基于2.4GHz射頻通信的多功能鼠標(biāo)設(shè)計(jì)

引  言

多功能無(wú)線鼠標(biāo)包括無(wú)線發(fā)射部分和無(wú)線接收部分，其中發(fā)射部分是關(guān)系到其總體性能好壞的關(guān)鍵部分。本系統(tǒng)以nRF24L01為核心構(gòu)建無(wú)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(diào)制器等功能模塊，并融合了增強(qiáng)型ShockBurst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過(guò)程序進(jìn)行配置。nRF24L01功耗低，在以0 dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流只有11.3 mA；接收時(shí)，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(shè)計(jì)更方便。

多功能無(wú)線鼠標(biāo)是一款使用電池供電的手持設(shè)備，功耗是衡量其性能的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。本設(shè)計(jì)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(hào)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(shí)候，LED才被點(diǎn)亮，這樣會(huì)使光傳感器的功耗進(jìn)一步下降(小于1 mA)。

本文在介紹多功能無(wú)線鼠標(biāo)發(fā)射部分開(kāi)發(fā)過(guò)程的同時(shí)，對(duì)其設(shè)計(jì)應(yīng)用中的注意事項(xiàng)和優(yōu)化方法作了相應(yīng)的論述。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，多注意細(xì)節(jié)和優(yōu)化方法可使設(shè)計(jì)更加順利，并為大規(guī)模算法提供有效的時(shí)間。

1  硬件電路設(shè)計(jì)

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



1.1  無(wú)線發(fā)射部分

無(wú)線發(fā)射部分是多功能無(wú)線鼠標(biāo)的主要部分，本設(shè)計(jì)以nRF24L01為核心構(gòu)建無(wú)線發(fā)射模塊。

nRF24L01具有無(wú)條件使用2.4 GHz全球開(kāi)放ISM頻段，內(nèi)置硬件CRC檢錯(cuò)和一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信地址控制等特點(diǎn)，數(shù)據(jù)傳輸率為2 Mb／s，126個(gè)頻道；能滿足多點(diǎn)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(jī)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(diǎn)。

無(wú)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(duì)低功耗有較嚴(yán)格的要求。MSP430系列單片機(jī)有5種低功耗模式。在一定時(shí)問(wèn)內(nèi)無(wú)操作的情況下，可以使其進(jìn)入某一種低功耗模式，這時(shí)的工作電流可以控制在十幾μA以下。

對(duì)于外圍器件，如光傳感器和無(wú)線發(fā)射部分，設(shè)置了一個(gè)開(kāi)關(guān)，在主控芯片進(jìn)入低功耗模式之前先切斷它們的電源，使系統(tǒng)的功耗進(jìn)一步降低。而在有操作到來(lái)的時(shí)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(kāi)關(guān)打開(kāi)，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(kāi)關(guān)由一個(gè)PNP型的晶體管構(gòu)成，基極作為控制信號(hào)的輸入，發(fā)射極為電壓輸入，集電極為電壓輸出?？刂菩盘?hào)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(biāo)的定位。ADNS-5030的正常工作電壓為3.3 V，在光傳感器的設(shè)計(jì)中需要將電池供電輸出的3.0 V電壓轉(zhuǎn)換成其所需要的3.3 V電壓。電路采用HT7733 芯片來(lái)完成電壓的轉(zhuǎn)換。ADNS-5030通過(guò)SPI總線與主控芯片進(jìn)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(wú)線鼠標(biāo)的按鍵與普通鼠標(biāo)的按鍵功能基本相同，只是將普通鼠標(biāo)的滾輪(wheel)改成了上下鍵的設(shè)計(jì)。這兩種設(shè)計(jì)的功能是相同的。

鍵盤用于阿拉伯?dāng)?shù)字、字母以及各種功能鍵的輸入。采用矩陣式的手機(jī)鍵盤，節(jié)省了主控芯片的I／O口資源。

2  軟件部分設(shè)計(jì)

2.1  通用I／O模擬SPI接口

無(wú)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(jìn)行數(shù)據(jù)交換的。出于成本考慮，本設(shè)計(jì)所選用的主控芯片MSP430F413內(nèi)部沒(méi)有SPI總線接口，因此，需要用通用I／O口來(lái)模擬SPI接口。

用通用I／O口來(lái)模擬SPI串行接口，必須嚴(yán)格遵守器件SPI的總線時(shí)序。ADNS-5030的SPI總線時(shí)序有幾個(gè)需要注意的地方：一是SPI總線的串行時(shí)鐘頻率應(yīng)小于1 MHz，若SPI總線的時(shí)鐘頻率過(guò)高，器件無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)作出響應(yīng)，相應(yīng)的操作也就無(wú)法完成；二是ADNS-5030對(duì)SPI總線上的時(shí)鐘信號(hào)要求50％的占空比，這種要求并不是針對(duì)所有器件的，但對(duì)具體提出這種要求的個(gè)例，就必須遵循了(實(shí)驗(yàn)證明這個(gè)結(jié)論是正確的，筆者通過(guò)在程序中加空指令的方式來(lái)填補(bǔ)空缺，使其占空比達(dá)到器件的要求)；三是SPI總線操作中有許多必要的延時(shí)，如讀操作中寫(xiě)地址和讀數(shù)據(jù)之間需要4μs的延時(shí)，程序中若無(wú)該延時(shí)，就不能執(zhí)行正常的讀寫(xiě)操作。

2.2  無(wú)線發(fā)射部分

nRF24L01的工作原理如下：發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)，首先將nRF24L01配置為發(fā)射模式，接著把接收節(jié)點(diǎn)地址TX_ADDR和有效數(shù)據(jù)TX_PLD按照時(shí)序由SPI口寫(xiě)入nRF24L01緩存區(qū)。TX_PLD必須在CSN為低時(shí)連續(xù)寫(xiě)入，而TX_ADDR在發(fā)射時(shí)寫(xiě)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(dòng)應(yīng)答開(kāi)啟，那么nRF24L01在發(fā)射數(shù)據(jù)后立即進(jìn)入接收模式，接收應(yīng)答信號(hào)(自動(dòng)應(yīng)答接收地址應(yīng)該與接收節(jié)點(diǎn)地址TX_ADDR一致)。如果收到應(yīng)答，則認(rèn)為此次通信成功，TX_DS置高，同時(shí)TX_PLD從TX FIFO中清除；若未收到應(yīng)答，則自動(dòng)重新發(fā)射該數(shù)據(jù)(自動(dòng)重發(fā)已開(kāi)啟)，若重發(fā)次數(shù)(ARC)達(dá)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(shí)，使IRQ變低，產(chǎn)生中斷，通知MCU。發(fā)射成功時(shí)，若CE為低，則nRF24L01進(jìn)入待機(jī)模式1；若發(fā)送堆棧中有數(shù)據(jù)且CE為高，則進(jìn)入下一次發(fā)射；若發(fā)送堆棧中無(wú)數(shù)據(jù)且CE為高，則進(jìn)入待機(jī)模式2。

接收數(shù)據(jù)時(shí)，首先將nRF24L01配置為接收模式，接著延遲130μs進(jìn)入接收狀態(tài)等待數(shù)據(jù)的到來(lái)。當(dāng)接收方檢測(cè)到有效的地址和CRC時(shí)，就將數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)在RXFIFO中，同時(shí)中斷標(biāo)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(shí)自動(dòng)應(yīng)答開(kāi)啟，接收方則同時(shí)進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)回傳應(yīng)答信號(hào)。接收成功時(shí)，若CE變低，則nRF24L01進(jìn)入待機(jī)模式1。

nRF24L01有發(fā)射、接收、待機(jī)和掉電4種工作模式，可以通過(guò)配置寄存器來(lái)設(shè)置其工作狀態(tài)，如表1所列。



待機(jī)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(jī)模式2(Standby-II)是當(dāng)FIFO寄存器為空且CE=1時(shí)進(jìn)入此模式。待機(jī)模式下，所有配置字仍然保留。在掉電模式(PowerDown)下電流損耗最小，同時(shí)nRF24L01也不工作，但其所有配置寄存器的值仍然保留。

無(wú)線發(fā)射部分上電初始化時(shí)，進(jìn)行了如下配置：

①CONFIG寄存器的低4位置1，分別為16位CRC校驗(yàn)，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(dòng)重發(fā))寄存器配置為自動(dòng)重發(fā)延時(shí)500μs，重發(fā)5次；
   
④RF_CH(RF頻道)寄存器配置為工作頻道2 400MHz；
   
⑤RF_SETUP(RF設(shè)置)寄存器配置為發(fā)射功率0 dBm，Air Data Rate為1 MHz；

⑥將地址寫(xiě)入地址寄存器。

在配置寄存器時(shí)應(yīng)注意一點(diǎn)：在寫(xiě)nRF24L01的寄存器時(shí)，它必須工作在掉電模式或待機(jī)模式。而在nRF24L01上電達(dá)到1.9 V以后，要經(jīng)過(guò)10.3 ms的上電復(fù)位然后再進(jìn)入掉電模式。這是一個(gè)不確定狀態(tài)。在此狀態(tài)下，對(duì)寄存器的寫(xiě)操作是無(wú)法完成的，因此必須加上一個(gè)合適的延時(shí)，使程序?qū)RF24L01的配置操作在掉電模式或待機(jī)模式下進(jìn)行。

當(dāng)光傳感器或按鍵等有操作時(shí)，主控制器將讀入的信號(hào)寫(xiě)入nRF24L01的TX_PLD，然后由芯片自動(dòng)生成報(bào)頭和CRC校驗(yàn)碼，并發(fā)送出去。當(dāng)收到應(yīng)答信號(hào)(ACK)后，程序中所設(shè)置的標(biāo)志位success置1，清除TX FIFO隊(duì)列中的數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行下一次數(shù)據(jù)的寫(xiě)入了；若未收到應(yīng)答信號(hào)(ACK)，則標(biāo)志位success置0，繼續(xù)重發(fā)，且新的數(shù)據(jù)無(wú)法寫(xiě)入。

2.3  讀光傳感器位移值

讀光傳感器的位移值，其實(shí)就是讀它對(duì)應(yīng)的寄存器。在ADNS-5030的內(nèi)部寄存器中，地址為0x02的Motion寄存器用于表示是否有位移。其最高位若為0，則無(wú)位移；最高位若為1，則有位移。另外，使用到的兩個(gè)寄存器的地址是0x03和Ox04的DeltaX和DeltaY。這兩個(gè)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(fù)方向，0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(méi)有位移，本次查詢結(jié)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(guò)無(wú)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(dòng)清零，但是Motion寄存器讀后不清零，所以最后需要對(duì)Motion寄存器的最高位進(jìn)行清零，以防止在沒(méi)有位移的情況下，系統(tǒng)也對(duì)DeltaX、DeltaY寄存器進(jìn)行掃描，造成不必要的浪費(fèi)。

另一個(gè)需考慮的地方是光傳感器的分辨率。在上電復(fù)位后，光傳感器的分辨率為默認(rèn)的500cpi(cells perinch)，但是實(shí)驗(yàn)效果并不好。在調(diào)試時(shí)，其位移并不明顯，后來(lái)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(biāo)的位移效果明顯好于分辨率為500 cpi時(shí)的效果。由此可見(jiàn)，光傳感器的這一屬性也是相當(dāng)重要的。

2.4  讀按鍵與鍵盤

左右鍵的設(shè)計(jì)與普通按鍵的設(shè)汁稍有不同。使用鼠標(biāo)時(shí)可以看到，在按下左鍵同時(shí)拖動(dòng)鼠標(biāo)時(shí)，可以選中光標(biāo)移動(dòng)范圍內(nèi)的選項(xiàng)；同樣，右鍵也具有這樣的功能。

在左右鍵的掃描程序中，當(dāng)程序掃描到有鍵按下時(shí)(例如左鍵按下)，立刻將所得到的鍵值發(fā)送出去，這時(shí)，接收端的左鍵值一直是處于按下?tīng)顟B(tài)的，同時(shí)也不耽誤光傳感器等的掃描；當(dāng)左鍵抬起時(shí)，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(shí)現(xiàn)在按下左鍵同時(shí)拖動(dòng)鼠標(biāo)時(shí)，選中光標(biāo)移動(dòng)范圍內(nèi)選項(xiàng)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(yīng)考慮點(diǎn)動(dòng)和連動(dòng)這兩種不同的情況。點(diǎn)動(dòng)即為在一定時(shí)間內(nèi)快速按下一個(gè)按鍵，然后立即釋放；而按下一個(gè)鍵并延時(shí)一段時(shí)間再釋放，則程序?qū)⑵渥R(shí)別為連動(dòng)。

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

結(jié)  語(yǔ)

本文所涉及的硬件均在實(shí)際中調(diào)試通過(guò)。實(shí)驗(yàn)證明，MSP430系列單片機(jī)成本較低，在低功耗產(chǎn)品中的應(yīng)用極為廣泛，將會(huì)得到廣大開(kāi)發(fā)人員的認(rèn)同。本系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)和手機(jī)鍵盤結(jié)合的基本功能，以后仍可以對(duì)其功能進(jìn)行補(bǔ)充，完善多功能無(wú)線鼠標(biāo)的性能。