基于微機(jī)電系統(tǒng)的無線鼠標(biāo)方案

　　2.2.4 無線鼠標(biāo)按鍵

　　鼠標(biāo)按鍵采用標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)，每個(gè)開關(guān)直接連到ATmega16 的通用輸入輸出（GPIO）口， GPIO被配置成輸入引腳，每個(gè)引腳可以單獨(dú)地選擇上拉電阻，單片機(jī)檢測按鍵操作，軟件進(jìn)行按鍵去抖處理和實(shí)現(xiàn)噪聲抑制功能，然后通過藍(lán)牙芯片發(fā)射出按鍵信息。

　　2.2.5 藍(lán)牙模塊發(fā)射芯片

　　nRF2402是單片2.4 ～2.5GHz射頻發(fā)射芯片， 發(fā)射器包含頻率合成器、功放、晶體振蕩器和調(diào)制器 ,輸出功率和信道選擇很容易通過3-線接口編程實(shí)現(xiàn)， 在輸 出功率為-5dBm時(shí)電流消耗僅10mA ,內(nèi)置的ShockBurst技術(shù)以及休眠模式用來降低發(fā)送數(shù)據(jù)的電流消耗 ,以延長電池使用壽命 ,并且向pc發(fā)送的數(shù)據(jù)包也應(yīng)盡可能少（取采樣速率為100采樣點(diǎn)/秒）。ShockBurst技術(shù)使用片內(nèi)先入先出堆棧（FIFO）低速處理數(shù)據(jù)（10Kbps）而高速發(fā)送數(shù)據(jù)（1Mbps）。

　　該設(shè)計(jì)需要一個(gè)16MHz的晶體振蕩器和一個(gè)外部的EPROM用來固件存儲。固件將使用ShockBurst技術(shù)從鼠標(biāo)發(fā)送RF數(shù)據(jù)包。其中固件必須完成下列任務(wù)：

　　裝載地址（ADDR）和有效載荷（PAYLOAD）；

　　計(jì)算循環(huán)冗余檢查（CRC）；

　　添加信息位（PRE）；

　　使用ShockBurst技術(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)包；

　　數(shù)據(jù)包發(fā)送完成回到休眠模式。

　　2.3 接收端

　　2.3.1 藍(lán)牙收發(fā)芯片

　　接收器是將nRF2401收發(fā)芯片配置成接收模式（RX），其性能類似發(fā)射芯片，但該芯片采用Duo2Ceiver同步雙通道接收技術(shù)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)和鍵盤的無線控制（在此我們僅考慮鼠標(biāo)的使用）。誤差控制其固件必須完成下列任務(wù)：

　　當(dāng)nRF2401作為ShockBurst的接收器時(shí)，設(shè)置正確的地址和接收到的RF數(shù)據(jù)包的有效載荷長度；

　　激活RX,并設(shè)CE為高；

　　等待200μs后，nRF2401處于等待接收數(shù)據(jù)狀態(tài)；

　　當(dāng)有效數(shù)據(jù)包正確的ADDR和CRC信息接收到后，nRF2401去除數(shù)據(jù)包中的附加信息、地址和循環(huán)冗余檢查位；

　　nRF2401通知MCU使DR1設(shè)置為高；

　　MCU設(shè)置CE為低也可能不設(shè)置為低 使芯片處于低電流模式；

　　MCU以一定的速率記錄有效載荷信息；

　　當(dāng)?shù)玫接行лd荷后nRF2402設(shè)置DR1為低。如果CE為高則準(zhǔn)備接收新的數(shù)據(jù)包 ,如果CE為低，則重新開始起始序列。

　　2.3.2 PCB天線設(shè)計(jì)

　　為實(shí)現(xiàn)2.4GHz低功耗射頻器件nRF2401和nRF2402 的小尺寸、易制造和低成本特點(diǎn)，在PCB上選用1/4波長單極天線是一個(gè)理想的解決方案。但是如同其他天線一樣 , 1/4 波長單極天線的增益會由于殼體材料、與接地面（ground p lane）接地面的尺寸以及PCB天線的寬度和厚度等參數(shù)的改變而發(fā)生變化，因此單極PCB天線的長度必須的改變而發(fā)生變化，因此單極PCB天線的長度必須優(yōu)化。在本方案中，天線采用標(biāo)準(zhǔn)1.6mm材料，其相對介電常數(shù)為4.4，天線的寬度W=1.5 mm,通過計(jì)算可得到單極天線周圍物質(zhì)的介電常數(shù)為3.16,從而在該條件下波長為 68.9mm。在PCB基底上選用印制1/4波長單極天線的長度L=17.2 mm ,為了使得天線在 2.4GHz更容易諧振，天線的長度可適當(dāng)延長，本方案中選天線長度L =22mm的類“┓”型設(shè)計(jì)，是PCB天線制作較為合理的一種方法，大大節(jié)省了PCB板的面積，同時(shí)在規(guī)定PCB板面積的條件下應(yīng)保證天線的開口端和接地面之間的距離d盡可能大，實(shí)現(xiàn)信號高精度、高增益的準(zhǔn)確發(fā)射和接收。

　　2.3.3 帶USB接口的單片機(jī)

　　USB設(shè)備具有即插即用、熱插拔等優(yōu)勢 ,鼠標(biāo)采用USB接口必將成為一種趨勢，因此我們采用帶USB收發(fā)器的單片機(jī)CY7C637xx系列。該系列是采用高性能8位精簡指令（RISC）結(jié)構(gòu)，集成了USB串行接口引擎（SIE）的單片機(jī) ,其內(nèi)置了時(shí)鐘振蕩器、計(jì)時(shí)器、可編程電流驅(qū)動(dòng)以及在每個(gè)I/O口線上的上拉電阻，可以用極少量的外部元件和簡單的固件編程實(shí)現(xiàn)高性能低成本的人機(jī)交互設(shè)備（HID）。

　　軟件部分對接收的RF數(shù)據(jù)包進(jìn)行譯碼，并經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換為符合鼠標(biāo)USB協(xié)議的數(shù)據(jù)包格式送到PC機(jī)，以及完成為實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)功能所需的固件的編寫。當(dāng)USB器件第一次連到總線，總線供電，D-的上拉電阻報(bào)告集線器連接一低速（1.5Mbps）USB器件，主機(jī)識別這個(gè)USB器件，總線重啟。主機(jī)接收到器件的描述符后賦予器件一個(gè)新的地址，這樣器件和主機(jī)通過這個(gè)新的地址進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

　　2.4 節(jié)能考慮

　　單片機(jī)可通過軟件選擇省電方式：閑置方式停止CPU的工作 ,而SRAM、定時(shí) /計(jì)數(shù)器、SPI口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電方式保留寄存器的內(nèi)容，但停止晶振，終止芯片的其他功能，直至下一次外部中斷或硬件復(fù)位。藍(lán)牙芯片則通過配置特殊寄存器，可使芯片工作在ShockBurst無線方式，并支持休眠模式和掉電模式，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的超低功耗傳輸，因此，對于用電池供電的鼠標(biāo)器發(fā)射端無疑延長了其使用時(shí)間。

　　3 結(jié)語

　　本文詳細(xì)討論了基于微加速度傳感器的MEMS無線鼠標(biāo)的軟件、硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)構(gòu)成，并給出了Matlab環(huán)境下系統(tǒng)的simulink模型和算法，模擬的結(jié)果證明：無線鼠標(biāo)的設(shè)計(jì)是合理可行的，文中提出的二次積分近似算法是簡捷有效的；文中討論的二維鼠標(biāo)的設(shè)計(jì)技術(shù)，能為進(jìn)一步研究多維多功能的MEMS輸入設(shè)備打下很好的基礎(chǔ)。本文選擇硬件時(shí)，充分考慮了系統(tǒng)向多維和多功能擴(kuò)展的可能性，可以在此二維鼠標(biāo)的基礎(chǔ)上再添加一些器件，構(gòu)成功能更多更完善的MEMS輸入設(shè)備，例如：可以再添加一個(gè)微加速度傳感器來感測Z軸的加速度，從而實(shí)現(xiàn)三維鼠標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)對三維立體旋轉(zhuǎn)等的控制；也可以利用nRF2401射頻收發(fā)器內(nèi)置的多點(diǎn)通信控制的特性，再多增加幾個(gè)接收模塊，可以同時(shí)控制多臺主機(jī)，或多增加幾個(gè)發(fā)射模塊，用幾個(gè)輸入設(shè)備來控制同一臺主機(jī)，以適應(yīng)不同應(yīng)用場合的需要。

　　另外，基于MEMS技術(shù)的無線鼠標(biāo)很容易向三維空間使用拓展，這樣就能為很多場合，尤其是作演講時(shí)提供很大的方便，具有很大的應(yīng)用價(jià)值。