2.4GHz無(wú)線鼠標(biāo)鍵盤(pán)接收器的設(shè)計(jì)(一)

隨著無(wú)線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，近距離無(wú)線通信領(lǐng)域出現(xiàn)了藍(lán)牙、RFID、WIFI等技術(shù)。這些技術(shù)不斷應(yīng)用在嵌入式設(shè)備及PC外設(shè)中。 2．4 GHz無(wú)線鼠標(biāo)鍵盤(pán)使用24～2．483 5 GHz無(wú)線頻段，該頻段在全球大多數(shù)國(guó)家屬于免授權(quán)使用，這為無(wú)線產(chǎn)品的普及掃清了最大障礙。用戶可迅速地進(jìn)入與世界同步的無(wú)線設(shè)計(jì)領(lǐng)域，最大限度地縮短設(shè)計(jì)和生產(chǎn)時(shí)間，并且具有完美性能，能夠替代藍(lán)牙技術(shù)。

　　1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　2．4 GHz無(wú)線鼠標(biāo)鍵盤(pán)接收器主要實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)、鍵盤(pán)等HID類(lèi)設(shè)備在PC機(jī)上的枚舉識(shí)別過(guò)程和接收無(wú)線鼠標(biāo)或鍵盤(pán)發(fā)送的數(shù)據(jù)（包括按鍵值、鼠標(biāo)的上下左右移動(dòng) 等），并將接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)USB接口傳送給PC機(jī)，實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)鍵盤(pán)的無(wú)線控制功能。接收器主要由USB接口部分、MCU和無(wú)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(chǎn)的8位USB多媒體鍵盤(pán)編碼器HT82K95E作為系統(tǒng)核心。鼠標(biāo)、鍵盤(pán)等HID類(lèi)設(shè)備為低速設(shè)備，所以接 收器要能同時(shí)實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)和鍵盤(pán)數(shù)據(jù)同PC機(jī)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(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(biāo)和鍵盤(pán)設(shè)備屬于從設(shè)備，所以應(yīng)在USB-信號(hào)線上加1．5 kΩ的上拉電阻。

圖2

1．2 MCU部分

　　MCU的復(fù)位電路采用由R108和C105組成的RC積分電路實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位功能。上電瞬間，由于電容電壓不能突變，所以復(fù)位引腳為低電平，然后電容開(kāi)始緩 慢充電，復(fù)位引腳電位開(kāi)始升高，最后變?yōu)楦唠娖?，完成芯片的上電?fù)位。HT82K95E微控制器內(nèi)部還包含一個(gè)低電壓復(fù)位電路（LVR），用于監(jiān)視設(shè)備的供電電壓。如果設(shè)備的供電電壓下降到0．9 V～VLVR的范圍內(nèi)并且超過(guò)1 ms的時(shí)間，那么LVR就會(huì)自動(dòng)復(fù)位設(shè)備。

　　應(yīng)當(dāng)注意的是對(duì)于該設(shè)備的復(fù)位電路，還應(yīng)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(shè)備在第一次使用時(shí)能夠正常復(fù)位，但在以后的使用卻無(wú)法正常復(fù)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(shù)據(jù)包處理模式支持與單片機(jī)低速通信而無(wú)線部分高速通信，并且nRF24L01內(nèi)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(jī)模式下和數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中MCU可以隨時(shí)訪問(wèn)FIFO寄存器。這就允許SPI接口低速傳送數(shù)據(jù)，并且可以應(yīng)用于MCU 硬件上沒(méi)有SPI接口的情況下。因此在設(shè)計(jì)中使用HT82K95E的PA口模擬SPI總線與nRF42L01的SPI接口通信。

　　1．3 無(wú)線接收部分

　　無(wú)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(shè)計(jì)的好壞，直接影響系統(tǒng)的性能。在設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮到各種電磁干擾，注意調(diào)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(guò)過(guò)孔與底層的地相 連。

　　2 協(xié)議分析

　　2．1 nRF24L01無(wú)線通信協(xié)議

　　2．4 GHz無(wú)線通信協(xié)議分為3層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。物理層包括GFSK調(diào)制和解調(diào)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(shù)據(jù)的調(diào)制解調(diào)、編碼解碼、FHSS跳頻擴(kuò)頻和SPI通信。數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包和應(yīng)答包。數(shù)據(jù)包格式如 表1所示。

　　前導(dǎo)碼用來(lái)檢測(cè)0和1，nRF24L01在接收模式下去除前導(dǎo)碼，在發(fā)送模式下加入前導(dǎo)碼。地址內(nèi)容為接收機(jī)地址，地址寬度是3、4或5字節(jié)，可以對(duì)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(shù)據(jù)包中自動(dòng)去除地址。