输出脚串行输出给发射电路。发射端的信号流程图如图19所示。图19发射端流程图5.3USB总线枚举软件流程本节主要讲述的是USB设备在插入主机后，PC端对设备的枚举及后续的信号通信流程。主机开始工作后，其USB端口一直处于待命状态，时刻检测是否有外部设备插入。等USB接收板插入电脑后，USBD12芯片和解码芯片就会同时得电复位，同时主机端会建立数据包并通过端口0发送给设备，然后再给设备分配一个唯一的地址，并使地址有效。若是端口0的通讯失败，主机没有得到关于设备的有关描述符，则会认为此设备不可用，这时可以重新插入设备尝试。而若是主机得到了设备描述符，但设备却没有收到主机下发的地址信号，则会重复这个过程。在设备配置完成后，就可以进行正常工作了。当发射端有信号发来，接收端会将其处理后再发送给计算机运行。在数据发射完成后，接收端设备会继续等待下一个信号。计算机对USB的设备枚举以及通信流程如图20所示。图20USB设备枚举流程图焊接与调试6.1焊接本次设计的实物分别为两块独立的电路板，一个负责发射，另一个负责接收与通信，其中发射模块前文第二章有提到，由于其315M/433M的射频技术部分较为成熟，同时为了简化系统，配套件数据无线传输部分使用的是市面上的成熟构件，无需多余的调试即可正常工作，实物图如图21、22所示。图21发射板硬件图图22发射板成品图无线接收板由三个成熟模块组成，LM358和PT2272组成的超再生接收电路模块，STC89C2芯片模块和PDIUSBD12成熟芯片模块。由于是模块组合而成的电路板，所以在焊接时我们采用的是万用板进行焊接，比PCB转腐蚀的方法更加简单适用。焊接前要先捋清楚电路的构造，确保按照电路图原理来进行焊接，搞清楚焊接线路的先后顺序，遇到需要跳线的地方可以之间焊接导线来进行代替，方便快捷。焊接完成的成品如图23、24所示。图23发射板背面图图24发射板正面图6.2调试在硬件方面，本人采用了万用表工具进行检查，通过连接几个关键元器件及部分的两端，检测电压是否正常，有没有虚焊的部位，甚至还可以推测出某些元件是否正在进行工作。除了万用表，还采用了示波器进行检查，在发射板的天线部分进行信号采集，看看示波器上显示的频率峰值是否达到了315MHz。若是没有达到要求，则可以尝试使用无感起子调节电容，然后再次检测。经万用表和示波器检查后，焊接并无问题，且示波器波峰正好为315MHz，说明实物没有问题。在软件调试方面，采用了编译器进行检查，编译器的原理是把高级语言转化为低级的程序，从而可以进行软件代码的分析。它能分析出许多语法规则是否正确，例如代码中的一些表达式或者循环等。本设计采用的是C语言编译器，对整体代码进行了简单的逻辑性和字符检查，经检查后，本程序确实出现了一些表达式不正确或者逻辑不完善的问题，并修改补全。此外，由于本设计涉及到的HID类设备都是由计算机自带的上位机驱动来进行匹配，所以不同的计算机系统在这类驱动上也可能存在差别，进而可能影响HID的键值描述符的正确性。又因为本设计采用的PDIUSBD12芯片对于win10系统可能存