《基于單片機(jī)的USB無(wú)線翻頁(yè)器的設(shè)計(jì)》17000字

３基于單片機(jī)的USB無(wú)線翻頁(yè)器的設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-2"\h\u5049摘要 229856第1章緒論 2296181.1課題研究背景 3132111.2課題研究的目的及意義 454301.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 416982第2章系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案與研究?jī)?nèi)容 6254252.1短距離無(wú)線技術(shù) 7278392.2即插即用的實(shí)現(xiàn) 769162.3硬件模塊的選擇 8167582.4系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)與概述 918317第3章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 9249493.1單片機(jī)控制主電路 915083.2射頻發(fā)射電路 1476983.2.3315M射頻電路 16289933.3射頻接收電路 1724574第4章USB的協(xié)議簡(jiǎn)介和通信分析 20267844.1USB的發(fā)展歷史 21263994.2USB1.1的通信原理 2175864.3USB的數(shù)據(jù)傳輸 22129354.4HID人機(jī)接口設(shè)備 247997第5章系統(tǒng)軟件流程與設(shè)計(jì) 2463565.1單片機(jī)主控制程序設(shè)計(jì) 2526390本小節(jié)講述了USB與單片機(jī)主要控制電路的軟件流程設(shè)計(jì)，如圖16所示。 2573425.2發(fā)射端軟件流程 27262325.3USB總線枚舉軟件流程 279811第6章焊接與調(diào)試 29144106.1焊接 29210596.2調(diào)試 2918059第7章總結(jié)與展望 31300787.1總結(jié) 31192757.2展望 3127553參考文獻(xiàn) 32摘要近些年來(lái)，由于社會(huì)的快速發(fā)展，社會(huì)各界對(duì)無(wú)線技術(shù)的需求越來(lái)越高，因此基于無(wú)線收發(fā)技術(shù)的幻燈片翻頁(yè)器也就順勢(shì)開始進(jìn)入國(guó)人的市場(chǎng)，也由于無(wú)線翻頁(yè)器的不斷革新?lián)Q代，至此對(duì)于其制造技術(shù)已逐漸趨于成熟。在許多中學(xué)、高校的講堂上，還有那些用于商業(yè)和演講的各種會(huì)議室里，都可以看到這種USB無(wú)線翻頁(yè)器的使用，時(shí)至今日，它已成為社會(huì)上一種不可或缺的輔助工具。目前，市面上的主流USB無(wú)線翻頁(yè)器大多采用藍(lán)牙或者紅外收發(fā)技術(shù)，它們存在著成本高、速率低、距離過(guò)近且易被阻擋等各種缺點(diǎn)，因此要對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。本文介紹了一種低耗無(wú)線射頻收發(fā)模式的幻燈片翻頁(yè)器，它解決了指向性、距離短和高成本的問(wèn)題。在控制部分采用STC89C52單片機(jī)芯片，與SC2260/PT2272編解碼芯片相結(jié)合實(shí)現(xiàn)信號(hào)的無(wú)線射頻傳輸。主電路模塊采用單片機(jī)與PDIUSBD12接口芯片協(xié)同工作，并通過(guò)USB接口與PC端相連接，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換，以此來(lái)模擬鍵盤的操作并完成翻頁(yè)功能。本文講述了發(fā)射接收和編解碼電路的工作原理，主電路的搭建，以及HID標(biāo)識(shí)符對(duì)USB端點(diǎn)的信號(hào)傳輸交流，和主要芯片的介紹等，同時(shí)記述了各個(gè)階段的選型和設(shè)計(jì)，最后完成了滿意的實(shí)物成果。關(guān)鍵詞：無(wú)線射頻；單片機(jī)技術(shù)；編解碼技術(shù)；USB接口；HID標(biāo)識(shí)符緒論隨著無(wú)線技術(shù)的蓬勃發(fā)展，那些原本只服務(wù)于工業(yè)用途的紅外或不同頻率的通信技術(shù)已開始步入我們的生活。而縱觀課堂教學(xué)工具的發(fā)展歷程，從最早的激光筆指示教學(xué)，到后來(lái)的投影儀和遙控鼠標(biāo)類工具，再發(fā)展到電子教鞭產(chǎn)品，現(xiàn)如今的USB無(wú)線翻頁(yè)器已然成為教室乃至社會(huì)的主流。而隨著無(wú)線技術(shù)趨于成熟，各種無(wú)線通信廣泛應(yīng)用于社會(huì)的方方面面，自然也延伸到了USB翻頁(yè)器中。近年來(lái)市場(chǎng)上的各種不同的幻燈片翻頁(yè)器比比皆是，而對(duì)于不同的無(wú)線技術(shù)也自然各有其優(yōu)缺點(diǎn)。這一章主要講述了應(yīng)用到USB翻頁(yè)器的各種不同的無(wú)線技術(shù)以及社會(huì)背景等，闡述了產(chǎn)品的發(fā)展現(xiàn)狀和研究的意義。課題研究背景由于教學(xué)環(huán)境和辦公場(chǎng)合的變化，USB翻頁(yè)器被普遍采用，它使用了無(wú)線傳輸技術(shù)，通過(guò)USB接口與電腦進(jìn)行信號(hào)的傳輸，有著即插即用的特性，不用加載過(guò)于繁瑣的驅(qū)動(dòng)即可投入使用，極為方便。對(duì)于老師和商務(wù)人員來(lái)說(shuō)，這無(wú)疑是教學(xué)及演示的最好工具，不僅使多媒體教學(xué)更加簡(jiǎn)捷方便，還能節(jié)省不少時(shí)間。而現(xiàn)如今的無(wú)線技術(shù)已經(jīng)非常成熟，例如2.4GHz無(wú)線技術(shù)和27MHz無(wú)線電等等。而在本文中則是選用了315/433M射頻技術(shù)，因?yàn)檫@種頻率是國(guó)家開放頻段，適用于各種場(chǎng)景，信號(hào)穩(wěn)定，滿足技術(shù)要求?，F(xiàn)狀分析隨著單片機(jī)研究的日益突破與發(fā)展，其應(yīng)用范圍可以說(shuō)是愈加廣泛。在人們的日常中對(duì)單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用早已屢見不鮮，例如洗衣機(jī)、冰箱甚至是微波爐都或多或少存在著單片機(jī)，人們的現(xiàn)實(shí)生活早已離不開單片機(jī)的存在。而為了使信號(hào)處理的更加迅速，響應(yīng)的更加快捷，本設(shè)計(jì)采用的是STC89C52芯片作為核心，可以實(shí)現(xiàn)在線燒錄，方便快捷。在傳統(tǒng)的幻燈片翻頁(yè)器上，制造廠家往往都會(huì)增加一個(gè)激光發(fā)射器，在遙控翻頁(yè)的同時(shí)可以用激光來(lái)指示PPT上的內(nèi)容，進(jìn)行輔助教學(xué)。對(duì)于USB翻頁(yè)器這個(gè)產(chǎn)品而言，目前國(guó)內(nèi)外主流的技術(shù)還是使用的紅外傳輸，或者是藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)行通信控制，射頻技術(shù)使用的還在少數(shù)。紅外發(fā)射技術(shù)有著多年的歷史，廣泛應(yīng)用于各個(gè)方面，相關(guān)聯(lián)的技術(shù)也開發(fā)的非常成熟。但是市面上的紅外遙控翻頁(yè)器已經(jīng)不能滿足大眾的需求了，低耗電的射頻翻頁(yè)器開始逐漸走向市場(chǎng)，為人們所熟知。1.1.2選題背景隨著社會(huì)的發(fā)展進(jìn)程來(lái)看，多媒體演示已經(jīng)是各大高校的標(biāo)配了，上至大學(xué)下至初中都有很多教師在使用多媒體授課，除了教學(xué)之外，在那些商業(yè)活動(dòng)中或是某些演講里都會(huì)用到多媒體。而由此而衍生的USB無(wú)線翻頁(yè)器也就出現(xiàn)在了大眾的視野之中。USB翻頁(yè)器不僅可以幫助人們快速的操作幻燈片的播放，也完美的使老師們擺脫了電腦的束縛，使用多媒體演示的老師們可以不用親自操作電腦，從而使講課更方便，老師也能隨心所欲的在課堂上走動(dòng)，在授課的同時(shí)拉近與臺(tái)下學(xué)生們的距離，這樣不僅可以把握授課的進(jìn)度，甚至還能促進(jìn)師生關(guān)系，讓二者更加融洽。而隨著無(wú)線技術(shù)的日新月異，人們對(duì)USB翻頁(yè)器的要求也在逐漸增高，對(duì)于無(wú)線翻頁(yè)的距離和成本都有了不同程度的需求。同時(shí)又伴隨著單片機(jī)的逐漸開發(fā)和更新，USB翻頁(yè)器也出產(chǎn)了各種不同的型號(hào)。對(duì)于使用紅外以及藍(lán)牙技術(shù)的傳統(tǒng)USB翻頁(yè)器而言，已經(jīng)滿足不了人們的需求了。使用低耗無(wú)線射頻方式開發(fā)的幻燈片翻頁(yè)器更容易應(yīng)用在教學(xué)領(lǐng)域。所以本課題運(yùn)用現(xiàn)有的無(wú)線射頻技術(shù)，結(jié)合傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和思路，設(shè)計(jì)出一款新的無(wú)線遙控翻頁(yè)器。課題研究的目的及意義目前，高校及中學(xué)使用的USB翻頁(yè)器還都是一些紅外發(fā)射的版本，這種翻頁(yè)器采用的是紅外數(shù)據(jù)傳輸，它通過(guò)與單片機(jī)的配合，能實(shí)現(xiàn)遙控翻頁(yè)的功能。由于其技術(shù)成熟，成本低，所以在之前被人們廣泛使用。但是這種技術(shù)的缺點(diǎn)卻顯而易見，紅外信號(hào)極其容易被障礙物所阻擋，所以必須要在特定的角度將遙控器與接收口對(duì)準(zhǔn)，這就造成了老師們極差的體驗(yàn)。而且紅外信號(hào)的傳輸距離也是硬傷，無(wú)線遙控的距離很短，使老師們也幾乎離不開講堂。至于藍(lán)牙傳輸技術(shù)，是由一部分藍(lán)牙模塊與對(duì)應(yīng)的USB接收器相結(jié)合。它們通過(guò)獲取藍(lán)牙發(fā)射部分的按鍵信息，經(jīng)轉(zhuǎn)化后再與PC端交流，從而實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程的翻頁(yè)功能。這種技術(shù)雖然可以讓傳輸距離達(dá)到10米以上，但是其功率消耗過(guò)大，成本較高，且它的通訊速率差強(qiáng)人意，所以逐漸被淘汰。所以綜上所述，針對(duì)上面的情況來(lái)看，本設(shè)計(jì)的目的就是要研究一款低功耗、傳輸距離大、不易被阻擋且成本低的USB翻頁(yè)器，能夠滿足市場(chǎng)大眾的需求。國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀說(shuō)到無(wú)線通信，其實(shí)我們或多或少都對(duì)其有一定的了解。就以我們的手機(jī)為例，手機(jī)通過(guò)流量的使用來(lái)發(fā)送和接收信號(hào)，本質(zhì)上與無(wú)線通信如出一轍。我們都知道，電磁波可以攜帶信息，并在空間里自由傳輸，不受外界物體的干擾。我們就是利用這個(gè)，鉆研出了可以跨時(shí)代的無(wú)線通信技術(shù)。自21世紀(jì)始，由于國(guó)內(nèi)外電子技術(shù)的蓬勃發(fā)展，短距離無(wú)線技術(shù)在通信領(lǐng)域里已算得上是獨(dú)占鰲頭。所以，在無(wú)線遙控方面，無(wú)論是鼠標(biāo)還是其他種類的無(wú)線遙控產(chǎn)品都已被人們廣為熟知。其中使用了包括27MHz和2.4GHz無(wú)線電技術(shù)以及使用藍(lán)牙適配器來(lái)進(jìn)行連接的各式無(wú)線鼠標(biāo)層出不窮。而在過(guò)去的幾十年里，最為熱門的當(dāng)屬紅外線遙控。紅外線遙控器其實(shí)就是根據(jù)紅外線技術(shù)的原理與單片機(jī)控制器相組成的電路為核心，來(lái)完成數(shù)據(jù)的傳輸[1]。但是經(jīng)過(guò)了這么多年的發(fā)展，由于其他無(wú)線技術(shù)的抨擊，紅外遙控鼠標(biāo)已在不知不覺中漸漸失去了它的市場(chǎng)。至于藍(lán)牙類的遙控鼠標(biāo)，其結(jié)構(gòu)就是由一個(gè)藍(lán)牙控制模塊與一個(gè)相應(yīng)的USB接收器組成。在鼠標(biāo)工作的過(guò)程中，藍(lán)牙發(fā)射模塊的內(nèi)置單片機(jī)先獲取其按下的模擬信號(hào)，根據(jù)信號(hào)發(fā)出的命令去轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的編碼信號(hào)，然后USB接收器在接收到信號(hào)后，通過(guò)連接端口將數(shù)據(jù)傳給計(jì)算機(jī)，PC端對(duì)接收到的這些數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼編譯后，向系統(tǒng)發(fā)送命令，并執(zhí)行相應(yīng)的操作[2]。經(jīng)過(guò)二者的對(duì)比來(lái)看，這兩種技術(shù)在特點(diǎn)上有著不小的差異，紅外傳輸技術(shù)易被阻擋，只能進(jìn)行直線的信號(hào)傳輸，而且傳輸距離很不理想，并不符合本次設(shè)計(jì)的距離要求。而藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)雖然距離可以達(dá)到十米以上，但是功率消耗太大，而且成本較高，通訊速率也不太理想[3]。至于2.4GHz的新興無(wú)線產(chǎn)品，經(jīng)了解其造價(jià)成本更加高昂，這類產(chǎn)品一般只會(huì)出現(xiàn)在高端的價(jià)格市場(chǎng)，就拿紅外產(chǎn)品來(lái)比較，2.4GHz產(chǎn)品價(jià)格幾乎翻了一番。所以就對(duì)比而言，采用低耗低價(jià)的無(wú)線射頻遙控已逐漸成為主流。對(duì)于USB翻頁(yè)器設(shè)計(jì)流程來(lái)說(shuō)，第一步就是電路設(shè)計(jì)，隨后是電路板焊接、軟件程序設(shè)計(jì)以及成品調(diào)試等步驟，而第一步電路設(shè)計(jì)是最為關(guān)鍵的[4]。USB翻頁(yè)器的總體是由射頻發(fā)射和接收兩部分組成，其中發(fā)射部分國(guó)內(nèi)外常用的有315/433M和SAW聲表面穩(wěn)頻技術(shù)相結(jié)合的模塊。SAW聲表穩(wěn)頻技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)顯而易見，不僅基頻可以達(dá)到千兆，而且穩(wěn)定性極為不錯(cuò)[5]。在文獻(xiàn)[6]中，射頻部分采用的是SYN113無(wú)線集成芯片，它和SYN470R接收芯片相配合，對(duì)電路進(jìn)行了極大的簡(jiǎn)化，成本較低且減少了器件布局，接收效果較為滿意。而在文獻(xiàn)[7]中，無(wú)線接收部分則是采用了一個(gè)由RX3310A構(gòu)成的超外差電路，這種接收電路可以配合SAW聲表諧振技術(shù)，對(duì)工作環(huán)境幾乎沒有要求。無(wú)線收發(fā)模塊中要配合相對(duì)的編解碼器才能進(jìn)行射頻信號(hào)交流的工作。其中的編解碼器選用了PT2262/PT2272組合，PT2262編碼器芯片有18個(gè)功能引腳，它與SC2260芯片的功能大致相同，工作模式也并無(wú)差別，不過(guò)在引腳數(shù)目上SC2260只有16個(gè)，所以后者的體積較小。單片機(jī)主控電路則是采用了STC系列的89C52芯片，它外圍分布了P0~P3四種I/O口，并以此來(lái)控制各個(gè)電路以及對(duì)無(wú)線通信做一定的中間處理[8]。最后談到USB控制器的類別，對(duì)于這部分模塊來(lái)說(shuō)，要根據(jù)具體的使用和開發(fā)環(huán)境要求來(lái)選擇合適的USB控制器。目前市場(chǎng)上的相關(guān)USB控制器主要分為兩種，一種是附帶了USB接口的內(nèi)嵌式單片機(jī)，主要由單片機(jī)來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，若是采用這種USB控制器則需要我們對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令非常了解，而且還需要單獨(dú)的系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，不僅開發(fā)成本略高，而且開發(fā)環(huán)境較難，因此不在我們的選擇之內(nèi)。另一種USB控制器則是純粹的USB接口芯片，在工作時(shí)需要配合外部單片機(jī)來(lái)進(jìn)行相關(guān)信號(hào)的協(xié)議處理與數(shù)據(jù)傳輸。特點(diǎn)是這種接口芯片較為便宜，而且引腳簡(jiǎn)單，與計(jì)算機(jī)接口非常方便，可靠性較高，電路連接和開發(fā)環(huán)境都比較簡(jiǎn)單，因此對(duì)于USB接口芯片，則是選用了PDIUSBD12功能芯片[9]。對(duì)于USB翻頁(yè)器的即插即用，就是USB的總線枚舉過(guò)程[10]。在與PC端的數(shù)據(jù)交互方面則采用了HID人機(jī)接口設(shè)備，這種新型設(shè)備簡(jiǎn)單好用，由于現(xiàn)在的電腦系統(tǒng)都自帶了上位機(jī)的驅(qū)動(dòng)，所以不用我們編寫，只需要通過(guò)HID設(shè)備發(fā)送必要的描述符即可。這些描述符可以讓USB鍵盤模擬電腦鍵盤的up/down等各種操作，從而實(shí)現(xiàn)了PPT的遙控翻頁(yè)功能[11-12]。在文獻(xiàn)[13]中，需要用USB攝像頭捕捉圖像中的激光點(diǎn)位置，分析軌跡再實(shí)現(xiàn)交互，過(guò)于繁瑣。所以建議只在電路中加一個(gè)激光指示器即可。綜上所述，要實(shí)現(xiàn)USB無(wú)線翻頁(yè)器的功能，需要設(shè)計(jì)收發(fā)電路，選擇合適的編解碼器和單片機(jī)，再建立USB控制芯片的主電路，實(shí)現(xiàn)總線枚舉和HID設(shè)備識(shí)別功能，再進(jìn)行相關(guān)軟件程序協(xié)議的移植、編寫和調(diào)試即可。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案與研究?jī)?nèi)容本設(shè)計(jì)要制作的是一個(gè)基于USB的射頻遙控翻頁(yè)器，由于其315M/433M的射頻技術(shù)部分較為成熟，同時(shí)為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)，配套件數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸部分使用的是市面上的成熟構(gòu)件，無(wú)需多余的調(diào)試即可正常工作。本設(shè)計(jì)主要研究的內(nèi)容是：射頻接收部分與單片機(jī)之間的信號(hào)通信、單片機(jī)與USB芯片之間的連通交流，USB傳輸原理與計(jì)算機(jī)HID人機(jī)接口設(shè)備，以及軟件程序協(xié)議的移植與設(shè)計(jì)、調(diào)試等工作。這一章主要講述了本設(shè)計(jì)的技術(shù)要求與硬件選型，并給出了系統(tǒng)的主框圖。2.1短距離無(wú)線技術(shù)本設(shè)計(jì)要完成USB無(wú)線翻頁(yè)的功能，就勢(shì)必要用到對(duì)應(yīng)的無(wú)線技術(shù)。因此，對(duì)短距離無(wú)線技術(shù)的了解和選用就是設(shè)計(jì)的第一個(gè)要點(diǎn)。短距離無(wú)線技術(shù)有著很廣泛的應(yīng)用，一般來(lái)說(shuō)，只要傳輸距離在幾十米以內(nèi)，都可以稱之為短距離。此外，這種技術(shù)主打的是低成本和低耗。通信雙方使用電磁波技術(shù)來(lái)進(jìn)行各種交流，例如27MHz和2.4GHz無(wú)線技術(shù)，還有紅外以及藍(lán)牙技術(shù)，這種技術(shù)范疇很廣。不過(guò)經(jīng)過(guò)比對(duì)發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于更加低耗的無(wú)線射頻技術(shù)來(lái)說(shuō)，紅外和藍(lán)牙就毫無(wú)優(yōu)勢(shì)可言了。無(wú)線射頻技術(shù)不僅穩(wěn)定可靠，無(wú)指向性，而且傳輸?shù)木嚯x也是它們的幾倍，并且對(duì)環(huán)境要求不高，低耗節(jié)能。因此在確定了采用射頻技術(shù)后，又進(jìn)行了一次深入的對(duì)比，并發(fā)現(xiàn)315M/433M技術(shù)比較符合本次設(shè)計(jì)，因?yàn)樵跐M足設(shè)計(jì)要求的前提下，315/433M的制作價(jià)格要比2.4G技術(shù)低廉不少，且難度較小，所以經(jīng)權(quán)衡之下，本設(shè)計(jì)采用了屬于國(guó)家開放頻段的315M射頻技術(shù)。2.2即插即用的實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)要求要對(duì)設(shè)備做到即插即用，經(jīng)查找多方資料后，我們了解到USB設(shè)備的即插即用功能是通過(guò)計(jì)算機(jī)總線枚舉來(lái)實(shí)現(xiàn)的。所謂即插即用，是指就算計(jì)算機(jī)正在執(zhí)行其他程序，也不會(huì)耽誤USB設(shè)備的插入和執(zhí)行。至于總線枚舉，就是指USB設(shè)備在使用之前，必須要對(duì)其進(jìn)行一系列的配置操作，這些配置包含了設(shè)備的各種類描述符，可以向主機(jī)闡述自己的特性和功能。當(dāng)這個(gè)USB設(shè)備連接到主機(jī)上，其主機(jī)端口或節(jié)點(diǎn)將會(huì)產(chǎn)生一系列的指令和操作，來(lái)對(duì)這個(gè)USB設(shè)備進(jìn)行認(rèn)證和配置，這個(gè)過(guò)程即被叫做總線枚舉。它也可分為以下幾個(gè)步驟：（1）設(shè)備所連接的PC端口檢測(cè)到設(shè)備的連接，并通過(guò)特殊管道向主機(jī)發(fā)送報(bào)告，主機(jī)隨即向設(shè)備發(fā)送復(fù)位命令。（2）復(fù)位信號(hào)結(jié)束，主機(jī)向設(shè)備提供電源，設(shè)備得電復(fù)位。（3）主機(jī)通過(guò)預(yù)設(shè)的地址0和端點(diǎn)0向設(shè)備發(fā)出通訊，請(qǐng)求獲取其自帶的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備描述符。每個(gè)起始設(shè)備都要無(wú)條件響應(yīng)地址和端點(diǎn)0的命令請(qǐng)求。（4）設(shè)備響應(yīng)后，主機(jī)通過(guò)預(yù)設(shè)的端點(diǎn)0與設(shè)備進(jìn)行通信，給設(shè)備加載一個(gè)唯一的地址信息用于區(qū)分，隨后讀取其設(shè)備描述符及配置。（5）最后主機(jī)加載USB設(shè)備指定的協(xié)議驅(qū)動(dòng)程序，該設(shè)備就能正常配置使用了。2.3硬件模塊的選擇（1）編解碼硬件的選擇：射頻收發(fā)的核心就在于編解碼器的存在，目前市面上最成熟的編解碼器無(wú)疑是PT2262+PT2272的配套組合，它們是普城公司研制的一款CMOS通用編解碼器。其18位管腳中有6位是數(shù)據(jù)腳，有12位是它們的三態(tài)地址引腳，這三態(tài)地址在物理意義上是指引腳的懸空、接正電源和接地狀態(tài)，在解碼器收到信號(hào)解碼的時(shí)候會(huì)反復(fù)比對(duì)PT2262與PT2272的地址數(shù)據(jù)是否相同，也就是地址引腳焊接的方式是否相同，只有確認(rèn)無(wú)誤后其VT腳和數(shù)據(jù)腳才會(huì)輸出高電平，整個(gè)流程簡(jiǎn)單易懂。但在這里由于廠家的不同和成熟構(gòu)件的限制，本設(shè)計(jì)的編碼器是采用了SC2260，它與PT2262的功能和使用方式幾乎一樣，不同的是SC2260的管腳只有16位，在功能不變的同時(shí)簡(jiǎn)化了管腳的數(shù)量和芯片的體積，更符合本設(shè)計(jì)4個(gè)按鍵的電路設(shè)計(jì)。（2）單片機(jī)芯片的選擇：因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)的功能較為簡(jiǎn)單，所以目前市面上大多數(shù)的在售單片機(jī)都可以滿足本設(shè)計(jì)的要求，例如STM32、AT和STC系列的51芯片。但是STM32功能復(fù)雜，對(duì)于本設(shè)計(jì)而言完全是大材小用，所以不在考慮范圍之內(nèi)。至于51系列的芯片，在功能方面大同小異，但是STC系列可以提供在線燒錄，調(diào)試起來(lái)極其方便，而且它的處理速度更快，所以我在斟酌之后選用了STC系列的89C52單片機(jī)。它引腳功能齊全，能與USB接口芯片實(shí)現(xiàn)完美配合，而且造價(jià)也普遍較低，對(duì)于本設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)非常符合。（3）USB通信芯片的選擇：因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)的功能實(shí)現(xiàn)要通過(guò)USB接口來(lái)滿足，所以就必須要選用一款合適的USB芯片，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)接口和通信控制的功能。本人在經(jīng)過(guò)多方對(duì)比之后，選用了PDIUSBD12芯片。它屬于USB接口芯片，與那種內(nèi)嵌通用微控制器的USB控制芯片對(duì)比而言，不僅造價(jià)較為便宜，而且無(wú)需開發(fā)者對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和相關(guān)指令集進(jìn)行額外的研究了解，也不用外加單獨(dú)的開發(fā)系統(tǒng)。總體來(lái)說(shuō)PDIUSBD12芯片開發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)單，靈活性較高，可以與任意一種單片機(jī)相結(jié)合，為研究者節(jié)省時(shí)間、費(fèi)用以及風(fēng)險(xiǎn)。此外它的外圍電路也簡(jiǎn)單易懂，采用并行通信的方式來(lái)與單片機(jī)進(jìn)行連接交流，能實(shí)現(xiàn)USB的功能，并滿足USB1.1協(xié)議。2.4系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)與概述整個(gè)系統(tǒng)框架可大致分為兩個(gè)部分：射頻發(fā)射部分和射頻接收部分。而接收部分又可細(xì)分為解碼電路和主電路兩個(gè)模塊。本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖1系統(tǒng)框圖射頻發(fā)射部分主要是由SC2260編碼器來(lái)對(duì)按鍵信號(hào)進(jìn)行編碼操作，按鍵有四個(gè)，當(dāng)按鍵按下時(shí)設(shè)備通電將信號(hào)存入數(shù)據(jù)端，編碼完成后由315M發(fā)射模塊經(jīng)過(guò)無(wú)線射頻天線發(fā)射出去。而射頻接收部分則是由315M加上LM358雙運(yùn)算放大器組成的復(fù)合電路來(lái)進(jìn)行對(duì)射頻信號(hào)的接收，接收完成后再由PT2272解碼器進(jìn)行地址碼的比對(duì)工作，經(jīng)多次比對(duì)完成后確認(rèn)無(wú)誤再進(jìn)行編碼信號(hào)的解碼工作。解碼完成的信號(hào)則變成數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)進(jìn)行儲(chǔ)存。單片機(jī)經(jīng)處理過(guò)的信號(hào)發(fā)送給USB控制芯片，二者配合通過(guò)總線枚舉以及HID人機(jī)接口設(shè)備給PC端發(fā)送設(shè)備描述符和輸入報(bào)告，來(lái)使計(jì)算機(jī)控制鍵盤上的四個(gè)up/down/F5/Esc按鍵以此完成上下翻頁(yè)、開始播放和結(jié)束播放等操作。系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)繼上一章對(duì)總體方案與研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了大致規(guī)劃后，本章節(jié)將會(huì)著重介紹硬件芯片的功能，并闡述相關(guān)電路設(shè)計(jì)的原理和選用此電路的原因，同時(shí)它們之間的信號(hào)運(yùn)送流程也都會(huì)介紹到。3.1單片機(jī)控制主電路本設(shè)計(jì)所選用的單片機(jī)為STC系列的89C52芯片，它與PT2272的四個(gè)數(shù)據(jù)管腳相連接，進(jìn)行輔助解碼和信息的儲(chǔ)存與發(fā)送。另一邊又與USB接口芯片進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)USB接口的功能。所以在這里單片機(jī)起到了一個(gè)樞紐的作用。3.1.1STC89C52芯片簡(jiǎn)介STC89C52RC是以COMS工藝研制出的一種低耗低價(jià)通用微型處理器。它具有8K可編程Flash存儲(chǔ)器，內(nèi)核為MCS-51，RAM為512字節(jié)，EEPROM為4K字節(jié)。相對(duì)于傳統(tǒng)51系列單片機(jī)來(lái)說(shuō)，STC系列做了許多改進(jìn)，使芯片擁有了很多其他的功能。在單芯片方面，它具有的高性能CPU為許多系統(tǒng)提供了各種靈活有效的處理模式。如圖2所示，為C52芯片的引腳功能圖。圖2STC89C52引腳功能圖從圖中可以看出，它有32位I/O口引腳，4個(gè)中斷引腳和3個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器。此外它還可以降低至0Hz靜態(tài)模式，在另一方面，運(yùn)行頻率甚至可達(dá)到35MHz，有著6T或者12T模式。3.1.2STC89C52芯片外圍電路C52芯片的P1.0~P1.3四個(gè)腳與PT2272的D0~D3四個(gè)數(shù)據(jù)管腳相連接，解碼信號(hào)就是從這里實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。只要發(fā)射板中每按下一個(gè)按鍵，就會(huì)將對(duì)應(yīng)的單片機(jī)I/O口拉到低電平狀態(tài)。具體的連接電路圖如圖3所示。圖3單片機(jī)與解碼器連接電路圖單片機(jī)擁有獨(dú)立的外部晶振電路，它主要的功能是發(fā)出脈沖信號(hào)，為單片機(jī)正常運(yùn)行提供工作時(shí)鐘。如圖4晶振電路圖所示。圖4晶振電路圖單片機(jī)還有一個(gè)最小復(fù)位電路，其功能是在單片機(jī)系統(tǒng)上電時(shí)使芯片復(fù)位，直到電源穩(wěn)定時(shí)再結(jié)束復(fù)位操作。如圖5復(fù)位電路圖所示。圖5復(fù)位電路圖3.1.3PDIUSBD12接口芯片PDIUSBD12接口芯片就總體而言它的性價(jià)比很高，并且符合USB1.1的規(guī)范，但由于USB1.1是USB的基礎(chǔ)協(xié)議，所以它對(duì)win7系統(tǒng)基本上完全兼容，但對(duì)win10系統(tǒng)少部分兼容。不過(guò)這款芯片可以完全實(shí)現(xiàn)USB接口的功能，它本身具有的八位并行數(shù)據(jù)總線使它在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)效率非常高，可以在與單片機(jī)控制的系統(tǒng)中與其實(shí)現(xiàn)高速率通信，并且D12芯片兼容性很強(qiáng)，對(duì)外部單片機(jī)并沒有多余的要求，可以讓使用者放心選擇更合適的單片機(jī)，省時(shí)省力省錢，這也是我們選擇它的一大理由。如圖6D12芯片引腳功能圖所示。圖6PDIUSBD12引腳功能圖此外D12芯片還經(jīng)常被應(yīng)用在許多常用的外設(shè)中，比如打印機(jī)或者Zip驅(qū)動(dòng)器。它主要的功能特點(diǎn)還有：DMA傳輸，集成RAM以及GoodLink技術(shù)。DMA傳輸：是指存儲(chǔ)器直接存儲(chǔ)模式，意思是USB芯片可以跳過(guò)主機(jī)CPU的干預(yù)而直接與本地存儲(chǔ)器建立聯(lián)系，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。這樣就大大提高了信息的傳送速率。集成RAM：是指儲(chǔ)存器管理單元，讓單片機(jī)與D12芯片在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)候，在中間建立一個(gè)緩沖區(qū)，不僅可以保存USB的數(shù)據(jù)，還能讓單片機(jī)以自己更快的處理速度來(lái)對(duì)信息進(jìn)行處理。GoodLink技術(shù)：GoodLink翻譯過(guò)來(lái)就是良好的連接指示，它主要的功能就是用發(fā)光二極管的閃爍狀態(tài)來(lái)讓使用者了解目前的USB連接情況。在PDIUSBD12的第21引腳GL_N腳外接著一個(gè)發(fā)光二極管，它作為USB的狀態(tài)指示燈，通過(guò)低電平有效進(jìn)行觸發(fā)。當(dāng)它突然閃亮?xí)r，代表著USB設(shè)備正在PC端進(jìn)行設(shè)備枚舉，當(dāng)它常亮?xí)r，代表著設(shè)備已枚舉完成，可以正常使用。而當(dāng)它在某個(gè)時(shí)間段間歇性閃爍時(shí)，那就說(shuō)明USB設(shè)備正在向主機(jī)傳送數(shù)據(jù)。3.1.4單片機(jī)與D12芯片的控制電路控制電路部分本設(shè)計(jì)采用了89C52芯片與USB控制芯片相結(jié)合，能夠正常實(shí)現(xiàn)USB的接口功能[15]。如圖7主要控制電路圖所示。圖7主要控制電路圖它是單片機(jī)和D12芯片所組成的通信控制電路，此電路的引腳連接采用了典型的USB控制芯片與微處理器連接法。圖中89C52芯片的P0口直接與D12芯片的八位并行I/O口進(jìn)行連接，通過(guò)這些數(shù)據(jù)總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸。D12芯片的13引腳CLKOUT代表著時(shí)鐘信號(hào)輸出，它可以與單片機(jī)直接連接并為其提供時(shí)鐘信號(hào)輸入，但是一般在實(shí)際連接時(shí)，卻并不采用這種連接方式，因?yàn)閱纹瑱C(jī)有自己的外接晶振電路，處理速度極快，而且在和D12芯片進(jìn)行信息交換期間，由于其集成RAM的存儲(chǔ)管理單元的存在，其二者的時(shí)鐘脈沖并不影響。所以一般這個(gè)引腳懸空。其中D12芯片的A0腳主要對(duì)單片機(jī)信號(hào)是命令還是輸入進(jìn)行控制，第10腳ALE控制著二者之間是否采用單獨(dú)或者復(fù)用的數(shù)據(jù)和地址總線。這兩個(gè)引腳只能同時(shí)采用一個(gè)，而在本設(shè)計(jì)中采用了ALE引腳接地，代表著數(shù)據(jù)和地址總線單獨(dú)采用，此時(shí)A0腳接任意I/O口。D12芯片的11和12引腳代表著片選位和掛機(jī)位，此時(shí)全部接地。14、15和16引腳代表著中斷、讀選通和寫選通，它們分別接到單片機(jī)對(duì)應(yīng)引腳即可。而在單片機(jī)的P2.0引腳則增加了一個(gè)信號(hào)接收指示燈，用來(lái)指示是否接收到了發(fā)射端的按鍵信號(hào)。至于D12芯片的外圍電路，則是屬于成熟模塊，無(wú)需贅述，具體如圖8USB外圍電路圖所示。圖8USB外圍電路圖3.2射頻發(fā)射電路本設(shè)計(jì)的射頻發(fā)射電路是由四個(gè)獨(dú)立按鍵和編碼發(fā)射電路組合而成。3.2.1按鍵開關(guān)電路射頻電路中的按鍵和二極管分別有四個(gè)，一一對(duì)應(yīng)，如圖9所示。圖9按鍵電路圖這四個(gè)按鍵分別是上翻頁(yè)、下翻頁(yè)、開始播放和結(jié)束播放四個(gè)功能。它們連接著一個(gè)12V的電源，當(dāng)某個(gè)按鍵按下時(shí)，就會(huì)形成一個(gè)特定的回路，此時(shí)處于干路的發(fā)光二極管必會(huì)發(fā)光顯示，以表明按鍵成功按下，隨后按鍵信息存入編碼器的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)端。3.2.2SC2260編碼器SC2260編碼器是屬于CMOS工藝打造而成的低價(jià)低耗通用編碼器，它可用在任何電路環(huán)境，其特點(diǎn)是外圍電路少。SC2260對(duì)地址端和數(shù)據(jù)端的信號(hào)編碼組用RF射頻的方式通過(guò)射頻天線發(fā)出。其芯片最多有10位地址編碼區(qū)，在焊接時(shí)可懸空也可接電源或是接地，只要解碼器的地址區(qū)也以同樣的方式進(jìn)行焊接，就可以實(shí)現(xiàn)地址配對(duì)。當(dāng)二者配對(duì)成功后，由于按鍵信號(hào)的輸入，解碼器的D0~D3數(shù)據(jù)端的某個(gè)引腳就會(huì)輸出高電平。SC2260編碼器引腳圖如圖10所示。圖10SC2260編碼器引腳圖圖中A0~A9管腳即為SC2260的10個(gè)三態(tài)地址腳，D0~D5管腳則是它的6個(gè)數(shù)據(jù)腳。管腳說(shuō)明如表1所示。表1SC2260管腳說(shuō)明表管腳名稱管腳標(biāo)號(hào)輸入/輸出說(shuō)明A0~A7，A8~A91~8，10~11輸入地址腳，用來(lái)表示編碼器的地址信息，可置為三態(tài)D0~D3，D5~D413~10，7~8輸入數(shù)據(jù)管腳，通過(guò)數(shù)字信號(hào)“1”和“0”來(lái)判斷是否有數(shù)據(jù)產(chǎn)生OSC14輸入單端接入電阻實(shí)現(xiàn)振蕩器的功能Dout15輸出編碼輸出端（通常情況為"0"）Vss9電源負(fù)端（一）Vcc16電源正端（+）本次設(shè)計(jì)由于只有四個(gè)按鍵，所以SC2260只采用了四個(gè)數(shù)據(jù)腳：D0~D3。其16和9管腳分別是電源正負(fù)引腳，OSC管腳負(fù)責(zé)接入振蕩電阻，對(duì)接的電阻越大就會(huì)導(dǎo)致震蕩頻率越大。15腳Dout是輸出腳，主要負(fù)責(zé)編碼后的數(shù)據(jù)輸出。當(dāng)有按鍵按下時(shí)，編碼器SC2260上電工作，在編碼完成后會(huì)把第15腳Dout置1，此時(shí)Dout就會(huì)將按鍵數(shù)據(jù)串行輸出，然后發(fā)送給315M電路，在此期間由于Dout上升為高電平，所以誘發(fā)了315M的振蕩電路起振，并同時(shí)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成等幅的射頻信號(hào)發(fā)射出去。而在15腳為低電平時(shí)，315M電路就會(huì)停止振蕩。所以射頻電路完全被15腳的數(shù)字信號(hào)控制，從而對(duì)整個(gè)電路實(shí)現(xiàn)百分百幅度鍵控。3.2.3315M射頻電路射頻部分經(jīng)過(guò)查驗(yàn)比較，最后采用了一個(gè)典型的振蕩發(fā)射電路。它位于發(fā)射板的射頻電路部分，外接天線，整體采用了315MHz和SAW聲表面諧振技術(shù)，組成了電容三點(diǎn)式振蕩電路。振蕩晶體把電路穩(wěn)定振蕩在315兆赫，如果沒有晶體的話，當(dāng)有物體在電感線圈附件移動(dòng)時(shí)，就會(huì)影響頻率的穩(wěn)定，甚至?xí)l(fā)生偏移。電阻R3的作用就是穩(wěn)壓，使得頻率輸出很穩(wěn)定。三極管的作用就是控制信號(hào)發(fā)出的頻率，能夠在SC2260的15腳數(shù)據(jù)傳輸過(guò)來(lái)后，讓數(shù)據(jù)以315M的頻率發(fā)射出去。具體的振蕩發(fā)射電路圖如圖11所示。圖11315M振蕩電路圖如今的科技愈發(fā)強(qiáng)大，很多生產(chǎn)廠家都有自己獨(dú)特的線路設(shè)計(jì)，都在源源不斷的進(jìn)步和創(chuàng)新，希望可以讓原先的零部件更加小型化，同時(shí)性能更強(qiáng)。對(duì)于晶振來(lái)說(shuō)又可分為普通晶振、受控晶振，常用的有100MHz晶振或是65.536M等等，而對(duì)于本設(shè)計(jì)的射頻電路315M晶振則是選用的聲表面SAW晶振技術(shù)，它的頻率穩(wěn)定性和晶振對(duì)比并無(wú)差別，基頻可放大至上千兆赫茲，不需要倍頻，解決了頻率漂移的問(wèn)題，電路也極其簡(jiǎn)單，抗干擾能力極強(qiáng)。射頻電路的末端采用的是外置射頻天線，關(guān)于它的的長(zhǎng)度部分，可以用公式計(jì)算。比如315M電路需要的天線長(zhǎng)度約等于1/4的波長(zhǎng)，而波長(zhǎng)又可以按照光速除于頻率來(lái)求得，所以到最后求得的天線長(zhǎng)度為0.238米，又因?yàn)閷?dǎo)線傳播高頻信號(hào)會(huì)降低到0.98的程度，所以天線的長(zhǎng)度求得的最終值為0.233米?？梢缘贸鼋Y(jié)論，一般情況下315M的射頻天線長(zhǎng)度都是在23厘米左右。而對(duì)于天線的阻抗則是選擇了50歐姆，因?yàn)閷?duì)于以往的同軸電纜來(lái)說(shuō)，在30歐姆時(shí)可以承載最大的功率，在70歐姆的程度上損耗最小，效率最高，所以折中后選用了50歐姆。3.3射頻接收電路射頻接收電路是由PT2272解碼器和LM358雙運(yùn)算放大器組成的一個(gè)超再生接收電路。3.3.1PT2272解碼器PT2272是以COMS工藝打造出的一種低價(jià)低耗通用解碼器。它周邊分布了18個(gè)引腳，其中三態(tài)地址腳有12個(gè)，數(shù)據(jù)腳也有6個(gè)。由于在本設(shè)計(jì)中只牽扯到四個(gè)按鍵，所以只用到了4個(gè)數(shù)據(jù)腳。PT2272引腳圖和功能如圖12、表2所示。圖12PT2272引腳圖表2PT2272引腳功能表名稱管腳說(shuō)明A0~A111~8,10~13地址管腳D0~D57~8,10~13數(shù)據(jù)和地址管腳DIN14數(shù)據(jù)信號(hào)輸入端OSC215振蕩電阻振蕩器輸出端OSC116振蕩電阻輸入端VT17輸出端解碼判定，解碼成功則置“1”Vcc18電源正端Vss9電源負(fù)端PT2272芯片有著多種不同的后綴，例如L4、M4、L6、M6這幾種，它們分別代表著不同的功能。其中M代表瞬時(shí)輸出，意味著數(shù)據(jù)接收后只會(huì)輸出一次，受控于發(fā)射端的按鍵動(dòng)作。L則代表著鎖存輸出，表示會(huì)一直保存本次接收的信號(hào)，直到有另一個(gè)數(shù)據(jù)輸入才能將其替換。至于它們后續(xù)帶有的數(shù)字代表著解碼器有幾路并行通道。若使用4路數(shù)據(jù)通道即M4/L4，則地址碼就會(huì)配對(duì)前八位的地址信息，若是采用6路并行通道即M6/L6，則地址碼是六位。至于PT2272和SC2260之間實(shí)現(xiàn)編解碼通信的原理，乃是采用了脈沖寬度區(qū)分法，通過(guò)編碼中脈沖的不同寬度，來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別區(qū)分。因?yàn)榘l(fā)射的無(wú)線信號(hào)里地址碼和數(shù)據(jù)碼是一同發(fā)射的，所以為了讓它們區(qū)分開來(lái)，開發(fā)者們就用不同的寬度脈沖來(lái)表示不同的編碼信號(hào)。一個(gè)窄脈沖長(zhǎng)度是4α，若是連續(xù)發(fā)射兩個(gè)則意味著信號(hào)“0”。一個(gè)寬脈沖長(zhǎng)度是12α，若是連續(xù)發(fā)射兩個(gè)則意味著信號(hào)“1”。而若是這兩種不同的脈沖交替發(fā)射，則代表著專門服務(wù)于地址碼的信號(hào)“F”,它的物理意義是懸空。由不同寬度的脈沖組成的通信字碼也有一套具體的規(guī)范。在射頻通信中，一組地址碼和一組數(shù)據(jù)碼會(huì)相互結(jié)合為一個(gè)“字碼”，而兩個(gè)相鄰的字碼中間必須用同步碼隔開，這就為編碼信號(hào)的分步通信打下了基礎(chǔ)。因此要用PT2272進(jìn)行解碼的話，系統(tǒng)只需要檢測(cè)出中間的同步碼，之后對(duì)后續(xù)的字碼通過(guò)脈沖寬度來(lái)進(jìn)行區(qū)分，就能分辨出地址碼和數(shù)據(jù)碼。而SC2260至少都會(huì)一次性發(fā)送4組相同的字碼，并且由于無(wú)線技術(shù)的特性，每次第一個(gè)字碼都會(huì)受到零電平的干擾，往往都會(huì)容易產(chǎn)生誤碼，所以第一個(gè)字碼都會(huì)被程序丟掉，PT2272只有在接收到相同的兩個(gè)字碼中的地址碼并與自己配對(duì)成功后才會(huì)判定接收成功。3.3.2LM358雙運(yùn)算放大器本設(shè)計(jì)的接收電路部分需要用到LM358雙運(yùn)算放大器。它之所以叫雙運(yùn)算，是因?yàn)樗锩姘藘蓚€(gè)獨(dú)立的運(yùn)算放大器，并且由此產(chǎn)生了其內(nèi)部頻率互補(bǔ)的特性。LM358的電路模型如圖13所示。圖13LM358放大器引腳圖在相應(yīng)的工作環(huán)境下，它電源的電流和電壓無(wú)關(guān)。所以這種放大器特別適合那些電壓范圍較為廣泛的單電源供電場(chǎng)所，并且對(duì)于雙電源的工作模式也可以勝任。在工業(yè)用途上，像一些紅外探測(cè)這一類的報(bào)警器產(chǎn)品，基本上都有著LM358的身影，它們能探測(cè)出人體放射的紅外線，以此來(lái)達(dá)到監(jiān)視或報(bào)警的目的，通常在實(shí)驗(yàn)室、倉(cāng)庫(kù)或者一些私密的重要場(chǎng)所進(jìn)行使用。3.3.3超再生接收解碼電路本設(shè)計(jì)的射頻接收模塊采用的是一個(gè)典型的超再生接收電路。它采用的是LC振蕩原理，內(nèi)部含有放大整形功能，其功耗很小，最低可達(dá)100μA，并且為市面上的成熟模塊[14]。其接收電路圖如圖14所示。圖14超再生接收電路圖圖中為一個(gè)調(diào)試良好的超再生電路，就在穩(wěn)定性方面而言，它的選擇性和抗干擾能力遜色于超外差接收機(jī)，但是在整個(gè)電路的靈敏度方面，它的表現(xiàn)非常不錯(cuò)，可與一級(jí)高放一級(jí)混頻的超外差接收電路比肩。而且在成本方面超外差接收電路的價(jià)格普遍較為昂貴，一般都在35RMB左右，再反觀超再生電路，對(duì)比之下它的價(jià)格就比較低廉了，在應(yīng)用到USB翻頁(yè)器后，可以相應(yīng)的降低其市場(chǎng)價(jià)格，從而更加滿足大眾市場(chǎng)的需求。一直以來(lái)，人們對(duì)超再生電路頗有微詞，認(rèn)為它的頻帶和抗干擾能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如超外差電路，但是據(jù)了解，現(xiàn)在市場(chǎng)上的超再生接收電路卻應(yīng)用極其廣泛，例如很多應(yīng)用類的報(bào)警器，或者幾乎所有的遙控類玩具，都搭載的是這種接收電路，市場(chǎng)極大。究其原因，還是因?yàn)樗撵`敏度極高，甚至超過(guò)了大多數(shù)超外差電路，而且調(diào)試起來(lái)也相對(duì)簡(jiǎn)單，減少了部分工作量。接收信號(hào)完成后，編碼信號(hào)將交由PT2272處理。LM358的輸出端OUT1與PT2272的信號(hào)接收端DIN腳相連接，當(dāng)超再生接收電路將無(wú)線編碼信號(hào)接收完成后，交由PT2272解碼，在解碼成功后再將信息發(fā)送給單片機(jī)。解碼電路圖如圖15所示。圖15解碼電路圖USB的協(xié)議簡(jiǎn)介和通信分析繼上一章講述了各大模塊的硬件介紹和原理圖分析后，本章將會(huì)對(duì)USB模塊進(jìn)行拆分介紹，對(duì)USB的協(xié)議、數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)以及HID人機(jī)接口進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)要的概述。4.1USB的發(fā)展歷史USB在最早的時(shí)候是以一種新型的連接技術(shù)而被研發(fā)出來(lái)的，它可以在任意時(shí)間連接計(jì)算機(jī)且不影響其他程序的正常運(yùn)行，也可以在任意計(jì)算機(jī)上代替原有的接口來(lái)連接外設(shè)，并以規(guī)定的傳輸速度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行運(yùn)行。它的出現(xiàn)解決了因傳統(tǒng)技術(shù)而導(dǎo)致的總線不足等問(wèn)題，隨著時(shí)間的發(fā)展，USB的協(xié)議越來(lái)越先進(jìn)，且其本身又安裝方便，取代性高擴(kuò)展性強(qiáng)，因此已漸漸成為后世發(fā)展趨勢(shì)。4.1.1USB的協(xié)議發(fā)展1994年，當(dāng)時(shí)最負(fù)有盛名的七家計(jì)算機(jī)以及通訊公司聯(lián)合建立了USB論壇，在歷經(jīng)了兩年后，其中的四家于1995年正式聯(lián)合制定并發(fā)行了USB0.9的協(xié)議規(guī)范。直到1996年，相關(guān)論壇才進(jìn)一步的開發(fā)出了USB1.0規(guī)范。并在兩年后，又制定了更進(jìn)一步的USB1.1協(xié)議。USB1.1協(xié)議中有著低速和全速兩種數(shù)據(jù)傳輸模式，其速率分別為1.5Mb/s和12Mb/s。對(duì)于傳統(tǒng)的外設(shè)，例如鍵盤和鼠標(biāo)來(lái)說(shuō)，在全速模式下就能夠運(yùn)行的非常流暢了。也正是由于1.1協(xié)議的發(fā)行，USB開始迅速占領(lǐng)各大市場(chǎng)。但是隨著各種高速設(shè)備越來(lái)越多，USB1.1協(xié)議的運(yùn)行速率就開始捉襟見肘了。因此為了USB的更好發(fā)展，USB2.0協(xié)議便應(yīng)運(yùn)而生。它不僅在傳輸速度方面達(dá)到了480Mb/s，而且還支持向前兼容，意思是就算USB協(xié)議低于2.0的USB設(shè)備也可以做到對(duì)2.0協(xié)議兼容。不僅如此，2.0協(xié)議的出現(xiàn)還帶來(lái)了一種全新的架構(gòu)，名為集線器，這種架構(gòu)提供了一個(gè)中間集線模塊，并支持同時(shí)連接多個(gè)USB1.1設(shè)備。4.2USB1.1的通信原理USB的信號(hào)通信是指USB設(shè)備與主機(jī)之間進(jìn)行的通信，這部分內(nèi)容可分為兩個(gè)部分，端點(diǎn)和管道。4.2.1端點(diǎn)每一個(gè)USB設(shè)備中都蘊(yùn)含著很多端點(diǎn)，在這里我們可以將其看作單片機(jī)的I/O口。USB的端點(diǎn)是USB設(shè)備中唯一的物理尋址位，只有通過(guò)端點(diǎn)，USB設(shè)備才能與主機(jī)實(shí)現(xiàn)通信，而端點(diǎn)也可以看作是發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。此外，每一個(gè)端點(diǎn)都是獨(dú)一無(wú)二的，它們?cè)诔鰪S時(shí)就有著自己的定義，其端點(diǎn)稱號(hào)和通信方向都是唯一的，每個(gè)端點(diǎn)的信號(hào)傳輸方向也有不同，有的是輸入信號(hào)，有的則是輸出，不過(guò)可以肯定的是，它們的傳輸方向都是單向且固定的。端點(diǎn)的特性包括：帶寬、總線頻率以及數(shù)據(jù)包的大小等。從端點(diǎn)號(hào)方面來(lái)看，可分為端點(diǎn)0和其他端點(diǎn)。端點(diǎn)0之所以如此特殊是因?yàn)樗鼘儆诳刂贫它c(diǎn)，每個(gè)USB設(shè)備里都必須出廠一個(gè)0號(hào)端點(diǎn)，主機(jī)會(huì)在USB連接時(shí)對(duì)端點(diǎn)0發(fā)出各種控制命令，用來(lái)對(duì)USB設(shè)備設(shè)置地址以及獲取設(shè)備的具體信息，如設(shè)備的類型、設(shè)備全部描述符、端點(diǎn)配置、電源管理等等。而只有在外部設(shè)備全部初始化完成后，那些非0號(hào)端點(diǎn)才可以進(jìn)行使用。4.2.2管道管道與設(shè)備端點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，端點(diǎn)可以作為USB設(shè)備中的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，那么PC端自然也有自己的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。而從設(shè)備端點(diǎn)到PC端緩沖區(qū)之間的數(shù)據(jù)通道就被開發(fā)者稱為管道。它意味著主機(jī)和外設(shè)之間信息通道，只要USB設(shè)備一連入主機(jī)，那么就會(huì)自動(dòng)生成管道。不過(guò)管道也并非真實(shí)存在，它只是一種邏輯上的定義，實(shí)際上主機(jī)與外設(shè)的通信還是通過(guò)總線接口層進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。一個(gè)USB設(shè)備從邏輯功能方面可以劃分為三個(gè)層次，從下往上分別是總線接口層、端點(diǎn)交流層和外設(shè)功能層。4.3USB的數(shù)據(jù)傳輸U(kuò)SB傳輸信號(hào)的形式是以二進(jìn)制代碼來(lái)完成的，由代碼組成字段，再把字段組合成包。而在數(shù)據(jù)總線上，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯挝换径际前儆砂M(jìn)行不同的傳輸事務(wù)。4.3.1包的組成一個(gè)USB數(shù)據(jù)包由五個(gè)字段組成，分別是同步字段、包標(biāo)識(shí)符字段、數(shù)據(jù)字段、循環(huán)冗余校驗(yàn)字段和包結(jié)束字段。同步字段是一個(gè)包的開始部分，它在差分信號(hào)段中被描述為八個(gè)電平信號(hào)，由兩個(gè)不同的信號(hào)交替產(chǎn)生，即“KJKJKJKK”。其前六個(gè)信號(hào)是用來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐剑詈髢蓚€(gè)信號(hào)“KK”則是代表著這個(gè)字段的結(jié)束并由此引出下個(gè)字段。包標(biāo)識(shí)符是用來(lái)檢測(cè)包的格式是否正確以及指出它的錯(cuò)誤類型。它還可以對(duì)包進(jìn)行一系列的描述，其最后四個(gè)字段是用來(lái)給包標(biāo)識(shí)符的解碼提供正確性。數(shù)據(jù)字段是表示數(shù)據(jù)包傳輸?shù)男畔?，它其中的具體內(nèi)容由包的標(biāo)識(shí)符和類型來(lái)決定。循環(huán)冗余校驗(yàn)字段是一種特殊函數(shù)，它可以根據(jù)包中的數(shù)據(jù)來(lái)產(chǎn)生一定位數(shù)的校驗(yàn)碼。并以此來(lái)保證包數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，既不會(huì)丟失，也不會(huì)讓雜余字段或數(shù)據(jù)影響包的完整性。包結(jié)束字段是用來(lái)結(jié)束包的傳輸，由發(fā)送端在包的末尾加一個(gè)結(jié)束字段，可以使差分信號(hào)線拉低，接收端在采集到低電平信號(hào)后，就會(huì)默認(rèn)傳輸結(jié)束。4.3.2USB的四種傳輸方式USB有四種傳輸方式如下，它們?cè)趥鬏敻袷?、容量和方向等方面各有特點(diǎn)?？刂苽鬏敚核且环N雙向傳輸方式，通過(guò)Setup事務(wù)傳輸來(lái)給給外設(shè)發(fā)布命令。因?yàn)槠涿钯N近于設(shè)備定義方面，所以必須要通過(guò)管道進(jìn)行。而且其校驗(yàn)機(jī)制較為嚴(yán)格，對(duì)于包的最大長(zhǎng)度也有嚴(yán)格的要求，在低速設(shè)備上包的長(zhǎng)度最大為8，高速設(shè)備上最大64。同步傳輸：同步傳輸是發(fā)射端與接收端同時(shí)進(jìn)行信號(hào)的傳輸交流，只有高速和全速設(shè)備才可使用，處理速度極快，但是卻不可靠，因?yàn)樗鼪]有處理錯(cuò)誤信號(hào)的能力，也不支持重發(fā)。同步傳輸是單向傳輸，若是設(shè)備需要進(jìn)行雙向傳輸，則需要再調(diào)用另一個(gè)端點(diǎn)配合。中斷傳輸：中斷傳輸類似于批量傳輸，但是主機(jī)會(huì)定時(shí)查詢中斷端點(diǎn)的傳輸情況，若這時(shí)還有數(shù)據(jù)要處理，那就返回繼續(xù)處理。批量傳輸：這種傳輸比較可靠，對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸速率不做太多要求。而且具有數(shù)據(jù)錯(cuò)誤校驗(yàn)機(jī)制。但是這種傳輸?shù)膬?yōu)先級(jí)很低，只有當(dāng)USB中沒有其他傳輸方式時(shí)才會(huì)允許批量傳輸?shù)倪M(jìn)行。4.4HID人機(jī)接口設(shè)備在USB中最常用的設(shè)備就是HID設(shè)備，HID是英文縮寫，意為人機(jī)接口。其中最常見的就是鼠標(biāo)和鍵盤。HID設(shè)備的出現(xiàn)就是為了和計(jì)算機(jī)進(jìn)行更為方便的通信，這些設(shè)備不需要考慮各種驅(qū)動(dòng)的編寫和安裝，由于系統(tǒng)的升級(jí)和覆蓋，現(xiàn)在基本上都自帶HID的驅(qū)動(dòng)程序。HID設(shè)備還可以作為各種速度的設(shè)備進(jìn)行使用，其通信速率極為快捷，對(duì)使用者的各種操作都可以快速反應(yīng)。對(duì)于USB的總線枚舉我們?cè)诘诙戮鸵呀?jīng)介紹到，USB的枚舉是通過(guò)端點(diǎn)0進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的，而USB設(shè)備會(huì)將自己的設(shè)備描述符提交給主機(jī)查看，以此來(lái)讓主機(jī)明白USB的配置。而USBHID設(shè)備則是通過(guò)HID設(shè)備描述符來(lái)讓主機(jī)明白自己的各種配置信息。標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備描述符通常分為五種：設(shè)備描述符，配置描述符，接口描述符，端點(diǎn)描述符和字符串描述符。至于USBHID設(shè)備，則是通過(guò)報(bào)告來(lái)與主機(jī)進(jìn)行信號(hào)的傳輸。報(bào)告分為兩個(gè)方面，一個(gè)是輸入報(bào)告，另一個(gè)則是輸出報(bào)告。輸入報(bào)告是指HID設(shè)備給PC端發(fā)送的報(bào)告，必須通過(guò)中斷端點(diǎn)來(lái)進(jìn)行發(fā)送，例如鍵盤的按鍵按下信息、滾輪的翻滾信息以及鼠標(biāo)的移動(dòng)和點(diǎn)擊信息等。輸出報(bào)告是指PC端給HID設(shè)備發(fā)送的報(bào)告，例如電腦同意數(shù)字鍵盤的使用，則會(huì)把Num鍵點(diǎn)亮，同意大小寫，就會(huì)將Caps鍵點(diǎn)亮。報(bào)告的本質(zhì)就是一個(gè)數(shù)據(jù)包的集合，里面包含了要發(fā)送的數(shù)據(jù)。而報(bào)告是伴隨著報(bào)告描述符一起發(fā)送出去的，報(bào)告描述符就是用來(lái)表示報(bào)告的用途。至于本設(shè)計(jì)的外接USB設(shè)備就是一個(gè)HID類設(shè)備，而本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的功能是PPT幻燈片翻頁(yè)，所以我們先查閱HID用途文檔表，來(lái)獲取計(jì)算機(jī)鍵盤上的Pageup/Pagedown/F5/Esc這幾個(gè)按鍵的描述符代碼，再通過(guò)接收發(fā)射端按下的相應(yīng)按鍵信息，來(lái)使HID設(shè)備發(fā)送相應(yīng)的鍵值描述符代碼，就可讓計(jì)算機(jī)通過(guò)輸入報(bào)告來(lái)實(shí)現(xiàn)PPT的遠(yuǎn)程翻頁(yè)功能。系統(tǒng)軟件流程與設(shè)計(jì)前面幾章對(duì)于系統(tǒng)的硬件以及通信方式進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，接下來(lái)這一章將會(huì)對(duì)系統(tǒng)軟件方面進(jìn)行框圖式的介紹，并對(duì)其流程進(jìn)行一定的解釋。5.1單片機(jī)主控制程序設(shè)計(jì)本小節(jié)講述了USB與單片機(jī)主要控制電路的軟件流程設(shè)計(jì)，如圖16所示。圖16軟件主控制流程圖在單片機(jī)上電啟動(dòng)時(shí)，會(huì)執(zhí)行單片機(jī)主函數(shù)，此時(shí)單片機(jī)所有串口都會(huì)初始化，并且發(fā)送與D12芯片的連接請(qǐng)求，D12芯片在初始化完成后就會(huì)響應(yīng)并與單片機(jī)相連接。隨后就會(huì)執(zhí)行While大循環(huán)，檢測(cè)是否有按鍵信號(hào)輸入進(jìn)來(lái)，如果成功接收到了按鍵信號(hào)，就會(huì)采用相關(guān)的鍵值處理函數(shù)來(lái)解析按鍵值，解析完成后，會(huì)輸出相應(yīng)的HID鍵值描述符代碼，隨后D12芯片就會(huì)將這些代碼打包成輸入報(bào)告，然后讀取D12芯片中可以采用的中斷端點(diǎn)，前文講述到HID設(shè)備的輸入報(bào)告必須要通過(guò)內(nèi)部的中斷端點(diǎn)來(lái)進(jìn)行輸入，所以在檢測(cè)到可用的中斷端點(diǎn)后，就會(huì)將報(bào)告成功發(fā)送給計(jì)算機(jī)處理，計(jì)算機(jī)在響應(yīng)按鍵命令后，就能實(shí)現(xiàn)幻燈片的翻頁(yè)功能，最后向HID設(shè)備發(fā)送輸出報(bào)告宣示結(jié)束。D12芯片的初始化并響應(yīng)流程如圖17所示。圖17D12芯片初始化流程圖程序部分的設(shè)計(jì)采用的是KeiluVision4開發(fā)工具，它于09年被發(fā)布，有著非常靈活的控制系統(tǒng)，可以一次性打開多個(gè)窗口并有效利用，為使用者提供了一個(gè)簡(jiǎn)潔高效的辦公環(huán)境。主程序的設(shè)計(jì)部分如圖18所示。圖18主程序圖5.2發(fā)射端軟件流程本小節(jié)主要介紹了發(fā)射端的信號(hào)傳輸流程。發(fā)射端的編碼器經(jīng)上電初始化后，開始檢測(cè)按鍵信號(hào)，一旦有按鍵按下，其相應(yīng)的數(shù)據(jù)腳就會(huì)拉高，然后經(jīng)由輸出腳串行輸出給發(fā)射電路。發(fā)射端的信號(hào)流程圖如圖19所示。圖19發(fā)射端流程圖5.3USB總線枚舉軟件流程本節(jié)主要講述的是USB設(shè)備在插入主機(jī)后，PC端對(duì)設(shè)備的枚舉及后續(xù)的信號(hào)通信流程。主機(jī)開始工作后，其USB端口一直處于待命狀態(tài)，時(shí)刻檢測(cè)是否有外部設(shè)備插入。等USB接收板插入電腦后，USBD12芯片和解碼芯片就會(huì)同時(shí)得電復(fù)位，同時(shí)主機(jī)端會(huì)建立數(shù)據(jù)包并通過(guò)端口0發(fā)送給設(shè)備，然后再給設(shè)備分配一個(gè)唯一的地址，并使地址有效。若是端口0的通訊失敗，主機(jī)沒有得到關(guān)于設(shè)備的有關(guān)描述符，則會(huì)認(rèn)為此設(shè)備不可用，這時(shí)可以重新插入設(shè)備嘗試。而若是主機(jī)得到了設(shè)備描述符，但設(shè)備卻沒有收到主機(jī)下發(fā)的地址信號(hào)，則會(huì)重復(fù)這個(gè)過(guò)程。在設(shè)備配置完成后，就可以進(jìn)行正常工作了。當(dāng)發(fā)射端有信號(hào)發(fā)來(lái)，接收端會(huì)將其處理后再發(fā)送給計(jì)算機(jī)運(yùn)行。在數(shù)據(jù)發(fā)射完成后，接收端設(shè)備會(huì)繼續(xù)等待下一個(gè)信號(hào)。計(jì)算機(jī)對(duì)USB的設(shè)備枚舉以及通信流程如圖20所示。圖20USB設(shè)備枚舉流程圖焊接與調(diào)試6.1焊接本次設(shè)計(jì)的實(shí)物分別為兩塊獨(dú)立的電路板，一個(gè)負(fù)責(zé)發(fā)射，另一個(gè)負(fù)責(zé)接收與通信，其中發(fā)射模塊前文第二章有提到，由于其315M/433M的射頻技術(shù)部分較為成熟，同時(shí)為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)，配套件數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸部分使用的是市面上的成熟構(gòu)件，無(wú)需多余的調(diào)試即可正常工作，實(shí)物圖如圖21、22所示。圖21發(fā)射板硬件圖圖22發(fā)射板成品圖無(wú)線接收板由三個(gè)成熟模塊組成，LM358和PT2272組成的超再生接收電路模塊，STC89C2芯片模塊和PDIUSBD12成熟芯片模塊。由于是模塊組合而成的電路板，所以在焊接時(shí)我們采用的是萬(wàn)用板進(jìn)行焊接，比PCB轉(zhuǎn)腐蝕的方法更加簡(jiǎn)單適用。焊接前要先捋清楚電路的構(gòu)造，確保按照電路圖原理來(lái)進(jìn)行焊接，搞清楚焊接線路的先后順序，遇到需要跳線的地方可以之間焊接導(dǎo)線來(lái)進(jìn)行代替，方便快捷。焊接完成的成品如圖23、24所示。圖23發(fā)射板背面圖圖24發(fā)射板正面圖6.2調(diào)試在硬件方面，本人采用了萬(wàn)用表工具進(jìn)行檢查，通過(guò)連接幾個(gè)關(guān)鍵元器件及部分的兩端，檢測(cè)電壓是否正常，有沒有虛焊的部位，甚至還可以推測(cè)出某些元件是否正在進(jìn)行工作。除了萬(wàn)用表，還采用了示波器進(jìn)行檢查，在發(fā)射板的天線部分進(jìn)行信號(hào)采集，看看示波器上顯示的頻率峰值是否達(dá)到了315MHz。若是沒有達(dá)到要求，則可以嘗試使用無(wú)感起子調(diào)節(jié)電容，然后再次檢測(cè)。經(jīng)萬(wàn)用表和示波器檢查后，焊接并無(wú)問(wèn)題，且示波器波峰正好為315MHz，說(shuō)明實(shí)物沒有問(wèn)題。在軟件調(diào)試方面，采用了編譯器進(jìn)行檢查，編譯器的原理是把高級(jí)語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為低級(jí)的程序，從而可以進(jìn)行軟件代碼的分析。它能分析出許多語(yǔ)法規(guī)則是否正確，例如代碼中的一些表達(dá)式或者循環(huán)等。本設(shè)計(jì)采用的是C語(yǔ)言編譯器，對(duì)整體代碼進(jìn)行了簡(jiǎn)單的邏輯性和字符檢查，經(jīng)檢查后，本程序確實(shí)出現(xiàn)了一些表達(dá)式不正確或者邏輯不完善的問(wèn)題，并修改補(bǔ)全。此外，由于本設(shè)計(jì)涉及到的HID類設(shè)備都是由計(jì)算機(jī)自帶的上位機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)進(jìn)行匹配，所以不同的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在這類驅(qū)動(dòng)上也可能存在差別，進(jìn)而可能影響HID的鍵值描述符的正確性。又因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)采用的PDIUSBD12芯片對(duì)于win10系統(tǒng)可能存