基于2.4GHz射频通信的多功能鼠标设计

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引 言
多功能无线鼠标包括无线发射部分和无线接收部分，其中发射部分是关系到其总体性能好坏的关键部分。本系统以nRF24L01为核心构建无线发射模块。nRF24L01是一款新型单片射频收发器件，工作于2.4～2.5 GHz ISM频段；内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01功耗低，在以0 dBm的功率发射时，工作电流只有11.3 mA；接收时，工作电流只有12.3 mA；多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便。
多功能无线鼠标是一款使用电池供电的手持设备，功耗是衡量其性能的一个重要标准。本设计所选用的主控芯片是MSP430F413，它是一种16位超低功耗的混合信号处理器，在活跃模式下最大电流为350μA，RAM数据保持方式下耗电仅0.1μA。光传感器芯片选用ADNS-5030。这款芯片体积小，功耗低，在工作模式下，它的工作电流最大为17 mA；仅在光传感器工作的时候，LED才被点亮，这样会使光传感器的功耗进一步下降(小于1 mA)。
本文在介绍多功能无线鼠标发射部分开发过程的同时，对其设计应用中的注意事项和优化方法作了相应的论述。在设计过程中，多注意细节和优化方法可使设计更加顺利，并为大规模算法提供有效的时间。

1 硬件电路设计
多功能无线鼠标发射部分主要实现光传感器位移、按键键值的采集，并通过无线发射给接收器。主要由控制部分、光传感器部分、鼠标按键和键盘部分以及无线发射部分组成。系统框图如图1所示。


1.1 无线发射部分
无线发射部分是多功能无线鼠标的主要部分，本设计以nRF24L01为核心构建无线发射模块。
nRF24L01具有无条件使用2.4 GHz全球开放ISM频段，内置硬件CRC检错和一点对多点通信地址控制等特点，数据传输率为2 Mb／s，126个频道；能满足多点通信和跳频通信的需要；功耗低，供电电压为1.9～3.6 V，待机模式下工作电流为22μA，掉电模式下仅为900 nA。这些是nRF24L01的主要优点。


无线发射部分的电路原理如图2所示。


对于外围器件，如光传感器和无线发射部分，设置了一个开关，在主控芯片进入低功耗模式之前先切断它们的电源，使系统的功耗进一步降低。而在有操作到来的时候，主控芯片从低功耗模式返回到活跃模式，首先将外围器件的电源开关打开，这样可以保证系统正常工作。低功耗电源控制电路如图3所示。开关由一个PNP型的晶体管构成，基极作为控制信号的输入，发射极为电压输入，集电极为电压输出。控制信号的电平变化可以控制线路上电源的通断。


1.3 光传感器部分
光传感器ADNS-5030用于鼠标的定位。ADNS-5030的正常工作电压为3.3 V，在光传感器的设计中需要将电池供电输出的3.0 V电压转换成其所需要的3.3 V电压。电路采用HT7733 芯片来完成电压的转换。ADNS-5030通过SPI总线与主控芯片进行数据通信，其连接方式如图4所示。


1.4 按键与键盘
多功能无线鼠标的按键与普通鼠标的按键功能基本相同，只是将普通鼠标的滚轮(wheel)改成了上下键的设计。这两种设计的功能是相同的。
键盘用于阿拉伯数字、字母以及各种功能键的输入。采用矩阵式的手机键盘，节省了主控芯片的I／O口资源。

2 软件部分设计
2.1 通用I／O模拟SPI接口
无线发射芯片nRF24L01和光传感器ADNS-5030均是采用SPI总线与主控芯片进行数据交换的。出于成本考虑，本设计所选用的主控芯片MSP430F413内部没有SPI总线接口，因此，需要用通用I／O口来模拟SPI接口。
用通用I／O口来模拟SPI串行接口，必须严格遵守器件SPI的总线时序。ADNS-5030的SPI总线时序有几个需要注意的地方：一是SPI总线的串行时钟频率应小于1 MHz，若SPI总线的时钟频率过高，器件无法在短时间内作出响应，相应的操作也就无法完成；二是ADNS-5030对SPI总线上的时钟信号要求50％的占空比，这种要求并不是针对所有器件的，但对具体提出这种要求的个例，就必须遵循了(实验证明这个结论是正确的，笔者通过在程序中加空指令的方式来填补空缺，使其占空比达到器件的要求)；三是SPI总线操作中有许多必要的延时，如读操作中写地址和读数据之间需要4μs的延时，程序中若无该延时，就不能执行正常的读写操作。
2.2 无线发射部分
nRF24L01的工作原理如下：发射数据时，首先将nRF24L01配置为发射模式，接着把接收节点地址TX_ADDR和有效数据TX_PLD按照时序由SPI口写入nRF24L01缓存区。TX_PLD必须在CSN为低时连续写入，而TX_ADDR在发射时写入一次即可。然后，CE置为高电平并保持至少10μs，延迟130μs后发射数据。若自动应答开启，那么nRF24L01在发射数据后立即进入接收模式，接收应答信号(自动应答接收地址应该与接收节点地址TX_ADDR一致)。如果收到应答，则认为此次通信成功，TX_DS置高，同时TX_PLD从TX FIFO中清除；若未收到应答，则自动重新发射该数据(自动重发已开启)，若重发次数(ARC)达到上限，MAX_RT置高，TXFIFO中数据保留以便再次重发。MAX_RT或TX_DS置高时，使IRQ变低，产生中断，通知MCU。发射成功时，若CE为低，则nRF24L01进入待机模式1；若发送堆栈中有数据且CE为高，则进入下一次发射；若发送堆栈中无数据且CE为高，则进入待机模式2。
接收数据时，首先将nRF24L01配置为接收模式，接着延迟130μs进入接收状态等待数据的到来。当接收方检测到有效的地址和CRC时，就将数据包存储在RXFIFO中，同时中断标志位RX_DR置高，IRQ变低，产生中断，通知MCU取数据。若此时自动应答开启，接收方则同时进入发射状态回传应答信号。接收成功时，若CE变低，则nRF24L01进入待机模式1。
nRF24L01有发射、接收、待机和掉电4种工作模式，可以通过配置寄存器来设置其工作状态，如表1所列。
待机模式1(Standby-I)主要用于降低电流损耗(在该模式下，晶体振荡器仍然工作)。待机模式2(Standby-II)是当FIFO寄存器为空且CE=1时进入此模式。待机模式下，所有配置字仍然保留。在掉电模式(PowerDown)下电流损耗最小，同时nRF24L01也不工作，但其所有配置寄存器的值仍然保留。
无线发射部分上电初始化时，进行了如下配置：
①CONFIG寄存器的低4位置1，分别为16位CRC校验，芯片上电和接收模式；
②SETUP_AW(地址宽度)寄存器配置地址宽度为5字节；
③SETUP_RETR(自动重发)寄存器配置为自动重发延时500μs，重发5次；
④RF_CH(RF频道)寄存器配置为工作频道2 400MHz；
⑤RF_SETUP(RF设置)寄存器配置为发射功率0 dBm，Air Data Rate为1 MHz；
⑥将地址写入地址寄存器。
在配置寄存器时应注意一点：在写nRF24L01的寄存器时，它必须工作在掉电模式或待机模式。而在nRF24L01上电达到1.9 V以后，要经过10.3 ms的上电复位然后再进入掉电模式。这是一个不确定状态。在此状态下，对寄存器的写操作是无法完成的，因此必须加上一个合适的延时，使程序对nRF24L01的配置操作在掉电模式或待机模式下进行。
当光传感器或按键等有操作时，主控制器将读入的信号写入nRF24L01的TX_PLD，然后由芯片自动生成报头和CRC校验码，并发送出去。当收到应答信号(ACK)后，程序中所设置的标志位success置1，清除TX FIFO队列中的数据，可以进行下一次数据的写入了；若未收到应答信号(ACK)，则标志位success置0，继续重发，且新的数据无法写入。
2.3 读光传感器位移值
读光传感器的位移值，其实就是读它对应的寄存器。在ADNS-5030的内部寄存器中，地址为0x02的Motion寄存器用于表示是否有位移。其最高位若为0，则无位移；最高位若为1，则有位移。另外，使用到的两个寄存器的地址是0x03和Ox04的DeltaX和DeltaY。这两个寄存器的值分别表示X轴和Y轴方向上的位移。最高位表示位移的方向，1为负方向，0为正方向，低7位表示位移量。


如图5所示，首先判断是否有位移，即Motion的最高位是否为1。若不为1，则表示没有位移，本次查询结束；若为1，则表示有位移，然后再去读DeltaX和DeltaY的值，并将其通过无线发射部分发送出去。
读DeltaX、DeltaY寄存器后，寄存器中的值自动清零，但是Motion寄存器读后不清零，所以最后需要对Motion寄存器的最高位进行清零，以防止在没有位移的情况下，系统也对DeltaX、DeltaY寄存器进行扫描，造成不必要的浪费。
另一个需考虑的地方是光传感器的分辨率。在上电复位后，光传感器的分辨率为默认的500cpi(cells perinch)，但是实验效果并不好。在调试时，其位移并不明显，后来修改寄存器的值，将其分辨率改为1 000 cpi(只有500 cpi和1 000 cpi两种分辨率)，光标的位移效果明显好于分辨率为500 cpi时的效果。由此可见，光传感器的这一属性也是相当重要的。
2.4 读按键与键盘
左右键的设计与普通按键的设汁稍有不同。使用鼠标时可以看到，在按下左键同时拖动鼠标时，可以选中光标移动范围内的选项；同样，右键也具有这样的功能。
在左右键的扫描程序中，当程序扫描到有键按下时(例如左键按下)，立刻将所得到的键值发送出去，这时，接收端的左键值一直是处于按下状态的，同时也不耽误光传感器等的扫描；当左键抬起时，再向接收端发送按键抬起的指令，一次左右键的扫描就完成了。这样就可以实现在按下左键同时拖动鼠标时，选中光标移动范围内选项的操作了。
上下键与左键和右键的操作方式不同。在上下键的扫描程序中还应考虑点动和连动这两种不同的情况。点动即为在一定时间内快速按下一个按键，然后立即释放；而按下一个键并延时一段时间再释放，则程序将其识别为连动。
键盘部分设置了20个键，是一个5×4的矩阵，包括“O～9”10个数字键，“上、下、左、右”4个方向键，“←”键，“确定”键，“Esc"键以及3个快捷键(“显示桌面”、“浏览器”和“我的电脑”)。其中“0～9”10个数字键是复用键，像手机键盘一样，根据一定时间内连击次数的不同，可以输入不同的键值。

结 语
本文所涉及的硬件均在实际中调试通过。实验证明，MSP430系列单片机成本较低，在低功耗产品中的应用极为广泛，将会得到广大开发人员的认同。本系统已实现鼠标和手机键盘结合的基本功能，以后仍可以对其功能进行补充，完善多功能无线鼠标的性能。