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基于2.4 GHz射频通信的多功能鼠标设计

作者:时间:2017-06-12来源:网络收藏

引言

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201706/353190.htm

  多功能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。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;仅在器工作的时候,LED才被点亮,这样会使器的功耗进一步下降(小于1 mA)。

  本文在介绍多功能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。

  nRF24LOl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。

  1.2 电源管理

  手持系统对低功耗有较严格的要求。MSP430系列单片机有5种低功耗模式。在一定时间内无操作的情况下,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μA以下。

  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.O 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SPl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4 μs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(Power Down)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2400MHz;
⑤RF_SETUP(RF设置)寄存器配置为发射功率O 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l.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O,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Ox02的Motion寄存器用于表示是否有位移。其最高位若为O,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Ox03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,O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

  左右键的没计与普通按键的设计稍有不同。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。



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