摘要：針對RF無(wú)線(xiàn)鼠標傳輸速度慢、傳輸距離有限的缺點(diǎn)，提出了一種2．4．GHz無(wú)線(xiàn)鼠標鍵盤(pán)接收器的設計方案。采用USB多媒體鍵盤(pán)編 碼器HT82K95E和射頻收發(fā)器nRF24L01進(jìn)行設計，以HT82K95E為核心，完成HID設備的枚舉過(guò)程�？刂破骼�用普通I／O口模擬SPI總 線(xiàn)，完成了與無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊的數據交換。采用nRF24L01無(wú)線(xiàn)通信協(xié)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(shí)現了鼠標鍵盤(pán)復合設備與主機間的無(wú)線(xiàn)通信功能。試驗結果表明，由于采用了2．4 GHz無(wú)線(xiàn)技術(shù)，該無(wú)線(xiàn)鼠標鍵盤(pán)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(zhù)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)域出現了藍牙、RFID、WIFI等技術(shù)。這些技術(shù)不斷應用在嵌入式設備及PC外設中。  2．4 GHz無(wú)線(xiàn)鼠標鍵盤(pán)使用24～2．483 5 GHz無(wú)線(xiàn)頻段，該頻段在全球大多數國家屬于免授權使用，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)設計領(lǐng)域，最大限度地縮短設計和生產(chǎn)時(shí)間，并且具有完美性能，能夠替代藍牙技術(shù)。

　　1 系統硬件結構

　　2．4 GHz無(wú)線(xiàn)鼠標鍵盤(pán)接收器主要實(shí)現鼠標、鍵盤(pán)等HID類(lèi)設備在PC機上的枚舉識別過(guò)程和接收無(wú)線(xiàn)鼠標或鍵盤(pán)發(fā)送的數據(包括按鍵值、鼠標的上下左右移動(dòng) 等)，并將接收到的數據通過(guò)USB接口傳送給PC機，實(shí)現鼠標鍵盤(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。系統硬件框圖 如圖l所示。

　　1. 1 USB接口部分

　　系統采用HOLTEK公司生產(chǎn)的8位USB多媒體鍵盤(pán)編碼器HT82K95E作為系統核心。鼠標、鍵盤(pán)等HID類(lèi)設備為低速設備，所以接 收器要能同時(shí)實(shí)現鼠標和鍵盤(pán)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(gè)端點(diǎn)(包括端點(diǎn)O)。綜合考慮選用了 HT82K95E作為本系統的主控芯片。

　　本系統的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(pán)設備屬于從設備，所以應在USB-信號線(xiàn)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(shí)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(kāi)始緩 慢充電，復位引腳電位開(kāi)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(gè)低電壓復位電路(LVR)，用于監視設備的供電電壓。如果設備的供電電壓下降到0．9 V～VLVR的范圍內并且超過(guò)1 ms的時(shí)間，那么LVR就會(huì )自動(dòng)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(gè)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(shí)能夠正常復位，但在以后的使用卻無(wú)法正常復位，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。

　　由于nRF24L01的數據包處理模式支持與單片機低速通信而無(wú)線(xiàn)部分高速通信，并且nRF24L01內部有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、待機模式下和數據傳輸的過(guò)程中MCU可以隨時(shí)訪(fǎng)問(wèn)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(méi)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(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，系統的PCB設計的好壞，直接影響系統的性能。在設計時(shí)，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(xiàn)襯底之外)都覆上銅，并通過(guò)過(guò)孔與底層的地相 連。

　　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(guò)程。該協(xié)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(lái)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，可以對接收通道和發(fā)送通道分別進(jìn)行配置，接收端從接收到的數據包中自動(dòng)去除地址。

　　封包控制域的格式如表2所示。數據長(cháng)度標志位只有在動(dòng)態(tài)數據長(cháng)度選項使能時(shí)才有效，6位可以表示傳輸的數據域字節數從0～32字節。標志位用來(lái)檢測接收到 的數據包是新的還是重發(fā)的。自動(dòng)應答標志位表示這個(gè)封包是否需要自動(dòng)應答。封包可以采用1或2字節的CRC校驗。對于應答包來(lái)說(shuō)，數據域是一個(gè)可選項，但 是如果使用該選項的話(huà)應該使能動(dòng)態(tài)數據長(cháng)度特性。應用層按照設計需要可以是鍵盤(pán)和鼠標等HID類(lèi)設備。

　　這兩種封包在應用層協(xié)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(dòng)應答功能選項被使能之后才會(huì )出現的，以便于發(fā)送 端檢測有無(wú)數據丟失。一旦數據丟失，則通過(guò)自動(dòng)重發(fā)功能將丟失的數據恢復。增強型的ShockBurst模式可以同時(shí)控制應答和重發(fā)功能而無(wú)需增加MCU 工作量。

　　在SCK時(shí)鐘控制下，數據在主從設備間傳輸，而且嚴格地遵守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)行數據交換。收發(fā)器接收到數據后，通過(guò)中斷nIRQ通知MCU已接收到數據，可以進(jìn)行讀入操作，然后MCU通過(guò) MISO數據傳輸線(xiàn)讀入數據。nRF24L01在接收到數據之后，會(huì )自動(dòng)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(guò)程。

　　2．2 USB設備枚舉過(guò)程

　　USB的枚舉過(guò)程是USB規范中一個(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設備剮接上以及其所含的各種信息。若要完成一個(gè)設備 枚舉的過(guò)程，需要執行諸多的數據交換以及設備請求。圖4描述了一個(gè)HID設備的枚舉過(guò)程，由于本設計是針對鼠標鍵盤(pán)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(gè)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(shí)時(shí)仿真功能，包括多功能跟蹤、單步執行以及設定斷點(diǎn)功能。圖5描述了USB無(wú)線(xiàn)鼠標鍵盤(pán) 接收器的程序執行流程。在程序中，鍵盤(pán)使用端點(diǎn)1，配置為輸入；鼠標使用端點(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 制，輪詢(xún)間隔為8 ms。

　　接收器上電后，完成系統的初始化，包括MCU的初始化和收發(fā)器的接收模式配置過(guò)程。然后系統進(jìn)入接收數據包的狀態(tài)中，一旦收到數據包就通過(guò)中斷的形式通知 MCU有數據包到來(lái)，MCU就會(huì )通過(guò)I／O口模擬SPI總線(xiàn)通信過(guò)程從nRF24L01中將接收到的數據讀出，然后將數據寫(xiě)到相應的USB端點(diǎn)FIFO中。主機通過(guò)查詢(xún)的方式讀取各端點(diǎn)的數據信息，然后按照USB規范定義的鼠標和鍵盤(pán)的協(xié)議產(chǎn)生相應的動(dòng)作(如鼠標的移動(dòng)和按鍵的值)。

　　無(wú)線(xiàn)收發(fā)器的初始化過(guò)程：1)配置本機地址和要接收的數據包大��；2)配置CONFIG寄存器，使之進(jìn)入接收模式，把CE置高；3)130μs 后，nRF24L01進(jìn)入監視狀態(tài)，等待數據包的到來(lái)；4)當接收到正確的數據包(正確的地址和CRC校驗碼)，nRF24L01自動(dòng)把字頭、地址和 CRC校驗位移去；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 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(jìn)入4種主要模式之一。

　　4 結束語(yǔ)

　　本系統基于8位單片機Hr82K95E和nRF24L01型射頻收發(fā)器設計了一個(gè)用于無(wú)線(xiàn)鼠標鍵盤(pán)復合設備的USB無(wú)線(xiàn)接收器。該接收器 能夠實(shí)現鼠標鍵盤(pán)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(diǎn)，使其替代藍牙及紅外遙控設備成為可能，實(shí)踐表明，該接 收器具有廣泛的應用前景。