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

【摘　要】本文首先比較詳細(xì)、系統(tǒng)地介紹了最新51兼容射頻SoC nRF9E5的片內(nèi)微控制器和其它功能模塊；然后分析了無線鼠標(biāo)與有線鼠標(biāo)的區(qū)別，并引出了無線光機(jī)鼠標(biāo)的概念和工作原理，給出用nRF9E5進(jìn)行無線光機(jī)鼠標(biāo)設(shè)計(jì)的方案和該方案中的電池壽命的計(jì)算方法；最后，說明用nRF9E5進(jìn)行無線光機(jī)鼠標(biāo)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢。

【關(guān)鍵詞】nRF9E5；射頻；無線通信；光機(jī)鼠標(biāo)；鼠標(biāo)

1. 引言

nRF9E5是Nordic VLSI公司于2004年2月5日推出的系統(tǒng)級RF芯片，其內(nèi)置nRF905 433/868/915MHz收發(fā)器、8051兼容微控制器和4輸入10位80ksps AD轉(zhuǎn)換器，是真正的系統(tǒng)級芯片。內(nèi)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(nèi)置電壓調(diào)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(biāo)準(zhǔn)學(xué)會的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。由于nRF905功耗低，工作可靠，因此很適用于無線光機(jī)鼠標(biāo)設(shè)計(jì)。

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(shí)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(gè)指令周期。中斷控制器支持5個(gè)擴(kuò)展的中斷源：ADC中斷、SPI中斷、RADIO1中斷、RADIO2中斷和喚醒定時(shí)器中斷。片內(nèi)控制器還有3個(gè)與8052相同的定時(shí)器。一個(gè)和8051相同的串口，可以用定時(shí)器1和定時(shí)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(gè)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(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(gè)4K的RAM中，這個(gè)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的大部分寄存器和標(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(biāo)準(zhǔn)8051中的相同，都是0x80，0x90，0xA0，但功能和標(biāo)準(zhǔn)8051中的有所不同。

圖1 nRF9E5功能圖[1]

2.2 PWM

nRF9E5內(nèi)有一個(gè)可編程控制的PWM(脈寬調(diào)制)輸出，使用時(shí)，通過程序改變P0.7的功能來實(shí)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(shí)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(jìn)行片選。通常，系統(tǒng)上電時(shí)，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，比如其它的SPI器件或GPIO。

2.4 LF時(shí)鐘，RTC喚醒定時(shí)器，GPIO喚醒和WTD

nRF9E5內(nèi)有一個(gè)低頻的時(shí)鐘CKLF，該時(shí)鐘常開。當(dāng)晶振開始工作后，CKLF頻率為4kHz；晶振不工作時(shí)，CKLF是一個(gè)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(shí)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(shí)能夠完成這三個(gè)功能。

　　RTC喚醒定時(shí)器是個(gè)24位可編程控制的遞減計(jì)數(shù)器，WTD則是個(gè)16位可編程控制的遞減計(jì)數(shù)器。RTC喚醒定時(shí)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(gè)輸入可通過軟件進(jìn)行選擇，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。

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口與其它模塊進(jìn)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(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(gè)完整的頻率合成器、一個(gè)功率放大器、一個(gè)調(diào)節(jié)器和兩個(gè)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(jìn)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(guān)。

3. 無線鼠標(biāo)的基本知識[2]

　　無線鼠標(biāo)的基本功能和普通鼠標(biāo)相同，唯一的區(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，盡量用最少的次數(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(gè)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(gè)露出一部分的塑膠小球,當(dāng)鼠標(biāo)器在操作桌面上移動時(shí)，小球隨之轉(zhuǎn)動，在鼠標(biāo)器內(nèi)部裝有三個(gè)滾軸與小球接觸，其中有兩個(gè)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(gè)是空軸，僅起支撐作用。拖動鼠標(biāo)器時(shí)，由于小球帶動三個(gè)滾軸轉(zhuǎn)動，X軸方向和Y軸方向滾軸又各帶動一個(gè)轉(zhuǎn)軸（稱為譯碼輪）轉(zhuǎn)動。譯碼輪(見圖2)[3]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(gè)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(shí)，紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線時(shí)而照在光敏傳感器上，時(shí)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(shí)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(gè)小角度，鼠標(biāo)位置計(jì)數(shù)器加1，每隔一定時(shí)間，nRF9E5就把鼠標(biāo)位置計(jì)數(shù)器的值讀出，通過計(jì)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(gè)開關(guān)和nRF9E5的一個(gè)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(shí)候可能會出現(xiàn)抖動，所以在軟件設(shè)計(jì)的時(shí)候一般要考慮到去抖動，一般的方法是延時(shí)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。

射頻部分基于nRF9E5設(shè)計(jì)，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(jì)時(shí)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[2]

5.1工作狀態(tài)分析

　　無線光機(jī)鼠標(biāo)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(biāo)又能正常工作。下文給出一個(gè)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(biāo)信息被精確算出并發(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(shí)，也不會感覺得出25000us的短延時(shí)。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(shí)，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(shí)間沒用時(shí)，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(shí)，用戶感覺不出來100000us的延時(shí)。一旦檢測出鼠標(biāo)被移動時(shí)，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(jì)算

　　發(fā)光二極管的工作電流是10mA。nRF9E5在工作狀態(tài)時(shí)工作電流為3mA，空閑狀態(tài)時(shí)工作電流是25uA，傳送ShockBurstTM數(shù)據(jù)包時(shí)工作電流為11mA。各個(gè)狀態(tài)時(shí)的平均電流可根據(jù)公式(1)來計(jì)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(shí)間為124us，此外，起動時(shí)間為202us，ShockBurstTM的工作時(shí)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(shí)，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(jì)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(shí)的1.33倍。同樣，降低nRF9E5的射頻發(fā)射速度，無線光機(jī)鼠標(biāo)的電池壽命也會增大。

5. 結(jié)論

nRF9E5尺寸小，使用中外圍元件少，433/868/915MHz三個(gè)工作頻率，非常適合用來做無線光機(jī)鼠標(biāo)與PC機(jī)進(jìn)行通信。nRF9E5的ShockBurstTM技術(shù)，使得無線光機(jī)鼠標(biāo)的功耗更低，設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)安全的無線光機(jī)鼠標(biāo)信息的發(fā)送，如果設(shè)計(jì)需要，還可以擴(kuò)展更多的鼠標(biāo)按鍵。

參考文獻(xiàn)
[1] Nordic VLSI ASA Inc. 2.4Ghz RF transceiver with embedded 8051 compatible microcontroller and 9 input, 10 bit ADC[Z].2003.5
[2] Nordic VLSI ASA Inc. nRF24Ex in a wireless keyboard design[Z].2003.10
[3] http://www.vip998.com/dnfiles/dn-hwxyhsb.htm