51兼容射頻Soc nRF9E5與無(wú)線(xiàn)光機鼠標設計

【摘　要】本文首先比較詳細、系統地介紹了最新51兼容射頻SoC nRF9E5的片內微控制器和其它功能模塊；然后分析了無(wú)線(xiàn)鼠標與有線(xiàn)鼠標的區別，并引出了無(wú)線(xiàn)光機鼠標的概念和工作原理，給出用nRF9E5進(jìn)行無(wú)線(xiàn)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(shuō)明用nRF9E5進(jìn)行無(wú)線(xiàn)光機鼠標設計的優(yōu)勢。

【關(guān)鍵詞】nRF9E5；射頻；無(wú)線(xiàn)通信；光機鼠標；鼠標

1. 引言

nRF9E5是Nordic VLSI公司于2004年2月5日推出的系統級RF芯片，其內置nRF905 433/868/915MHz收發(fā)器、8051兼容微控制器和4輸入10位80ksps AD轉換器，是真正的系統級芯片。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(dòng)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，為系統提供1.9V到3.6V的工作電壓。nRF9E5符合美國通信委員會(huì )和歐洲電信標準學(xué)會(huì )的相關(guān)標準。由于nRF905功耗低，工作可靠，因此很適用于無(wú)線(xiàn)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(shí)序與標準51稍有區別，典型的區別是nRF9E5的片內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(lái)作為異步通信的波特率產(chǎn)生器。此外，還擴展了兩個(gè)數據指針，以方便于從XRAM區讀取數據。

微處理器中有256字節的數據RAM和512字節的ROM。上電復位或軟件復位后，處理器自動(dòng)執行ROM中的引導區中的代碼。用戶(hù)程序通常是在引導區的引導下，從EEPROM加載到1個(gè)4K的RAM中，這個(gè)4K的RAM也可作存儲數據用。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(jiàn)的是通過(guò)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(méi)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1 nRF9E5功能圖[1]

2.2 PWM

nRF9E5內有一個(gè)可編程控制的PWM(脈寬調制)輸出，使用時(shí)，通過(guò)程序改變P0.7的功能來(lái)實(shí)現，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(串行外設接口)的接口引腳有MISO(接收EEPROM的SDO送來(lái)的數據)、SCK(給EEPROM的SCK提供時(shí)鐘信號)、MOSI(送數據到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(guò)寄存器SPI_CTRL控制來(lái)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(lái)進(jìn)行片選。通常，系統上電時(shí)，SPI自動(dòng)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(huì )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內有一個(gè)低頻的時(shí)鐘CKLF，該時(shí)鐘常開(kāi)。當晶振開(kāi)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，其連續工作。RTC喚醒定時(shí)器、WTD(看門(mén)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數器，WTD則是個(gè)16位可編程控制的遞減計數器。RTC喚醒定時(shí)器和WTD的循環(huán)周期一般在300us和80ms之間，默認為1ms。

2.5 AD轉換器

nRF9E5片內有10位ADC，AD轉換參考電壓可以通過(guò)軟件設置在A(yíng)REF和1.22V之間(內部參考電壓)。AD轉換器的4個(gè)輸入可通過(guò)軟件進(jìn)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字值，通道4用于對nRF9E5工作電壓的監控。AD轉換器默認工作于10位方式，可通過(guò)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(guò)內部并行口或內部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接收器輸出的數據準備信號，可通過(guò)程序使其為微處理器的中斷或通過(guò)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)調節器和兩個(gè)接收器組成。輸出功率、頻道和其它射頻參數可通過(guò)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。為了節能，可通過(guò)程序控制收發(fā)器的開(kāi)/關(guān)。

3. 無(wú)線(xiàn)鼠標的基本知識[2]

　　無(wú)線(xiàn)鼠標的基本功能和普通鼠標相同，唯一的區別是無(wú)線(xiàn)鼠標通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式傳送鼠標信息給PC機，而普通鼠標是通過(guò)電線(xiàn)。這意味著(zhù)無(wú)線(xiàn)鼠標檢測鼠標移動(dòng)和按鍵信息的方法和普通有線(xiàn)鼠標一樣，也是用開(kāi)關(guān)來(lái)檢測按鍵，用球和滾軸來(lái)檢測鼠標的移動(dòng)。無(wú)線(xiàn)鼠標使用電池供電，所以應該盡量考慮節能問(wèn)題，盡量用最少的次數就能把檢測到的鼠標信息發(fā)送到PC機。無(wú)線(xiàn)鼠標在PC機處還應有一個(gè)接收器，一般該接收器是通過(guò)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(wú)線(xiàn)光機鼠標方案

　　無(wú)線(xiàn)光機鼠標器，即將滾輪的機械轉動(dòng)轉換成光信號，然后變?yōu)閿底蛛娦盘栐偻ㄟ^(guò)無(wú)線(xiàn)的方式發(fā)送給和PC機相連的接收器。無(wú)線(xiàn)光機鼠標器底部有一個(gè)露出一部分的塑膠小球,當鼠標器在操作桌面上移動(dòng)時(shí)，小球隨之轉動(dòng)，在鼠標器內部裝有三個(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(lái)分別測量X軸方向和Y軸方向的移動(dòng)量，另一個(gè)是空軸，僅起支撐作用。拖動(dòng)鼠標器時(shí)，由于小球帶動(dòng)三個(gè)滾軸轉動(dòng)，X軸方向和Y軸方向滾軸又各帶動(dòng)一個(gè)轉軸（稱(chēng)為譯碼輪）轉動(dòng)。譯碼輪(見(jiàn)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(gè)光敏晶體管A和B。由于譯碼輪有間隙，故當譯碼輪轉動(dòng)時(shí)，紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線(xiàn)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，就能測出鼠標器的拖動(dòng)方向。塑膠小球的移動(dòng)帶動(dòng)滾軸轉動(dòng)，滾軸每轉動(dòng)一個(gè)小角度，鼠標位置計數器加1，每隔一定時(shí)間，nRF9E5就把鼠標位置計數器的值讀出，通過(guò)計算得出鼠標移動(dòng)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(kāi)關(guān)，每個(gè)開(kāi)關(guān)和nRF9E5的一個(gè)GPIO口相連。與開(kāi)關(guān)相連的GPIO口配置為輸入狀態(tài)，并通過(guò)外部上拉電阻把其置高。按鍵在被按下的時(shí)候可能會(huì )出現抖動(dòng)，所以在軟件設計的時(shí)候一般要考慮到去抖動(dòng)，一般的方法是延時(shí)15-25ms再去檢測按鍵。一般的鼠標按鍵有：左鍵、中鍵和右鍵。系統原理圖如圖3所示。

射頻部分基于nRF9E5設計，系統晶振為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(shí)就已經(jīng)考慮到節能，因此使用該工作方式可以延長(cháng)電池壽命。

5. 無(wú)線(xiàn)光機鼠標電池壽命算法[2]

5.1工作狀態(tài)分析

　　無(wú)線(xiàn)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(gè)節電的方法，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(dòng)并且要求以最大的精確度測出移動(dòng)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(guò)但現在不用。此狀態(tài)下tledon=10us，tledoff=25000us。當用戶(hù)再次拖動(dòng)鼠標時(shí)，也不會(huì )感覺(jué)得出25000us的短延時(shí)。鼠標從狀態(tài)1進(jìn)入狀態(tài)2一般應在5ms左右，當鼠標檢測到移動(dòng)時(shí)，應立刻從狀態(tài)2進(jìn)入狀態(tài)1。

　　狀態(tài)3：當鼠標很長(cháng)時(shí)間沒(méi)用時(shí)，進(jìn)入狀態(tài)3。此狀態(tài)下tledon=10us，tledoff=100000us。同樣，很久沒(méi)有使用之后再次拖動(dòng)鼠標時(shí)，用戶(hù)感覺(jué)不出來(lái)100000us的延時(shí)。一旦檢測出鼠標被移動(dòng)時(shí)，鼠標應該馬上進(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數據包時(shí)工作電流為11mA。各個(gè)狀態(tài)時(shí)的平均電流可根據公式(1)來(lái)計算：

至于狀態(tài)1，要考慮到ShockBurstTM發(fā)射所消耗的電流。假設數據包共為124位，發(fā)射速度為1Mbit/s，則nRF9E5所用時(shí)間為124us，此外，起動(dòng)時(shí)間為202us，ShockBurstTM的工作時(shí)間加起來(lái)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(shí)，無(wú)線(xiàn)光機鼠標的平均工作電流也會(huì )明顯降低。經(jīng)過(guò)計算，nRF9E5外接晶振是4MHz的無(wú)線(xiàn)光機鼠標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(wú)線(xiàn)光機鼠標的電池壽命也會(huì )增大。

5. 結論

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(lái)做無(wú)線(xiàn)光機鼠標與PC機進(jìn)行通信。nRF9E5的ShockBurstTM技術(shù)，使得無(wú)線(xiàn)光機鼠標的功耗更低，設計中為節約用電而編寫(xiě)的程序更少，并且電池監管更方便。此外，nRF9E5更易于實(shí)現安全的無(wú)線(xiàn)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] 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