2.4GHz無線鼠標(biāo)鍵盤接收器的設(shè)計(jì) - 全文

　　隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，近距離無線通信領(lǐng)域出現(xiàn)了藍(lán)牙、RFID、WIFI等技術(shù)。這些技術(shù)不斷應(yīng)用在嵌入式設(shè)備及PC外設(shè)中。 2．4 GHz無線鼠標(biāo)鍵盤使用24～2．483 5 GHz無線頻段，該頻段在全球大多數(shù)國(guó)家屬于免授權(quán)使用，這為無線產(chǎn)品的普及掃清了最大障礙。用戶可迅速地進(jìn)入與世界同步的無線設(shè)計(jì)領(lǐng)域，最大限度地縮短設(shè)計(jì)和生產(chǎn)時(shí)間，并且具有完美性能，能夠替代藍(lán)牙技術(shù)。

　　1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　2．4 GHz無線鼠標(biāo)鍵盤接收器主要實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)、鍵盤等HID類設(shè)備在PC機(jī)上的枚舉識(shí)別過程和接收無線鼠標(biāo)或鍵盤發(fā)送的數(shù)據(jù)（包括按鍵值、鼠標(biāo)的上下左右移動(dòng) 等），并將接收到的數(shù)據(jù)通過USB接口傳送給PC機(jī)，實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)鍵盤的無線控制功能。接收器主要由USB接口部分、MCU和無線接收部分組成。系統(tǒng)硬件框圖 如圖l所示。

　　1. 1 USB接口部分

　　系統(tǒng)采用HOLTEK公司生產(chǎn)的8位USB多媒體鍵盤編碼器HT82K95E作為系統(tǒng)核心。鼠標(biāo)、鍵盤等HID類設(shè)備為低速設(shè)備，所以接 收器要能同時(shí)實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)和鍵盤數(shù)據(jù)同PC機(jī)的雙向傳輸。MCU首先必須具有低速的USB接口，并且最少支持3個(gè)端點(diǎn)（包括端點(diǎn)O）。綜合考慮選用了 HT82K95E作為本系統(tǒng)的主控芯片。

　　本系統(tǒng)的USB接口部分電路圖如圖2所示，其中電阻R100、R101、R102、R103、R104和電容C102、C114和C115用于EMC。由于鼠標(biāo)和鍵盤設(shè)備屬于從設(shè)備，所以應(yīng)在USB-信號(hào)線上加1．5 kΩ的上拉電阻。

圖2

　　1．2 MCU部分

　　MCU的復(fù)位電路采用由R108和C105組成的RC積分電路實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位功能。上電瞬間，由于電容電壓不能突變，所以復(fù)位引腳為低電平，然后電容開始緩 慢充電，復(fù)位引腳電位開始升高，最后變?yōu)楦唠娖?，完成芯片的上電?fù)位。HT82K95E微控制器內(nèi)部還包含一個(gè)低電壓復(fù)位電路（LVR），用于監(jiān)視設(shè)備的供電電壓。如果設(shè)備的供電電壓下降到0．9 V～VLVR的范圍內(nèi)并且超過1 ms的時(shí)間，那么LVR就會(huì)自動(dòng)復(fù)位設(shè)備。

　　應(yīng)當(dāng)注意的是對(duì)于該設(shè)備的復(fù)位電路，還應(yīng)加1個(gè)二極管1N4148，接法如圖2中的VD100。如果不加此二極管，設(shè)備在第一次使用時(shí)能夠正常復(fù)位，但在以后的使用卻無法正常復(fù)位，原因是電容中的電荷無法釋放掉，而該二極管可以通過整個(gè)電路快速釋放掉電容中的電荷。

　　由于nRF24L01的數(shù)據(jù)包處理模式支持與單片機(jī)低速通信而無線部分高速通信，并且nRF24L01內(nèi)部有3個(gè)不同的RX FIFO寄存器和3個(gè)不同的TX FIFO寄存器，在掉電模式下、待機(jī)模式下和數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中MCU可以隨時(shí)訪問FIFO寄存器。這就允許SPI接口低速傳送數(shù)據(jù)，并且可以應(yīng)用于MCU 硬件上沒有SPI接口的情況下。因此在設(shè)計(jì)中使用HT82K95E的PA口模擬SPI總線與nRF42L01的SPI接口通信。

　　1．3 無線接收部分

　　無線接收部分電路圖如圖3所示。由于nRF24L01是工作于2．4 GHz的高頻元件，因此，系統(tǒng)的PCB設(shè)計(jì)的好壞，直接影響系統(tǒng)的性能。在設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮到各種電磁干擾，注意調(diào)整電阻、電容和電感的位置，特別要注意 電容的位置。nRF24L01模塊的PCB為雙面板，底層不放置任何元件，在地層，頂層的空余地方（除天線襯底之外）都覆上銅，并通過過孔與底層的地相 連。

　　2 協(xié)議分析

　　2．1 nRF24L01無線通信協(xié)議

　　2．4 GHz無線通信協(xié)議分為3層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。物理層包括GFSK調(diào)制和解調(diào)器、接收和發(fā)送濾波器、射頻合成器、SH接口和電源管理，主要完 成數(shù)據(jù)的調(diào)制解調(diào)、編碼解碼、FHSS跳頻擴(kuò)頻和SPI通信。數(shù)據(jù)鏈路層主要完成解包和封包過程。該協(xié)議有2種基本的封包：數(shù)據(jù)包和應(yīng)答包。數(shù)據(jù)包格式如 表1所示。

　　前導(dǎo)碼用來檢測(cè)0和1，nRF24L01在接收模式下去除前導(dǎo)碼，在發(fā)送模式下加入前導(dǎo)碼。地址內(nèi)容為接收機(jī)地址，地址寬度是3、4或5字節(jié)，可以對(duì)接收通道和發(fā)送通道分別進(jìn)行配置，接收端從接收到的數(shù)據(jù)包中自動(dòng)去除地址。

　　封包控制域的格式如表2所示。數(shù)據(jù)長(zhǎng)度標(biāo)志位只有在動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度選項(xiàng)使能時(shí)才有效，6位可以表示傳輸?shù)臄?shù)據(jù)域字節(jié)數(shù)從0～32字節(jié)。標(biāo)志位用來檢測(cè)接收到 的數(shù)據(jù)包是新的還是重發(fā)的。自動(dòng)應(yīng)答標(biāo)志位表示這個(gè)封包是否需要自動(dòng)應(yīng)答。封包可以采用1或2字節(jié)的CRC校驗(yàn)。對(duì)于應(yīng)答包來說，數(shù)據(jù)域是一個(gè)可選項(xiàng)，但 是如果使用該選項(xiàng)的話應(yīng)該使能動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度特性。應(yīng)用層按照設(shè)計(jì)需要可以是鍵盤和鼠標(biāo)等HID類設(shè)備。

　　這兩種封包在應(yīng)用層協(xié)議中的用途不同。數(shù)據(jù)包主要用于傳送發(fā)射端和接收端之間的數(shù)據(jù)信息，應(yīng)答包則是在自動(dòng)應(yīng)答功能選項(xiàng)被使能之后才會(huì)出現(xiàn)的，以便于發(fā)送 端檢測(cè)有無數(shù)據(jù)丟失。一旦數(shù)據(jù)丟失，則通過自動(dòng)重發(fā)功能將丟失的數(shù)據(jù)恢復(fù)。增強(qiáng)型的ShockBurst模式可以同時(shí)控制應(yīng)答和重發(fā)功能而無需增加MCU 工作量。

　　在SCK時(shí)鐘控制下，數(shù)據(jù)在主從設(shè)備間傳輸，而且嚴(yán)格地遵守SPI通信的時(shí)序。作為接收端（PRX），nRF24L01通過2．4 GHz無線通信技術(shù)與發(fā)射端（PTX）進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。收發(fā)器接收到數(shù)據(jù)后，通過中斷nIRQ通知MCU已接收到數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行讀入操作，然后MCU通過 MISO數(shù)據(jù)傳輸線讀入數(shù)據(jù)。nRF24L01在接收到數(shù)據(jù)之后，會(huì)自動(dòng)切換到發(fā)送模式發(fā)送應(yīng)答信號(hào)給發(fā)射端（PIX），這樣就完成了一次數(shù)據(jù)傳輸過程。

　　2．2 USB設(shè)備枚舉過程

　　USB的枚舉過程是USB規(guī)范中一個(gè)非常重要的“動(dòng)作”或“過程”。這個(gè)動(dòng)作將會(huì)讓PC知道何種USB設(shè)備剮接上以及其所含的各種信息。若要完成一個(gè)設(shè)備 枚舉的過程，需要執(zhí)行諸多的數(shù)據(jù)交換以及設(shè)備請(qǐng)求。圖4描述了一個(gè)HID設(shè)備的枚舉過程，由于本設(shè)計(jì)是針對(duì)鼠標(biāo)鍵盤復(fù)合設(shè)備的接收器，所以在取完第一次報(bào) 告描述符后還需要再取另一個(gè)設(shè)備的報(bào)告描述符。

　　3 固件設(shè)計(jì)

　　固件設(shè)計(jì)使用HT-ICE仿真器，它提供了多種實(shí)時(shí)仿真功能，包括多功能跟蹤、單步執(zhí)行以及設(shè)定斷點(diǎn)功能。圖5描述了USB無線鼠標(biāo)鍵盤 接收器的程序執(zhí)行流程。在程序中，鍵盤使用端點(diǎn)1，配置為輸入；鼠標(biāo)使用端點(diǎn)2，配置為輸入。都采用USB通信協(xié)議中的中斷傳輸。采用“輪詢”的工作機(jī) 制，輪詢間隔為8 ms。

　　接收器上電后，完成系統(tǒng)的初始化，包括MCU的初始化和收發(fā)器的接收模式配置過程。然后系統(tǒng)進(jìn)入接收數(shù)據(jù)包的狀態(tài)中，一旦收到數(shù)據(jù)包就通過中斷的形式通知 MCU有數(shù)據(jù)包到來，MCU就會(huì)通過I／O口模擬SPI總線通信過程從nRF24L01中將接收到的數(shù)據(jù)讀出，然后將數(shù)據(jù)寫到相應(yīng)的USB端點(diǎn)FIFO中。主機(jī)通過查詢的方式讀取各端點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，然后按照USB規(guī)范定義的鼠標(biāo)和鍵盤的協(xié)議產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作（如鼠標(biāo)的移動(dòng)和按鍵的值）。

　　無線收發(fā)器的初始化過程：1）配置本機(jī)地址和要接收的數(shù)據(jù)包大?。?）配置CONFIG寄存器，使之進(jìn)入接收模式，把CE置高；3）130μs 后，nRF24L01進(jìn)入監(jiān)視狀態(tài)，等待數(shù)據(jù)包的到來；4）當(dāng)接收到正確的數(shù)據(jù)包（正確的地址和CRC校驗(yàn)碼），nRF24L01自動(dòng)把字頭、地址和 CRC校驗(yàn)位移去；5）nRF24L01通過把STATUS寄存器的RX_DR置位（STATUS一般引起微控制器中斷）通知微控制器；6）微控制器把數(shù) 據(jù)從nRF24L01讀出；7）所有數(shù)據(jù)讀取完畢后，可以清除STATUS寄存器。nRF24L01可以進(jìn)入4種主要模式之一。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　本系統(tǒng)基于8位單片機(jī)Hr82K95E和nRF24L01型射頻收發(fā)器設(shè)計(jì)了一個(gè)用于無線鼠標(biāo)鍵盤復(fù)合設(shè)備的USB無線接收器。該接收器 能夠?qū)崿F(xiàn)鼠標(biāo)鍵盤復(fù)合設(shè)備的全部功能，具有成本低、體積小、通信方向不受制約和通信距離較遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，使其替代藍(lán)牙及紅外遙控設(shè)備成為可能，實(shí)踐表明，該接 收器具有廣泛的應(yīng)用前景。