基于USB的无线触摸鼠标板的设计

只看该作者 · 2019-5-26 12:29

基于USB的无线触摸鼠标板的设计

随着IT技术的发展，多媒体教学已经在学校得到广泛的应用。但传统的多媒体教学存在互动性不强等缺点，不利于师生的交流和沟通，基于这种情况，我们设计和实现了一种基于USB的无线触摸鼠标板，使得教师在学生座位旁依然可以像站在讲台那样自由控制电脑。

　　1系统组成

　　本系统可以大致分为两个部分，其中一端是手持设备终端，提供PS/2接口供鼠标触摸板接入使用；另一端是PC接入端，通过USB接口与主机相连，二者之间通过无线传输协议联系在一起。整体构架图如图1所示。

图1整体构架图

　　因为设计所选用的CC2420集成了发送和接收功能在同一芯片中，故在手持终端和接入设备部分的无线收发器可复用同一模块，无需重新设计。而在PC端，为了实现设计的普遍适用性以及即插即用的特性，对接人设备采用了HID类设计从而使PC端无需增加任何软件，即可使用操作系统提供的设备驱动程序。

　　本设计的实验开发板由笔者自行设计实现，不仅包括了本设计所需要的功能，还有调试功能以及扩展功能，供日后有需要时使用。

　　2 硬件设计与实现

　　2.1手持端硬件设计与实现

　　在手持端，主要包括的模块有MCU控制模块，无线发送模块，PS/2接口模块和调试模块等。各模块的功能示意图如图2所示：

图2手持端模块图

　　2.1.1 MCU PIC整体控制模块

　　MCU控制着整个系统的运行，包括软件的触发、运行，以及各个部分的协调工作。整个系统的软件都是存储并运行在MCU当中，在触摸板事件响应方面采用的是中断触发。而PS/2接口实际上只需两条IO线，也就是说其只占用了MCU两个管脚资源，其中一个为普通IO口，另一个则是中断口，考虑到中断12的可能冲突，可以通过跳线方式自行选择。在CC2420方面，亦采用电平跳变中断检测其SFD及FIFOP的中断请求，而其数据通信则是使用芯片集成的SPI接口中的RCA（SO）、RC5（si）、rico（CS-N）、RC3（SCK）等4条线来实现。

　　2.1.2串口模块

　　由于USB的数据信息在其未被主机正确识别之前无法得到，并且在无线传输方面也需将数据及控制信息等传回主机以供调试，所以在开发板上另外设计一个串口调试模块，方便设计过程中的调试需要。

　　RS232规范使用12V供电，而开发板上使用的电压为3.3V，这样如果直接将数据线直接连到RS232接口上会将实验板上的元件烧毁。为了实现不同电压之间的连接，采用了RS232电平转换芯片MAX3232.利用这个芯片我们可将12V电压的数据传输转换为3V，这样就可以达到将数据与主机进行交互的目的。在数据传输线路上，由于PICl6F877A内置了串口接口，所以只需使用RC6、RC7这两根线就可以实现数据的传输，经过MAX3232的电平变换到达主机。

2.1.3无线传输模块

　　考虑到工艺问题，靠手工无法完成，所以采用模块购买的方式来获得CC2420的使用，购买的模块仅有非常简单的外围器件，以及12根控制引脚外引（包括电源和地），这样我们就可以通过MCU利用这12根引脚控制CC2420的工作了。根据该模块的外接引脚，在实际的电路设计中设计了一个两排12根线的接口，可以直接接到MCU控制接口，因为MCU和CC2420都是采用3.3V的电压，所以不会有电压过高的问题。

　　在CC2420的电路设计过程中发现，对于控制引脚SFD、FIFOP这两个用于检测中断接受数据的接口尤其重要，如果在这两条线路出现了干扰的话，在软件的实现方面将产生很多不必要的软件开销，例如去除干扰等。所以在PCB设计的时候要对这两条线加宽，不要横跨电源和地，这样会产生很大的干扰。

　　2.2 PC接入端硬件设计与实现

　　此部分将介绍接人设备的硬件设计与实现，在串口调试部分采用和手持端同样的硬件设计，而在无线接受模块，因为CC2420集合接收发送功能在同一芯片中，而应用电路也采用同样电路，故在接入设备部分可以使用相同模块。所以在这里将主要介绍USB模块的设计与实现。

　　在USB接IZl方面，为了使用上的方便，将设备设计成标准的HID类鼠标，这样可以直接使用操作系统自带的驱动程序而无需安装任何的驱动软件。在供电方面使用标准USB接口提供的5V电源为USB芯片供电，接人端的主要硬件架构可用图3所示：

图3接入端硬件构架图

　　在USB接口芯片的连接上，采用了与MCU控制器的INT0外部中断的方式连接，这样可以保证USB数据传输的实时性，而其他的控制接El使用一般的数据IO口，其8位数据传输口使用PICl6F877A的RD口连接。

　　3 系统软件设计与实现

　　在本部分，主要将介绍本设计的软件实现，其中包括接入端和手持端两大部分。

　　3.1整体设计方案的设计与实现环境

　　本次设计采用的控制芯片为PIC16F877A。

　　由于程序是在PC上设计，需要将程序下载到单片机上运行和测试，所以需要一个程序下载工具，本次设计所采用的程序烧录器为TOP WIN2004，该烧录器自身提供有一个下载软件，使用也非常方便，安装按照软件目录下的README一步步操作即可。

　　本设计中的软件均是在单片机内实现，运行在MCU内的软件控制着整个设计所要实现的模块。

　　但是由于MCU与传统Pc有着巨大的差别，必须考虑存储空间、运行速度、外界干扰等因素。在实现此次设计的过程中，除了首先要保证硬件环境的设计正确和优质之外，软件方面的严谨设计也是必不可少的一个重要部分。

　　本设计的软件总体框架图可如图4所示，为了使两端达到速度及任务的均衡，一些软件处理将在手持端完成，然后以接收端可以识别的格式打包发送过去，由图4也可以看出两端的任务处理基本处于均衡状态。

图4软件总体框架图

3.2手持端软件的设计与实现

　　在本部分将介绍手持终端的软件设计过程，以及各个模块部分的具体实现。软件的运行流程图如图5所示。

图5手持端软件流程

　　对于事件发生的获取是采用中断模式，也就是在有鼠标触摸板事件发生的时候，将唤醒MCU进行数据的采集处理，然后将采集到的PS/2数据进行一定规则的转换，然后将其打包发送。若没有数据需要处理，则进入睡眠状态以节省功耗。

　　3.2.1芯片初始化

　　在芯片初始化阶段，主要是芯片的内部工作的时钟的设置、IO口的初始化设置、以及CC2420的初始化。

　　在芯片的初始化阶段需要注意对每个IO口的数据方向进行设置，并且要准确设置时钟以及串口的传输数率，否则在调试阶段无法获取数据。不用的IO口全部设置成输出端口，这样可减少端口不必要的干扰。

　　3.2.2鼠标触摸板事件的信息采集

　　首先要对触摸板进行初始化，其初始化序列请参照PS/2协议的命令序列。初始化成功后，该触摸板将正常工作，只要有触摸事件发生，将产生连续三帧的数据发送，而按键事件发生，则在按下产生三帧数据发送，弹起产生三帧数据发送。我们需要做的工作就是在触摸板发送数据的时候对其进行采集。采集过程也非常简单，在熟悉PS/2协议的基础上，中断产生后，按照时序对数据进行采集，一定要在读完一帧的基础上再读下一帧，读取完三帧数据后就马上进行数据转换和打包发送，然后再次等待中断事件发生。所选择的MCU在速度处理上完全可以满足一般键盘鼠标数据包发送的间隔时间，也就是说在读取完一个数据包后，就处理该数据包而不需要完全读取完一次事件产生的数据堆。

　　3.2.3 CC2420数据发送

　　在CC2420的数据发送阶段，MCU将数据发送命令传送给CC2420之后，可以通过SFD引脚来判断其发送过程。该引脚会有一个由低电平向高电平跳变的过程，其过程如图6所示。

图6发送过程示意图

　　控制器向CC2420发送了发送数据的命令之后，并不能马上把数据发送出去，而是要经过12个时钟周期之后发送器才启动，之后将数据添加了其实序列和帧头之后，才能开始数据发送进程。在数据发送完毕之前，SFD引脚将一直为高电平，这样在MCU就可以根据此引脚的变化来跟踪发送过程，发送过程具体的软件实现，可用图7表示。

图7 CC2420发送实现过程

　　在CC2420的数据发送阶段，发射校正和添加起始序列和帧头可以由硬件自动完成，但是帧的长度需要在软件中计算得到再写入帧中，并且需要将数据写入发送器的发送缓冲区之后向CC2420发送发送启动命令。

　　3.3接入端软件的设计与实现

　　接入设备部分的软件设计，主要是分为两部分：CC2420的接收和USB数据传输。CC2420由于是发送和接收集成在同一模块中，所以其初始化可采用发送端的设计。而在USB数据传输部分，则采用HID的协议与主机进行通信，这样在软件设计上可以减少复杂度。

　　3.3.1无线数据接收

　　无线数据接收的软件实现，使用RB5端口的电平中断触发接收进程。当CC2420发现有帧传输过来时其引脚会产生相应的变化，MCU通过检测这些引脚的变化可以得知CC2420所在的接收阶段与状态。在接收过程中，有3根引脚可以检测出CC2420的状态，其数据接收的变化示意图限于篇幅，在此略去。

当CC2420收到有符合其起始序列的时候，其自动接收帧头和帧的长度，并且SFD、FIFO、FIFOP这3根输出引脚分别输出上图所示电平。当接收到帧的目的地址时候，CC2420自动进行地址匹配，若地址匹配成功，则接收进程继续进行，如果地址匹配不成功，则马上停止接收过程，并把3根输出引脚都置为低电平。MCU在控制时可以通过检测这3根输出引脚的电平来判断接收过程的状态。

　　如果地址匹配成功且接收完整个帧，则可以启动数据读取进程。

　　在数据读取阶段，CC2420提供了帧的正确接收的初始判断，由此可以知道该帧是否被正确接收，以决定是读取该帧还是放弃该帧。按照CC2420的规定，当一个帧接收完毕之后，如果出现FIFOP=l并且FIFO=0的情况，则说明该帧错误接收，应当向其连续写人两个CC2420_SFLUSHRX命令将数据冲刷。如果没有出现这种情况，则按照帧发送的相反过程从接收缓冲中读取数据。

　　3.3.2 USB设备HID类设计与实现

　　USB数据传输的软件设计，主要是集中在USB芯片的初始化以及协议的初始化、以及之后的枚举过程，在成功枚举并被主机正确识别之后，只需将数据写入发送缓冲即可将数据发送到主机。在协议的初始化时，需要将协议中规定的各个参数设定都按照设计的要求设定，并且将各种描述符，包括配置描述符、端点描述符、接口描述符、报告描述符等初始完毕，以供枚举过程使用。

　　USB芯片的初始化过程的最后一步是将其SoftConnect功能打开，从这时起，主机才能开始检测到设备的接入，也从这个时候起，USB芯片才真正开始与主机通信并开始设备枚举过程。在枚举过程中，主机首先向设备发送启动信号，设备在接收到这个信号之后向主机发送回送的协议数据以供主机识别，当识别到这个信号之后，主机则开始向设备获取描述符等信息，进而完成设备枚举过程。

　　初始化完成之后，主循环实际上不再参与USB通信。每次PDIUSBDl2接口芯片检测到USB总线上主机发给这个设备的信号时候就触发一次单片机的外部中断。中断处理子程序要做的工作就是首先D12读取中断信息，查看D12收到了什么样的封包，然后根据主机的不同要求做出响应，中断处理程序流程如图8所示。