USB接口微型无线串口设计

摘要 RS-232是异步通信中应用广泛的通讯协议之一，广泛应用于终端设备之间的相互通信。无线通信取代有线通信是技术发展的趋势，小巧精致便携是技术应用的需要，为此，文中利用主流USB接口加无线通信技术，开发出简单实用的USB无线串口。介绍了USB接口微型无线串口的制作方法，尺寸仅为54 mm×18 mm，体积小巧、携带方便、传输距离>100 m、性能稳定可靠，可广泛应用于各种实际场合。
关键词 RS-232；微型；USB无线串口

    RS-232串行协议是标准总线，广泛应用于各种设备之间的通信。随着电子技术的发展，笔记本电脑逐渐取代台式机成为个人PC的主流，而笔记本去除了9针串行通信接口，取而代之是USB接口，使得笔记本串行通信受阻。而一般的串口通信距离短、接线复杂。为此，文中制作一种USB型接口的无线串口，其接插方便、小巧精致、简单实用，更适合办公室、实验室及户外设备之间的通信。

1 无线串口设计原理
1．1 总体框架图
    硬件总体结构如图1所示，基本原理为：串口数据从USB接口进入，经过USB转串口芯片将USB封装的包转成RS232形式的数据，再通过无线射频芯片由天线发送出去。

1．2 具体特点
    当空间中存在多个无线串口设备时，能识别出各个设备的身份，通过交互后能跟目的设备建立无线连接通道，并能互发数据。例如：当空间中存在A，B，C，D这4个无线串口时，A要给D发送数据，通过A与D的交流，A能准确地将数据发送给D而不会影响到B和C。
    RS-232在没有Modem情况下，传输距离为15 m以内，15 m的线长笨重复杂，布线繁琐，还会产生电磁干扰、信号衰减严重。采用无线传输技术，避免复杂的布线，且传输距离长，能较好地解决长距离传输问题。
    尺寸为：54mm×18 mm，与U盘大小类似，精致方便，适合户外、办公室使用。

2 芯片选择
    因为尺寸上的要求，选择的芯片尺寸应尽量小，而且外围简单，性能稳定并且价格要合理。
2．1 USB转串口芯片
    USB转串口芯片选择性价比高的PL2303HX，如图2所示，特性如下：(1)支持全速USB V2．0。(2)片内拥有5 V转3 V的稳压器，12 MHz晶体振荡。(3)支持全双工串口，6个调制解调控制脚(RTS，CTS，DTR，DSR，DCD，RI)。(4)独立的串口电源。(5)可编程速率75 bit·s-1～6 Mbit·s-1。

2．2 无线射频芯片
    射频芯片选择使用TI公司的CC2530，如图3所示特性如下：(1)集成2．4 GHz射频收发器。(2)-97 dBm接收灵敏度。(3)可编程输出达4．5 dBm。(4)高性能工业级8051 CPU。

2．3 天线选择
    天线选用RainSun公司的陶瓷天线AN2051，图4所示，其特性如下：(1)中心频率为2．45 GHz。(2)中心频率处回波损耗-17．266 dB。(3)带宽110 MHz。(4)天线增益为0．5 dBi。(5)尺寸51 mm×20 mm×12 mm。

3 传输距离估算
3．1 自由空间传播损耗L0
    自由空间传播损耗L0定义：当发射天线与接收天线的方向系数都为1时，发射天线的辐射功率Pr与接收天线的最佳接收功率PL的比值，记为L0
    
3．2 衰减因子
    实际传输媒质对电波有吸收作用，这将导致电波的衰减。如果实际情况下接收点场强为E，而自由空间传播场强为E0，则比值为衰减因子，记为A，于是
   
3．3 电道传输损耗
    定义：发射天线输入功率与接受天线输出功率之比为该电道的传输损耗L
    L=L0+LF-Gr-GL      (9)
    式中，L0为自由空间传播损耗；LF为衰减因子衰减损耗；Gr为发射天线的增益系数；GL为接受天线的增益系数。
    如果发射天线的输入功率为Pin，由式(2)，式(4)和式(9)得相应的功率密度和最佳接收功率分别为
   
3．4 最大距离估算
    式(12)分贝表达式为
    L=Pin-PL=L0+LF-Gr-GL     (13)
    式中忽略了馈线损耗，系统设计中馈线损耗主要为天线的回波损耗，由图4可知，2．45 GHz同波损耗为-17．266 dB，回波损耗。
    其中，Pout为CC2530的输出功率；Pr为反射功率；Pr=Pout-Pin，由上式求得，则馈线损耗为
    Lm= 。
    所以，式(13)变为
    L=Pout-PL=L0+LF+Lmr+LmL+-Gr-GL      (15)
    式中，Lmr为发射器馈线损耗；LmL为接收机馈线损耗。
    CC2530可编程输出功率4．5 dBm，接受灵敏度为-97 dBm，发射机和接收机用同样的天线，增益均为0．5 dBi，中心频率为2．45 GHz，由式(15)得
    4．5-(-97)=32．45+20 lg 2 450+20 lgr+2×0．082-2×0．5      (16)
    解得r=1 273．5 m。如果室内有墙体间隔，则38 cm厚混凝土墙衰减约7 dB，解得r=568．8 m。以上计算忽略了其他阻挡物的附加衰减，例如大树，空气，微尘颗粒等。所以，该系统设计完全能满足>100m的传输距离要求。

4 硬件设计电路图
    电路如图5所示，USB提供串口数据流，数据流通过PL2303HX转化成TTL串口信号，输入到CC253016，17脚，P2，P3为传输数据指示灯，经处理后的串口信号由25，26脚经巴伦天线输出。系统电源由USB5 V提供，PL2303 17脚输出系统所用的3．3 V电源。JUMP_3是一跳线，当无线串口正常工作时，连接跳线1，2脚，当烧写CC2530程序的时候，连接跳线2，3脚。

5 软件设计
5．1 系统指令

5．2 软件流程图
    CC2530软件流程如图6所示。

    设备初始化：将信道设置为2．45 GHz，为设备设定一个网络地址，初始化各种发射接收参数，完毕后进入等待指令输入模式。
    等待指令输入模式：等待用户输入指示。
    数据互发模式：一旦进入数据互发模式，两设备间建立通信通道，将进入数据透传模式，所有指令对设备均无效，所以通信完毕后，必须拔下再重新上电才能与另外设备通信。

6 实验测试
    测试距离约120 m；时间：22：30分；地点：田径场，有人员走动；

    实测距离约120 m，实际测试结果如图7所示，发送查询指令C，检测到空间存在有Song，Wang，Bai，Zhang 4个设备存在，然后向Song节点请求发送数据，Song节点回复Y，本节点与Song节点建立起数据通讯，之后进入数据互发模式。经实测证明，120 m户外距离，通讯稳定可靠。

7 结束语
    介绍了USB接口微型无线串口的制作方法，尺寸仅为54 mm×18 mm，体积小巧、携带方便，传输距离>100 m，性能稳定可靠，可广泛应用于各种实际场合。