ADNK - 6003 - SP01光学鼠标设计指南解析

在当今的计算机外设领域，鼠标作为重要的输入设备，其性能和设计不断发展。ADNK - 6003 - SP01光学鼠标设计套件为电子工程师提供了一个出色的设计方案，下面我们来详细解析这个设计指南。

文件下载：ADNK-6003-SP01.pdf

一、整体概述

USB（通用串行总线）是计算机与鼠标、键盘等外设之间的标准串行接口。本设计指南介绍了如何使用Sunplus的SPCP825A USB微控制器和Avago Technologies的ADNS - 6000光学传感器构建一个经济高效的USB光学鼠标。

ADNS - 6000激光鼠标套装是世界上首个激光照明导航系统，具有高性能架构，能在传统LED光学导航难以工作的表面上正常操作，可感应高达20英寸/秒的速度和8g的加速度。

二、光学鼠标基础

光学鼠标通过光学方式获取连续的表面图像（帧），并通过数学方法确定移动的方向和幅度来测量位置变化。Z轮的移动通过解码光学传感器产生的正交信号来实现。

三、核心组件介绍

3.1 Sunplus SPCP825A

它是一款通用的OTP USB微控制器，具有双USB速度（低速和全速），支持PS/2模式，收发器由固件完全控制，USB SIE为固件处理USB协议提供了良好的灵活性。内置PLL允许CPU使用一个6MHz晶体或谐振器以6MHz或12MHz工作。

3.2 ADNS - 6000光学传感器

作为主要导航引擎，它包含图像采集系统、数字信号处理器、双通道正交输出和四线串行端口。SPCP825A会定期读取其Delta_X和Delta_Y寄存器，以获取鼠标移动的水平和垂直运动信息。该传感器具有跟踪精度高、可通过SPI端口编程、自动帧率（1000fps - 6400fps）等优点，还能在传统LED技术无法跟踪的表面（如光滑和有光泽的表面）上实现出色的跟踪。此外，它还具有Burst模式，可减少三种预定义操作（运动读取、SROM下载和帧捕获）的串行事务时间。

四、硬件实现

4.1 硬件架构

标准鼠标硬件中，X和Y方向的移动由光学传感器检测，Z轮移动由一组输出正交信号的光学传感器检测。每个按钮对应一个开关，通过内置上拉电阻上拉。D线通过连接到VREG引脚的1.3k欧姆电阻上拉。

4.2 固件可配置GPIO

参考固件按附录A中的原理图配置GPIO引脚，但为满足PCB设计的机械约束，可通过修改SPCP825A_A6000.asm列表开头的I/O定义来重新配置引脚连接。

4.3 通信接口

SPCP825A和ADNS - 6000之间通过集成的SPI接口通信。芯片处于掉电模式（NPD低）或复位（RESET高）时，串口不能激活。SPI通过PB0（NCS）启用时，PB2（SCLK）、PB1（MISO）和PB3（MOSI）GPIO引脚具有特殊功能，以实现与外部硬件的通信。

五、鼠标光学与按钮

5.1 鼠标光学

Z轮的运动通过解码光学传感器产生的正交信号来检测。两个光电晶体管以源极跟随器配置连接，红外LED发光使光电晶体管导通，其间的针轮随鼠标球滚动，其扇叶会阻挡红外光，使光电晶体管以正交输出模式导通和关断，通过比较光电晶体管输出的状态变化来确定鼠标移动的方向和计数。

5.2 鼠标按钮

鼠标按钮作为标准开关连接，通过微控制器内部的上拉电阻上拉。用户按下按钮时，开关闭合，引脚电平拉低到GND，低电平表示按钮被按下，高电平表示按钮释放或未被按下。通常在固件中对开关进行15 - 20ms的消抖处理。本参考设计中有左、Z轮和右三个开关。

六、USB连接与操作

6.1 USB连接

SPCP825A有一个配置寄存器，可将D +和D -引脚的控制从SIE切换到手动控制，使固件能够动态配置为USB鼠标。参考设计的固件会自动检测主机拓扑（USB）。

6.2 USB操作流程

1. 设备插入：USB设备首次连接到总线时，通电并运行固件，但在主机发出USB总线复位之前，USB通信仍无法工作。
2. 总线复位：D -上的上拉电阻通知集线器连接了一个低速（1.5Mbps）设备，主机识别到新设备并发起总线复位。
3. 枚举：主机发起SETUP事务，获取鼠标的通用和特定信息，为鼠标分配新的唯一USB地址，完成枚举过程。
4. 枚举后操作：主机与鼠标建立通信后，外设负责在控制和数据端点上发送和接收数据。主机配置端点1后，鼠标在有数据时将按钮和运动数据发送回主机。

6.3 USB请求

• 端点0：作为主机的控制端点，上电时是所有USB设备的默认通信通道。主机通过Control - Read和Control - Write确定设备类型和配置通信方式，本设计仅需Control - Read事务来枚举鼠标。
• 端点1：是鼠标按钮、滚轮和移动信息的数据传输通信通道。主机配置端点1后，会发送中断IN请求收集鼠标数据。鼠标空闲时，固件会拒绝端点1的请求，仅在鼠标状态改变时报告数据。

七、固件实现

7.1 所需文件

固件用Avago Technologies汇编语言编写，编译鼠标需要多个文件，如SPCP825A _A6000.asm（主鼠标固件）、calibration_hid.asm（HID兼容设备USB描述符ROM表）等。

7.2 主要功能函数

固件包含多个功能函数，如IO_initial（设置微控制器的输入输出）、Usb_initial（启用USB模式）、sample_mouse（获取X、Y和Z轮的运动信息）等。这些函数协同工作，实现鼠标的各种功能。

八、其他注意事项

8.1 系统要求

使用Windows 95/98/NT/2000的PC，并加载标准3按钮USB鼠标驱动。

8.2 拆卸与组装

ADNK - 6003 - SP01由塑料鼠标外壳、PCB、镜头、按钮和USB电缆组成。拧下底部的一个螺丝可打开设备，进一步取出PCB进行拆卸。组装时要确保Z高度（镜头参考平面到表面的距离）有效。

8.3 启用SROM

ADNS - 6000必须从外部加载程序运行，外部程序由Avago Technologies提供，可烧录到可编程设备中。上电和复位时，使用同步串行端口部分描述的突发模式程序将ADNS6000程序下载到易失性内存中。

8.4 法规要求

该鼠标在按建议组装并使用屏蔽电缆时，需通过FCC B和全球类似的发射限制、IEC - 1000 - 4 - 3辐射抗扰度水平、EN61000 - 4 - 4/IEC801 - 4 EFT测试，达到UL94 V - 0阻燃等级，并提供足够的ESD爬电/间隙距离以避免高达15kV的放电。

8.5 眼睛安全

ADNS - 6000及相关组件应符合IEC 60825 - 1的1类眼睛安全要求。Avago Technologies建议制造商对每个鼠标进行眼睛安全测试，并审查可能的单故障机制。

8.6 激光功率调整

激光功率调整需在环境温度25°C ± 5°C下进行，设置VDD3为永久值，确保激光驱动占空比为100%，编程LP_CFG0和LP_CFG1寄存器使输出功率接近506uW但不超过。

通过以上对ADNK - 6003 - SP01光学鼠标设计指南的解析，我们可以看到它在硬件和固件设计上的诸多特点和优势。电子工程师在实际设计中可以参考这些内容，打造出高性能的光学鼠标产品。你在设计类似鼠标产品时，是否也遇到过一些挑战呢？欢迎在评论区分享。