基于2.4 GHz射頻通信的多功能鼠標設計

引言

　　多功能無線鼠標包括無線發(fā)射部分和無線接收部分，其中發(fā)射部分是關系到其總體性能好壞的關鍵部分。本系統(tǒng)以nRF24L01為核心構建無線發(fā)射模塊。

　　nRF24L01是一款新型單片射頻收發(fā)器件，工作于2．4～2．5 GHz ISM頻段；內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能模塊，并融合了增強型ShockBurst技術，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。nRF24L01功耗低，在以0 dBm的功率發(fā)射時，工作電流只有11．3 mA；接收時，工作電流只有12．3 mA；多種低功率工作模式(掉電模式和空閑模式)使節(jié)能設計更方便。

　　多功能無線鼠標是一款使用電池供電的手持設備，功耗是衡量其性能的一個重要標準。本設計所選用的主控芯片是MSP430F413，它是一種16位超低功耗的混合信號處理器，在活躍模式下最大電流為350μA，RAM數(shù)據(jù)保持方式下耗電僅0．1μA。光傳感器芯片選用ADNS-5030。這款芯片體積小，功耗低，在工作模式下，它的工作電流最大為17 mA；僅在光傳感器工作的時候，LED才被點亮，這樣會使光傳感器的功耗進一步下降(小于1 mA)。

　　本文在介紹多功能無線鼠標發(fā)射部分開發(fā)過程的同時，對其設計應用中的注意事項和優(yōu)化方法作了相應的論述。在設計過程中，多注意細節(jié)和優(yōu)化方法可使設計更加順利，并為大規(guī)模算法提供有效的時間。

　　
1 硬件電路設計

　　多功能無線鼠標發(fā)射部分主要實現(xiàn)光傳感器位移、按鍵鍵值的采集，并通過無線發(fā)射給接收器。主要由控制部分、光傳感器部分、鼠標按鍵和鍵盤部分以及無線發(fā)射部分組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　1．1 無線發(fā)射部分

　　無線發(fā)射部分是多功能無線鼠標的主要部分，本設計以nRF24L01為核心構建無線發(fā)射模塊。

　　nRF24LOl具有無條件使用2．4 GHz全球開放ISM頻段，內(nèi)置硬件CRC檢錯和一點對多點通信地址控制等特點，數(shù)據(jù)傳輸率為2 Mb／s，126個頻道；能滿足多點通信和跳頻通信的需要；功耗低，供電電壓為1．9～3．6 V，待機模式下工作電流為22μA，掉電模式下僅為900 nA。這些是nRF24L01的主要優(yōu)點。

　　無線發(fā)射部分的電路原理如圖2所示。

　　1．2 電源管理

　　手持系統(tǒng)對低功耗有較嚴格的要求。MSP430系列單片機有5種低功耗模式。在一定時間內(nèi)無操作的情況下，可以使其進入某一種低功耗模式，這時的工作電流可以控制在十幾μA以下。

　　對于外圍器件，如光傳感器和無線發(fā)射部分，設置了一個開關，在主控芯片進入低功耗模式之前先切斷它們的電源，使系統(tǒng)的功耗進一步降低。而在有操作到來的時候，主控芯片從低功耗模式返回到活躍模式，首先將外圍器件的電源開關打開，這樣可以保證系統(tǒng)正常工作。低功耗電源控制電路如圖3所示。開關由一個PNP型的晶體管構成，基極作為控制信號的輸入，發(fā)射極為電壓輸入，集電極為電壓輸出。控制信號的電平變化可以控制線路上電源的通斷。

　　1．3 光傳感器部分

　　光傳感器ADNS-5030用于鼠標的定位。ADNS-5030的正常工作電壓為3．3 V，在光傳感器的設計中需要將電池供電輸出的3．O V電壓轉換成其所需要的3．3 V電壓。電路采用HT7733芯片來完成電壓的轉換。ADNS-5030通過SPI總線與主控芯片進行數(shù)據(jù)通信，其連接方式如圖4所示。

　　1．4 按鍵與鍵盤

　　多功能無線鼠標的按鍵與普通鼠標的按鍵功能基本相同，只是將普通鼠標的滾輪(wheel)改成了上下鍵的設計。這兩種設計的功能是相同的。鍵盤用于阿拉伯數(shù)字、字母以及各種功能鍵的輸入。采用矩陣式的手機鍵盤，節(jié)省了主控芯片的I／O口資源。

　　
2 軟件部分設計

　　2．1 通用I／O模擬SPl接口

　　無線發(fā)射芯片nRF24L01和光傳感器ADNS-5030均是采用SPI總線與主控芯片進行數(shù)據(jù)交換的。出于成本考慮，本設計所選用的主控芯片MSP430F413內(nèi)部沒有SPI總線接口，因此，需要用通用I／O口來模擬SPI接口。

　　用通用I／O口來模擬SPI串行接口，必須嚴格遵守器件SPI的總線時序。ADNS-5030的SPI總線時序有幾個需要注意的地方：一是SPI總線的串行時鐘頻率應小于1 MHz，若SPI總線的時鐘頻率過高，器件無法在短時間內(nèi)作出響應，相應的操作也就無法完成；二是ADNS-5030對SPI總線上的時鐘信號要求50％的占空比，這種要求并不是針對所有器件的，但對具體提出這種要求的個例，就必須遵循了(實驗證明這個結論是正確的，筆者通過在程序中加空指令的方式來填補空缺，使其占空比達到器件的要求)；三是SPI總線操作中有許多必要的延時，如讀操作中寫地址和讀數(shù)據(jù)之間需要4 μs的延時，程序中若無該延時，就不能執(zhí)行正常的讀寫操作。

2．2 無線發(fā)射部分

　　nRF24L01的工作原理如下：發(fā)射數(shù)據(jù)時，首先將nRF24L01配置為發(fā)射模式，接著把接收節(jié)點地址TX_ADDR和有效數(shù)據(jù)TX_PLD按照時序由SPI口寫入nRF24L01緩存區(qū)。TX_PLD必須在CSN為低時連續(xù)寫入，而TX_ADDR在發(fā)射時寫入一次即可。然后，CE置為高電平并保持至少10μs，延遲130μs后發(fā)射數(shù)據(jù)。若自動應答開啟，那么nRF24L01在發(fā)射數(shù)據(jù)后立即進入接收模式，接收應答信號(自動應答接收地址應該與接收節(jié)點地址TX_ADDR一致)。如果收到應答，則認為此次通信成功，TX_DS置高，同時TX_PLD從TX_FIFO中清除；若未收到應答，則自動重新發(fā)射該數(shù)據(jù)(自動重發(fā)已開啟)，若重發(fā)次數(shù)(ARC)達到上限，MAX_RT置高，TXFIFO中數(shù)據(jù)保留以便再次重發(fā)。MAX_RT或TX_DS置高時，使IRQ變低，產(chǎn)生中斷，通知MCU。發(fā)射成功時，若CE為低，則nRF24L01進入待機模式1；若發(fā)送堆棧中有數(shù)據(jù)且CE為高，則進入下一次發(fā)射；若發(fā)送堆棧中無數(shù)據(jù)且CE為高，則進入待機模式2。

　　接收數(shù)據(jù)時，首先將nRF24L01配置為接收模式，接著延遲130μs進入接收狀態(tài)等待數(shù)據(jù)的到來。當接收方檢測到有效的地址和CRC時，就將數(shù)據(jù)包存儲在RXFIFO中，同時中斷標志位RX_DR置高，IRQ變低，產(chǎn)生中斷，通知MCU取數(shù)據(jù)。若此時自動應答開啟，接收方則同時進入發(fā)射狀態(tài)回傳應答信號。接收成功時，若CE變低，則nRF24L01進入待機模式1。

　　nRF24L01有發(fā)射、接收、待機和掉電4種工作模式，可以通過配置寄存器來設置其工作狀態(tài)，如表1所列。

　　待機模式1(Standby-I)主要用于降低電流損耗(在該模式下，晶體振蕩器仍然工作)。待機模式2(Standby-II)是當FIFO寄存器為空且CE=1時進入此模式。待機模式下，所有配置字仍然保留。在掉電模式(Power Down)下電流損耗最小，同時nRF24L01也不工作，但其所有配置寄存器的值仍然保留。

　　無線發(fā)射部分上電初始化時，進行了如下配置：

①CONFIG寄存器的低4位置1，分別為16位CRC校驗，芯片上電和接收模式；
②SETUP_AW(地址寬度)寄存器配置地址寬度為5字節(jié)；
③SETUP_RETR(自動重發(fā))寄存器配置為自動重發(fā)延時500μs，重發(fā)5次；
④RF_CH(RF頻道)寄存器配置為工作頻道2400MHz；
⑤RF_SETUP(RF設置)寄存器配置為發(fā)射功率O dBm，Air Data Rate為1 MHz；
⑥將地址寫入地址寄存器。

　　在配置寄存器時應注意一點：在寫nRF24L01的寄存器時，它必須工作在掉電模式或待機模式。而在nRF24L01上電達到l．9 V以后，要經(jīng)過10．3 ms的上電復位然后再進入掉電模式。這是一個不確定狀態(tài)。在此狀態(tài)下，對寄存器的寫操作是無法完成的，因此必須加上一個合適的延時，使程序對 nRF24L01的配置操作在掉電模式或待機模式下進行。

　　當光傳感器或按鍵等有操作時，主控制器將讀入的信號寫入nRF24L01的TX_PLD，然后由芯片自動生成報頭和CRC校驗碼，并發(fā)送出去。當收到應答信號(ACK)后，程序中所設置的標志位success置1，清除TX FIFO隊列中的數(shù)據(jù)，可以進行下一次數(shù)據(jù)的寫入了；若未收到應答信號(ACK)，則標志位success置O，繼續(xù)重發(fā)，且新的數(shù)據(jù)無法寫入。

　　2．3 讀光傳感器位移值

　　讀光傳感器的位移值，其實就是讀它對應的寄存器。在ADNS-5030的內(nèi)部寄存器中，地址為Ox02的Motion寄存器用于表示是否有位移。其最高位若為O，則無位移；最高位若為1，則有位移。另外，使用到的兩個寄存器的地址是Ox03和Ox04的DeltaX和DeltaY。這兩個寄存器的值分別表示X軸和Y軸方向上的位移。最高位表示位移的方向，1為負方向，O為正方向，低7位表示位移量。

　　如圖5所示，首先判斷是否有位移，即Motion的最高位是否為1。若不為1，則表示沒有位移，本次查詢結束；若為1，則表示有位移，然后再去讀 DeltaX和DeltaY的值，并將其通過無線發(fā)射部分發(fā)送出去。

　　讀DeltaX、DeltaY寄存器后，寄存器中的值自動清零，但是Motion寄存器讀后不清零，所以最后需要對Motion寄存器的最高位進行清零，以防止在沒有位移的情況下，系統(tǒng)也對DeltaX、DeltaY寄存器進行掃描，造成不必要的浪費。

　　另一個需考慮的地方是光傳感器的分辨率。在上電復位后，光傳感器的分辨率為默認的500cpi(cells perinch)，但是實驗效果并不好。在調試時，其位移并不明顯，后來修改寄存器的值，將其分辨率改為1 000 cpi(只有500 cpi和1 000 cpi兩種分辨率)，光標的位移效果明顯好于分辨率為，500 cpi時的效果。由此可見，光傳感器的這一屬性也是相當重要的。

2．4 讀按鍵與鍵盤

　　左右鍵的沒計與普通按鍵的設計稍有不同。使用鼠標時可以看到，在按下左鍵同時拖動鼠標時，可以選中光標移動范圍內(nèi)的選項；同樣，右鍵也具有這樣的功能。

　　在左右鍵的掃描程序中，當程序掃描到有鍵按下時(例如左鍵按下)，立刻將所得到的鍵值發(fā)送出去，這時，接收端的左鍵值一直是處于按下狀態(tài)的，同時也不耽誤光傳感器等的掃描；當左鍵抬起時，再向接收端發(fā)送按鍵抬起的指令，一次左右鍵的掃描就完成了。這樣就可以實現(xiàn)在按下左鍵同時拖動鼠標時，選中光標移動范圍內(nèi)選項的操作了。

　　上下鍵與左鍵和右鍵的操作方式不同。在上下鍵的掃描程序中還應考慮點動和連動這兩種不同的情況。點動即為在一定時間內(nèi)快速按下一個按鍵，然后立即釋放；而按下一個鍵并延時一段時間再釋放，則程序將其識別為連動。

　　鍵盤部分設置了20個鍵，是一個5×4的矩陣，包括“O～9”10個數(shù)字鍵，“上、下、左、右”4個方向鍵，“←”鍵，“確定”鍵，“Esc”鍵以及3個快捷鍵(“顯示桌面”、“瀏覽器”和“我的電腦”)。其中“0～9”10個數(shù)字鍵是復用鍵，像手機鍵盤一樣，根據(jù)一定時間內(nèi)連擊次數(shù)的不同，可以輸入不同的鍵值。

　　
結語

　　本文所涉及的硬件均在實際中調試通過。實驗證明，MSP430系列單片機成本較低，在低功耗產(chǎn)品中的應用極為廣泛，將會得到廣大開發(fā)人員的認同。本系統(tǒng)已實現(xiàn)鼠標和手機鍵盤結合的基本功能，以后仍可以對其功能進行補充，完善多功能無線鼠標的性能。