无线鼠标键盘接收器的设计

2.4GHz无线鼠标键盘接收器的设计

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摘要：针对RF 无线鼠标传输速度慢、传输距离有限的缺点，提出了一种2.4 GHz 无线鼠标键盘接收器的设计方案。采用USB 多媒体键盘编码器HT82K95E 和射频收发器nRF24L01 进行设计，以HT82K95E 为核心，完成HID 设备的枚举过程。控制器利用普通I/O 口模拟SPI 总线，完成了与无线收发模块的数据交换。采用nRF24L01 无线通信协议中的Enhanced ShockBurst 收发模式，数据低速输入，但高速发射，从而实现了鼠标键盘复合设备与主机间的无线通信功能。试验结果表明，由于采用了2.4 GHz 无线技术，该无线鼠标键盘接收器能够有效传输距离可达10 m，大大降低功耗，增强了抗干扰性能。

随着无线通信技术的不断发展，近距离无线通信领域出现了蓝牙、RFID、WIFI 等技术。这些技术不断应用在嵌入式设备及PC 外设中。2.4 GHz 无线鼠标键盘使用2.4～2.483 5 GHz无线频段，该频段在全球大多数国家属于免授权使用，这为无线产品的普及扫清了最大障碍。用户可迅速地进入与世界同步的无线设计领域，最大限度地缩短 设计和生产时间，并且具有完美性能，能够替代蓝牙技术。

1 系统硬件结构：

2.4 GHz 无线鼠标键盘接收器主要实现鼠标、键盘等HID 类设备在PC 机上的枚举识别过程和接收无线鼠标或键盘发送的数据（包括按键值、鼠标的上下左右移动等），并将接收到的数据通过USB 接口传送给PC 机， 实现鼠标键盘的无线控制功能。接收器主要由USB 接口部分、MCU 和无线接收部分组成。系统硬件框图如图1 所示。

图1 系统硬件框图1 USB 接口部分：

系统采用HOLTEK 公司生产的8 位USB 多媒体键盘编码器HT82K95E 作为系统核心。鼠标、键盘等HID 类设备为低速设备， 所以接收器要能同时实现鼠标和键盘数据同PC 机的双向传输，MCU 首先必须具有低速的USB 接口，并且最少

支持3 个端点（ 包括端点0）。综合考虑选用了HT82K95E 作为本系统的主控芯片。

本系统的USB 接口部分电路图如图2 所示， 其中电阻R100、R101、R102、R103、R104和电容C102、C114和C115用于EMC。由于鼠标和键盘设备属于从设备， 所以应在USB-信号线上加1.5 kΩ 的上拉电阻。

1.2 MCU 部分：

MCU 的复位电路采用由R108和C105组成的RC 积分电路实现上电复位功能。上电瞬间，由于电容电压不能突变，所以复位引脚为低电平，然后电容开始缓慢充电，复位引脚电位开始升高， 最后变为高电平， 完成芯片的上电复位。

HT82K95E 微控制器内部还包含一个低电压复位电路（LVR），用于监视设备的供电电压。如果设备的供电电压下降到0.9 V～ VLVR的范围内并且超过1 ms 的时间，那么LVR就会自动复位设备。

应当注意的是对于该设备的复位电路， 还应加1 个二极管1N4148,接法如图2 中的VD100。如果不加此二极管，设备在第一次使用时能够正常复位， 但在以后的使用却无法正常复位，原因是电容中的电荷无法释放掉，而该二极管可以通过整个电路快速释放掉电容中的电荷。

图2 USB 接口部分原理图

由于nRF24L01 的数据包处理模式支持与单片机低 速通信而无线部分高速通信，并且nRF24L01 内部有3 个不同的RX FIFO 寄存器和3 个不同的TX FIFO 寄存器， 在掉电模式下、待机模式下和数据传输的过程中MCU 可以随时访问FIFO 寄存器[5]。这就允许SPI 接口低速传送数据，并且可以应用于MCU 硬件上没有SPI 接口的情况下。因此在设计中使用HT82K95E 的PA 口模拟SPI 总线与nRF42L01 的SPI 接口通信。

1.3 无线接收部分：

无线接收部分电路图如图3 所示。由于nRF24L01 是工作于2.4 GHz 的高频元件，因此，系统的PCB 设计的好坏，直接影响系统的性能。在设计时， 必须考虑到各种电磁干扰，注意调整电阻、电容和电感的位置，特别要注意电容的位置。nRF24L01 模块的PCB 为双面板，底层不放置任何元件，在地层，顶层的空余地方（除天线衬底之外）都覆上铜，并通过过孔与底层的地相连。

图3 无线收发模块2 协议分析：

2.1 nRF24L01 无线通信协议：

2.4 GHz 无线通信协议分为3 层：物理层、数据链路层和应用层。物理层包括GFSK 调制和解调器、接收和发送滤波器、射频合成器、SPI 接口和电源管理，主要完成数据的调制解调、编码解码、FHSS 跳频扩频和SPI 通信。数据链路层主要完成解包和封*程。该协议有2 种基本的封包：数据包和应答包。数据包格式如表1 所示。

表1 数据包格式

前导码用来检测0 和1，nRF24L01 在接收模式下去除前导码， 在发送模式下加入前导码。地址内容为接收机地址，地址宽度是3、4 或5 字节，可以对接收通道和发送通道分别进行配置，接收端从接收到的数据包中自动去除地址。

封包控制域的格式如表2 所示。数据长度标志位只有在动态数据长度选项使能时才有效，6 位可以表示传输的数据域字节数从0～32 字节。标志位用来检测接收到的数据包是新的还是重发的。自动应答标志位表示这个封包是否需要自动应答。封包可以采用1 或2 字节的CRC 校验。对于应答包来说，数据域是一个可选项，但是如果使用该选项的话应该使能动态数据长度特性。应用层按照设计需要可以是键盘和鼠标等HID 类设备。

表2 封包控制域格式

这两种封包在应用层协议中的用途不同。数据包主要用于传送发射端和接收端之间的数据信息， 应答包则是在自动应答功能选项被使能之后才会出现的， 以便于发送端检测有无数据丢失。一旦数据丢失，则通过自动重发功能将丢失的数据恢复。增强型的ShockBurst 模式可以同时控制应答和重发功能而无需增加MCU 工作量。

在SCK 时钟控制下，数据在主从设备间传输，而且严格地遵守SPI 通信的时序。作为接收端（PRX），nRF24L01 通过2.4 GHz 无线通信技术与发射端(PTX)进行数据交换。收发器接收到数据后，通过中断nIRQ 通知MCU 已接收到数据，可以进行读入操作， 然后MCU 通过MISO 数据传输线读入数据。nRF24L01 在接收到数据之后，会自动切换到发送模式发送应答信号给发射端(PTX)，这样就完成了一次数据传输过程。

2.2 USB 设备枚举过程：

USB 的枚举过程是USB 规范中一个非常重要的“动作”或“过程”。这个动作将会让PC 知道何种USB 设备刚接上以及其所含的各种信息。若要完成一个设备枚举的过程，需要执行诸多的数据交换以及设备请求[8]。图4 描述了一个HID设备的枚举过程， 由于本设计是针对鼠标键盘复合设备的接收器， 所以在取完第一次报告描述符后还需要再取另一个设备的报告描述符。