内建WUSB通信功能单晶片PRoC微处理器特性

本文要介绍内建各种无线通信功能(包含USB在内)的PSoC(Programmable System on a Chip)的PRoC(Programmable Radio on a Chip)微处理IC；由于PRoC内建所有无线通信必要的功能，因此外置元件只需要13MHz石英振荡器、数个晶片电感与电容器，以及利用电路基板图案技术制成的天线即可。

本文介绍的PRoC微处理IC- CYWUSB6953(以下简称为PRoC IC)，最大通信传输速度高达62.5kps，几乎与COM埠相同水准，最大通信传输距离为50m左右，具备「WirelessUSB」通信功能，却不需要类似USB等烦琐的协议(protocol)与支援PnP等功能。有关「WirelessUSB」相关处理，只需要呼叫(call)API即可。由于API本身非常简易，所以可以轻易获得与COM埠相同水准。
　

照片1 PRoC套件CY3653 PRoC的实际外观
　

PRoC的内部结构
PRoC IC若与PSoC IC比较，虽然前者已经省略数字方块(block)，而且功能上无拟似乱数(PRS)功能，不过却拥有计时计数(timer counter)、PWM(可以附加dead band)、IrDA、I²C、UART、CRC，以及硬件I²C等其它功能。至于模拟PSoC IC方块则被大幅简化。虽然PSoC IC具备无线通信功能，不过机器之间却不需要连接线，设置在大地强度(ground level)相异的场所时，机器与物体之间不需要绝缘电路，也不需要无线LAN之类的协议，只要有M8C等8位元CPU就能够进行控制。

在PRoC IC与pair只要使用USB内建的PSoC(CY8C24794)，可以用USB轻易与PC连接，透过USB使用无线电就能够与各PRoC埠(port)。由于USB stick存储器容量非常充裕，因此还可以当作USB无线adapter使用。
　

图1 PRoC CYWUSB6953的内部方块图
　

表1 PRoC CYWUSB6953 IC主要规格
　

PRoC IC内建的WirelessUSB采用频谱扩散方式，传统无线通信方式对噪音(noise)与混信非常脆弱，如果提高传输速度会占用频域，必需设法避免相互通信机器彼此占用的频域不会重叠。

传统无线通信方式的频率分布，亦即频谱会对应传输速度集中在狭窄范围内，如图2所示由于它是集中利用特定频率与周边频率，因此在该范围内很容易造成妨碍与混信等通信品质问题。相较之下频谱扩散方式的信号波频谱比传统方式宽广，扩散在宽广频域的信号，只要透过收信端进行的逆扩散操作，能够復回变成元信号。

如图3所示它是使分散于宽广范围的信号，再度整合集中复回，变成元信号波形的作业。虽然频谱扩散有各种方式，不过最终必需使扩散方式与逆扩散方式一致，否则就无法收信，这意味着频谱扩散方式具备极高的防窃特性。
　

图2 传统无线通信时妨碍波的影响
　

图3 频谱扩散时妨碍波的影响
　

此外，频谱扩散方式还能够抑制妨碍波的影响。此处以数列作说明，虽然数列与实际使用频谱扩散有些差异，不过却可以忠实描绘资料扩散，以及资料扩散之中又浮现资料等现象。如图4所示，首先从－10一直到＋10的范围，撷取100个乱数(相当于任意噪音)的平均值，此时如果乱数的数量非常大的话，理论上平均值会变成0。为了说明上的方便，此处还假设数值的和也是0，如果将此比喻成频率频谱，并将它视为表示各特定频率的强度，例如100个数列分别是2.400GHz、2.401GHz、2.402GHz ---2.409GHz的值。

假设某频率正处于遭受强大妨碍波的状态，因此在乱数之中的1处插入极大值，例如0的部位置换成50，理论上合计结果应该是50，然而平均值却只有0.5，接着将信号载入100个乱数列，此时数列的所有值如果全部加上5的话，数列的平均值会变成5，如此一来就可以从噪讯变动中取出信号。如果将50加入上述100个数列内，平均值会变成(99×5+50)÷100＝5.45，表示影响会变得非常轻微，不容易遭受直接妨害。

如果在该数列的数字与数字之间插入其它乱数列，例如数字与数字之间插入4个彼此无关的乱数值，该数列整体的平均值变化却只有资料变化数值的1/5，换言之此时已经不易作噪音与妨害波的区隔。 如果在对方与本身有撷取最初资料，而且知道跳过下4个取第5个的规则(rule)时，理论上就可以获得平均值的变化。
　

图4 使用数列作说明的频谱扩散动作原理
　

根据上述的图表与数列范例可知，如果采取频谱扩散方法，即使在特定频率发生强混信或是妨害，可以透过逆扩散的运作减轻影响。由于被扩散的信号利用逆扩散形成集结，其结果造成S/N大幅提高。利用逆扩散可以使频率增幅，该比率称为处理(Process )Gain，处理Gain可以使传统通信方式被妨碍波与噪音覆盖的信号浮现，使得受信变成可能。

频谱扩散方法主要有二种方式，分别是以以极短的时间间隔使频率依序移动的FHSS(Frequency Hopping Spread Spectrum)方式；以及将拟似乱数乘上送讯资料，让频率领域扩散的DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)方式，WirelessUSB採用后者DSSS方式。DSSS方式会将比送讯资料频域更宽广的资料列(扩散码)乘上送讯资料，经过试算后使信号频域扩张，最后再乘上变调送出，例如在「WirelessUSB」使用元送讯信号的32倍或是64倍的资料列。

上述扩散码的1位元份称为筹码(chip)，扩散码的速度称为筹码率(chip rate)。扩散码与乘法的操作等于是使扩散码变调，例如将扩散码置换成正弦波时，只要利用信号波形，就能够改变振幅与位相(信号如果变成负的话，位相也会跟着颠倒反过来)。虽然「WirelessUSB」属于数字资料传输技术，处理的资料为2进位，此处如果单纯以’1’与’2’乘算时，其中一方若变成0，不论是否与它方有无关连都会变成0，进而造成资料消失。此处分别以’1’与’-1’表示’0’与’1’进行乘算，其结果如下:

根据上述试算结果显示，它与输入资料以及XOR演算(相当于以加法或是减法取出一位数的操作)结果几乎完全一致。如果仔细观察频谱扩散的动作原理图，可以发现扩散变调部位刚好变成乘法符号或是加法符号。原则上扩散码必需尽量均质使用宽广领域，同时还要避免机器使用的码(code)重复或是相近系列，基于这些限制因此使用拟似乱数。由于它是利用乱数，亦即类似噪音之类的东西，因此以拟似乱数制成的扩散码又称为PN码(Pseudo random Noise)。

WirelessUSB的规格
PRoC内建的「WirelessUSB」採用2.4~2.483GHz ISB频宽的无线通讯方式。如上所述WirelessUSB使用DSSS(直接扩散方式)的频谱扩散技术，它的通讯距离高达 ，最大资料传输速度可以选择62.5kps(32chip/bit时)，或是15.7kps(64chip/bit时)两种。虽然15.7kps的转送速度比较慢，不过chip数增加相对的gain也会变大，因此在条件恶劣的环境下更容易进行通信。 WirelessUSB若与Wireless USB Promoter Group提倡的资料传输速度为的480Mps Wireless USB(WUSB)比较，显然WirelessUSB最大资料传输速度不如WUSB，主要原因是WUSB的诉求，是使既有USB2.0目标机器达成通信无线化。

虽然WirelessUSB同样使用USB名称，不过对资料传输距离的重视度远大于资料传输速度，WirelessUSB可以视为RS-232C、RS-485，等传统有线serial通信无线化的产物，换言之Wireless USB主要诉求是操作简易性，等于是无线化的汎用(universal)serial bus。 传统USB的WUSB采取1部主机(host)连接所有USB机器的polling方式，相较之下WirelessUSB则与LAN非常类似，所有机器都是相同立场，周边机器之间不需透过主机PC也能够进行通信，对PC以外的分散系统而言，WirelessUSB更具使用上的方便性。

图5是PRoC SIP模组的电路图，图的右侧呈台阶状是本电路的收发讯天线；List 1是WirelessUSB的通信程式范例，该程式主要是针对图5的两片电路基板设计，例如按下其中一方的开关时，另外一片电路基板的LED则跟着发生变化。在液晶面板显示计数数量动作，则是由样式程式(sample program)「C_Example_Radio_Tutorial」负责处理LED与液晶显示面板，接着再透过WirelessUSB切割通信部份。
「Button_pressed()」主要功能是检测按键开关是否从OFF变成ON，如果按键开关被押下，就以「WirelessUSBLS_1_SendData()」传输0x55。在此同时若以「WirelessUSBLS_1_bReadData()」接收0x55时，就会增加(Increment)开关押下的计数(counter)。
或许读者对此简易动作过程感到惊讶，尤其是复数片电路基板，只需要叫出资料送收讯的API，就可以利用距离数十公尺以外的PRoC同志，以无线方式轻易转送资料。如果以「SetChannel()」或是「SetPnCode()」切换与对方的通信频道(channel)或是扩散码，就可以轻易改变对方进行通信。
　

图5 PRoC SIP模组的电路图
　

List 1 WirelessUSB的通信程式范例
　

由于WirelessUSB使用无线电波传输资料，因此设计上必需防止即使有复数机器，相互不会产生混讯等问题。如上所述WirelessUSB利用频谱扩散技术，频道(频率)与扩散码(PN码)一致时才能够与对方通信，上述的程式清单初期化部份的描述如下:

它是决定频道与PN码的地方,亦即WirelessUSBLS _1_SetChannel(1);主动功能是设定频道。在WirelessUSB从2.402GHz（频道0)一直到2.480GHz(频道77)，每隔1MHz共有78个频道，即使是相同扩散码也可以维持79对（pair）的通信路径，至于78个频道之中何者如何使用，理论上可以自由决定，反过来说相异频道则无法进行通信。在自由决定，反过来说相异频道则无法进行通信。在[SetChannel()]之后的

[WirelessUSBLS_1_SetPnCode(&pn_table[8]；]

决定8byte的PN码。在source code备有64byte的PN码，因此以：pn_code_table[8];

2次元配列指定&pn_code_table[1][0]xx比较妥当

资料通信程式程式的制作

在Sample:
．P1[1]将P1[1]当作switch(以ON与Vcc连接)输入P1[1]

．将P1[7:4]当作LED输出(以"H"点灯:P1[4]为LSBON与Vcc连接）

．当作LED连接

．大约１秒周期传送资料，至于资料分别如下:

．switch若是OFF，就会增加(Incremeng)，若是ON就会decrement

．收讯端如果收讯资料，会将下位4位元显示在led

图6是确认通信资料用sample电路图。在CY3653PRoC开发套件(development  kit)，设有LCD连接导线，如照片2所示它相当于面包板(bread board )程度的导线，所以使用上非常容易。
　

图书 确认通信资料用电路sample
　

照片2 PSoC  Eval  1的实际外观
　

结语
目前[WirelessUSB]已经广泛应用在例如无线滑鼠、控制器、抬头型显示器（Head up Display)、虚拟印表机(virtual print)电视游乐控制器(video game controller)等领域。由于[WirelessUSB]应用频谱(spectrum)扩散变调技术，即使复数机器相互通信也不会产生混信现象，因此复数PRoC机器在相同场所，也不会有混信等困扰。