基于2．4 GHz射频通信的多功能鼠标设计

摘要：将手机键盘加鼠标的输入方式应用于电脑上，使人们像遥控操作电视一样操作计算机，将会得到广大消费者的青睐。文章结合光传感器、2．4 GHz无线通信的使用方法以及一键多值的处理方法，阐述多功能无线鼠标发射部分的软、硬件设计。实践表明，该设计具有良好的应用前景。
关键词：无线；光传感器；低功耗；一键多值

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。
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。