1.1  無線發(fā)射部分
        無線發(fā)射部分是多功能無線鼠標的主要部分,，本設(shè)計以nRF24L01為核心構(gòu)建無線發(fā)射模塊。
        nRF24L01具有無條件使用2.4 GHz全球開放ISM頻段,，內(nèi)置硬件CRC檢錯和一點對多點通信地址控制等特點,，數(shù)據(jù)傳輸率為2 Mb／s，126個頻道,；能滿足多點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,。

        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)對低功耗有較嚴格的要求。MSP430系列單片機有5種低功耗模式,。在一定時問內(nèi)無操作的情況下,，可以使其進入某一種低功耗模式，這時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)置了一個開關(guān),，在主控芯片進入低功耗模式之前先切斷它們的電源,，使系統(tǒng)的功耗進一步降低。而在有操作到來的時候,，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)計中需要將電池供電輸出的3.0 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
        多功能無線鼠標的按鍵與普通鼠標的按鍵功能基本相同,，只是將普通鼠標的滾輪(wheel)改成了上下鍵的設(shè)計。這兩種設(shè)計的功能是相同的,。
        鍵盤用于阿拉伯數(shù)字,、字母以及各種功能鍵的輸入。采用矩陣式的手機鍵盤,，節(jié)省了主控芯片的I／O口資源,。
2  軟件部分設(shè)計
2.1  通用I／O模擬SPI接口
        無線發(fā)射芯片nRF24L01和光傳感器ADNS-5030均是采用SPI總線與主控芯片進行數(shù)據(jù)交換的。出于成本考慮,，本設(shè)計所選用的主控芯片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,，必須嚴格遵守器件SPI的總線時序。ADNS-5030的SPI總線時序有幾個需要注意的地方：一是SPI總線的串行時鐘頻率應(yīng)小于1 MHz,，若SPI總線的時鐘頻率過高,，器件無法在短時間內(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例,，就必須遵循了(實驗證明這個結(jié)論是正確的,，筆者通過在程序中加空指令的方式來填補空缺，使其占空比達到器件的要求),；三是SPI總線操作中有許多必要的延時,，如讀操作中寫地址和讀數(shù)據(jù)之間需要4μs的延時，程序中若無該延時,，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,，首先將nRF24L01配置為發(fā)射模式，接著把接收節(jié)點地址TX_ADDR和有效數(shù)據(jù)TX_PLD按照時序由SPI口寫入nRF24L01緩存區(qū),。TX_PLD必須在CSN為低時連續(xù)寫入,，而TX_ADDR在發(fā)射時寫入一次即可。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),。若自動應(yīng)答開啟,，那么nRF24L01在發(fā)射數(shù)據(jù)后立即進入接收模式，接收應(yīng)答信號(自動應(yīng)答接收地址應(yīng)該與接收節(jié)點地址TX_ADDR一致),。如果收到應(yīng)答,，則認為此次通信成功，TX_DS置高,，同時TX_PLD從TX FIFO中清除,；若未收到應(yīng)答，則自動重新發(fā)射該數(shù)據(jù)(自動重發(fā)已開啟),，若重發(fā)次數(shù)(ARC)達到上限,，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,，使IRQ變低，產(chǎn)生中斷,，通知MCU,。發(fā)射成功時，若CE為低,，則nRF24L01進入待機模式1,；若發(fā)送堆棧中有數(shù)據(jù)且CE為高，則進入下一次發(fā)射,；若發(fā)送堆棧中無數(shù)據(jù)且CE為高,，則進入待機模式2。
        接收數(shù)據(jù)時,，首先將nRF24L01配置為接收模式,，接著延遲130μs進入接收狀態(tài)等待數(shù)據(jù)的到來。當接收方檢測到有效的地址和CRC時,，就將數(shù)據(jù)包存儲在RXFIFO中,，同時中斷標志位RX_DR置高，IRQ變低,，產(chǎn)生中斷,，通知MCU取數(shù)據(jù),。若此時自動應(yīng)答開啟，接收方則同時進入發(fā)射狀態(tài)回傳應(yīng)答信號,。接收成功時,，若CE變低，則nRF24L01進入待機模式1,。
        nRF24L01有發(fā)射,、接收、待機和掉電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),。待機模式2(Standby-II)是當FIFO寄存器為空且CE=1時進入此模式。待機模式下,，所有配置字仍然保留,。在掉電模式(PowerDown)下電流損耗最小，同時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，進行了如下配置：
       ①CONFIG寄存器的低4位置1,，分別為16位CRC校驗,，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(自動重發(fā))寄存器配置為自動重發(fā)延時500μs,，重發(fā)5次；
       ④RF_CH(RF頻道)寄存器配置為工作頻道2 400MHz,；
       ⑤RF_SETUP(RF設(shè)置)寄存器配置為發(fā)射功率0 dBm,，Air Data Rate為1 MHz；
       ⑥將地址寫入地址寄存器,。
       在配置寄存器時應(yīng)注意一點：在寫nRF24L01的寄存器時,，它必須工作在掉電模式或待機模式。而在nRF24L01上電達到1.9 V以后,，要經(jīng)過10.3ms的上電復(fù)位然后再進入掉電模式,。這是一個不確定狀態(tài)。在此狀態(tài)下,，對寄存器的寫操作是無法完成的,，因此必須加上一個合適的延時，使程序?qū)RF24L01的配置操作在掉電模式或待機模式下進行。

        當光傳感器或按鍵等有操作時,，主控制器將讀入的信號寫入nRF24L01的TX_PLD,，然后由芯片自動生成報頭和CRC校驗碼，并發(fā)送出去,。當收到應(yīng)答信號(ACK)后,，程序中所設(shè)置的標志位success置1，清除TX FIFO隊列中的數(shù)據(jù),，可以進行下一次數(shù)據(jù)的寫入了,；若未收到應(yīng)答信號(ACK)，則標志位success置0,，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0x02的Motion寄存器用于表示是否有位移,。其最高位若為0，則無位移,；最高位若為1,，則有位移。另外,，使用到的兩個寄存器的地址是0x03和Ox04的DeltaX和DeltaY,。這兩個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為負方向,，0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寄存器進行掃描，造成不必要的浪費,。
         另一個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的500cpi(cells
perinch),，但是實驗效果并不好,。在調(diào)試時，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)，光標的位移效果明顯好于分辨率為500 cpi時的效果,。由此可見,，光傳感器的這一屬性也是相當重要的。
2.4  讀按鍵與鍵盤
        左右鍵的設(shè)計與普通按鍵的設(shè)汁稍有不同,。使用鼠標時可以看到,，在按下左鍵同時拖動鼠標時，可以選中光標移動范圍內(nèi)的選項,；同樣,，右鍵也具有這樣的功能。
       在左右鍵的掃描程序中,，當程序掃描到有鍵按下時(例如左鍵按下),，立刻將所得到的鍵值發(fā)送出去，這時,，接收端的左鍵值一直是處于按下狀態(tài)的,，同時也不耽誤光傳感器等的掃描；當左鍵抬起時,，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。這樣就可以實現(xiàn)在按下左鍵同時拖動鼠標時,，選中光標移動范圍內(nèi)選項的操作了,。
        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)考慮點動和連動這兩種不同的情況,。點動即為在一定時間內(nèi)快速按下一個按鍵,，然后立即釋放；而按下一個鍵并延時一段時間再釋放，則程序?qū)⑵渥R別為連動,。
       鍵盤部分設(shè)置了20個鍵,，是一個5×4的矩陣，包括“O～9”10個數(shù)字鍵,，“上,、下、左,、右”4個方向鍵,，“←”鍵，“確定”鍵,，“Esc"鍵以及3個快捷鍵(“顯示桌面”,、“瀏覽器”和“我的電腦”)。其中“0～9”10個數(shù)字鍵是復(fù)用鍵,，像手機鍵盤一樣,，根據(jù)一定時間內(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際中調(diào)試通過,。實驗證明，MSP430系列單片機成本較低,，在低功耗產(chǎn)品中的應(yīng)用極為廣泛，將會得到廣大開發(fā)人員的認同,。本系統(tǒng)已實現(xiàn)鼠標和手機鍵盤結(jié)合的基本功能,，以后仍可以對其功能進行補充，完善多功能無線鼠標的性能,。