2.4GHz无线鼠标键盘接收器的设计

　　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24～2．483 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l所示。

　　1. 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O）。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。

图2

　　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。

　　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。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。

　　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、SH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包过程。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。

　　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。

　　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（PIX），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设备剐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。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。

　　3 固件设计

　　固件设计使用HT-ICE仿真器，它提供了多种实时仿真功能，包括多功能跟踪、单步执行以及设定断点功能。图5描述了USB无线鼠标键盘 接收器的程序执行流程。在程序中，键盘使用端点1，配置为输入；鼠标使用端点2，配置为输入。都采用USB通信协议中的中断传输。采用“轮询”的工作机 制，轮询间隔为8 ms。

　　接收器上电后，完成系统的初始化，包括MCU的初始化和收发器的接收模式配置过程。然后系统进入接收数据包的状态中，一旦收到数据包就通过中断的形式通知 MCU有数据包到来，MCU就会通过I／O口模拟SPI总线通信过程从nRF24L01中将接收到的数据读出，然后将数据写到相应的USB端点FIFO中。主机通过查询的方式读取各端点的数据信息，然后按照USB规范定义的鼠标和键盘的协议产生相应的动作（如鼠标的移动和按键的值）。

　　无线收发器的初始化过程：1）配置本机地址和要接收的数据包大小；2）配置CONFIG寄存器，使之进入接收模式，把CE置高；3）130μs 后，nRF24L01进入监视状态，等待数据包的到来；4）当接收到正确的数据包（正确的地址和CRC校验码），nRF24L01自动把字头、地址和 CRC校验位移去；5）nRF24L01通过把STATUS寄存器的RX_DR置位（STATUS一般引起微控制器中断）通知微控制器；6）微控制器把数 据从nRF24L01读出；7）所有数据读取完毕后，可以清除STATUS寄存器。nRF24L01可以进入4种主要模式之一。

　　4 结束语

　　本系统基于8位单片机Hr82K95E和nRF24L01型射频收发器设计了一个用于无线鼠标键盘复合设备的USB无线接收器。该接收器 能够实现鼠标键盘复合设备的全部功能，具有成本低、体积小、通信方向不受制约和通信距离较远等优点，使其替代蓝牙及红外遥控设备成为可能，实践表明，该接 收器具有广泛的应用前景。