引言

　　多功能無線鼠標(biāo)包括無線發(fā)射部分和無線接收部分,，其中發(fā)射部分是關(guān)系到其總體性能好壞的關(guān)鍵部分,。本系統(tǒng)以nRF24L01為核心構(gòu)建無線發(fā)射模塊。

　　nRF24L01是一款新型單片射頻收發(fā)器件,，工作于2．4～2．5 GHz ISM頻段,；內(nèi)置頻率合成器、功率放大器,、晶體振蕩器,、調(diào)制器等功能模塊，并融合了增強(qiáng)型ShockBurst技術(shù),，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置,。nRF24L01功耗低，在以0 dBm的功率發(fā)射時(shí),，工作電流只有11．3 mA,；接收時(shí)，工作電流只有12．3 mA,；多種低功率工作模式(掉電模式和空閑模式)使節(jié)能設(shè)計(jì)更方便,。

　　多功能無線鼠標(biāo)是一款使用電池供電的手持設(shè)備，功耗是衡量其性能的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn),。本設(shè)計(jì)所選用的主控芯片是MSP430F413,，它是一種16位超低功耗的混合信號處理器，在活躍模式下最大電流為350μA,，RAM數(shù)據(jù)保持方式下耗電僅0．1μA,。光傳感器芯片選用ADNS-5030。這款芯片體積小,，功耗低,，在工作模式下，它的工作電流最大為17 mA,；僅在光傳感器工作的時(shí)候,，LED才被點(diǎn)亮，這樣會(huì)使光傳感器的功耗進(jìn)一步下降(小于1 mA),。

　　本文在介紹多功能無線鼠標(biāo)發(fā)射部分開發(fā)過程的同時(shí),，對其設(shè)計(jì)應(yīng)用中的注意事項(xiàng)和優(yōu)化方法作了相應(yīng)的論述,。在設(shè)計(jì)過程中，多注意細(xì)節(jié)和優(yōu)化方法可使設(shè)計(jì)更加順利,，并為大規(guī)模算法提供有效的時(shí)間,。

　　
1 硬件電路設(shè)計(jì)

　　多功能無線鼠標(biāo)發(fā)射部分主要實(shí)現(xiàn)光傳感器位移、按鍵鍵值的采集,，并通過無線發(fā)射給接收器,。主要由控制部分、光傳感器部分,、鼠標(biāo)按鍵和鍵盤部分以及無線發(fā)射部分組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示,。

　　1．1 無線發(fā)射部分

　　無線發(fā)射部分是多功能無線鼠標(biāo)的主要部分,，本設(shè)計(jì)以nRF24L01為核心構(gòu)建無線發(fā)射模塊。

　　nRF24LOl具有無條件使用2．4 GHz全球開放ISM頻段,，內(nèi)置硬件CRC檢錯(cuò)和一點(diǎn)對多點(diǎn)通信地址控制等特點(diǎn),，數(shù)據(jù)傳輸率為2 Mb／s，126個(gè)頻道,；能滿足多點(diǎn)通信和跳頻通信的需要,；功耗低，供電電壓為1．9～3．6 V,，待機(jī)模式下工作電流為22μA,，掉電模式下僅為900 nA。這些是nRF24L01的主要優(yōu)點(diǎn),。

　　無線發(fā)射部分的電路原理如圖2所示,。

　　1．2 電源管理

　　手持系統(tǒng)對低功耗有較嚴(yán)格的要求。MSP430系列單片機(jī)有5種低功耗模式,。在一定時(shí)間內(nèi)無操作的情況下,，可以使其進(jìn)入某一種低功耗模式，這時(shí)的工作電流可以控制在十幾μA以下,。

　　對于外圍器件,，如光傳感器和無線發(fā)射部分，設(shè)置了一個(gè)開關(guān),，在主控芯片進(jìn)入低功耗模式之前先切斷它們的電源,，使系統(tǒng)的功耗進(jìn)一步降低。而在有操作到來的時(shí)候,，主控芯片從低功耗模式返回到活躍模式,，首先將外圍器件的電源開關(guān)打開，這樣可以保證系統(tǒng)正常工作,。低功耗電源控制電路如圖3所示,。開關(guān)由一個(gè)PNP型的晶體管構(gòu)成,，基極作為控制信號的輸入，發(fā)射極為電壓輸入,，集電極為電壓輸出,。控制信號的電平變化可以控制線路上電源的通斷,。

 　1．3 光傳感器部分

　　光傳感器ADNS-5030用于鼠標(biāo)的定位,。ADNS-5030的正常工作電壓為3．3 V，在光傳感器的設(shè)計(jì)中需要將電池供電輸出的3．O V電壓轉(zhuǎn)換成其所需要的3．3 V電壓,。電路采用HT7733芯片來完成電壓的轉(zhuǎn)換,。ADNS-5030通過SPI總線與主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，其連接方式如圖4所示,。

　　1．4 按鍵與鍵盤

　　多功能無線鼠標(biāo)的按鍵與普通鼠標(biāo)的按鍵功能基本相同,，只是將普通鼠標(biāo)的滾輪(wheel)改成了上下鍵的設(shè)計(jì)。這兩種設(shè)計(jì)的功能是相同的,。鍵盤用于阿拉伯?dāng)?shù)字,、字母以及各種功能鍵的輸入。采用矩陣式的手機(jī)鍵盤,，節(jié)省了主控芯片的I／O口資源,。

　　
2 軟件部分設(shè)計(jì)

　　2．1 通用I／O模擬SPl接口

　　無線發(fā)射芯片nRF24L01和光傳感器ADNS-5030均是采用SPI總線與主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的。出于成本考慮,，本設(shè)計(jì)所選用的主控芯片MSP430F413內(nèi)部沒有SPI總線接口,，因此，需要用通用I／O口來模擬SPI接口,。

　　用通用I／O口來模擬SPI串行接口,，必須嚴(yán)格遵守器件SPI的總線時(shí)序。ADNS-5030的SPI總線時(shí)序有幾個(gè)需要注意的地方：一是SPI總線的串行時(shí)鐘頻率應(yīng)小于1 MHz,，若SPI總線的時(shí)鐘頻率過高,，器件無法在短時(shí)間內(nèi)作出響應(yīng)，相應(yīng)的操作也就無法完成,；二是ADNS-5030對SPI總線上的時(shí)鐘信號要求50％的占空比,，這種要求并不是針對所有器件的，但對具體提出這種要求的個(gè)例,，就必須遵循了(實(shí)驗(yàn)證明這個(gè)結(jié)論是正確的,，筆者通過在程序中加空指令的方式來填補(bǔ)空缺，使其占空比達(dá)到器件的要求),；三是SPI總線操作中有許多必要的延時(shí),，如讀操作中寫地址和讀數(shù)據(jù)之間需要4 μs的延時(shí)，程序中若無該延時(shí),，就不能執(zhí)行正常的讀寫操作,。

        2．2 無線發(fā)射部分

　　nRF24L01的工作原理如下：發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí),，首先將nRF24L01配置為發(fā)射模式，接著把接收節(jié)點(diǎn)地址TX_ADDR和有效數(shù)據(jù)TX_PLD按照時(shí)序由SPI口寫入nRF24L01緩存區(qū),。TX_PLD必須在CSN為低時(shí)連續(xù)寫入,，而TX_ADDR在發(fā)射時(shí)寫入一次即可。然后,，CE置為高電平并保持至少10μs,，延遲130μs后發(fā)射數(shù)據(jù)。若自動(dòng)應(yīng)答開啟,，那么nRF24L01在發(fā)射數(shù)據(jù)后立即進(jìn)入接收模式,，接收應(yīng)答信號(自動(dòng)應(yīng)答接收地址應(yīng)該與接收節(jié)點(diǎn)地址TX_ADDR一致)。如果收到應(yīng)答,，則認(rèn)為此次通信成功,，TX_DS置高，同時(shí)TX_PLD從TX_FIFO中清除,；若未收到應(yīng)答，則自動(dòng)重新發(fā)射該數(shù)據(jù)(自動(dòng)重發(fā)已開啟),，若重發(fā)次數(shù)(ARC)達(dá)到上限,，MAX_RT置高，TXFIFO中數(shù)據(jù)保留以便再次重發(fā),。MAX_RT或TX_DS置高時(shí),，使IRQ變低，產(chǎn)生中斷,，通知MCU,。發(fā)射成功時(shí)，若CE為低,，則nRF24L01進(jìn)入待機(jī)模式1,；若發(fā)送堆棧中有數(shù)據(jù)且CE為高，則進(jìn)入下一次發(fā)射,；若發(fā)送堆棧中無數(shù)據(jù)且CE為高,，則進(jìn)入待機(jī)模式2。

　　接收數(shù)據(jù)時(shí),，首先將nRF24L01配置為接收模式,，接著延遲130μs進(jìn)入接收狀態(tài)等待數(shù)據(jù)的到來。當(dāng)接收方檢測到有效的地址和CRC時(shí),，就將數(shù)據(jù)包存儲在RXFIFO中,，同時(shí)中斷標(biāo)志位RX_DR置高，IRQ變低,，產(chǎn)生中斷,，通知MCU取數(shù)據(jù),。若此時(shí)自動(dòng)應(yīng)答開啟，接收方則同時(shí)進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)回傳應(yīng)答信號,。接收成功時(shí),，若CE變低，則nRF24L01進(jìn)入待機(jī)模式1,。

　　nRF24L01有發(fā)射,、接收、待機(jī)和掉電4種工作模式,，可以通過配置寄存器來設(shè)置其工作狀態(tài),，如表1所列。

　　待機(jī)模式1(Standby-I)主要用于降低電流損耗(在該模式下,，晶體振蕩器仍然工作),。待機(jī)模式2(Standby-II)是當(dāng)FIFO寄存器為空且CE=1時(shí)進(jìn)入此模式。待機(jī)模式下,，所有配置字仍然保留,。在掉電模式(Power Down)下電流損耗最小，同時(shí)nRF24L01也不工作,，但其所有配置寄存器的值仍然保留,。

　　無線發(fā)射部分上電初始化時(shí)，進(jìn)行了如下配置：

①CONFIG寄存器的低4位置1,，分別為16位CRC校驗(yàn),，芯片上電和接收模式；
②SETUP_AW(地址寬度)寄存器配置地址寬度為5字節(jié),；
③SETUP_RETR(自動(dòng)重發(fā))寄存器配置為自動(dòng)重發(fā)延時(shí)500μs,，重發(fā)5次；
④RF_CH(RF頻道)寄存器配置為工作頻道2400MHz,；
⑤RF_SETUP(RF設(shè)置)寄存器配置為發(fā)射功率O dBm,，Air Data Rate為1 MHz；
⑥將地址寫入地址寄存器,。

　　在配置寄存器時(shí)應(yīng)注意一點(diǎn)：在寫nRF24L01的寄存器時(shí),，它必須工作在掉電模式或待機(jī)模式。而在nRF24L01上電達(dá)到l．9 V以后,，要經(jīng)過10．3 ms的上電復(fù)位然后再進(jìn)入掉電模式,。這是一個(gè)不確定狀態(tài)。在此狀態(tài)下,，對寄存器的寫操作是無法完成的,，因此必須加上一個(gè)合適的延時(shí)，使程序?qū)?nRF24L01的配置操作在掉電模式或待機(jī)模式下進(jìn)行。

　　當(dāng)光傳感器或按鍵等有操作時(shí),，主控制器將讀入的信號寫入nRF24L01的TX_PLD,，然后由芯片自動(dòng)生成報(bào)頭和CRC校驗(yàn)碼，并發(fā)送出去,。當(dāng)收到應(yīng)答信號(ACK)后,，程序中所設(shè)置的標(biāo)志位success置1，清除TX FIFO隊(duì)列中的數(shù)據(jù),，可以進(jìn)行下一次數(shù)據(jù)的寫入了,；若未收到應(yīng)答信號(ACK)，則標(biāo)志位success置O,，繼續(xù)重發(fā),，且新的數(shù)據(jù)無法寫入。

　　2．3 讀光傳感器位移值

　　讀光傳感器的位移值,，其實(shí)就是讀它對應(yīng)的寄存器,。在ADNS-5030的內(nèi)部寄存器中，地址為Ox02的Motion寄存器用于表示是否有位移,。其最高位若為O,，則無位移；最高位若為1,，則有位移,。另外，使用到的兩個(gè)寄存器的地址是Ox03和Ox04的DeltaX和DeltaY,。這兩個(gè)寄存器的值分別表示X軸和Y軸方向上的位移。最高位表示位移的方向,，1為負(fù)方向,，O為正方向，低7位表示位移量,。

　　如圖5所示,，首先判斷是否有位移，即Motion的最高位是否為1,。若不為1,，則表示沒有位移，本次查詢結(jié)束,；若為1,，則表示有位移，然后再去讀 DeltaX和DeltaY的值,，并將其通過無線發(fā)射部分發(fā)送出去,。

　　讀DeltaX、DeltaY寄存器后，寄存器中的值自動(dòng)清零,，但是Motion寄存器讀后不清零,，所以最后需要對Motion寄存器的最高位進(jìn)行清零，以防止在沒有位移的情況下,，系統(tǒng)也對DeltaX,、DeltaY寄存器進(jìn)行掃描，造成不必要的浪費(fèi),。

　　另一個(gè)需考慮的地方是光傳感器的分辨率,。在上電復(fù)位后，光傳感器的分辨率為默認(rèn)的500cpi(cells perinch),，但是實(shí)驗(yàn)效果并不好,。在調(diào)試時(shí)，其位移并不明顯,，后來修改寄存器的值,，將其分辨率改為1 000 cpi(只有500 cpi和1 000 cpi兩種分辨率)，光標(biāo)的位移效果明顯好于分辨率為,，500 cpi時(shí)的效果,。由此可見，光傳感器的這一屬性也是相當(dāng)重要的,。 

        2．4 讀按鍵與鍵盤

　　左右鍵的沒計(jì)與普通按鍵的設(shè)計(jì)稍有不同,。使用鼠標(biāo)時(shí)可以看到，在按下左鍵同時(shí)拖動(dòng)鼠標(biāo)時(shí),，可以選中光標(biāo)移動(dòng)范圍內(nèi)的選項(xiàng),；同樣，右鍵也具有這樣的功能,。

　　在左右鍵的掃描程序中,，當(dāng)程序掃描到有鍵按下時(shí)(例如左鍵按下)，立刻將所得到的鍵值發(fā)送出去,，這時(shí),，接收端的左鍵值一直是處于按下狀態(tài)的，同時(shí)也不耽誤光傳感器等的掃描,；當(dāng)左鍵抬起時(shí),，再向接收端發(fā)送按鍵抬起的指令，一次左右鍵的掃描就完成了,。這樣就可以實(shí)現(xiàn)在按下左鍵同時(shí)拖動(dòng)鼠標(biāo)時(shí),，選中光標(biāo)移動(dòng)范圍內(nèi)選項(xiàng)的操作了。

　　上下鍵與左鍵和右鍵的操作方式不同,。在上下鍵的掃描程序中還應(yīng)考慮點(diǎn)動(dòng)和連動(dòng)這兩種不同的情況,。點(diǎn)動(dòng)即為在一定時(shí)間內(nèi)快速按下一個(gè)按鍵,，然后立即釋放；而按下一個(gè)鍵并延時(shí)一段時(shí)間再釋放,，則程序?qū)⑵渥R別為連動(dòng),。

　　鍵盤部分設(shè)置了20個(gè)鍵，是一個(gè)5×4的矩陣,，包括“O～9”10個(gè)數(shù)字鍵,，“上、下,、左,、右”4個(gè)方向鍵，“←”鍵,，“確定”鍵,，“Esc”鍵以及3個(gè)快捷鍵(“顯示桌面”、“瀏覽器”和“我的電腦”),。其中“0～9”10個(gè)數(shù)字鍵是復(fù)用鍵,，像手機(jī)鍵盤一樣，根據(jù)一定時(shí)間內(nèi)連擊次數(shù)的不同,，可以輸入不同的鍵值,。

　　
結(jié)語

　　本文所涉及的硬件均在實(shí)際中調(diào)試通過。實(shí)驗(yàn)證明,，MSP430系列單片機(jī)成本較低,，在低功耗產(chǎn)品中的應(yīng)用極為廣泛，將會(huì)得到廣大開發(fā)人員的認(rèn)同,。本系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)和手機(jī)鍵盤結(jié)合的基本功能,，以后仍可以對其功能進(jìn)行補(bǔ)充，完善多功能無線鼠標(biāo)的性能,。