无线键盘、鼠标工作原理

1、2.4 GHz无线鼠标键盘接收器的设计随着无线通信技术的不断发展，近距离无线通信领域出现了蓝牙、RFID、WIFI等技术。 这些技术不断应用在 嵌入式设备及PC外设中。2 . 4 GHz无线鼠标键盘使用242. 483 5 GHz无线频段，该频段在全球大多数国家属于免授权使用，这为无线产品的普及扫清了最大 障碍。用户可迅速地进入与世界同步的无线设计领域，最大限度地缩短设计和生产时间，并 且具有完美性能，能够替代蓝牙技术。1系统硬件结构2. 4 GHz无线鼠标键盘接收器主要实现鼠标、 键盘等HID类设备在PC机上的枚举 识别过程和接收无线鼠标或键盘发送的数据（包括按键值、鼠标的上下左右移动等），

2、并将接收到的数据通过USB接口传送给PC机，实现鼠标键盘的无线控制功能。接收器主要由 USB接口部分、MCU和无线接收部分组成。系统硬件框图如图I所示。< I.RF24LO1)丽卜II刖接口 罰分（HTaaicssEj *图I系统猊件柜图1. 1 USB接口部分系统采用HOLTEK公司生产的8位USB多媒体键盘编码器HT82K95E作为系统核心。鼠 标、键盘等HID类设备为低速设备，所以接 收器要能同时实现鼠标和键盘数据同 PC机的双 向传输。MCU首先必须具有低速的USB接口，并且最少支持3个端点（包括端点O）。综合 考虑选用了 HT82K95E作为本系统的主控芯片。本系统的USB接口

3、部分电路图如图2所示，其中电阻R100、R101、R102、R103、R104 和电容C102、C114和C115用于EMC。由于鼠标和键盘设备属于从设备，所以应在 USB- 信号线上加1 . 5 k?的上拉电阻。JP1VU出ii.Yi)D rsh- USB*VSS-|-o.i prlilulK i、匸二r i qq ”，丁俩" GmIP 22pFlbOSC1RESKlkU/7h.-业* $ F FPD-IPCOPl卩P时PA7. MiPJUF TOROPA5P.UPA 5P12PAIPAO丫顶LSfiE)-/DATAl'S&IH/CLK11 r L17SCL】$SD

4、A9CE2dnCS>"'('T '5110Sl5OtisoJntKQffiuo LkQSludHT82K95E-2OLSB+53Q10CjiCZ47pF.C'l 13图2 VSB 口部分原理图1 . 2 MCU部分MCU的复位电路采用由R108和C105组成的RC积分电路实现上电复位功能。上电瞬间, 由于电容电压不能突变，所以复位引脚为低电平，然后电容开始缓慢充电，复位引脚电位开始升高，最后变为高电平，完成芯片的上电复位。 HT82K95E微控制器内部还包含一个低 电压复位电路（LVR ），用于监视设备的供电电压。如果设备的供电电压下降到 0.

5、9 V - VLVR的范围内并且超过1 ms的时间，那么LVR就会自动复位设备。应当注意的是对于该设备的复位电路，还应加1个二极管1N4148，接法如图2中的VD100。如果不加此二极管，设备在第一次使用时能够正常复位，但在以后的使用却无法正 常复位，原因是电容中的电荷无法释放掉，而该二极管可以通过整个电路快速释放掉电容中 的电荷。由于nRF24L01的数据包处理模式支持与单片机低速通信而无线部分高速通信，并且 nRF24L01内部有3个不同的RX FIFO寄存器和3个不同的TX FIFO寄存器，在掉电模式下、 待机模式下和数据传输的过程中MCU可以随时访问FIFO寄存器。这就允许SPI接口低

6、速传送 数据，并且可以应用于 MCU硬件上没有SPI接口的情况下。因此在设计中使用 HT82K95E 的PA 口模拟SPI总线与nRF42L01的SPI接口通信。1. 3无线接收部分无线接收部分电路图如图3所示。由于nRF24L01是工作于2. 4 GHz的高频元件，因 此，系统的PCB设计的好坏，直接影响系统的性能。在设计时，必须考虑到各种电磁干扰， 注意调整电阻、电容和电感的位置，特别要注意 电容的位置。nRF24L01模块的PCB为双面 板，底层不放置任何元件，在地层，顶层的空余地方（除天线衬底之外）都覆上铜，并通过 过孔与底层的地相 连。MOS IMisnIS1300 =gJ -ICE

7、USSVDDSCKVDDVSSM1SUVSS顾VSSXC1VSSXC2ANT21KEFANTIVDD PANRF24L014114I . UI7f : I:WnFL ： ifL 5pF3,9nllA： oilK. 2nlin1 辽n $ =JU12"XZITiprCibl in22(>FIMU卜匚二H舟汕市22k£U图3 无线收发模块Fi百.3 认】叩1卩注Enn炸*hw iwmIuIp2协议分析2 . 1 nRF24L01无线通信协议2 . 4 GHz无线通信协议分为3层：物理层、数据链路层和应用层。物理层包括 GFSK调 制和解调器、接收和发送滤波器、射频合成器、

8、SH接口和电源管理，主要完 成数据的调制解调、编码解码、FHSS跳频扩频和SPI通信。数据链路层主要完成解包和封包过程。该协议 有2种基本的封包：数据包和应答包。数据包格式如表1所示。表1Tab. 1数据包格式E'ackct format名称前导码地址f!包控制碱数据CRC檢聯1 尿怕3*5 In tef-r9 bit0-32 byteJ -*2 byte前导码用来检测0和1 , nRF24L01在接收模式下去除前导码，在发送模式下加入前导码。地址内容为接收机地址，地址宽度是 3、4或5字节，可以对接收通道和发送通道分别进行 配置，接收端从接收到的数据包中自动去除地址。封包控制域的格式

9、如表2所示。数据长度标志位只有在动态数据长度选项使能时才有效，6位可以表示传输的数据域字节数从 032字节。标志位用来检测接收到 的数据包是新的 还是重发的。自动应答标志位表示这个封包是否需要自动应答。封包可以采用1或2字节的CRC校验。对于应答包来说，数据域是一个可选项，但是如果使用该选项的话应该使能动态数据长度特性。应用层按照设计需要可以是键盘和鼠标等HID类设备。表2封包控制域格武Tab. 2 PnvkH amtrol Meld format名称标走:位I I动应答标逬位位数儿it621这两种封包在应用层协议中的用途不同。数据包主要用于传送发射端和接收端之间的数 据信息，应答包则是在自动

10、应答功能选项被使能之后才会出现的，以便于发送端检测有无数据丢失。一旦数据丢失，则通过自动重发功能将丢失的数据恢复。增强型的ShockBurst模式可以同时控制应答和重发功能而无需增加MCU工作量。在SCK时钟控制下，数据在主从设备间传输，而且严格地遵守SPI通信的时序。作为接收端（PRX ）, nRF24L01通过2. 4 GHz无线通信技术与发射端（PTX）进行数据交换。 收发器接收到数据后，通过中断nIRQ通知MCU已接收到数据，可以进行读入操作，然后MCU 通过MISO数据传输线读入数据。nRF24L01在接收到数据之后，会自动切换到发送模式发 送应答信号给发射端（PIX），这样就完成了

11、一次数据传输过程。2 . 2 USB设备枚举过程USB的枚举过程是USB规范中一个非常重要的 动作”或过程”这个动作将会让PC知 道何种USB设备剐接上以及其所含的各种信息。若要完成一个设备枚举的过程，需要执行诸多的数据交换以及设备请求。图4描述了一个HID设备的枚举过程，由于本设计是针对鼠 标键盘复合设备的接收器，所以在取完第一次报告描述符后还需要再取另一个设备的报告描述符。图4 枚举过穆3固件设计固件设计使用HT-ICE仿真器，它提供了多种实时仿真功能，包括多功能跟踪、单步执行 以及设定断点功能。图5描述了 USB无线鼠标键盘接收器的程序执行流程。在程序中，键 盘使用端点1，配置为输入；鼠

12、标使用端点 2,配置为输入。都采用USB通信协议中的中断 传输。采用 轮询”的工作机 制,轮询间隔为8 ms。係统初始化nRF24Jj是FIFOUflli中粳折志位为】?端点0中断读出毀锯到缓才器IIIU讣问端点2FIFO淸USB中斯d I图T主程序淹程图接收器上电后，完成系统的初始化，包括MCU的初始化和收发器的接收模式配置过程。 然后系统进入接收数据包的状态中，一旦收到数据包就通过中断的形式通知 MCU有数据包 到来，MCU就会通过1/O 口模拟SPI总线通信过程从nRF24L01中将接收到的数据读出， 然后将数据写到相应的USB端点FIFO中。主机通过查询的方式读取各端点的数据信息， 然 后按照USB规范定义的鼠标和键盘的协议产生相应的动作（如鼠标的移动和按键的值）。无线收发器的初始化过程：1）配置本机地址和要接收的数据包大小；2）配置CONFIG 寄存器，使之进入接收模式，把 CE置高；3） 130 Q后，nRF24L01进入监视状态，等待 数据包的到来；4）当接收到正确的数据包（正确的地址和 CRC校验码），nRF24L01自动 把字头、地址和CRC校验位移去；5） nRF24L01通过把STATUS寄存器的RX_DR置位（STATUS 一般引起微控制器中断）通知微控制器；6）微控制器把数 据从nRF24L01读 出；7）所有数据读取完