一種無接觸供電的無線鼠標*

周成虎，甕嘉民，張 昆

（河南工程學院,河南 鄭州 451191）

目前廣泛使用的無線鼠標通常采用電池供電，定期更換電池給用戶帶來不便。本文設(shè)計了一種無接觸供電CPT(Contact-less Power Transfer)的無線鼠標電路，如圖 1所示。

無接觸供電電路包括無接觸電能發(fā)射電路和無接觸電能接收電路兩部分。無接觸電能發(fā)射電路采用USB供電，電壓為5 V，通過自激振蕩電路產(chǎn)生約138 kHz的高頻振蕩電流；無接觸電能接收電路采用感應(yīng)耦合方式獲取電能。鼠標墊內(nèi)置無接觸耦合原邊載流線圈L31，無線鼠標內(nèi)置副邊載流線圈L32。L32采用無接觸感應(yīng)耦合方式獲取電能，由MC34063集成穩(wěn)壓芯片構(gòu)成BUCK穩(wěn)壓電路，負載電壓為3.3 V。由于采用無接觸供電，因此不需要電池。

無線鼠標用無線模塊nRF24E1構(gòu)成信號發(fā)射和接收電路，該電路除具備有線鼠標全部功能外，還可以離開電腦遠距離靈活操縱鼠標。無線鼠標信號接收電路采用USB與電腦連接，不占用電腦的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)通道。

無線信號發(fā)射電路和無接觸電能接收電路集中安裝在一個印刷線路板上。無線信號接收電路和無接觸電能發(fā)射電路可以根據(jù)需要安裝在不同的印刷線路板上。其中無線信號接收電路可安裝在電腦附近，無接觸電能發(fā)射電路可根據(jù)安裝位置的不同選擇由電腦供電或是單獨采用5 V電源供電。

1 無接觸供電電路工作原理

圖2為無接觸供電電路原理圖。分裂電感L21、L22和功率開關(guān)管 Q1、Q2構(gòu)成自激式推挽式變換器電路，每一個開關(guān)管的控制電壓分別取自另外一個開關(guān)管的兩端電壓[1]。

理想狀態(tài)下，兩個開關(guān)管的參數(shù)相同。初始時刻，開關(guān)管Q1、Q2都在關(guān)斷狀態(tài)。當電路接通時，電源電壓同時作用于開關(guān)管的控制端，使它們同時導通。由于實際電路元件參數(shù)并不完全相同，使得兩個開關(guān)管兩端的電壓不相等。通過正反饋，其中一個開關(guān)管完全關(guān)斷，另一個開關(guān)管導通。隨著諧振電容C3兩端電壓的改變，兩個開關(guān)管在電壓過零時交替導通和斷開，系統(tǒng)自動運行在ZVS模式下。

L31、L32組成無接觸耦合變壓器，其中 C3、C4為原、副邊補償電容，原邊電源、原邊變換器和原邊載流線圈L31屬于固定不動部分；副邊感應(yīng)線圈、副邊變換器和負載為可移動部分。原、副邊之間不存在電氣連接。

D1、D2和 C5、C6構(gòu)成倍壓整流電路，經(jīng) L4、C7濾波后由穩(wěn)壓芯片MC34063構(gòu)成BUCK穩(wěn)壓電路。

通過數(shù)學建模及PSpice軟件仿真,得到無接觸電能傳輸設(shè)計方案，限于篇幅該部分從略。

2 無線鼠標信號發(fā)射和接收電路工作原理

2.1 無線鼠標信號發(fā)射電路工作原理

無線鼠標信號發(fā)射電路如圖3所示。該電路由無線傳輸模塊 nRF24E1、25LC320、ADNS5030及其他外圍電路組成。電源由無接觸電能接收電路提供，為了減少能量消耗，供電電壓定為3.1 V。

無線傳輸模塊nRF24E1同時具有發(fā)射和接收功能，通過軟件設(shè)定決定具體用于發(fā)射或是接收[2]。其通信頻率為2.4 GHz，晶振頻率為16 M，P07和 P06為兩路按鍵輸入，分別為右鍵 RSWITCH、左鍵LSWITCH和中鍵，中鍵與MOSI復用。MOSI為主機輸出，從機數(shù)據(jù)輸入，其中主機為單片機，從機為ADNS5030；SI為串行數(shù)據(jù)輸入；MISO為主機輸入，從機數(shù)據(jù)輸出，復位期間為高電平。

25LC320是一種E2PROM存儲芯片,用于給無線傳輸模塊nRF24E1內(nèi)置的51單片機內(nèi)核提供外接程序存儲器。電路中25LC320采用貼片式封裝，程序采用在線編程方式。

ADNS5030是一種鼠標光電信號檢測芯片，上電后由XY-LED端口發(fā)出閃爍的光信號，通過內(nèi)置的CCD感光芯片檢測鼠標前、后、左、右方向的移動信息。在鼠標移動時電平時序不同，無線傳輸模塊nRF24E1根據(jù)電平時序狀態(tài)判斷轉(zhuǎn)動方向[3]。

在整個電路調(diào)試過程中，鼠標移動和滾輪移動較難實現(xiàn)，本文介紹滾輪識別設(shè)計算法。

滾輪轉(zhuǎn)動識別電路由發(fā)光二極管D2和光敏三極管Q1、Q2組成。滾輪安裝在發(fā)光二極管 D2和光敏三極管Q1、Q2之間，當滾輪上的輻條擋住光線時，光敏三極管Q1、Q2為低電平，否則為高電平。由于光敏三極管 Q1、Q2在滾輪轉(zhuǎn)動時電平時序不同，無線傳輸模塊nRF24E1可根據(jù)電平時序狀態(tài)判斷是前向轉(zhuǎn)動還是后向轉(zhuǎn)動。

電路的程序流程圖如圖4所示。

2.2 無線鼠標信號接收電路工作原理

無線鼠標信號接收電路如圖5所示。該電路由無線傳輸模塊nRF24E1、外部存儲芯片 25LC320、鼠標專用通信芯片HT82M98A、USB端口及其他外圍電路組成。

由USB端口為HT82M98A提供5 V的電源,無線鼠標信號接收電路中，其他芯片使用的電源由HT82M98A自帶的電壓輸出端口V33O提供，供電電壓為3.3 V。無線傳輸模塊接收到發(fā)射模塊傳來的移動信息后由I/O口傳遞到HT82M98A，HT82M98A再將數(shù)據(jù)傳送到電腦的USB口。HT82M98A的端口USBD+/CLK連接USB數(shù)據(jù)正端；USBD-/DATA連接USB數(shù)據(jù)負端。

X1、X2表示鼠標前后移動時(X方向）圖像的數(shù)據(jù)；Y1、Y2表示鼠標左右移動時(Y方向）圖像的數(shù)據(jù)。

Z1、Z2表示鼠標中間滾輪轉(zhuǎn)動的信號數(shù)據(jù)；M、R、L表示鼠標的左、中、右鍵按下時的數(shù)據(jù)；OSC1、OSC2外接6 MHz晶振；RESET表示復位輸入端，啟動時硬件自動復位。

無線鼠標信號接收電路的程序流程圖如圖6所示。在流程圖中，先判斷鼠標前后左右移動時狀態(tài)機X、Y方向的移動信息，再判斷鼠標中間滾輪轉(zhuǎn)動時狀態(tài)機Z方向的移動信息。

3 實驗結(jié)果與結(jié)論

設(shè)計輸入電壓Uin=5 V，Uo=3.1 V的無接觸供電電路，實驗波形如圖7所示。負載為無線鼠標電路，測試負載范圍為60 mW～273 mW。滿輸出負載為91 mA，273 mW，電路效率為52%，工作頻率fs=138 kHz。經(jīng)理論分析，該電路帶負載能力最大可達到350 mW。

無線鼠標用無線模塊nRF24E1構(gòu)成信號發(fā)射和接收電路，可離電腦較遠距離靈活操縱鼠標。無線鼠標信號接收電路采用USB與電腦連接，不占用電腦的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)通道。通過電腦控制面板內(nèi)的自動安裝驅(qū)動程序功能，可一次完成鼠標驅(qū)動的安裝。實驗證明電路可行。

[1]孫躍，王智慧，戴欣,等.非接觸電能傳輸系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性研究[J].電工技術(shù)學報,2005，20(11):56-59.

[2]CHAN E，LUI D.High data rate wirelessUSB optical mouse solution usingthe MC68HC908QY4 and MC68HC-908JB12s[M].Motorola，Hong Kong，Report No.DRM055/D.January 2004.

[3]HU A P，HUSSMANN S，Improved power flow control for contact-less moving sensor applications[M].IEEE Power Electronics Letters，2004.