【正文】 件。USB主機(jī)層是Microchip公司提供的主機(jī)棧，是整個USB軟件協(xié)議的最低成和核心，負(fù)責(zé)PIC32USB外設(shè)的直接控制，同時對上層的USB事務(wù)直接控制；USB客戶機(jī)驅(qū)動程序?qū)邮轻槍τ谔囟ǖ腢SB外設(shè)的軟件層，比如U盤，USBSerial線，USB網(wǎng)卡等設(shè)備，它們具體的USB事務(wù)傳輸時不同的，但它們都可以利用同一USB主機(jī)層軟件，應(yīng)用程序?qū)永孟旅鎯蓪犹峁┑腁PI和一些服務(wù)程序進(jìn)行操作，是用戶實(shí)現(xiàn)的具體功能。寄存器接口使 CPU 可以配置模塊并與模塊進(jìn)行通信。USB DMA 控制器在RAM 和 SIE 的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)之間傳輸數(shù)據(jù)。 在主機(jī)模式下，此模塊旨在用作嵌入式主機(jī)，因此并未實(shí)現(xiàn) UHCI或OHCI 控制器。由于課題中MCU是USB主機(jī)，以上簡單的介紹了USB總線中的基本概念和設(shè)備枚舉過程，對這些過程的了解能夠?qū)筮吚斫夂鸵浦睻SBHOST協(xié)議棧起到積極作用。 k) 根據(jù)配置信息，主機(jī)選擇合適配置，通過set_configuration請求對設(shè)備進(jìn)行配置。 i) 主機(jī)通過新地址向設(shè)備發(fā)送get_device_descriptor標(biāo)準(zhǔn)請求，獲取設(shè)備的描述符。 g) 主機(jī)再次向 HUB 發(fā)送請求，復(fù)位該P(yáng)ORT。主機(jī)可以通過 0地址與其通訊。 e) HUB執(zhí)行PORT復(fù)位操作，復(fù)位完成后該P(yáng)ORT就使能了。 b) 主機(jī)向 HUB 查詢該P(yáng)ORT的狀態(tài)，得知有設(shè)備連接，并知道了該設(shè)備的基本特性。 d) 同步傳輸：用于對可靠性要求不高的實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸，如攝像頭、USB 音響等。USB規(guī)范了四種基本的傳輸模式：a) 控制傳輸：主要用于在設(shè)備連接時對設(shè)備進(jìn)行枚舉以及其他因設(shè)備而已的特定操作b) 中斷傳輸：用于對延遲要求嚴(yán)格、小量數(shù)據(jù)的可靠傳輸，如鍵盤、游戲手柄等。信息包是USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钚挝?，USB信息包分為：令牌包，數(shù)據(jù)包，握手包等信息包，在一次典型的USB通信過程中，主機(jī)首先發(fā)送令牌包以表明本次USB傳輸?shù)哪康牡刂?，令牌包中一般會包括USB設(shè)備地址和端點(diǎn)地址。USB事務(wù)處理是USB主機(jī)和USB設(shè)備間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝?，基本事?wù)傳輸由一系列特定格式的信息包組成，一般而言，一次事務(wù)傳輸分為三個階段：令牌階段，數(shù)據(jù)階段和握手階段。USB的基本通信方式為主從模式，其中主機(jī)是一個提供USB接口及接口管理能力的硬件、軟件及固件的復(fù)合體，可以是PC，也可以是OTG設(shè)備。 PIC32最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) PIC32MX440最小系統(tǒng)，此電路較為簡單，和一般的MCU一樣，同樣有復(fù)位電路和供電電路，單片機(jī)選用了外部晶振，晶振頻率為8MHZ。TCP/IP完整協(xié)議棧比較大，所以此部分需要對TCP/IP協(xié)議棧的合理裁剪就顯得尤為重要。軟件部分相對復(fù)雜，對于實(shí)現(xiàn)一個WIFI控制系統(tǒng)核心而言，需要如下軟件模塊：1. 高效而穩(wěn)定的USBHOST協(xié)議棧；2. ；3. 小巧而穩(wěn)定的TCP/IP協(xié)議棧。獲取有效的TCP/IP數(shù)據(jù)包，并將TCP/IP數(shù)據(jù)包傳入TCP/IP層進(jìn)一步的處理?？梢韵氲綑z測是否有數(shù)據(jù)到達(dá)會耗費(fèi)較多的CPU時間，所以合理的軟件設(shè)計(jì)就成了關(guān)鍵。當(dāng)RT73模塊完成配置后，隨即轉(zhuǎn)為正常的收發(fā)工作模式，此時MCU需要和RT73的兩個BULK端點(diǎn)進(jìn)行通信，則將發(fā)起B(yǎng)ULK OUT傳輸事務(wù)。RT73模塊需要在上電后進(jìn)行初始化配置，配置通過USB控制傳輸來進(jìn)行。 軟件部分：MCU作為USB主機(jī)，它所有發(fā)起的事務(wù)（不論控制或是BULK傳輸）都采用唯一的端點(diǎn)0進(jìn)行傳輸。兩個核心模塊之間由USB總線連接，MCU是USB主機(jī)端，負(fù)責(zé)各種傳輸事務(wù)的發(fā)起和USB設(shè)備的連接枚舉操作。d) 支持6，9，12，18，24，36，48，54Mbps的通信速率。b) 采用USB接口作為和主MCU通信的接口，RT2571芯片集成了一個USB設(shè)備控制器，它擁有一個控制0端點(diǎn)，和一進(jìn)一出兩個批量傳輸端點(diǎn)。也有一些適合單片機(jī)接口的WIFI模塊比如具有SDIO接口的Marvell8686和SPI接口的MRF24WB0MB芯片，不過接口雖然貼近單片機(jī)但是價(jià)格一般偏貴，不符合本次設(shè)計(jì)的要求，此次設(shè)計(jì)采用了雷凌公司的RT73無線模塊。同時，WIFI模塊還應(yīng)該易于MCU控制，軟件復(fù)雜程度也是重要的考慮方面。片上USBHOST外設(shè)具有如下特性： 全速支持；2. 低速主機(jī)支持；3. USB OnTheGo（OTG）支持；4. 集成信號傳輸電阻；5. 用于VBUS 監(jiān)視的集成模擬比較器；6. 集成USB 收發(fā)器；7. 硬件執(zhí)行的事務(wù)握手；8. 可在系統(tǒng)RAM 中任意位置進(jìn)行端點(diǎn)緩沖；9. 集成用于訪問系統(tǒng)RAM 和閃存的總線主控；10. USB 模塊工作時不需要使用PIC32 DMA模塊。本節(jié)概述PIC32MX系列單片機(jī)的CPU 特性和系統(tǒng)架構(gòu)。 Technologies 的 M4K? 內(nèi)核的復(fù)雜片上系統(tǒng)，M4K?是最新型的 32 位低功耗RISC 處理器內(nèi)核，采用了增強(qiáng)型 MIPS32174?；谝陨系目紤]，課題最終選擇了PIC32MX440這款單片機(jī)作為核心控制MCU。b) 無線數(shù)據(jù)從媒介控制層到物理層的映射，完成實(shí)際的數(shù)據(jù)收發(fā)。此部分控制無線通信的具體過程，具體來說就是建立無線連接，傳送采集和處理后的數(shù)據(jù)。此部分是整個系統(tǒng)的核心功能，數(shù)據(jù)采集和處理的方式?jīng)Q定了系統(tǒng)的總體功能。2 總體設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)概述WIFI控制系統(tǒng)主要由兩部分構(gòu)成，主控部分和無線通信部分。在這種情況下，需尋找一種可替代的方案，要求是對性能要求不高，但是單個節(jié)點(diǎn)的成本要低。誠然，以上兩種方案的優(yōu)勢明顯，主要體現(xiàn)在傳輸速度高，軟件編制容易等方面，缺點(diǎn)是單個節(jié)點(diǎn)造價(jià)較高。WIFI ～ 5GHz的免許可頻段， 在頻率資源上不存在限制， 因此使用成本低廉也成為了WIFI技術(shù)的又一大優(yōu)勢。WIFI主要技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是無線接入、高速傳輸以及傳輸距離遠(yuǎn) 其中， ，提高到300Mbps甚至高達(dá)600Mbps。WIFI是由AP ( Access Point)和無線網(wǎng)卡組成的無線網(wǎng)絡(luò)。WiFi(Wireless Fidelity)是無線局域網(wǎng)(WLAN)技術(shù)——IEEE 。無線通信技術(shù)越來越受到關(guān)注，人們需要一種不受約束的通信技術(shù)，能夠隨時隨地的獲取信息。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 52 頁 共 52 頁1 引言隨著移動技術(shù)的不斷發(fā)展，整個世界在走向移動化?，F(xiàn)階段，通信技術(shù)正面臨一場深刻的變革，傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)已不能滿足日益增長的通信需要。隨著互聯(lián)網(wǎng)越來越深入的走進(jìn)人們的生活，用戶對能夠隨時隨地上網(wǎng)的需求越來越迫切，WIFI 無線通信技術(shù)也得到了迅速發(fā)展。IEEE 。AP一般稱為網(wǎng)絡(luò)橋接器或接入點(diǎn), 它是當(dāng)作傳統(tǒng)的有線局域網(wǎng)絡(luò)與無線局域網(wǎng)絡(luò)之間的橋梁, 因此任何一臺裝有無線網(wǎng)卡的PC均可透過AP去分享有線局域網(wǎng)絡(luò)甚至廣域網(wǎng)絡(luò)的資源。在開放性區(qū)域通訊距離可達(dá)305m， 在封閉性區(qū)域通訊距離76 ～ 122m，方便與現(xiàn)有的有線以太網(wǎng)整合，組網(wǎng)的成本更低。現(xiàn)階段的WIFI控制方案一般基于PC機(jī)或是高性能的ARM嵌入系統(tǒng)，并且目前價(jià)格便宜的WIFI無線網(wǎng)卡一般都定位于PC機(jī)，接口一般為PCI接口或是USB接口。在一些工業(yè)控制系統(tǒng)中，有時僅需要WIFI網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳送少量的數(shù)據(jù)，此時對傳輸性能要求并不高，當(dāng)我們需要大量的這種節(jié)點(diǎn)時，選用PC機(jī)或是ARM的控制方案顯然成本會很高。隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，只保留基本數(shù)據(jù)傳輸部分，以此實(shí)現(xiàn)低成本低性能的WIFI控制系統(tǒng)。主控部分主要完成如下的控制功能：a) 數(shù)據(jù)采集和處理。b) 通信協(xié)議控制。無線通信部分主要完成如下功能：a) 無線數(shù)據(jù)幀的封裝，數(shù)據(jù)的加密解密等基帶處理。 WIFI控制系統(tǒng)整體框圖 控制核心的選擇：，故需選擇一款數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)的MCU，如果還需實(shí)現(xiàn)TCP/IP的通信則系統(tǒng)的開銷會更大，所以選擇的MCU應(yīng)該具有比較大的片上RAM和程序存儲空間。PIC32MX 單片機(jī)（MCU）是一款基于 MIPS174。 Release 2 指令集構(gòu)。主要特性：a) DMIPS/MHz 的性能 b) 可編程預(yù)取高速緩存存儲器，以增強(qiáng)閃存中的執(zhí)行效率 c) 16 位指令模式（MIPS16e），用于緊湊型代碼d) 帶有63個優(yōu)先級的向量中斷控制器e) 可編程的用戶和內(nèi)核工作模式f) 可對外設(shè)寄存器執(zhí)行原子級位操作（單周期）g) 乘法/除法單元，最高指令發(fā)出速率為每個時鐘一條3216乘法指令h) 高速M(fèi)icrochip ICD端口，具有基于硬件的非侵入式數(shù)據(jù)監(jiān)視和應(yīng)用程序數(shù)據(jù)流功能i) EJTAG調(diào)試端口，支持廣泛的第三方調(diào)試、編程和測試工具j) 指令控制的功耗管理模式k) 5 級流水線指令執(zhí)行 l) 內(nèi)部代碼保護(hù)，以幫助保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)m) PIC32MX440系列單片機(jī)具有USBHOST外設(shè)，可以方便的和具有USB接口的WIFI無線網(wǎng)卡連接。 無線WIFI模塊的選擇：無線模塊的選擇主要基于成本，本課題主要的研究方向即實(shí)現(xiàn)一種低成本的WIFI控制方案，所以成本成為了選擇WIFI模塊的主要依據(jù)。WIFI網(wǎng)卡一般的接口為PCI接口或USB接口，比如雷凌公司的RT7RT2070和RT3070等，這些都是和PC機(jī)上的接口相對應(yīng)的。該模塊具有以下特點(diǎn)：a) 采用RT2571作為核心基帶處理芯片，RT2571是一款高度集成的MAC/baseband 處理器。c) 支持64/124位的WEP加密和WPA和AES加密認(rèn)證方式。 WIFI控制系統(tǒng)基本原理和特點(diǎn) 硬件部分：WIFI控制系統(tǒng)核心由MCU控制模塊和WIFI通信模塊構(gòu)成。故USB總線采用全速傳輸?shù)姆绞?，傳輸速率?2Mbps。RT73使用到3個USB端點(diǎn)：控制端點(diǎn)0，BULK OUT 端點(diǎn)1，BULK IN 端點(diǎn)1。同時，MCU端讀取RT73基本配置信息，比如MAC地址等重要的信息。MCU不斷間隔一定的時間發(fā)起B(yǎng)ULK IN 事務(wù)傳輸，輪詢是否有數(shù)據(jù)到達(dá)RT73模塊。，負(fù)責(zé)無線通信連接的建立和斷開和實(shí)際的數(shù)據(jù)傳送。綜合以上分析，方案的硬件設(shè)計(jì)并不復(fù)雜，主要是系統(tǒng)的供電設(shè)計(jì)以及PIC32單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)；USB接口的設(shè)計(jì)等。以上的三個軟件組件聯(lián)系緊密：首先，處于最底層的是USB協(xié)議棧，USB總線是一種主從輪詢式總線，所以相對于PCI或其他同步總線來說耗費(fèi)CPU時間較多，尤其是在接收數(shù)據(jù)時，不能采用中斷的方式通知CPU，而只能采用不斷試探輪詢的方法來確認(rèn)有數(shù)據(jù)到達(dá)，所以此USB部分的通信效率就比較重要；第二，；第三，最上層為TCP/IP協(xié)議棧，此部分接收TCP/IP幀進(jìn)行處理。3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)供電電路 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)，系統(tǒng)采用9V的電源適配器電源輸入，主要9V的輸入電壓較高，所以實(shí)際1117輸出的電流會比較小，所以一路供電支MCU，另一路可以提供給其它的功率較大的設(shè)備。4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) USB協(xié)議棧移植 USB協(xié)議介紹USB(Universal Serial Bus)通用串行總線，最早由INTEL和微軟倡導(dǎo)發(fā)起，時至今日已成為最流行的桌面設(shè)備總線。USB采用輪詢廣播的方式傳輸數(shù)據(jù)，每一個USB設(shè)備都有其自身的地址，所有的數(shù)據(jù)傳輸均由USB主機(jī)發(fā)起，任何時刻整個USB傳輸系統(tǒng)中只允許一個數(shù)據(jù)包進(jìn)行傳輸。其中，令牌階段表示事務(wù)處理的開始，并定義了傳輸類型；數(shù)據(jù)階段負(fù)責(zé)傳輸相關(guān)的數(shù)據(jù)；握手階段用于報(bào)告事務(wù)處理的狀態(tài)，以表明數(shù)據(jù)接收是否成功。USB設(shè)備會根據(jù)收到的令牌包來決定是否和主機(jī)進(jìn)行配合來完成本次事務(wù)傳輸；數(shù)據(jù)包中包含了本次事務(wù)傳輸中的真正有效數(shù)據(jù)；握手包，處于事務(wù)傳輸?shù)哪┪?，一般用來確認(rèn)傳輸是否已成功。 c) 批量傳輸：用于對延遲要求寬松，大量數(shù)據(jù)的可靠傳輸，如U盤等。USB主機(jī)除負(fù)責(zé)基本的數(shù)據(jù)傳輸外，還對設(shè)備的熱插拔進(jìn)行了支持，每當(dāng)一個設(shè)備插入U(xiǎn)SB接口后，USB主機(jī)檢測到外部信號線上電平的變化，由此判斷有設(shè)備插入，此時USB主機(jī)隨即對外設(shè)進(jìn)行枚舉并分配地址，具體的枚舉過程如下：a) 連接了設(shè)備的 HUB 在 HOST 查詢其狀態(tài)改變端點(diǎn) 狀態(tài)改變端點(diǎn) 狀態(tài)改變端點(diǎn) 狀態(tài)改變端點(diǎn)時返回對應(yīng)的 bitmap，告知HOST 某個PORT狀態(tài)發(fā)生了改變。 c) 主機(jī)等待（至少 100mS）設(shè)備上電穩(wěn)定，然后向 HUB 發(fā)送請求，復(fù)位并使能該d) PORT?，F(xiàn)在設(shè)備進(jìn)入到defalut狀態(tài)，可以從Vbus獲取不超過 100mA 的電流。 f) 主機(jī)通過0地址向該設(shè)備發(fā)送get_device_descriptor標(biāo)準(zhǔn)請求，獲取設(shè)備描述符。 h) 主機(jī)通過標(biāo)準(zhǔn)請求 set_address給設(shè)備分配地址。 j) 主機(jī)通過新地址向設(shè)備發(fā)送其他get_configuration請求，獲取設(shè)備的配置描述符。設(shè)備枚舉過程相當(dāng)設(shè)備自身的初始化過程經(jīng)過了枚舉的設(shè)備此時才能在整個USB總線中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。 PIC32MX440單片機(jī)USB外設(shè)PIC32的通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）模塊包含模擬和數(shù)字元件， 全速和低速嵌入式主機(jī)、全速設(shè)備或OTG操作。USB 模塊由時鐘發(fā)生器、USB 電壓比較器、收發(fā)器、串行接口引擎（Serial Interface Engine，SIE）、專用USBDMA 控制器、上拉和下拉電阻以及寄存器接口組成。集成的上拉和下拉電阻省去了對外部信號傳輸元件的需要。 PIC單片機(jī)USBHOST協(xié)議棧USB 嵌入式主機(jī)棧按實(shí)現(xiàn)邏輯分為三層，分別為應(yīng)用程序?qū)?，USB客戶機(jī)驅(qū)動程序?qū)樱琔SB主機(jī)層。在有些情況下USB客戶機(jī)驅(qū)動程序?qū)雍蛻?yīng)用程序?qū)涌梢院喜橐粚?，雖然犧牲了層次和可維護(hù)性但是能夠提高不少效率，在課題中，以上兩層就合并為一層。它是由用戶設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的代碼，應(yīng)用程序?qū)涌梢酝ㄟ^一個或多個USB客戶機(jī)驅(qū)動程序，并在需要時使用系統(tǒng)中任何其他固件，與USB設(shè)備進(jìn)行通信。b) USB客戶機(jī)驅(qū)動程序?qū)用總€ USB 外部設(shè)備實(shí)現(xiàn)一個具體的功能，有些設(shè)備可能有多重功能。多功能設(shè)備通常將由多客戶機(jī)驅(qū)動程序來控制。在此層中，主要完