基于USB的無(wú)線觸摸鼠標(biāo)板的設(shè)計(jì)

隨著IT技術(shù)的發(fā)展，多媒體教學(xué)已經(jīng)在學(xué)校得到廣泛的應(yīng)用。但傳統(tǒng)的多媒體教學(xué)存在互動(dòng)性不強(qiáng)等缺點(diǎn)，不利于師生的交流和溝通，基于這種情況，我們?cè)O(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種基于USB的無(wú)線觸摸鼠標(biāo)板，使得教師在學(xué)生座位旁依然可以像站在講臺(tái)那樣自由控制電腦。

1系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)可以大致分為兩個(gè)部分，其中一端是手持設(shè)備終端，提供PS/2接口供鼠標(biāo)觸摸板接入使用；另一端是PC接入端，通過(guò)USB接口與主機(jī)相連，二者之間通過(guò)無(wú)線傳輸協(xié)議聯(lián)系在一起。整體構(gòu)架圖如圖1所示。

圖1整體構(gòu)架圖

因?yàn)樵O(shè)計(jì)所選用的CC2420集成了發(fā)送和接收功能在同一芯片中，故在手持終端和接入設(shè)備部分的無(wú)線收發(fā)器可復(fù)用同一模塊，無(wú)需重新設(shè)計(jì)。而在PC端，為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的普遍適用性以及即插即用的特性，對(duì)接人設(shè)備采用了HID類設(shè)計(jì)從而使PC端無(wú)需增加任何軟件，即可使用操作系統(tǒng)提供的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

本設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)板由筆者自行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，不僅包括了本設(shè)計(jì)所需要的功能，還有調(diào)試功能以及擴(kuò)展功能，供日后有需要時(shí)使用。

2 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1手持端硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在手持端，主要包括的模塊有MCU控制模塊，無(wú)線發(fā)送模塊，PS/2接口模塊和調(diào)試模塊等。各模塊的功能示意圖如圖2所示：

圖2手持端模塊圖

2.1.1 MCU PIC整體控制模塊

MCU控制著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，包括軟件的觸發(fā)、運(yùn)行，以及各個(gè)部分的協(xié)調(diào)工作。整個(gè)系統(tǒng)的軟件都是存儲(chǔ)并運(yùn)行在MCU當(dāng)中，在觸摸板事件響應(yīng)方面采用的是中斷觸發(fā)。而PS/2接口實(shí)際上只需兩條IO線，也就是說(shuō)其只占用了MCU兩個(gè)管腳資源，其中一個(gè)為普通IO口，另一個(gè)則是中斷口，考慮到中斷12的可能沖突，可以通過(guò)跳線方式自行選擇。在CC2420方面，亦采用電平跳變中斷檢測(cè)其SFD及FIFOP的中斷請(qǐng)求，而其數(shù)據(jù)通信則是使用芯片集成的SPI接口中的RCA（SO）、RC5（si）、rico（CS-N）、RC3（SCK）等4條線來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.1.2串口模塊

由于USB的數(shù)據(jù)信息在其未被主機(jī)正確識(shí)別之前無(wú)法得到，并且在無(wú)線傳輸方面也需將數(shù)據(jù)及控制信息等傳回主機(jī)以供調(diào)試，所以在開(kāi)發(fā)板上另外設(shè)計(jì)一個(gè)串口調(diào)試模塊，方便設(shè)計(jì)過(guò)程中的調(diào)試需要。

RS232規(guī)范使用12V供電，而開(kāi)發(fā)板上使用的電壓為3.3V，這樣如果直接將數(shù)據(jù)線直接連到RS232接口上會(huì)將實(shí)驗(yàn)板上的元件燒毀。為了實(shí)現(xiàn)不同電壓之間的連接，采用了RS232電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232.利用這個(gè)芯片我們可將12V電壓的數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)換為3V，這樣就可以達(dá)到將數(shù)據(jù)與主機(jī)進(jìn)行交互的目的。在數(shù)據(jù)傳輸線路上，由于PICl6F877A內(nèi)置了串口接口，所以只需使用RC6、RC7這兩根線就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，經(jīng)過(guò)MAX3232的電平變換到達(dá)主機(jī)。

2.1.3無(wú)線傳輸模塊

考慮到工藝問(wèn)題，靠手工無(wú)法完成，所以采用模塊購(gòu)買的方式來(lái)獲得CC2420的使用，購(gòu)買的模塊僅有非常簡(jiǎn)單的外圍器件，以及12根控制引腳外引（包括電源和地），這樣我們就可以通過(guò)MCU利用這12根引腳控制CC2420的工作了。根據(jù)該模塊的外接引腳，在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)了一個(gè)兩排12根線的接口，可以直接接到MCU控制接口，因?yàn)镸CU和CC2420都是采用3.3V的電壓，所以不會(huì)有電壓過(guò)高的問(wèn)題。

在CC2420的電路設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于控制引腳SFD、FIFOP這兩個(gè)用于檢測(cè)中斷接受數(shù)據(jù)的接口尤其重要，如果在這兩條線路出現(xiàn)了干擾的話，在軟件的實(shí)現(xiàn)方面將產(chǎn)生很多不必要的軟件開(kāi)銷，例如去除干擾等。所以在PCB設(shè)計(jì)的時(shí)候要對(duì)這兩條線加寬，不要橫跨電源和地，這樣會(huì)產(chǎn)生很大的干擾。

2.2 PC接入端硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

此部分將介紹接人設(shè)備的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，在串口調(diào)試部分采用和手持端同樣的硬件設(shè)計(jì)，而在無(wú)線接受模塊，因?yàn)镃C2420集合接收發(fā)送功能在同一芯片中，而應(yīng)用電路也采用同樣電路，故在接入設(shè)備部分可以使用相同模塊。所以在這里將主要介紹USB模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

在USB接IZl方面，為了使用上的方便，將設(shè)備設(shè)計(jì)成標(biāo)準(zhǔn)的HID類鼠標(biāo)，這樣可以直接使用操作系統(tǒng)自帶的驅(qū)動(dòng)程序而無(wú)需安裝任何的驅(qū)動(dòng)軟件。在供電方面使用標(biāo)準(zhǔn)USB接口提供的5V電源為USB芯片供電，接人端的主要硬件架構(gòu)可用圖3所示：

圖3接入端硬件構(gòu)架圖

在USB接口芯片的連接上，采用了與MCU控制器的INT0外部中斷的方式連接，這樣可以保證USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，而其他的控制接El使用一般的數(shù)據(jù)IO口，其8位數(shù)據(jù)傳輸口使用PICl6F877A的RD口連接。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在本部分，主要將介紹本設(shè)計(jì)的軟件實(shí)現(xiàn)，其中包括接入端和手持端兩大部分。

3.1整體設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)環(huán)境

本次設(shè)計(jì)采用的控制芯片為PIC16F877A。

由于程序是在PC上設(shè)計(jì)，需要將程序下載到單片機(jī)上運(yùn)行和測(cè)試，所以需要一個(gè)程序下載工具，本次設(shè)計(jì)所采用的程序燒錄器為TOP WIN2004，該燒錄器自身提供有一個(gè)下載軟件，使用也非常方便，安裝按照軟件目錄下的README一步步操作即可。

本設(shè)計(jì)中的軟件均是在單片機(jī)內(nèi)實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行在MCU內(nèi)的軟件控制著整個(gè)設(shè)計(jì)所要實(shí)現(xiàn)的模塊。

但是由于MCU與傳統(tǒng)Pc有著巨大的差別，必須考慮存儲(chǔ)空間、運(yùn)行速度、外界干擾等因素。在實(shí)現(xiàn)此次設(shè)計(jì)的過(guò)程中，除了首先要保證硬件環(huán)境的設(shè)計(jì)正確和優(yōu)質(zhì)之外，軟件方面的嚴(yán)謹(jǐn)設(shè)計(jì)也是必不可少的一個(gè)重要部分。

本設(shè)計(jì)的軟件總體框架圖可如圖4所示，為了使兩端達(dá)到速度及任務(wù)的均衡，一些軟件處理將在手持端完成，然后以接收端可以識(shí)別的格式打包發(fā)送過(guò)去，由圖4也可以看出兩端的任務(wù)處理基本處于均衡狀態(tài)。