由nRF24Ex構(gòu)成的單片2.4GHz無線鼠標(biāo)

1.概述
    
來自Nordic VLSI ASA的nRF24E1和nRF24E2（本文統(tǒng)稱為nRF24Ex）使設(shè)計一個2.4GHz ISM波段的3鍵3軸無線鼠標(biāo)單片解決方案成為可能。nRF24Ex系列芯片內(nèi)置8051微控制器、一個9通道ADC和與流行的 nRF2401/nRF2402芯片一樣的RF部分。nRF24Ex系列可以在1.9V到3.6V電壓范圍內(nèi)工作，因此特別適用于由電池供電的產(chǎn)品的應(yīng)用。本文介紹怎樣利用nRF24Ex系列芯片制作3鍵3軸無線鼠標(biāo)。

2．設(shè)計方案 

圖1. nRF24Ex在3鍵3軸無線鼠標(biāo)設(shè)計中的應(yīng)用

2．1 RF部分 

如圖3原理圖所示，RF部分的設(shè)計以可從www.nvlsi.no網(wǎng)站下載的nRF24Ex參考設(shè)計作為參考。該設(shè)計用16MHz晶振、一個作為固件存儲器的外部EPROM。EPROM作為固件存儲器。固件用ShockBurst技術(shù)從鼠標(biāo)發(fā)送數(shù)據(jù)包。ShockBurst技術(shù)用來最大限度減小每發(fā)射一位數(shù)據(jù)的電流消耗，從而延長電池的壽命。如果想進一步了解ShockBurst技術(shù)可以參考 nRF24Ex的數(shù)據(jù)手冊或者可以從www.nvlsi.no網(wǎng)站下載相關(guān)資料。

2．2無線鼠標(biāo)基礎(chǔ) 

無線鼠標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)鼠標(biāo)具有一樣的基本功能。不同的是無線鼠標(biāo)用無線電信號傳輸數(shù)據(jù)到主機而不是用電纜。這意味著無線鼠標(biāo)收集移動和按鍵信息的方式和老式有線鼠標(biāo)是一樣的。本文以一個使用滾球的鼠標(biāo)作為例子。該鼠標(biāo)每個鍵有一個開關(guān)、一個滾球和若干用來測量移動的滾軸。滾軸其實是一個刻有光槽的轉(zhuǎn)輪，它可以對每一步移動作出響應(yīng)輸出波形。因為無線鼠標(biāo)用電池供電所以應(yīng)該注意盡量省電。因此往主機發(fā)射更新數(shù)據(jù)的次數(shù)越少越好（移動或者點擊時60-100次/ 秒）。

2.3 無線鼠標(biāo)的光學(xué)結(jié)構(gòu) 

如圖2所示，因為鼠標(biāo)中有光學(xué)機構(gòu)，所以IR-LED（紅外發(fā)光二極管）經(jīng)過轉(zhuǎn)輪照在兩個光電三極管上。轉(zhuǎn)輪隨著鼠標(biāo)的圓形滾軸轉(zhuǎn)動。經(jīng)過轉(zhuǎn)輪的光線照在兩個接成源極跟隨器的光電三極管上。從IR-LED（紅外發(fā)光二極管）發(fā)出的光會使光電三極管處于開狀態(tài)。 

轉(zhuǎn)輪阻擋紅外光線使光電三極管開和關(guān)從而輸出方波。輸出波形每變化一次代表鼠標(biāo)移動的一次計數(shù)。比較光學(xué)結(jié)構(gòu)的當(dāng)前和下一個狀態(tài)就可得知鼠標(biāo)移動的方向。

圖2. 從IR-LED（紅外發(fā)光二極管）面看鼠標(biāo)的光學(xué)結(jié)構(gòu)

2.4 無線鼠標(biāo)的按鍵 

每個鼠標(biāo)按鍵就是一個標(biāo)準(zhǔn)的開關(guān)，各個開關(guān)直接與nRF24Ex芯片的GPIO 引腳相連。GPIO引腳設(shè)置為輸入端由外部上拉電阻上拉。-----固件按鍵按下時間應(yīng)在15-25ms-----。本設(shè)計有3個鍵∶左鍵、中間鍵和右鍵。

2.5 原理圖 

圖3顯示怎樣把光學(xué)機構(gòu)、按鍵與標(biāo)準(zhǔn)nRF24Ex芯片外帶一個EPROM連接起來，制作成一個2.4GHz無線鼠標(biāo)。

3．電池壽命 

本節(jié)內(nèi)容包括電流消耗的計算和一個怎樣實現(xiàn)省電的例子。

3．1 省電 

無線鼠標(biāo)中最耗電的器件不是RF部分而是光學(xué)裝置中的紅外發(fā)光二極管。因此在保證我們想要實現(xiàn)的鼠標(biāo)功能的同時使LED（發(fā)光二極管）點亮?xí)r間盡量短、熄滅時間盡量長是很重要的。為了達到這個目的我們定義了3種不同的狀態(tài)為LED施加脈沖。 

狀態(tài)1∶該狀態(tài)設(shè)置在鼠標(biāo)正在移動需要最精確測量的時候。在該狀態(tài)下tledon=10us，tledoff=200us并且累計鼠標(biāo)移動的總量每隔10ms發(fā)送一次數(shù)據(jù)給主機PC。

狀態(tài)2∶該狀態(tài)設(shè)定在最近還在使用但目前處于靜止的時候。在該狀態(tài)tledon=10us，tledoff=25000us。使用者不會注意到鼠標(biāo)再次使用時的短暫延遲。在狀態(tài)1時如果鼠標(biāo)在5ms內(nèi)沒有動作則進入狀態(tài)2。處在狀態(tài)2時當(dāng)檢測到鼠標(biāo)移動時鼠標(biāo)從狀態(tài)2進入狀態(tài)1。 

狀態(tài)3∶一段時間內(nèi)沒有用鼠標(biāo)後鼠標(biāo)將進入該狀態(tài)。tledon=10us， tledoff=100000us。在該模式下意味著使用者已長時間沒有使用鼠標(biāo)，不會注意到鼠標(biāo)移動到光標(biāo)處的延遲，在該狀態(tài)下當(dāng)檢測到鼠標(biāo)移動時鼠標(biāo)應(yīng)立即進入到狀態(tài)1。從狀態(tài)2進入狀態(tài)3應(yīng)有1-2分鐘間隔。

3．2 計算電流消耗 

點亮?xí)r每個IR-LED（紅外發(fā)光二極管）耗電10mA。nRF24Ex在活動狀態(tài)耗電3 mA，在省電狀態(tài)下耗電2uA，當(dāng)處于發(fā)送ShockBurst數(shù)據(jù)包的時候外加10.5mA。除了發(fā)送ShockBurst數(shù)據(jù)包時我們假設(shè)IR- LED（紅外發(fā)光二極管）熄滅時nRF24Ex處于待命狀態(tài)。這樣各個狀態(tài)下的平均電流消耗可以用方程1計算。

方程1 平均電流消耗

對狀態(tài)2和狀態(tài)3的平均電流消耗可以直接計算出來∶

                    方程2 狀態(tài)2的平均電流消耗

                     方程3 狀態(tài)3的平均電流消耗

 對狀態(tài)1我們必須加上ShockBurst發(fā)送的電流消耗。如前面所設(shè)定的當(dāng)鼠標(biāo)處于移動狀態(tài)時每10ms必須發(fā)送一次數(shù)據(jù)。我們假設(shè)一個鼠標(biāo)數(shù)據(jù)包包含 124位數(shù)據(jù)。這就是說nRF2401將用124us時間以1Mbit/s速度發(fā)送該數(shù)據(jù)包。另外還有202us的數(shù)據(jù)建立時間。這意味著一次 ShockBurst發(fā)送將在326us內(nèi)消耗10.5mA的電流外加微控制器使用的3mA。把這代入給出的方程∶

            方程4 狀態(tài)1的平均電流消耗

3.3 電池壽命例子 

計算電池預(yù)期壽命需要用到典型的使用者怎樣使用鼠標(biāo)的統(tǒng)計材料。這個例子不是基于統(tǒng)計模型僅是一個介紹怎樣計算電池壽命的例子。
我們假設(shè)電池容量為1000mAh并且假設(shè)典型的使用者每天把鼠標(biāo)置于狀態(tài)1 的時間為20分鐘，置于狀態(tài)2的時間為120分鐘，其馀時間置于狀態(tài)3。這就得出了總電流消耗為∶ 

電池壽命由下式給出∶

             方程6 計算電池壽命 

在激活模式工作時使用4MHz晶振代替16MHz晶振可以把nRF24Ex的電流消耗從3mA降低到1.6mA。雖然這樣會導(dǎo)致RF連接速度從 1Mbit/s 降低到250Kbit/s但它有延長電池壽命的好處。用這些數(shù)據(jù)進行同樣計算可得∶

方程7 用4MHz晶振時總的電流消耗