基于2.4GHz射频通信的多功能鼠标设计

1、基于2.4ghz射频通信的多功能鼠标设计多功能无线鼠标包括无线放射部分和无线接收部分，其中放射部分是关系到其总体性能好坏的关键部分。本系统以nrf24l01为核心构建无线放射模块。nrf24l01是一款新型单片件，工作于2.42.5 ghz ism频段；内置频率合成器、功率、晶体、调制器等功能模块，并融合了增加型shockburst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序举行配置。nrf24l01功耗低，在以0 dbm的功率放射时，工作惟独11.3 ma；接收时，工作电流惟独12.3 ma；多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更便利。多功能无线鼠标是一款用法电池供电的手持设备，功耗

2、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f413，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350a，ram数据保持方式下耗电仅0.1a。光芯片选用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，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放射部分开发过程的同时，对其设计应用中的注重事项和优化办法作了相应的论述。在设计过程中，多注重详情和优化办法可使设计越发顺当，并为大规模算法提供有效的时光。1 硬件设计多功能无线鼠标放射部分主要实现光传感器位移、按键键值的采

3、集，并通过无线放射给接收器。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放射部分组成。系统框图1所示。1.1 无线放射部分无线放射部分是多功能无线鼠标的主要部分，本设计以nrf24l01为核心构建无线放射模块。nrf24l01具有无条件用法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 mbs，126个频道；能满足多点通信和跳频通信的需要；功耗低，供电为1.93.6 v，待机模式下工作电流为22a，掉电模式下仅为900 na。这些是nrf24l01的主要优点。无线放射部分的电路原理2所示。1.2手持系统对低功耗有较严格的要求。ms

4、p430系列有5种低功耗模式。在一定时问内无操作的状况下，可以使其进入某一种低功耗模式，这时的工作电流可以控制在十几a以下。对于外围器件，如光传感器和无线放射部分，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，放射极为电压输入，集电极为电压输出。控制信号的电平变幻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-5

5、030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。电路采纳ht7733 芯片来完成电压的转换。adns-5030通过spi与主控芯片举行数据通信，其衔接方式4所示。1.4 按键与键盘多功能无线鼠标的按键与一般鼠标的按键功能基本相同，只是将一般鼠标的滚轮(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。采纳矩阵式的手机键盘，节约了主控芯片的io口资源。2 软件部分设计2.1 通用io模拟spi接口无线放射芯片nrf24l01和光传感器adns-5030均是采纳spi总线与主

6、控芯片举行数据交换的。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io口来模拟spi接口。用通用io口来模拟spi串行接口，必需严格遵守器件spi的总线时序。adns-5030的spi总线时序有几个需要注重的地方：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，器件无法在短时光内作出响应，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全部器件的，但对详细提出这种要求的个例，就必需遵循了(试验证实这个结论是正确的，笔者通过在程序中加空命令的方式来填补空缺，使其

7、占空比达到器件的要求)；三是spi总线操作中有许多须要的延时，如读操作中写地址和读数据之间需要4s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 无线放射部分nrf24l01的工作原理如下：放射数据时，首先将nrf24l01配置为放射模式，接着把接收节点地址tx_addr和有效数据tx_pld根据时序由spi口写入nrf24l01缓存区。tx_pld必需在csn为低时延续写入，而tx_addr在放射时写入一次即可。然后，ce置为高电平并保持起码10s，延迟130s后放射数据。若自动应答开启，那么nrf24l01在放射数据后立刻进入接收模式，接收应答信号(自动应答接收地址应当与接收节

8、点地址tx_addr全都)。假如收到应答，则认为此次通信胜利，tx_ds置高，同时tx_pld从tx fifo中清除；若未收到应答，则自动重新放射该数据(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。放射胜利时，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，则进入下一次放射；若发送堆栈中很多据且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130s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

9、，就将数据包存储在rxfifo中，同时中断标记位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，接收方则同时进入放射状态回传应答信号。接收胜利时，若ce变低，则nrf24l01进入待机模式1。nrf24l01有放射、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，全部配置字仍然保留。在掉电模式(powerdown)下电流损耗最小，同时nrf24l01也不工作，

10、但其全部配置寄存器的值仍然保留。无线放射部分上电初始化时，举行了如下配置：config寄存器的低4位置1，分离为16位crc校验，芯片上电和接收模式；setup_aw(地址宽度)寄存器配置地址宽度为5字节；setup_retr(自动重发)寄存器配置为自动重发延时500s，重发5次；rf_ch(rf频道)寄存器配置为工作频道2 400mhz；rf_setup(rf设置)寄存器配置为放射功率0 dbm，air data rate为1 mhz；将地址写入地址寄存器。在配置寄存器时应注重一点：在写nrf24l01的寄存器时，它必需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

11、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，因此必需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举行。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，程序中所设置的标记位success置1，清除tx fifo队列中的数据，可以举行下一次数据的写入了；若未收到应答信号(ack)，则标记位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

12、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，用法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离表示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。5所示，首先推断是否有位移，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，并将其通过无线放射部分发送出去。读deltax、deltay寄存器后，寄存器中的值自动

13、清零，但是motion寄存器读后不清零，所以最后需要对motion寄存器的最高位举行清零，以防止在没有位移的状况下，系统也对deltax、deltay寄存器举行扫描，造成不须要的铺张。另一个需考虑的地方是光传感器的辨别率。在上电复位后，光传感器的辨别率为默认的500cpi(cells perinch)，但是试验效果并不好。在调试时，其位移并不显然，后来修改寄存器的值，将其辨别率改为1 000 cpi(惟独500 cpi和1 000 cpi两种辨别率)，光标的位移效果显然好于辨别率为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一般按键的设

14、汁稍有不同。用法鼠标时可以看到，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)，立即将所得到的键值发送出去，这时，接收端的左键值向来是处于按下状态的，同时也不耽搁光传感器等的扫描；当左键抬起时，再向接收端发送按键抬起的命令，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状况。点动即为在一定时光内迅速按下一个按键，然后立刻释放；而按下一个键并延时一段时光再释放，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“o9”10个数字键，“上、下、左、右”4个方向键，“”键，“确