基于USB接口的无线传输模块设计

论文摘要

在电子测控、信号获取系统中都会有大量的数据的需要及时、可靠的传输到计算机做进一步的分析、处理。过去仪器设备都用电缆以有线的形式连接到计算机,有线电缆连接距离有限,且会给设备的安装布置和操作维护带来很多不便;另外,可能不同类型的设备或同类仪器的不同制造公司其接口都会不一样,相应的在计算机侧也需要种类繁多的接口或用额外的扩展板卡来实现其要求的接口功能,这对使用日益广泛的笔记本电脑是一个难以克服的障碍,现在很多笔记本电脑出于应用需求都不再配置串口和并口而配置了更多的USB接口。为了解决接口种类不统一的问题和方便仪器设备之间的连接,本文提出了无线通信技术和USB接口相结合的方案,即:基于USB接口的无线传输模块,通信模块和电脑之间的连接界面是广泛使用的USB接口,模块与模块间的通信是采用工作于ISM频段的无线方式。无线通信和USB接口在各自的应用领域都不再是新概念,但将两者相结合确是一个较为独特的设计创新。由于现阶段常用的无线通信标准要么协议过于复杂需要较长的研究时间要么开发成本太高都不适合。所以根据需求选择了TI公司的无线通信芯片CC1100和USB接口芯片PDIUSBD12设计出了基于USB接口的低功耗无线数据传输模块。本文论述了模块应用的系统方案以及通信协议框架,按照无线数据传输模块的功能结构,从电脑接口端到天线,重点分析了USB接口的通讯协议详细讨论了模块的固件程序设计架构和流程。研究了在无线收发电路设计中需重点注意的阻抗匹配及平衡与非平衡转换(BALUN)和差分、单端滤波器;并根据芯片特点和模块技术指标要求给出了详细的电路设计和仿真验证。研究了天线的基本特性和在短距离无线通信中常用的几种天线物理结构,并比较了其各自的优缺点。最后,讨论了无线传输模块电路板制作中需要注意的要点和模块功能调试和性能测试。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 课题背景
• 1.2 常用无线通信技术
• 1.2.1 蓝牙技术（Blue tooth）
• 1.2.2 红外通信技术（IrDA）
• 1.2.3 802.n 系列
• 1.2.4 GPRS 数据通信技术
• 1.3 论文的主要工作及意义
• 1.4 内容安排
• 第二章 设计方案
• 2.1 系统方案
• 2.2 模块系统结构
• 2.2.1 USB 接口
• 2.2.2 固件和协议处理
• 2.2.3 无线收发
• 2.2.3.1 无线收发芯片的选用原则
• 2.2.3.2 CC1100 简介
• 2.2.3.3 模块通信链路预算
• 2.2.4 天线
• 2.2.5 模块数据收发流程
• 2.3 本章小结
• 第三章 USB 协议分析和固件设计
• 3.1 USB 协议总览
• 3.2 USB 接口的物理层规范
• 3.3 USB 的总线结构
• 3.4 USB 逻辑连接与管线
• 3.5 USB 通信协议分析
• 3.5.1 数据域的格式
• 3.5.2 封包格式
• 3.5.2.1 令牌（Token）包
• 3.5.2.2 数据（Data）封包
• 3.5.2.3 握手信号（Handshake）封包
• 3.5.2.4 SOF（Start Of Frame） 封包
• 3.5.3 数据事务格式
• 3.5.3.1 控制传输
• 3.5.3.2 同步传输
• 3.5.3.3 批量传输
• 3.5.3.4 中断传输
• 3.5.4 输出／输入请求封包（IRP）
• 3.6 USB 接口硬件电路设计
• 3.7 模块固件程序设计
• 3.7.1 固件功能
• 3.7.2 固件结构
• 3.7.2.1 硬件抽像层
• 3.7.2.2 D12 命令接口
• 3.7.2.3 中断服务程序
• 3.7.2.4 主循环
• 3.7.2.5 协议层
• 3.8 本章小结
• 第四章 无线收发电路设计
• 4.1 BALUN 与阻抗匹配
• 4.1.1 BALUN 基础
• 4.1.2 阻抗匹配
• 4.1.3 BALUN 与阻抗匹配设计
• 4.2 单端滤波器设计
• 4.2.1 PI 型滤波器
• 4.2.2 T 型滤波器
• 4.3 射频前端原理图及仿真
• 4.4 本章小结
• 第五章 模块天线选择
• 5.1 天线基本特性分析
• 5.1.1 极化
• 5.1.2 方向性
• 5.1.3 增益
• 5.1.4 辐射电阻
• 5.1.5 品质因数
• 5.2 天线物理结构比较
• 5.3 本章小结
• 第六章 制版与调试
• 6.1 制版
• 6.1.1 元件布局
• 6.1.2 布线
• 6.1.3 接地和去耦
• 6.1.4 元件选取
• 6.2 调试
• 6.2.1 硬件调试
• 6.2.2 软件及协议调试
• 6.2.2.1 现象1
• 6.2.2.2 现象2
• 6.2.2.3 现象3
• 6.3 功能测试
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 本文总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的研究成果
• 附录