基于USB的無(wú)線觸摸鼠標(biāo)板的設(shè)計(jì)

隨著IT技術(shù)的發(fā)展，多媒體教學(xué)已經(jīng)在學(xué)校得到廣泛的應(yīng)用。但傳統(tǒng)的多媒體教學(xué)存在互動(dòng)性不強(qiáng)等缺點(diǎn)，不利于師生的交流和溝通，基于這種情況，我們?cè)O(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種基于USB的無(wú)線觸摸鼠標(biāo)板，使得教師在學(xué)生座位旁依然可以像站在講臺(tái)那樣自由控制電腦。

1系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)可以大致分為兩個(gè)部分，其中一端是手持設(shè)備終端，提供PS/2接口供鼠標(biāo)觸摸板接入使用；另一端是PC接入端，通過USB接口與主機(jī)相連，二者之間通過無(wú)線傳輸協(xié)議聯(lián)系在一起。整體構(gòu)架圖如圖1所示。

圖1整體構(gòu)架圖

因?yàn)樵O(shè)計(jì)所選用的CC2420集成了發(fā)送和接收功能在同一芯片中，故在手持終端和接入設(shè)備部分的無(wú)線收發(fā)器可復(fù)用同一模塊，無(wú)需重新設(shè)計(jì)。而在PC端，為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的普遍適用性以及即插即用的特性，對(duì)接人設(shè)備采用了HID類設(shè)計(jì)從而使PC端無(wú)需增加任何軟件，即可使用操作系統(tǒng)提供的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

本設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)開發(fā)板由筆者自行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，不僅包括了本設(shè)計(jì)所需要的功能，還有調(diào)試功能以及擴(kuò)展功能，供日后有需要時(shí)使用。

2 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1手持端硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在手持端，主要包括的模塊有MCU控制模塊，無(wú)線發(fā)送模塊，PS/2接口模塊和調(diào)試模塊等。各模塊的功能示意圖如圖2所示：

圖2手持端模塊圖

2.1.1 MCU PIC整體控制模塊

MCU控制著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，包括軟件的觸發(fā)、運(yùn)行，以及各個(gè)部分的協(xié)調(diào)工作。整個(gè)系統(tǒng)的軟件都是存儲(chǔ)并運(yùn)行在MCU當(dāng)中，在觸摸板事件響應(yīng)方面采用的是中斷觸發(fā)。而PS/2接口實(shí)際上只需兩條IO線，也就是說(shuō)其只占用了MCU兩個(gè)管腳資源，其中一個(gè)為普通IO口，另一個(gè)則是中斷口，考慮到中斷12的可能沖突，可以通過跳線方式自行選擇。在CC2420方面，亦采用電平跳變中斷檢測(cè)其SFD及FIFOP的中斷請(qǐng)求，而其數(shù)據(jù)通信則是使用芯片集成的SPI接口中的RCA（SO）、RC5（si）、rico（CS-N）、RC3（SCK）等4條線來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.1.2串口模塊

由于USB的數(shù)據(jù)信息在其未被主機(jī)正確識(shí)別之前無(wú)法得到，并且在無(wú)線傳輸方面也需將數(shù)據(jù)及控制信息等傳回主機(jī)以供調(diào)試，所以在開發(fā)板上另外設(shè)計(jì)一個(gè)串口調(diào)試模塊，方便設(shè)計(jì)過程中的調(diào)試需要。

RS232規(guī)范使用12V供電，而開發(fā)板上使用的電壓為3.3V，這樣如果直接將數(shù)據(jù)線直接連到RS232接口上會(huì)將實(shí)驗(yàn)板上的元件燒毀。為了實(shí)現(xiàn)不同電壓之間的連接，采用了RS232電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232.利用這個(gè)芯片我們可將12V電壓的數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)換為3V，這樣就可以達(dá)到將數(shù)據(jù)與主機(jī)進(jìn)行交互的目的。在數(shù)據(jù)傳輸線路上，由于PICl6F877A內(nèi)置了串口接口，所以只需使用RC6、RC7這兩根線就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，經(jīng)過MAX3232的電平變換到達(dá)主機(jī)。

2.1.3無(wú)線傳輸模塊

考慮到工藝問題，靠手工無(wú)法完成，所以采用模塊購(gòu)買的方式來(lái)獲得CC2420的使用，購(gòu)買的模塊僅有非常簡(jiǎn)單的外圍器件，以及12根控制引腳外引（包括電源和地），這樣我們就可以通過MCU利用這12根引腳控制CC2420的工作了。根據(jù)該模塊的外接引腳，在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)了一個(gè)兩排12根線的接口，可以直接接到MCU控制接口，因?yàn)镸CU和CC2420都是采用3.3V的電壓，所以不會(huì)有電壓過高的問題。

在CC2420的電路設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于控制引腳SFD、FIFOP這兩個(gè)用于檢測(cè)中斷接受數(shù)據(jù)的接口尤其重要，如果在這兩條線路出現(xiàn)了干擾的話，在軟件的實(shí)現(xiàn)方面將產(chǎn)生很多不必要的軟件開銷，例如去除干擾等。所以在PCB設(shè)計(jì)的時(shí)候要對(duì)這兩條線加寬，不要橫跨電源和地，這樣會(huì)產(chǎn)生很大的干擾。

2.2 PC接入端硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

此部分將介紹接人設(shè)備的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，在串口調(diào)試部分采用和手持端同樣的硬件設(shè)計(jì)，而在無(wú)線接受模塊，因?yàn)镃C2420集合接收發(fā)送功能在同一芯片中，而應(yīng)用電路也采用同樣電路，故在接入設(shè)備部分可以使用相同模塊。所以在這里將主要介紹USB模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

在USB接IZl方面，為了使用上的方便，將設(shè)備設(shè)計(jì)成標(biāo)準(zhǔn)的HID類鼠標(biāo)，這樣可以直接使用操作系統(tǒng)自帶的驅(qū)動(dòng)程序而無(wú)需安裝任何的驅(qū)動(dòng)軟件。在供電方面使用標(biāo)準(zhǔn)USB接口提供的5V電源為USB芯片供電，接人端的主要硬件架構(gòu)可用圖3所示：

圖3接入端硬件構(gòu)架圖

在USB接口芯片的連接上，采用了與MCU控制器的INT0外部中斷的方式連接，這樣可以保證USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，而其他的控制接El使用一般的數(shù)據(jù)IO口，其8位數(shù)據(jù)傳輸口使用PICl6F877A的RD口連接。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在本部分，主要將介紹本設(shè)計(jì)的軟件實(shí)現(xiàn)，其中包括接入端和手持端兩大部分。

3.1整體設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)環(huán)境

本次設(shè)計(jì)采用的控制芯片為PIC16F877A。

由于程序是在PC上設(shè)計(jì)，需要將程序下載到單片機(jī)上運(yùn)行和測(cè)試，所以需要一個(gè)程序下載工具，本次設(shè)計(jì)所采用的程序燒錄器為TOP WIN2004，該燒錄器自身提供有一個(gè)下載軟件，使用也非常方便，安裝按照軟件目錄下的README一步步操作即可。

本設(shè)計(jì)中的軟件均是在單片機(jī)內(nèi)實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行在MCU內(nèi)的軟件控制著整個(gè)設(shè)計(jì)所要實(shí)現(xiàn)的模塊。

但是由于MCU與傳統(tǒng)Pc有著巨大的差別，必須考慮存儲(chǔ)空間、運(yùn)行速度、外界干擾等因素。在實(shí)現(xiàn)此次設(shè)計(jì)的過程中，除了首先要保證硬件環(huán)境的設(shè)計(jì)正確和優(yōu)質(zhì)之外，軟件方面的嚴(yán)謹(jǐn)設(shè)計(jì)也是必不可少的一個(gè)重要部分。

本設(shè)計(jì)的軟件總體框架圖可如圖4所示，為了使兩端達(dá)到速度及任務(wù)的均衡，一些軟件處理將在手持端完成，然后以接收端可以識(shí)別的格式打包發(fā)送過去，由圖4也可以看出兩端的任務(wù)處理基本處于均衡狀態(tài)。

圖4軟件總體框架圖

3.2手持端軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在本部分將介紹手持終端的軟件設(shè)計(jì)過程，以及各個(gè)模塊部分的具體實(shí)現(xiàn)。軟件的運(yùn)行流程圖如圖5所示。

圖5手持端軟件流程

對(duì)于事件發(fā)生的獲取是采用中斷模式，也就是在有鼠標(biāo)觸摸板事件發(fā)生的時(shí)候，將喚醒MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集處理，然后將采集到的PS/2數(shù)據(jù)進(jìn)行一定規(guī)則的轉(zhuǎn)換，然后將其打包發(fā)送。若沒有數(shù)據(jù)需要處理，則進(jìn)入睡眠狀態(tài)以節(jié)省功耗。

3.2.1芯片初始化

在芯片初始化階段，主要是芯片的內(nèi)部工作的時(shí)鐘的設(shè)置、IO口的初始化設(shè)置、以及CC2420的初始化。

在芯片的初始化階段需要注意對(duì)每個(gè)IO口的數(shù)據(jù)方向進(jìn)行設(shè)置，并且要準(zhǔn)確設(shè)置時(shí)鐘以及串口的傳輸數(shù)率，否則在調(diào)試階段無(wú)法獲取數(shù)據(jù)。不用的IO口全部設(shè)置成輸出端口，這樣可減少端口不必要的干擾。

3.2.2鼠標(biāo)觸摸板事件的信息采集

首先要對(duì)觸摸板進(jìn)行初始化，其初始化序列請(qǐng)參照PS/2協(xié)議的命令序列。初始化成功后，該觸摸板將正常工作，只要有觸摸事件發(fā)生，將產(chǎn)生連續(xù)三幀的數(shù)據(jù)發(fā)送，而按鍵事件發(fā)生，則在按下產(chǎn)生三幀數(shù)據(jù)發(fā)送，彈起產(chǎn)生三幀數(shù)據(jù)發(fā)送。我們需要做的工作就是在觸摸板發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候?qū)ζ溥M(jìn)行采集。采集過程也非常簡(jiǎn)單，在熟悉PS/2協(xié)議的基礎(chǔ)上，中斷產(chǎn)生后，按照時(shí)序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行采集，一定要在讀完一幀的基礎(chǔ)上再讀下一幀，讀取完三幀數(shù)據(jù)后就馬上進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和打包發(fā)送，然后再次等待中斷事件發(fā)生。所選擇的MCU在速度處理上完全可以滿足一般鍵盤鼠標(biāo)數(shù)據(jù)包發(fā)送的間隔時(shí)間，也就是說(shuō)在讀取完一個(gè)數(shù)據(jù)包后，就處理該數(shù)據(jù)包而不需要完全讀取完一次事件產(chǎn)生的數(shù)據(jù)堆。

3.2.3 CC2420數(shù)據(jù)發(fā)送

在CC2420的數(shù)據(jù)發(fā)送階段，MCU將數(shù)據(jù)發(fā)送命令傳送給CC2420之后，可以通過SFD引腳來(lái)判斷其發(fā)送過程。該引腳會(huì)有一個(gè)由低電平向高電平跳變的過程，其過程如圖6所示。

圖6發(fā)送過程示意圖

控制器向CC2420發(fā)送了發(fā)送數(shù)據(jù)的命令之后，并不能馬上把數(shù)據(jù)發(fā)送出去，而是要經(jīng)過12個(gè)時(shí)鐘周期之后發(fā)送器才啟動(dòng)，之后將數(shù)據(jù)添加了其實(shí)序列和幀頭之后，才能開始數(shù)據(jù)發(fā)送進(jìn)程。在數(shù)據(jù)發(fā)送完畢之前，SFD引腳將一直為高電平，這樣在MCU就可以根據(jù)此引腳的變化來(lái)跟蹤發(fā)送過程，發(fā)送過程具體的軟件實(shí)現(xiàn)，可用圖7表示。

圖7 CC2420發(fā)送實(shí)現(xiàn)過程

在CC2420的數(shù)據(jù)發(fā)送階段，發(fā)射校正和添加起始序列和幀頭可以由硬件自動(dòng)完成，但是幀的長(zhǎng)度需要在軟件中計(jì)算得到再寫入幀中，并且需要將數(shù)據(jù)寫入發(fā)送器的發(fā)送緩沖區(qū)之后向CC2420發(fā)送發(fā)送啟動(dòng)命令。

3.3接入端軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

接入設(shè)備部分的軟件設(shè)計(jì)，主要是分為兩部分：CC2420的接收和USB數(shù)據(jù)傳輸。CC2420由于是發(fā)送和接收集成在同一模塊中，所以其初始化可采用發(fā)送端的設(shè)計(jì)。而在USB數(shù)據(jù)傳輸部分，則采用HID的協(xié)議與主機(jī)進(jìn)行通信，這樣在軟件設(shè)計(jì)上可以減少?gòu)?fù)雜度。

3.3.1無(wú)線數(shù)據(jù)接收

無(wú)線數(shù)據(jù)接收的軟件實(shí)現(xiàn)，使用RB5端口的電平中斷觸發(fā)接收進(jìn)程。當(dāng)CC2420發(fā)現(xiàn)有幀傳輸過來(lái)時(shí)其引腳會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，MCU通過檢測(cè)這些引腳的變化可以得知CC2420所在的接收階段與狀態(tài)。在接收過程中，有3根引腳可以檢測(cè)出CC2420的狀態(tài)，其數(shù)據(jù)接收的變化示意圖限于篇幅，在此略去。

當(dāng)CC2420收到有符合其起始序列的時(shí)候，其自動(dòng)接收幀頭和幀的長(zhǎng)度，并且SFD、FIFO、FIFOP這3根輸出引腳分別輸出上圖所示電平。當(dāng)接收到幀的目的地址時(shí)候，CC2420自動(dòng)進(jìn)行地址匹配，若地址匹配成功，則接收進(jìn)程繼續(xù)進(jìn)行，如果地址匹配不成功，則馬上停止接收過程，并把3根輸出引腳都置為低電平。MCU在控制時(shí)可以通過檢測(cè)這3根輸出引腳的電平來(lái)判斷接收過程的狀態(tài)。

如果地址匹配成功且接收完整個(gè)幀，則可以啟動(dòng)數(shù)據(jù)讀取進(jìn)程。

在數(shù)據(jù)讀取階段，CC2420提供了幀的正確接收的初始判斷，由此可以知道該幀是否被正確接收，以決定是讀取該幀還是放棄該幀。按照CC2420的規(guī)定，當(dāng)一個(gè)幀接收完畢之后，如果出現(xiàn)FIFOP=l并且FIFO=0的情況，則說(shuō)明該幀錯(cuò)誤接收，應(yīng)當(dāng)向其連續(xù)寫人兩個(gè)CC2420_SFLUSHRX命令將數(shù)據(jù)沖刷。如果沒有出現(xiàn)這種情況，則按照幀發(fā)送的相反過程從接收緩沖中讀取數(shù)據(jù)。

3.3.2 USB設(shè)備HID類設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)能浖O(shè)計(jì)，主要是集中在USB芯片的初始化以及協(xié)議的初始化、以及之后的枚舉過程，在成功枚舉并被主機(jī)正確識(shí)別之后，只需將數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖即可將數(shù)據(jù)發(fā)送到主機(jī)。在協(xié)議的初始化時(shí)，需要將協(xié)議中規(guī)定的各個(gè)參數(shù)設(shè)定都按照設(shè)計(jì)的要求設(shè)定，并且將各種描述符，包括配置描述符、端點(diǎn)描述符、接口描述符、報(bào)告描述符等初始完畢，以供枚舉過程使用。

USB芯片的初始化過程的最后一步是將其SoftConnect功能打開，從這時(shí)起，主機(jī)才能開始檢測(cè)到設(shè)備的接入，也從這個(gè)時(shí)候起，USB芯片才真正開始與主機(jī)通信并開始設(shè)備枚舉過程。在枚舉過程中，主機(jī)首先向設(shè)備發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)，設(shè)備在接收到這個(gè)信號(hào)之后向主機(jī)發(fā)送回送的協(xié)議數(shù)據(jù)以供主機(jī)識(shí)別，當(dāng)識(shí)別到這個(gè)信號(hào)之后，主機(jī)則開始向設(shè)備獲取描述符等信息，進(jìn)而完成設(shè)備枚舉過程。

初始化完成之后，主循環(huán)實(shí)際上不再參與USB通信。每次PDIUSBDl2接口芯片檢測(cè)到USB總線上主機(jī)發(fā)給這個(gè)設(shè)備的信號(hào)時(shí)候就觸發(fā)一次單片機(jī)的外部中斷。中斷處理子程序要做的工作就是首先D12讀取中斷信息，查看D12收到了什么樣的封包，然后根據(jù)主機(jī)的不同要求做出響應(yīng)，中斷處理程序流程如圖8所示。

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圖8中斷處理程序流程

本系統(tǒng)設(shè)備中，固件程序只須處理端點(diǎn)0的輸出和輸入要求就可以完成設(shè)備的正常配置和基本工作。

在圖8中，SOF包處理程序是自定義的部分，是為了更好地配合設(shè)備工作而添加的代碼，與設(shè)備的實(shí)質(zhì)沒有太大關(guān)系，而結(jié)束狀態(tài)改變引起的中斷在這里不需要做處理。由于USB的數(shù)據(jù)傳輸都是由D12自動(dòng)完成，端點(diǎn)1和2的輸出/輸入中斷處理就沒有什么實(shí)質(zhì)內(nèi)容。

4結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)所實(shí)現(xiàn)的基于USB的無(wú)線觸摸鼠標(biāo)板除了具有無(wú)線空中鼠標(biāo)的所以功能外，且成本低廉，容易實(shí)現(xiàn)，無(wú)線傳輸距離遠(yuǎn)（20 m），無(wú)指向性，適應(yīng)性強(qiáng)，能廣泛應(yīng)用于現(xiàn)有的多媒體教室。

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