詹 杰，王勁松，李仕瑤

(湖南科技大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

基于CC2500收發(fā)器和AVR單片機(jī)的無(wú)線鼠標(biāo)設(shè)計(jì)*

詹 杰，王勁松，李仕瑤

(湖南科技大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

無(wú)線鼠標(biāo)由于使用方便，在電腦中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，采用工作于2.4 GHz頻段的CC2500無(wú)線芯片收發(fā)器設(shè)計(jì)了基于PS/2口的無(wú)線鼠標(biāo).無(wú)需驅(qū)動(dòng)就直接替代現(xiàn)有鼠標(biāo).測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的無(wú)線鼠標(biāo)在功能上和能耗上都能滿足日常工作的需要.

無(wú)線鼠標(biāo);PS/2接口;CC2500

近10年來(lái)，隨著消費(fèi)型電腦的普及，作為電腦最重要的外設(shè)——鼠標(biāo)也發(fā)生了翻天覆地的變化:從早期的機(jī)械滾輪鼠標(biāo)到目前主流的光電鼠標(biāo)再到中高端的激光鼠標(biāo)，鼠標(biāo)的每次變革都給用戶帶來(lái)很好的體驗(yàn)，使用越來(lái)越方便，價(jià)格越來(lái)越低.鼠標(biāo)一般通過(guò)連線連接個(gè)人電腦主機(jī)的專用PS/2端口或USB端口，隨著人們對(duì)辦公環(huán)境和操作便捷性要求日益增高，鼠標(biāo)也逐漸從有線過(guò)渡到無(wú)線.

無(wú)線鼠標(biāo)分為鼠標(biāo)和接收器2部分.鼠標(biāo)本身安裝有紅外線或無(wú)線電發(fā)射器，接收器通過(guò)連線連接到個(gè)人電腦主機(jī)，操作鼠標(biāo)時(shí)，位置信息通過(guò)紅外線或無(wú)線電波傳輸?shù)絺€(gè)人電腦主機(jī)上.在無(wú)線通信技術(shù)中，紅外方式成本較低，而且不易受到干擾，但存在發(fā)射器與接收器需時(shí)刻對(duì)準(zhǔn)的問(wèn)題，使用不方便，未能在用戶中普及.與紅外相比，無(wú)線電方式只要在限定距離以內(nèi)，就可以在任何位置使用，幾乎不受室內(nèi)障礙物的影響，傳輸?shù)木嚯x能達(dá)5 m以上，足夠滿足用戶要求.但無(wú)線技術(shù)需要考慮多用戶使用時(shí)的信道占用問(wèn)題，技術(shù)相對(duì)較復(fù)雜，成本也較高.適合于無(wú)線鼠的近距離通信技術(shù)有藍(lán)牙、Wi-Fi(IEEE 802.11)、Infrared (IrDA)、ZigBee(IEEE 802.15.4)等多個(gè)無(wú)線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，由于各種原因，當(dāng)前商品化的無(wú)線鼠標(biāo)主要有羅技公司的27 MHz專用無(wú)線鼠、采用2.4 GHz非聯(lián)網(wǎng)方案的無(wú)線鼠和采用藍(lán)牙技術(shù)的無(wú)線鼠標(biāo)等3類［1］.羅技公司的無(wú)線鼠標(biāo)功耗較大，安全級(jí)低，經(jīng)常出現(xiàn)通信不靈的情況;采用藍(lán)牙技術(shù)的無(wú)線鼠在技術(shù)層面上解決了多用戶使用問(wèn)題，但專利費(fèi)導(dǎo)致成本過(guò)高，推廣受限;市面上無(wú)線鼠大多占用USB接口，而專用的PS/2接口被放棄，造成接口資源緊張.針對(duì)上述情況，考慮鼠標(biāo)基本工作于單向通信狀態(tài)，筆者設(shè)計(jì)了一款基于PS/2接口的低成本無(wú)線鼠，在一定程度上解決了上述問(wèn)題，可在家庭辦公室推廣應(yīng)用.

1 PS/2鼠標(biāo)接口

PS/2是鍵盤(pán)鼠標(biāo)的專用接口，采用雙向串行同步通訊協(xié)議，由IBM公司于1981年推出，PS/2設(shè)備使用6引腳的mini-DIN連接器，使用了Clock、Data、+5V電源和電源地4個(gè)引腳.協(xié)議約定每在時(shí)鐘線上發(fā)1個(gè)脈沖，就在數(shù)據(jù)線上發(fā)送1位數(shù)據(jù).主機(jī)擁有總線控制權(quán)，從PS/2設(shè)備發(fā)送到主機(jī)的數(shù)據(jù)在時(shí)鐘信號(hào)的下降沿被讀取;從主機(jī)發(fā)送到PS/2設(shè)備的數(shù)據(jù)在時(shí)鐘上升沿讀取.設(shè)備和主機(jī)間傳輸數(shù)據(jù)的最大時(shí)鐘頻率是33 kHz，一般的PS/2設(shè)備工作在10～20 kHz，其時(shí)序如圖1所示.［2］

圖1 PS2協(xié)議中主機(jī)到從機(jī)的通訊時(shí)序

PS/2鼠標(biāo)有4種工作模式:(1)Reset模式.當(dāng)鼠標(biāo)上電或主機(jī)發(fā)送復(fù)位命令(0xff)給它時(shí)進(jìn)入該模式.(2)Stream模式.鼠標(biāo)的默認(rèn)模式，當(dāng)鼠標(biāo)上電或復(fù)位完成后，自動(dòng)進(jìn)入此模式，鼠標(biāo)基本上以此模式工作.(3)Remote模式.只有在主機(jī)發(fā)送了模式設(shè)置命令(0xf0)后，鼠標(biāo)才進(jìn)入此模式.(4)Wrap模式.該模式也稱為回聲模式，用于測(cè)試鼠標(biāo)與主機(jī)連接是否正確.標(biāo)準(zhǔn)的PS/2鼠標(biāo)支持下面的輸入:X(左右)位移，Y(上下)位移，左鍵，中鍵和右鍵，鼠標(biāo)以1個(gè)固定的頻率讀取這些輸入并更新不同的計(jì)數(shù)器，然后標(biāo)記出檢測(cè)到的位移和按鍵狀態(tài)，鼠標(biāo)的滾輪功能，實(shí)質(zhì)是一種擴(kuò)展Microsoft的Intellimouse.PS/2使用4 B的數(shù)據(jù)，格式如圖2所示.

圖2 PS/2數(shù)據(jù)報(bào)告包格式

鼠標(biāo)有2個(gè)計(jì)數(shù)器保持對(duì)位移的跟蹤即X，Y軸位移計(jì)數(shù)器，每軸位移值對(duì)應(yīng)9位的2進(jìn)制補(bǔ)碼，并且每個(gè)計(jì)數(shù)器都有相關(guān)的溢出標(biāo)志.這些計(jì)數(shù)器的值是從最后一次發(fā)送數(shù)據(jù)包給主機(jī)后位移的累計(jì)量，是一個(gè)相對(duì)值，可表示的范圍是-255～+255.Z軸計(jì)數(shù)器代表滾輪的位移，其取值范圍為-8～+7.

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖3 硬件框架總圖

整個(gè)硬件系統(tǒng)由2個(gè)部分組成，如圖3所示.連接PS/2鼠標(biāo)的發(fā)射機(jī)和連接主機(jī)的接收機(jī)，這2個(gè)部分都以ATMega8［3］為核心.發(fā)射部分作為鼠標(biāo)的模擬終端，接收并解讀鼠標(biāo)發(fā)來(lái)的位移和按鍵信息，把這些信息打包后通過(guò)SPI接口送到CC2500無(wú)線模塊的發(fā)送緩沖區(qū)，再使用發(fā)射指令控制模塊把緩沖區(qū)的信息發(fā)送出去.接收部分過(guò)程相反，CC2500接收到位移和按鍵信息后，通過(guò) SPI接口經(jīng) ATMega8與上位機(jī)聯(lián)系.

TI公司的CC2500是一款低成本的UHF收發(fā)器，專為低功耗無(wú)線應(yīng)用而設(shè)計(jì)，可由軟件設(shè)定在2 400～2 483.5 MHz頻率波段，其數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)5 00 kbps，通過(guò)SPI接口，可以方便地訪問(wèn)模塊的主要配置寄存器和64 B FIFO發(fā)送/接收緩沖區(qū)［4］.收發(fā)電路如圖4所示.

圖4 硬件電路圖

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無(wú)線鼠標(biāo)的軟件設(shè)計(jì)不僅要考慮PS/2協(xié)議，還需要考慮功耗和多鼠標(biāo)同時(shí)工作時(shí)的對(duì)碼.CC2500可工作于16個(gè)信道，在軟件中通過(guò)檢測(cè)撥碼開(kāi)關(guān)位置設(shè)置工作信道，雖然最多在1個(gè)房間內(nèi)只能容納16個(gè)鼠標(biāo)同時(shí)工作，但在大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景中已經(jīng)夠用，無(wú)線鼠標(biāo)采用電池供電，低功耗是設(shè)計(jì)時(shí)考慮的重點(diǎn).

圖5 軟件流程圖

軟件流程如圖5所示，開(kāi)機(jī)上電后，程序首先對(duì)ATmega8的IO口和有關(guān)寄存器進(jìn)行初始化，接著初始化CC2500和鼠標(biāo)，并啟動(dòng)電源管理計(jì)時(shí)器，最后進(jìn)入工作循環(huán)模式.當(dāng)鼠標(biāo)被移動(dòng)而產(chǎn)生數(shù)據(jù)輸出時(shí)，單片機(jī)把位移數(shù)據(jù)打包，通過(guò)CC2500模塊發(fā)送出去，同時(shí)計(jì)時(shí)器清零.如果鼠標(biāo)處于靜止?fàn)顟B(tài)的時(shí)間超過(guò)計(jì)時(shí)器設(shè)定的閥值，單片機(jī)認(rèn)為鼠標(biāo)是空閑的，于是關(guān)閉供應(yīng)鼠標(biāo)和RF模塊的電源，最后自己也進(jìn)入休眠模式.當(dāng)外中斷被人工觸發(fā)后，單片機(jī)就從休眠狀態(tài)喚醒，整個(gè)發(fā)射機(jī)隨即恢復(fù)正常工作.［5］接收機(jī)和發(fā)射機(jī)的程序類似，只是接收機(jī)有主機(jī)電源供電，不需考慮功耗問(wèn)題，只需CC2500工作在接收模式.

軟件實(shí)現(xiàn)中最主要的2塊主要是PS/2數(shù)據(jù)包的解讀以及CC2500寄存器的設(shè)置.根據(jù)PS2協(xié)議中從機(jī)到主機(jī)通訊的時(shí)序格式，設(shè)計(jì)了單片機(jī)從鼠標(biāo)讀取單個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的子函數(shù)unsigned char read_mouse(void).初始化鼠標(biāo)的子函數(shù)void connectmouse_init (void)，對(duì)于滾輪功能，在初始化函數(shù)中發(fā)布“獲取設(shè)備ID”命令，如果使用的鼠標(biāo)是帶滾輪的Intellimouse，它返回的設(shè)備ID是0x03，調(diào)用相應(yīng)的數(shù)據(jù)格式來(lái)與設(shè)備傳輸［6］.初始化子函數(shù)由一系列的發(fā)送命令子函數(shù)和讀取字節(jié)子函數(shù)組成，主要有發(fā)送復(fù)位命令、讀取設(shè)備ID和發(fā)送設(shè)置采樣率命令等.CC2500通過(guò)3個(gè)函數(shù)進(jìn)行配置.［7］

(1)主機(jī)發(fā)送指令到CC2500:uchar SPI_command(unsigned char bitpointer).

(2)主機(jī)寫(xiě)CC2500寄存器函數(shù):void SPI_host_send(unsigned char bitpointer).

(3)主機(jī)讀CC2500寄存器函數(shù):uchar SPI_host_read(void).

4 結(jié)語(yǔ)

按照PS2協(xié)議中的讀寫(xiě)時(shí)序編寫(xiě)代碼后，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)鼠標(biāo)的分辨率(resolution)和采樣頻率(sample)的設(shè)置對(duì)鼠標(biāo)的影響很大.鼠標(biāo)支持4種分辨率:0x00(1 count/mm);0x01(2 count/mm);0x02 (4 count/mm);0x03(8 count/mm).使用中，一般將分辨率調(diào)整為0x03(8 count/mm)，采樣率調(diào)整成200以上，鼠標(biāo)的使用才能正常的使用習(xí)慣.測(cè)試時(shí)采用了2節(jié)15 00 mAh容量的可充電7號(hào)電池，發(fā)現(xiàn)每天使用6 h，電池可用20 d以上，在多種機(jī)器上對(duì)該鼠標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，基本上達(dá)到實(shí)用的目的.

［1］ ［美］RAPPAPORT T S.無(wú)線通信原理與應(yīng)用［M］.周文安，譯.第2版.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［2］ 何 利，湯宏斌，韓起云.微機(jī)接口技術(shù)實(shí)用教程［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［3］ 馬 潮.Atmega8原理及應(yīng)用手冊(cè)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2002.

［4］ CHIPCON INC.CC2500 User’s Mannal［EB/OL］.［2012-11-02］.www.chipcon.com.

［5］ 張毅剛.單片機(jī)原理與應(yīng)用設(shè)計(jì)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008

［6］ ADAM CHAPWESKE.PS/2 Reference Manual［EB/OL］.［2012-11-02］.http://www.diylive.net/?p=9，2006.

［7］ 丁 浩.基于ZigBee的無(wú)線鼠標(biāo)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.北京:北方工業(yè)大學(xué)，2007.

(責(zé)任編輯 陳炳權(quán))

Wireless Mouse Design Based on CC2500 and AVR MCU

ZHAN Jie，WANG Jin-song，LI Shi-yao
(College of Physics and Electronic science，Hunan University of Science and Technology，Xiangtian 411201，Hunan China)

Wireless mouse are used more and more widely in the computer for its convenience.A Wireless mouse based on the PS/2 port is designed，which uses the 2.4G band's CC2500 chip.That type of mouse can directly replace the existing mouse without drivers.Test results show that the function and energy consumption of the designed wireless mouse can meet the common operational needs.

wireless mouse;PS/2 port;CC2500

TN393

B

10.3969/j.issn.1007-2985.2013.01.00

1007-2985(2013)01-0042-04

2012-11-15

湖南科技大學(xué)大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目(KDSC1107);2011年湖南科技大學(xué)教學(xué)研究與改革項(xiàng)目(電子信息類專業(yè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)平臺(tái)與資源建設(shè))成果;湖南省教育廳科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(12A045)

詹 杰(1973-)，男，湖南常德人，湖南科技大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院副教授，博士，主要從事無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)通信、嵌入式系統(tǒng)等研究.