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51兼容射頻Soc nRF9E5與無線光機鼠標設計
【摘要】本文首先比較詳細、系統(tǒng)地介紹了最新51兼容射頻SoCnRF9E5的片內微控制器和其它功能模塊；然后分析了無線鼠標與有線鼠標的區(qū)別，并引出了無線光機鼠標的概念和工作原理，給出用nRF9E5進行無線光機鼠標設計的方案和該方案中的電池壽命的計算方法；最后，說明用nRF9E5進行無線光機鼠標設計的優(yōu)勢。【關鍵詞】nRF9E5；射頻；無線通信；光機鼠標；鼠標
1.引言
nRF9E5是NordicVLSI公司于2004年2月5日推出的系統(tǒng)級RF芯片，其內置nRF905433/868/915MHz收發(fā)器、8051兼容微控制器和4輸入10位80kspsAD轉換器，是真正的系統(tǒng)級芯片。內置nRF905收發(fā)器與nRF905芯片的收發(fā)器一樣，可以工作在ShockBurstTM(自動處理前綴、地址和CRC)方式。內置電壓調整模塊，最大限度地抑制噪音，為系統(tǒng)提供1.9V到3.6V的工作電壓。nRF9E5符合美國通信委員會和歐洲電信標準學會的相關標準。由于nRF905功耗低，工作可靠，因此很適用于無線光機鼠標設計。
2.nRF9E5功能介紹
2.1微控制器
nRF9E5的片內微控制器與標準51兼容。指令時序與標準51稍有區(qū)別，典型的區(qū)別是nRF9E5的片內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)的ROM。上電復位或軟件復位后，處理器自動執(zhí)行ROM中的引導區(qū)中的代碼。用戶程序通常是在引導區(qū)的引導下，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。如果應用當中不用掩膜ROM（也即內含的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接口擴展型號為25320的EEPROM。
nRF9E5的大部分寄存器和標準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寄存器，如RADIO(P2)、ADCCON、ADCDATAH、ADCDATAL、ADCSTATIC、PWMCON、PWMDUTY等。nRF9E5中的P0、P1和P2口寄存器地址和標準8051中的相同，都是0x80，0x90，0xA0，但功能和標準8051中的有所不同。
圖1nRF9E5功能圖[1]
2.2PWM
nRF9E5內有一個可編程控制的PWM(脈寬調制)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，可編程控制。
2.3SPI接口
SPI(串行外設接口)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與P1口的低3位重用，通過寄存器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口來進行片選。通常，系統(tǒng)上電時，SPI自動和片外的25320相連，當程序加載完成后，MISO(P1.2)、MOSI(P1.0)和SCK(P1.0)可能會用作其它用途，比如其它的SPI器件或GPIO。
2.4LF時鐘，RTC喚醒定時器，GPIO喚醒和WTD
nRF9E5內有一個低頻的時鐘CKLF，該時鐘常開。當晶振開始工作后，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VDD1.8V，其連續(xù)工作。RTC喚醒定時器、WTD(看門狗)和GPIO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，默認為1ms。
2.5AD轉換器
nRF9E5片內有10位ADC，AD轉換參考電壓可以通過軟件設置在AREF和1.22V之間(內部參考電壓)。AD轉換器的4個輸入可通過軟件進行選擇，通道0到3可以把對應引腳AIN0到AIN3上的電壓值分別轉換為數(shù)字值，通道4用于對nRF9E5工作電壓的監(jiān)控。AD轉換器默認工作于10位方式，可通過軟件使其工作于6位、8位或12位方式。
2.6射頻收發(fā)器
nRF9E5收發(fā)器通過內部并行口或內部SPI口與其它模塊進行通信，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433/868/915ISM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)可通過對特殊功能寄存器RADIO（0xA0）編程進行控制。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。
3.無線鼠標的基本知識[2]
無線鼠標的基本功能和普通鼠標相同，唯一的區(qū)別是無線鼠標通過無線方式傳送鼠標信息給PC機，而普通鼠標是通過電線。這意味著無線鼠標檢測鼠標移動和按鍵信息的方法和普通有線鼠標一樣，也是用開關來檢測按鍵，用球和滾軸來檢測鼠標的移動。無線鼠標使用電池供電，所以應該盡量考慮節(jié)能問題，盡量用最少的次數(shù)就能把檢測到的鼠標信息發(fā)送到PC機。無線鼠標在PC機處還應有一個接收器，一般該接收器是通過USB接口或串口與PC機相連，目前發(fā)展的趨勢是采用USB接口。
4.無線光機鼠標方案
無線光機鼠標器，即將滾輪的機械轉動轉換成光信號，然后變?yōu)閿?shù)字
電信號再通過無線的方式發(fā)送給和PC機相連的接收器。無線光機鼠標器底部有一個露出一部分的塑膠小球,當鼠標器在操作桌面上移動時，小球隨之轉動，在鼠標器內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。拖動鼠標器時，由于小球帶動三個滾軸轉動，X軸方向和Y軸方向滾軸又各帶動一個轉軸（稱為譯碼輪）轉動。譯碼輪(見圖2)[3]的兩側分別裝有紅外
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，故當譯碼輪轉動時，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，就能測出鼠標器的拖動方向。塑膠小球的移動帶動滾軸轉動，滾軸每轉動一個小角度，鼠標位置計數(shù)器加1，每隔一定時間，nRF9E5就把鼠標位置計數(shù)器的值讀出，通過計算得出鼠標移動的位移，再把位移信息發(fā)送給PC機。
鼠標的按鍵是典型的開關，每個開關和nRF9E5的一個GPIO口相連。與開關相連的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。一般的鼠標按鍵有：左鍵、中鍵和右鍵。系統(tǒng)原理圖如圖3所示。
射頻部分基于nRF9E5設計，系統(tǒng)晶振為16MHz，EEPROM存儲程序，使用nRF9E5的ShockBurstTM工作方式發(fā)送鼠標信息包。ShockBurstTM工作方式在芯片硬件設計時就已經(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.無線光機鼠標電池壽命算法[2]
5.1工作狀態(tài)分析
無線光機鼠標中，最耗電是紅外發(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：鼠標在移動并且要求以最大的精確度測出移動信息。此狀態(tài)下，tledon=10us，tkedoff=200us，每隔10ms，鼠標信息被精確算出并發(fā)送給PC機。
狀態(tài)2：鼠標剛剛被用過但現(xiàn)在不用。此狀態(tài)下tledon=10us，tledoff=25000us。當用戶再次拖動鼠標時，也不會感覺得出25000us的短延時。鼠標從狀態(tài)1進入狀態(tài)2一般應在5ms左右，當鼠標檢測到移動時，應立刻從狀態(tài)2進入狀態(tài)1。
狀態(tài)3：當鼠標很長時間沒用時，進入狀態(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時，用戶感覺不出來100000us的延時。一旦檢測出鼠標被移動時，鼠標應該馬上進入狀態(tài)1，從狀態(tài)2進入狀態(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。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，當外接晶振工作頻率降低時，無線光機鼠標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的無線光機鼠標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，無線光機鼠標的電池壽命也會增大。
5.結論
nRF9E5尺寸小，使用中外圍元件少，433/868/915MHz三個工作頻率，非常適合用來做無線光機鼠標與PC機進行通信。nRF9E5的ShockBurstTM技術，使得無線光機鼠標的功耗更低，設計中為節(jié)約用電而編寫的程序更少，并且電池監(jiān)管更方便。此外，nRF9E5更易于實現(xiàn)安全的無線光機鼠標信息的發(fā)送，如果設計需要，還可以擴展更多的鼠標按鍵。
參考文獻
[1]NordicVLSIASAInc.2.4GhzRFtransceiverwithembedded8051compatiblemicrocontrollerand9input,10bitADC[Z].2003.5
[2]NordicVLSIASAInc.nRF24Exinawirelesskeyboarddesign[Z].2003.10
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