基于微機電系統(tǒng)的無線鼠標方案

　　2.2.4 無線鼠標按鍵

　　鼠標按鍵采用標準開關，每個開關直接連到ATmega16 的通用輸入輸出（GPIO）口， GPIO被配置成輸入引腳，每個引腳可以單獨地選擇上拉電阻，單片機檢測按鍵操作，軟件進行按鍵去抖處理和實現(xiàn)噪聲抑制功能，然后通過藍牙芯片發(fā)射出按鍵信息。

　　2.2.5 藍牙模塊發(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、晶體振蕩器和調制器 ,輸出功率和信道選擇很容易通過3-線接口編程實現(xiàn)， 在輸 出功率為-5dBm時電流消耗僅10mA ,內置的ShockBurst技術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)包也應盡可能少（取采樣速率為100采樣點/秒）。ShockBurst技術使用片內先入先出堆棧（FIFO）低速處理數(shù)據(jù)（10Kbps）而高速發(fā)送數(shù)據(jù)（1Mbps）。

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

　　裝載地址（ADDR）和有效載荷（PAYLOAD）；

　　計算循環(huán)冗余檢查（CRC）；

　　添加信息位（PRE）；

　　使用ShockBurst技術發(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，這樣就可以實現(xiàn)鼠標和鍵盤的無線控制（在此我們僅考慮鼠標的使用）。誤差控制其固件必須完成下列任務：

　　當nRF2401作為ShockBurst的接收器時，設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CE為高；

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

　　當有效數(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設置為高；

　　MCU設置CE為低也可能不設置為低 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?shù)玫接行лd荷后nRF2402設置DR1為低。如果CE為高則準備接收新的數(shù)據(jù)包 ,如果CE為低，則重新開始起始序列。

　　2.3.2 PCB天線設計

　　為實現(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，在PCB上選用1/4波長單極天線是一個理想的解決方案。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，天線采用標準1.6mm材料，其相對介電常數(shù)為4.4，天線的寬度W=1.5 mm,通過計算可得到單極天線周圍物質的介電常數(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，天線的長度可適當延長，本方案中選天線長度L =22mm的類“┓”型設計，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，同時在規(guī)定PCB板面積的條件下應保證天線的開口端和接地面之間的距離d盡可能大，實現(xiàn)信號高精度、高增益的準確發(fā)射和接收。

　　2.3.3 帶USB接口的單片機

　　USB設備具有即插即用、熱插拔等優(yōu)勢 ,鼠標采用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CY7C637xx系列。該系列是采用高性能8位精簡指令（RISC）結構，集成了USB串行接口引擎（SIE）的單片機 ,其內置了時鐘振蕩器、計時器、可編程電流驅動以及在每個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現(xiàn)高性能低成本的人機交互設備（HID）。

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

　　2.4 節(jié)能考慮

　　單片機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 /計數(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位。藍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器發(fā)射端無疑延長了其使用時間。

　　3 結語

　　本文詳細討論了基于微加速度傳感器的MEMS無線鼠標的軟件、硬件設計和系統(tǒng)構成，并給出了Matlab環(huán)境下系統(tǒng)的simulink模型和算法，模擬的結果證明：無線鼠標的設計是合理可行的，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的設計技術，能為進一步研究多維多功能的MEMS輸入設備打下很好的基礎。本文選擇硬件時，充分考慮了系統(tǒng)向多維和多功能擴展的可能性，可以在此二維鼠標的基礎上再添加一些器件，構成功能更多更完善的MEMS輸入設備，例如：可以再添加一個微加速度傳感器來感測Z軸的加速度，從而實現(xiàn)三維鼠標，可以實現(xiàn)對三維立體旋轉等的控制；也可以利用nRF2401射頻收發(fā)器內置的多點通信控制的特性，再多增加幾個接收模塊，可以同時控制多臺主機，或多增加幾個發(fā)射模塊，用幾個輸入設備來控制同一臺主機，以適應不同應用場合的需要。

　　另外，基于MEMS技術的無線鼠標很容易向三維空間使用拓展，這樣就能為很多場合，尤其是作演講時提供很大的方便，具有很大的應用價值。