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          51兼容射頻Soc nRF9E5與無(wú)線光機(jī)鼠標(biāo)設(shè)計(jì)

          作者: 時(shí)間:2004-12-07 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
          作者Email: liekie@126.com

          【摘 要】本文首先比較詳細(xì)、系統(tǒng)地介紹了最新51SoC 的片內(nèi)微控制器和其它功能模塊;然后分析了與有線的區(qū)別,并引出了的概念和工作原理,給出用進(jìn)行鼠標(biāo)的方案和該方案中的電池壽命的計(jì)算方法;最后,說(shuō)明用進(jìn)行無(wú)線鼠標(biāo)的優(yōu)勢(shì)。

          【關(guān)鍵詞】nRF9E5;;無(wú)線通信;光機(jī)鼠標(biāo);鼠標(biāo)

          1. 引言

          nRF9E5是Nordic VLSI公司于2004年2月5日推出的系統(tǒng)級(jí)RF芯片,其內(nèi)置nRF905 433/868/915MHz收發(fā)器、8051微控制器和4輸入10位80ksps AD轉(zhuǎn)換器,是真正的系統(tǒng)級(jí)芯片。內(nèi)置nRF905收發(fā)器與nRF905 芯片的收發(fā)器一樣,可以工作在ShockBurstTM(自動(dòng)處理前綴、地址和CRC)方式。內(nèi)置電壓調(diào)整模塊,最大限度地抑制噪音,為系統(tǒng)提供1.9V到3.6V的工作電壓。nRF9E5符合美國(guó)通信委員會(huì)和歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。由于nRF905功耗低,工作可靠,因此很適用于無(wú)線光機(jī)鼠標(biāo)。

          2. nRF9E5功能介紹

          2.1微控制器

          nRF9E5的片內(nèi)微控制器與標(biāo)準(zhǔn)51。指令時(shí)序與標(biāo)準(zhǔn)51稍有區(qū)別,典型的區(qū)別是nRF9E5的片內(nèi)微控制器的指令周期為4到20個(gè)指令周期。中斷控制器支持5個(gè)擴(kuò)展的中斷源:ADC中斷、SPI中斷、RADIO1中斷、RADIO2中斷和喚醒定時(shí)器中斷。片內(nèi)控制器還有3個(gè)與8052相同的定時(shí)器。一個(gè)和8051相同的串口,可以用定時(shí)器1和定時(shí)器2來(lái)作為異步通信的波特率產(chǎn)生器。此外,還擴(kuò)展了兩個(gè)數(shù)據(jù)指針,以方便于從XRAM區(qū)讀取數(shù)據(jù)。

          微處理器中有256字節(jié)的數(shù)據(jù)RAM和512字節(jié)的ROM。上電復(fù)位或軟件復(fù)位后,處理器自動(dòng)執(zhí)行ROM中的引導(dǎo)區(qū)中的代碼。用戶(hù)程序通常是在引導(dǎo)區(qū)的引導(dǎo)下,從EEPROM加載到1個(gè)4K的RAM中,這個(gè)4K的RAM也可作存儲(chǔ)數(shù)據(jù)用。如果應(yīng)用當(dāng)中不用掩膜ROM(也即內(nèi)含的ROM),程序代碼必須從外部非易失性存儲(chǔ)器中加載,比較常見(jiàn)的是通過(guò)SPI接口擴(kuò)展型號(hào)為25320的EEPROM。

          nRF9E5的大部分寄存器和標(biāo)準(zhǔn)8051相同,只是為了控制一些8051沒(méi)有的功能,增加了一些特殊功能寄存器,如RADIO(P2)、ADCCON、ADCDATAH、ADCDATAL、ADCSTATIC、PWMCON、PWMDUTY等。nRF9E5中的P0、P1和P2口寄存器地址和標(biāo)準(zhǔn)8051中的相同,都是0x80,0x90,0xA0,但功能和標(biāo)準(zhǔn)8051中的有所不同。

          圖1 nRF9E5功能圖[1]

          2.2 PWM

          nRF9E5內(nèi)有一個(gè)可編程控制的PWM(脈寬調(diào)制)輸出,使用時(shí),通過(guò)程序改變P0.7的功能來(lái)實(shí)現(xiàn),并可編程決定PWM工作于6位、7位或8位。PWM的頻率與晶振有關(guān),可編程控制。

          2.3 SPI接口

          SPI(串行外設(shè)接口)的接口引腳有MISO(接收EEPROM的SDO送來(lái)的數(shù)據(jù))、SCK(給EEPROM的SCK提供時(shí)鐘信號(hào))、MOSI(送數(shù)據(jù)到EEPROM的SDI)、EECSN(給EEPROM的CSN送使能信號(hào))。SPI口的MISO、SCK和MOSI與P1口的低3位重用,通過(guò)寄存器SPI_CTRL控制來(lái)控制功能間的撤換。SPI硬件不產(chǎn)生任何片選信號(hào),可以用GPIO口來(lái)進(jìn)行片選。通常,系統(tǒng)上電時(shí),SPI自動(dòng)和片外的25320相連,當(dāng)程序加載完成后,MISO(P1.2)、MOSI(P1.0)和SCK(P1.0)可能會(huì)用作其它用途,比如其它的SPI器件或GPIO。

          2.4 LF時(shí)鐘,RTC喚醒定時(shí)器,GPIO喚醒和WTD

          nRF9E5內(nèi)有一個(gè)低頻的時(shí)鐘CKLF,該時(shí)鐘常開(kāi)。當(dāng)晶振開(kāi)始工作后,CKLF頻率為4kHz;晶振不工作時(shí),CKLF是一個(gè)低功耗RC晶振并且不能禁能,只要VDD 1.8V,其連續(xù)工作。RTC喚醒定時(shí)器、WTD(看門(mén)狗)和GPIO喚醒全都工作在CKLF頻率,以保證芯片低功耗工作時(shí)能夠完成這三個(gè)功能。

            RTC喚醒定時(shí)器是個(gè)24位可編程控制的遞減計(jì)數(shù)器,WTD則是個(gè)16位可編程控制的遞減計(jì)數(shù)器。RTC喚醒定時(shí)器和WTD的循環(huán)周期一般在300us和80ms之間,默認(rèn)為1ms。

          2.5 AD轉(zhuǎn)換器

          nRF9E5片內(nèi)有10位ADC,AD轉(zhuǎn)換參考電壓可以通過(guò)軟件設(shè)置在AREF和1.22V之間(內(nèi)部參考電壓)。AD轉(zhuǎn)換器的4個(gè)輸入可通過(guò)軟件進(jìn)行選擇,通道0到3可以把對(duì)應(yīng)引腳AIN0到AIN3上的電壓值分別轉(zhuǎn)換為數(shù)字值,通道4用于對(duì)nRF9E5工作電壓的監(jiān)控。AD轉(zhuǎn)換器默認(rèn)工作于10位方式,可通過(guò)軟件使其工作于6位、8位或12位方式。

          2.6 收發(fā)器

          nRF9E5收發(fā)器通過(guò)內(nèi)部并行口或內(nèi)部SPI口與其它模塊進(jìn)行通信,具有同單片射頻收發(fā)器nRF905相同的功能。DuoCeiver接收器輸出的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備信號(hào),可通過(guò)程序使其為微處理器的中斷或通過(guò)GPIO口的傳給CPU。

          nRF9E5工作于433/868/915 ISM頻段。收發(fā)器由一個(gè)完整的頻率合成器、一個(gè)功率放大器、一個(gè)調(diào)節(jié)器和兩個(gè)接收器組成。輸出功率、頻道和其它射頻參數(shù)可通過(guò)對(duì)特殊功能寄存器RADIO(0xA0)編程進(jìn)行控制。發(fā)射模式下,射頻電流消耗僅為11mA,接收模式下為12.5mA。為了節(jié)能,可通過(guò)程序控制收發(fā)器的開(kāi)/關(guān)。

          3. 無(wú)線鼠標(biāo)的基本知識(shí)[2]

            無(wú)線鼠標(biāo)的基本功能和普通鼠標(biāo)相同,唯一的區(qū)別是無(wú)線鼠標(biāo)通過(guò)無(wú)線方式傳送鼠標(biāo)信息給PC機(jī),而普通鼠標(biāo)是通過(guò)電線。這意味著無(wú)線鼠標(biāo)檢測(cè)鼠標(biāo)移動(dòng)和按鍵信息的方法和普通有線鼠標(biāo)一樣,也是用開(kāi)關(guān)來(lái)檢測(cè)按鍵,用球和滾軸來(lái)檢測(cè)鼠標(biāo)的移動(dòng)。無(wú)線鼠標(biāo)使用電池供電,所以應(yīng)該盡量考慮節(jié)能問(wèn)題,盡量用最少的次數(shù)就能把檢測(cè)到的鼠標(biāo)信息發(fā)送到PC機(jī)。無(wú)線鼠標(biāo)在PC機(jī)處還應(yīng)有一個(gè)接收器,一般該接收器是通過(guò)USB接口或串口與PC機(jī)相連,目前發(fā)展的趨勢(shì)是采用USB接口。

          4. 無(wú)線光機(jī)鼠標(biāo)方案

            無(wú)線光機(jī)鼠標(biāo)器,即將滾輪的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成光信號(hào),然后變?yōu)閿?shù)字電信號(hào)再通過(guò)無(wú)線的方式發(fā)送給和PC機(jī)相連的接收器。無(wú)線光機(jī)鼠標(biāo)器底部有一個(gè)露出一部分的塑膠小球,當(dāng)鼠標(biāo)器在操作桌面上移動(dòng)時(shí),小球隨之轉(zhuǎn)動(dòng),在鼠標(biāo)器內(nèi)部裝有三個(gè)滾軸與小球接觸,其中有兩個(gè)分別是X軸方向和Y軸方向滾軸,用來(lái)分別測(cè)量X軸方向和Y軸方向的移動(dòng)量,另一個(gè)是空軸,僅起支撐作用。拖動(dòng)鼠標(biāo)器時(shí),由于小球帶動(dòng)三個(gè)滾軸轉(zhuǎn)動(dòng),X軸方向和Y軸方向滾軸又各帶動(dòng)一個(gè)轉(zhuǎn)軸(稱(chēng)為譯碼輪)轉(zhuǎn)動(dòng)。譯碼輪(見(jiàn)圖2)[3]的兩側(cè)分別裝有紅外

          圖2 譯碼輪和光敏傳感器工作原理

          發(fā)光二極管和光敏傳感器,組成光電耦合器。光敏傳感器內(nèi)部沿垂直方向排列有兩個(gè)光敏晶體管A和B。由于譯碼輪有間隙,故當(dāng)譯碼輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線時(shí)而照在光敏傳感器上,時(shí)而被阻斷,從而使光敏傳感器輸出脈沖信號(hào)。光敏晶體管A和B被安放的位置使得其光照和阻斷的時(shí)間有差異,從而產(chǎn)生的脈沖A和脈沖B有一定的相位差,利用這種方法,就能測(cè)出鼠標(biāo)器的拖動(dòng)方向。塑膠小球的移動(dòng)帶動(dòng)滾軸轉(zhuǎn)動(dòng),滾軸每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)小角度,鼠標(biāo)位置計(jì)數(shù)器加1,每隔一定時(shí)間,nRF9E5就把鼠標(biāo)位置計(jì)數(shù)器的值讀出,通過(guò)計(jì)算得出鼠標(biāo)移動(dòng)的位移,再把位移信息發(fā)送給PC機(jī)。

          鼠標(biāo)的按鍵是典型的開(kāi)關(guān),每個(gè)開(kāi)關(guān)和nRF9E5的一個(gè)GPIO口相連。與開(kāi)關(guān)相連的GPIO口配置為輸入狀態(tài),并通過(guò)外部上拉電阻把其置高。按鍵在被按下的時(shí)候可能會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng),所以在軟件設(shè)計(jì)的時(shí)候一般要考慮到去抖動(dòng),一般的方法是延時(shí)15-25ms再去檢測(cè)按鍵。一般的鼠標(biāo)按鍵有:左鍵、中鍵和右鍵。系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

          射頻部分基于nRF9E5設(shè)計(jì),系統(tǒng)晶振為16MHz,EEPROM存儲(chǔ)程序,使用nRF9E5的ShockBurstTM工作方式發(fā)送鼠標(biāo)信息包。ShockBurstTM工作方式在芯片硬件設(shè)計(jì)時(shí)就已經(jīng)考慮到節(jié)能,因此使用該工作方式可以延長(zhǎng)電池壽命。

          5. 無(wú)線光機(jī)鼠標(biāo)電池壽命算法[2]

          5.1工作狀態(tài)分析

            無(wú)線光機(jī)鼠標(biāo)中,最耗電是紅外發(fā)光二極管,而不是射頻收發(fā)部分,因此,要使發(fā)光二極管盡量少耗電并且鼠標(biāo)又能正常工作。下文給出一個(gè)節(jié)電的方法,首先把發(fā)光二極管的工作狀態(tài)分為以下三種:

            狀態(tài)1:鼠標(biāo)在移動(dòng)并且要求以最大的精確度測(cè)出移動(dòng)信息。此狀態(tài)下,tledon=10us,tkedoff=200us,每隔10ms,鼠標(biāo)信息被精確算出并發(fā)送給PC機(jī)。

            狀態(tài)2:鼠標(biāo)剛剛被用過(guò)但現(xiàn)在不用。此狀態(tài)下tledon=10us,tledoff=25000us。當(dāng)用戶(hù)再次拖動(dòng)鼠標(biāo)時(shí),也不會(huì)感覺(jué)得出25000us的短延時(shí)。鼠標(biāo)從狀態(tài)1進(jìn)入狀態(tài)2一般應(yīng)在5ms左右,當(dāng)鼠標(biāo)檢測(cè)到移動(dòng)時(shí),應(yīng)立刻從狀態(tài)2進(jìn)入狀態(tài)1。

            狀態(tài)3:當(dāng)鼠標(biāo)很長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)用時(shí),進(jìn)入狀態(tài)3。此狀態(tài)下tledon=10us,tledoff=100000us。同樣,很久沒(méi)有使用之后再次拖動(dòng)鼠標(biāo)時(shí),用戶(hù)感覺(jué)不出來(lái)100000us的延時(shí)。一旦檢測(cè)出鼠標(biāo)被移動(dòng)時(shí),鼠標(biāo)應(yīng)該馬上進(jìn)入狀態(tài)1,從狀態(tài)2進(jìn)入狀態(tài)3一般要1到2分鐘。

          5.2工作電流的計(jì)算

            發(fā)光二極管的工作電流是10mA。nRF9E5在工作狀態(tài)時(shí)工作電流為3mA,空閑狀態(tài)時(shí)工作電流是25uA,傳送ShockBurstTM數(shù)據(jù)包時(shí)工作電流為11mA。各個(gè)狀態(tài)時(shí)的平均電流可根據(jù)公式(1)來(lái)計(jì)算:

          至于狀態(tài)1,要考慮到ShockBurstTM發(fā)射所消耗的電流。假設(shè)數(shù)據(jù)包共為124位,發(fā)射速度為1Mbit/s,則nRF9E5所用時(shí)間為124us,此外,起動(dòng)時(shí)間為202us,ShockBurstTM的工作時(shí)間加起來(lái)應(yīng)該是326us。因此,可得到狀態(tài)1的平均電流算式,如式(4)

          nRF9E5推薦外接晶振頻率為16MHz,當(dāng)外接晶振工作頻率降低時(shí),無(wú)線光機(jī)鼠標(biāo)的平均工作電流也會(huì)明顯降低。經(jīng)過(guò)計(jì)算,nRF9E5外接晶振是4MHz的無(wú)線光機(jī)鼠標(biāo)的電池壽命約為外接晶振是16MHz時(shí)的1.33倍。同樣,降低nRF9E5的射頻發(fā)射速度,無(wú)線光機(jī)鼠標(biāo)的電池壽命也會(huì)增大。

          5. 結(jié)論

          nRF9E5尺寸小,使用中外圍元件少,433/868/915MHz三個(gè)工作頻率,非常適合用來(lái)做無(wú)線光機(jī)鼠標(biāo)與PC機(jī)進(jìn)行通信。nRF9E5的ShockBurstTM技術(shù),使得無(wú)線光機(jī)鼠標(biāo)的功耗更低,設(shè)計(jì)中為節(jié)約用電而編寫(xiě)的程序更少,并且電池監(jiān)管更方便。此外,nRF9E5更易于實(shí)現(xiàn)安全的無(wú)線光機(jī)鼠標(biāo)信息的發(fā)送,如果設(shè)計(jì)需要,還可以擴(kuò)展更多的鼠標(biāo)按鍵。

          參考文獻(xiàn)
          [1] Nordic VLSI ASA Inc. 2.4Ghz RF transceiver with embedded 8051 compatible microcontroller and 9 input, 10 bit ADC[Z].2003.5
          [2] Nordic VLSI ASA Inc. nRF24Ex in a wireless keyboard design[Z].2003.10
          [3] http://www.vip998.com/dnfiles/dn-hwxyhsb.htm



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