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

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 兼容射頻Soc nRF9E5與無線光機(jī)鼠標(biāo)設(shè)計 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兼容。指令時序與標(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個指令周期。中斷控制器支持5個擴(kuò)展的中斷源：ADC中斷、SPI中斷、RADIO1中斷、RADIO2中斷和喚醒定時器中斷。片內(nèi)控制器還有3個與8052相同的定時器。一個和8051相同的串口，可以用定時器1和定時器2來作為異步通信的波特率產(chǎn)生器。此外，還擴(kuò)展了兩個數(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)

2、的ROM。上電復(fù)位或軟件復(fù)位后，處理器自動執(zhí)行ROM中的引導(dǎo)區(qū)中的代碼。用戶程序通常是在引導(dǎo)區(qū)的引導(dǎo)下，從EEPROM加載到1個4K的RAM中，這個4K的RAM也可作存儲數(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器中加載，比較常見的是通過SPI接口擴(kuò)展型號為25320的EEPROM。 nRF9E5的大部分存放器和標(biāo)準(zhǔn)8051相同，只是為了控制一些8051沒有的功能，增加了一些特殊功能存放器，如RADIO(P2)、ADCCON、ADCDATAH、ADCDATAL、ADCSTATIC、PWMCON、PWMDUTY等。nRF9E5中的P0、P1和P2口存放

3、器地址和標(biāo)準(zhǔn)8051中的相同，都是0 x80，0 x90，0 xA0，但功能和標(biāo)準(zhǔn)8051中的有所不同。 圖1 nRF9E5功能圖 2.2 PWM nRF9E5內(nèi)有一個可編程控制的PWM(脈寬調(diào)制)輸出，使用時，通過程序改變P0.7的功能來實現(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送來的數(shù)據(jù))、SCK(給EEPROM的SCK提供時鐘信號)、MOSI(送數(shù)據(jù)到EEPROM的SDI)、EECSN(給EEPROM的CSN送使能信號)。SPI口的MISO、SCK和MOSI

4、與P1口的低3位重用，通過存放器SPI_CTRL控制來控制功能間的撤換。SPI硬件不產(chǎn)生任何片選信號，可以用GPIO口來開展片選。通常，系統(tǒng)上電時，SPI自動和片外的25320相連，當(dāng)程序加載完成后，MISO(P1.2)、MOSI(P1.0)和SCK(P1.0)可能會用作其它用途，比方其它的SPI器件或GPIO。 2.4 LF時鐘，RTC喚醒定時器，GPIO喚醒和WTD nRF9E5內(nèi)有一個低頻的時鐘CKLF，該時鐘常開。當(dāng)晶振開始工作后，CKLF頻率為4kHz；晶振不工作時，CKLF是一個低功耗RC晶振并且不能禁能，只要VDD 1.8V，其連續(xù)工作。RTC喚醒定時器、WTD(看門狗)和GPI

5、O喚醒全都工作在CKLF頻率，以保證芯片低功耗工作時能夠完成這三個功能。 RTC喚醒定時器是個24位可編程控制的遞減計數(shù)器，WTD則是個16位可編程控制的遞減計數(shù)器。RTC喚醒定時器和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個輸入可通過軟件開展選擇，通道0到3可以把對應(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，可通過軟件使其工作于6位、8位或12位方式

6、。 2.6 射頻收發(fā)器 nRF9E5收發(fā)器通過內(nèi)部并行口或內(nèi)部SPI口與其它模塊開展通信，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，可通過程序使其為微處理器的中斷或通過GPIO口的傳給CPU。 nRF9E5工作于433/868/915 ISM頻段。收發(fā)器由一個完整的頻率合成器、一個功率放大器、一個調(diào)節(jié)器和兩個接收器組成。輸出功率、頻道和其它射頻參數(shù)可通過對特殊功能存放器RADIO（0 xA0）編程開展控制。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，可通過程序控制收發(fā)器的開/關(guān)。 3. 無線鼠標(biāo)的基本知識 無線鼠標(biāo)的基

7、本功能和普通鼠標(biāo)相同，的區(qū)別是無線鼠標(biāo)通過無線方式傳送鼠標(biāo)信息給PC機(jī)，而普通鼠標(biāo)是通過電線。這意味著無線鼠標(biāo)檢測鼠標(biāo)移動和按鍵信息的方法和普通有線鼠標(biāo)一樣，也是用開關(guān)來檢測按鍵，用球和滾軸來檢測鼠標(biāo)的移動。無線鼠標(biāo)使用電池供電，所以應(yīng)該盡量考慮節(jié)能問題，盡量用少的次數(shù)就能把檢測到的鼠標(biāo)信息發(fā)送到PC機(jī)。無線鼠標(biāo)在PC機(jī)處還應(yīng)有一個接收器，一般該接收器是通過USB接口或串口與PC機(jī)相連，目前發(fā)展的趨勢是采用USB接口。 4. 無線光機(jī)鼠標(biāo)方案 無線光機(jī)鼠標(biāo)器，即將滾輪的機(jī)械轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成光信號，然后變?yōu)閿?shù)字電信號再通過無線的方式發(fā)送給和PC機(jī)相連的接收器。無線光機(jī)鼠標(biāo)器底部有一個露出一部分的塑膠小

8、球,當(dāng)鼠標(biāo)器在操作桌面上移動時，小球隨之轉(zhuǎn)動，在鼠標(biāo)器內(nèi)部裝有三個滾軸與小球接觸，其中有兩個分別是X軸方向和Y軸方向滾軸，用來分別測量X軸方向和Y軸方向的移動量，另一個是空軸，僅起支撐作用。拖動鼠標(biāo)器時，由于小球帶動三個滾軸轉(zhuǎn)動，X軸方向和Y軸方向滾軸又各帶動一個轉(zhuǎn)軸（稱為譯碼輪）轉(zhuǎn)動。譯碼輪(見圖2)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)動時，紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線時而照在光敏傳感器上，時而被阻斷，從而使光敏傳感器輸出脈沖信號。光敏晶體管A和B被安放的位

9、置使得其光照和阻斷的時間有差異，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，就能測出鼠標(biāo)器的拖動方向。塑膠小球的移動帶動滾軸轉(zhuǎn)動，滾軸每轉(zhuǎn)動一個小角度，鼠標(biāo)位置計數(shù)器加1，每隔一定時間，nRF9E5就把鼠標(biāo)位置計數(shù)器的值讀出，通過計算得出鼠標(biāo)移動的位移，再把位移信息發(fā)送給PC機(jī)。 鼠標(biāo)的按鍵是典型的開關(guān)，每個開關(guān)和nRF9E5的一個GPIO口相連。與開關(guān)相連的GPIO口配置為輸入狀態(tài)，并通過外部上拉電阻把其置高。按鍵在被按下的時候可能會出現(xiàn)抖動，所以在軟件設(shè)計的時候一般要考慮到去抖動，一般的方法是延時15-25ms再去檢測按鍵。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

10、。 射頻部分基于nRF9E5設(shè)計，系統(tǒng)晶振為16MHz，EEPROM存儲程序，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)計時就已經(jīng)考慮到節(jié)能，因此使用該工作方式可以延長電池壽命。 5. 無線光機(jī)鼠標(biāo)電池壽命算法 5.1工作狀態(tài)分析 無線光機(jī)鼠標(biāo)中，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)在移動并且要求以的度測出移動信息。此狀態(tài)下，tledon=10us，tkedoff=200us，每隔10ms，鼠

11、標(biāo)信息被算出并發(fā)送給PC機(jī)。 狀態(tài)2：鼠標(biāo)剛剛被用過但現(xiàn)在不用。此狀態(tài)下tledon=10us，tledoff=25000us。當(dāng)用戶再次拖動鼠標(biāo)時，也不會感覺得出25000us的短延時。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)檢測到移動時，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)很長時間沒用時，進(jìn)入狀態(tài)3。此狀態(tài)下tledon=10us，tledoff=100000us。同樣，很久沒有使用之后再次拖動鼠標(biāo)時，用戶感覺不出來100000us的延時。一旦檢測出鼠標(biāo)被移動時，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工作電流的計算 發(fā)光二極管的工作電流是10mA

12、。nRF9E5在工作狀態(tài)時工作電流為3mA，空閑狀態(tài)時工作電流是25uA，傳送ShockBurstTM數(shù)據(jù)包時工作電流為11mA。各個狀態(tài)時的平均電流可根據(jù)公式(1)來計算： 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所用時間為124us，此外，起動時間為202us，ShockBurstTM的工作時間加起來應(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，無線光機(jī)鼠標(biāo)的平均工作電流也會明顯降低。經(jīng)過計算，nRF9E5外接晶振是4MHz的無線光機(jī)鼠標(biāo)的電池壽命約為外接晶振是16MHz時的1.33倍。同樣，降低nRF9E5的射頻發(fā)射速度，無線光機(jī)鼠