2.4 GHz無(wú)線(xiàn)鼠標(biāo)鍵盤(pán)接收器的設(shè)計(jì)

梁 波，張秀娟，薛慶軍

（山東科技大學(xué) 山東 青島 266510）

隨著無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，近距離無(wú)線(xiàn)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[1]。2.4 GHz無(wú)線(xiàn)鼠標(biāo)鍵盤(pán)使用2.4～2.483 5 GHz無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)產(chǎn)品的普及掃清了最大障礙。用戶(hù)可迅速地進(jìn)入與世界同步的無(wú)線(xiàn)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)

2.4GHz無(wú)線(xiàn)鼠標(biāo)鍵盤(pán)接收器主要實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)、鍵盤(pán)等HID類(lèi)設(shè)備在PC機(jī)上的枚舉識(shí)別過(guò)程和接收無(wú)線(xiàn)鼠標(biāo)或鍵盤(pán)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(guò)USB接口傳送給PC機(jī)，實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)鍵盤(pán)的無(wú)線(xiàn)控制功能。接收器主要由USB接口部分、MCU和無(wú)線(xiàn)接收部分組成。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖Fig.1 Hardware block diagram of system

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(pán)編碼器HT82K95E作為系統(tǒng)核心。鼠標(biāo)、鍵盤(pán)等HID類(lèi)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(pán)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) 0）[2]。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(pán)設(shè)備屬于從設(shè)備，所以應(yīng)在USB-信號(hào)線(xiàn)上加1.5 kΩ的上拉電阻[3]。

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(kāi)始緩慢充電，復(fù)位引腳電位開(kāi)始升高，最后變?yōu)楦唠娖剑瓿尚酒纳想姀?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(guò)1 ms的時(shí)間，那么LVR就會(huì)自動(dòng)復(fù)位設(shè)備[4]。

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(wú)法正常復(fù)位，原因是電容中的電荷無(wú)法釋放掉，而該二極管可以通過(guò)整個(gè)電路快速釋放掉電容中的電荷。

圖2 USB接口部分原理圖Fig.2 Schematic diagram of USB interface

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(wú)線(xiàn)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^(guò)程中MCU可以隨時(shí)訪(fǎng)問(wèn)FIFO寄存器[5]。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(méi)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(xiàn)與nRF42L01的SPI接口通信。

1.3 無(wú)線(xiàn)接收部分

無(wú)線(xiàn)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(xiàn)襯底之外）都覆上銅，并通過(guò)過(guò)孔與底層的地相連[6]。

圖3 無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊Fig.3 Wireless transceiver module

2 協(xié)議分析

2.1 nRF24L01無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議

2.4 GHz無(wú)線(xiàn)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、SPI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(guò)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。

表1 數(shù)據(jù)包格式Tab.1 Packet format

前導(dǎo)碼用來(lái)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(lái)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(lái)說(shuō)，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(huà)應(yīng)該使能動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度特性[7]。應(yīng)用層按照設(shè)計(jì)需要可以是鍵盤(pán)和鼠標(biāo)等HID類(lèi)設(shè)備。

表2 封包控制域格式Tab.2 Packet control field format

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(wú)數(shù)據(jù)丟失。一旦數(shù)據(jù)丟失，則通過(guò)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(wú)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(guò)2.4 GHz無(wú)線(xiàn)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(guò)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(guò)MISO數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)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(PTX)，這樣就完成了一次數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程。

2.2 USB設(shè)備枚舉過(guò)程

USB的枚舉過(guò)程是USB規(guī)范中一個(gè)非常重要的“動(dòng)作”或“過(guò)程”。這個(gè)動(dòng)作將會(huì)讓PC知道何種USB設(shè)備剛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(guò)程，需要執(zhí)行諸多的數(shù)據(jù)交換以及設(shè)備請(qǐng)求[8]。圖4描述了一個(gè)HID設(shè)備的枚舉過(guò)程，由于本設(shè)計(jì)是針對(duì)鼠標(biāo)鍵盤(pán)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。

圖4 枚舉過(guò)程Fig.4 Enumeration process

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(wú)線(xiàn)鼠標(biāo)鍵盤(pán)接收器的程序執(zhí)行流程。在程序中，鍵盤(pán)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(xún)”的工作機(jī)制，輪詢(xún)間隔為8 ms[9]。

圖5 主程序流程圖Fig.5 Flow chart of main program

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(guò)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(guò)中斷的形式通知MCU有數(shù)據(jù)包到來(lái)，MCU就會(huì)通過(guò)I/O口模擬SPI總線(xiàn)通信過(guò)程從nRF24L01中將接收到的數(shù)據(jù)讀出，然后將數(shù)據(jù)寫(xiě)到相應(yīng)的USB端點(diǎn)FIFO中[10]。主機(jī)通過(guò)查詢(xún)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(pán)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(wú)線(xiàn)收發(fā)器的初始化過(guò)程：1）配置本機(jī)地址和要接收的數(shù)據(jù)包大小；2）配置CONFIG寄存器，使之進(jìn)入接收模式，把 CE置高；3）130 μs后，nRF24L01進(jìn)入監(jiān)視狀態(tài)， 等待數(shù)據(jù)包的到來(lái)；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(guò)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)HT82K95E和nRF24L01型射頻收發(fā)器設(shè)計(jì)了一個(gè)用于無(wú)線(xiàn)鼠標(biāo)鍵盤(pán)復(fù)合設(shè)備的USB無(wú)線(xiàn)接收器。該接收器能夠?qū)崿F(xiàn)鼠標(biāo)鍵盤(pán)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。

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