摘要：針對RF無線鼠標傳輸速度慢、傳輸距離有限的缺點，提出了一種2．4．GHz無線鼠標鍵盤接收器的設計方案。采用USB多媒體鍵盤編 碼器HT82K95E和射頻收發(fā)器nRF24L01進行設計，以HT82K95E為核心，完成HID設備的枚舉過程�？刂破骼闷胀↖／O口模擬SPI總 線，完成了與無線收發(fā)模塊的數據交換。采用nRF24L01無線通信協議中的Enhanced ShockBurst收發(fā)模式，數據低速輸入，但高速發(fā)射，從而實現了鼠標鍵盤復合設備與主機間的無線通信功能。試驗結果表明，由于采用了2．4 GHz無線技術，該無線鼠標鍵盤接收器能夠有效傳輸距離可達10 m，大大降低功耗，增強了抗干擾性能。
隨著無線通信技術的不斷發(fā)展，近距離無線通信領域出現了藍牙、RFID、WIFI等技術。這些技術不斷應用在嵌入式設備及PC外設中。 2．4 GHz無線鼠標鍵盤使用24～2．483 5 GHz無線頻段，該頻段在全球大多數國家屬于免授權使用，這為無線產品的普及掃清了最大障礙。用戶可迅速地進入與世界同步的無線設計領域，最大限度地縮短設計和生產時間，并且具有完美性能，能夠替代藍牙技術。
1 系統(tǒng)硬件結構
2．4 GHz無線鼠標鍵盤接收器主要實現鼠標、鍵盤等HID類設備在PC機上的枚舉識別過程和接收無線鼠標或鍵盤發(fā)送的數據(包括按鍵值、鼠標的上下左右移動 等)，并將接收到的數據通過USB接口傳送給PC機，實現鼠標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公司生產的8位USB多媒體鍵盤編碼器HT82K95E作為系統(tǒng)核心。鼠標、鍵盤等HID類設備為低速設備，所以接 收器要能同時實現鼠標和鍵盤數據同PC機的雙向傳輸。MCU首先必須具有低速的USB接口，并且最少支持3個端點(包括端點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。由于鼠標和鍵盤設備屬于從設備，所以應在USB-信號線上加1．5 kΩ的上拉電阻。
1．2 MCU部分
MCU的復位電路采用由R108和C105組成的RC積分電路實現上電復位功能。上電瞬間，由于電容電壓不能突變，所以復位引腳為低電平，然后電容開始緩 慢充電，復位引腳電位開始升高，最后變?yōu)楦唠娖�，完成芯片的上電復位。HT82K95E微控制器內部還包含一個低電壓復位電路(LVR)，用于監(jiān)視設備的供電電壓。如果設備的供電電壓下降到0．9 V～VLVR的范圍內并且超過1 ms的時間，那么LVR就會自動復位設備。
應當注意的是對于該設備的復位電路，還應加1個二極管1N4148，接法如圖2中的VD100。如果不加此二極管，設備在第一次使用時能夠正常復位，但在以后的使用卻無法正常復位，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電路快速釋放掉電容中的電荷。
由于nRF24L01的數據包處理模式支持與單片機低速通信而無線部分高速通信，并且nRF24L01內部有3個不同的RX FIFO寄存器和3個不同的TX FIFO寄存器，在掉電模式下、待機模式下和數據傳輸的過程中MCU可以隨時訪問FIFO寄存器。這就允許SPI接口低速傳送數據，并且可以應用于MCU 硬件上沒有SPI接口的情況下。因此在設計中使用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設計的好壞，直接影響系統(tǒng)的性能。在設計時，必須考慮到各種電磁干擾，注意調整電阻、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 協議分析
2．1 nRF24L01無線通信協議
2．4 GHz無線通信協議分為3層：物理層、數據鏈路層和應用層。物理層包括GFSK調制和解調器、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 成數據的調制解調、編碼解碼、FHSS跳頻擴頻和SPI通信。數據鏈路層主要完成解包和封包過程。該協議有2種基本的封包：數據包和應答包。數據包格式如 表1所示。
 前導碼用來檢測0和1，nRF24L01在接收模式下去除前導碼，在發(fā)送模式下加入前導碼。地址內容為接收機地址，地址寬度是3、4或5字節(jié)，可以對接收通道和發(fā)送通道分別進行配置，接收端從接收到的數據包中自動去除地址。
封包控制域的格式如表2所示。數據長度標志位只有在動態(tài)數據長度選項使能時才有效，6位可以表示傳輸的數據域字節(jié)數從0～32字節(jié)。標志位用來檢測接收到 的數據包是新的還是重發(fā)的。自動應答標志位表示這個封包是否需要自動應答。封包可以采用1或2字節(jié)的CRC校驗。對于應答包來說，數據域是一個可選項，但 是如果使用該選項的話應該使能動態(tài)數據長度特性。應用層按照設計需要可以是鍵盤和鼠標等HID類設備。
這兩種封包在應用層協議中的用途不同。數據包主要用于傳送發(fā)射端和接收端之間的數據信息，應答包則是在自動應答功能選項被使能之后才會出現的，以便于發(fā)送 端檢測有無數據丟失。一旦數據丟失，則通過自動重發(fā)功能將丟失的數據恢復。增強型的ShockBurst模式可以同時控制應答和重發(fā)功能而無需增加MCU 工作量。
在SCK時鐘控制下，數據在主從設備間傳輸，而且嚴格地遵守SPI通信的時序。作為接收端(PRX)，nRF24L01通過2．4 GHz無線通信技術與發(fā)射端(PTX)進行數據交換。收發(fā)器接收到數據后，通過中斷nIRQ通知MCU已接收到數據，可以進行讀入操作，然后MCU通過 MISO數據傳輸線讀入數據。nRF24L01在接收到數據之后，會自動切換到發(fā)送模式發(fā)送應答信號給發(fā)射端(PIX)，這樣就完成了一次數據傳輸過程。
2．2 USB設備枚舉過程
USB的枚舉過程是USB規(guī)范中一個非常重要的“動作”或“過程”。這個動作將會讓PC知道何種USB設備剮接上以及其所含的各種信息。若要完成一個設備 枚舉的過程，需要執(zhí)行諸多的數據交換以及設備請求。圖4描述了一個HID設備的枚舉過程，由于本設計是針對鼠標鍵盤復合設備的接收器，所以在取完第一次報 告描述符后還需要再取另一個設備的報告描述符。
3 固件設計
固件設計使用HT-ICE仿真器，它提供了多種實時仿真功能，包括多功能跟蹤、單步執(zhí)行以及設定斷點功能。圖5描述了USB無線鼠標鍵盤 接收器的程序執(zhí)行流程。在程序中，鍵盤使用端點1，配置為輸入；鼠標使用端點2，配置為輸入。都采用USB通信協議中的中斷傳輸。采用“輪詢”的工作機 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)進入接收數據包的狀態(tài)中，一旦收到數據包就通過中斷的形式通知 MCU有數據包到來，MCU就會通過I／O口模擬SPI總線通信過程從nRF24L01中將接收到的數據讀出，然后將數據寫到相應的USB端點FIFO中。主機通過查詢的方式讀取各端點的數據信息，然后按照USB規(guī)范定義的鼠標和鍵盤的協議產生相應的動作(如鼠標的移動和按鍵的值)。
無線收發(fā)器的初始化過程：1)配置本機地址和要接收的數據包大小；2)配置CONFIG寄存器，使之進入接收模式，把CE置高；3)130μs 后，nRF24L01進入監(jiān)視狀態(tài)，等待數據包的到來；4)當接收到正確的數據包(正確的地址和CRC校驗碼)，nRF24L01自動把字頭、地址和 CRC校驗位移去；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 據從nRF24L01讀出；7)所有數據讀取完畢后，可以清除STATUS寄存器。nRF24L01可以進入4種主要模式之一。
4 結束語
本系統(tǒng)基于8位單片機Hr82K95E和nRF24L01型射頻收發(fā)器設計了一個用于無線鼠標鍵盤復合設備的USB無線接收器。該接收器 能夠實現鼠標鍵盤復合設備的全部功能，具有成本低、體積小、通信方向不受制約和通信距離較遠等優(yōu)點，使其替代藍牙及紅外遙控設備成為可能，實踐表明，該接 收器具有廣泛的應用前景。 |
