摘要：针对RF 无线鼠标传输速度慢、传输距离有限的缺点，提出了一种2.4 GHz 无线鼠标键盘接收器的设计方案。采用USB 多媒体键盘编码器HT82K95E 和射频收发器nRF24L01 进行设计，以HT82K95E 为，完成HID 设备的枚举过程。控制器利用普通I/O 口模拟SPI 总线，完成了与无线收发模块的数据交换。采用nRF24L01 无线通信协议中的Enhanced ShockBurst 收发模式，数据低速输入，但高速发射，从而实现了鼠标键盘复合设备与主机间的无线通信功能。试验结果表明，由于采用了2.4 GHz 无线技术，该无线鼠标键盘接收器能够有效传输距离可达10 m，大大降低功耗，增强了抗干扰性能。

　　随着无线通信技术的不断发展，近距离无线通信领域出现了蓝牙、RFID、WIFI 等技术。这些技术不断应用在嵌入式设备及PC 外设中。2.4 GHz 无线鼠标键盘使用2.4～2.483 5 GHz无线频段，该频段在大多数国家属于免授权使用，这为无线产品的普及扫清了障碍。用户可迅速地进入与世界同步的无线设计领域，限度地缩短设计和生产时间，并且具有完美性能，能够替代蓝牙技术。

　　1 系统硬件结构：

　　2.4 GHz 无线鼠标键盘接收器主要实现鼠标、键盘等HID 类设备在PC 机上的枚举识别过程和接收无线鼠标或键盘发送的数据（包括按键值、鼠标的上下左右移动等），并将接收到的数据通过USB 接口传送给PC 机， 实现鼠标键盘的无线控制功能。接收器主要由USB 接口部分、MCU 和无线接收部分组成。系统硬件框图如图1 所示。

图1 系统硬件框图1 USB 接口部分：

　　系统采用HOLTEK 公司生产的8 位USB 多媒体键盘编码器HT82K95E 作为系统。鼠标、键盘等HID 类设备为低速设备， 所以接收器要能同时实现鼠标和键盘数据同PC 机的双向传输，MCU 首先必须具有低速的USB 接口，并且少支持3 个端点（ 包括端点0）。综合考虑选用了HT82K95E 作为本系统的主控芯片。

　　本系统的USB 接口部分电路图如图2 所示， 其中电阻R100、R101、R102、R103、R104和电容C102、C114和C115用于EMC。由于鼠标和键盘设备属于从设备， 所以应在USB-信号线上加1.5 kΩ 的上拉电阻。

　　1.2 MCU 部分：

　　MCU 的复位电路采用由R108和C105组成的RC 积分电路实现上电复位功能。上电瞬间，由于电容电压不能突变，所以复位引脚为低电平，然后电容开始缓慢充电，复位引脚电位开始升高， 变为高电平， 完成芯片的上电复位。

　　HT82K95E 微控制器内部还包含一个低电压复位电路（LVR），用于监视设备的供电电压。如果设备的供电电压下降到0.9 V～ VLVR的范围内并且超过1 ms 的时间，那么LVR就会自动复位设备。

　　应当注意的是对于该设备的复位电路， 还应加1 个二极管1N4148,接法如图2 中的VD100。如果不加此二极管，设备在次使用时能够正常复位， 但在以后的使用却无法正常复位，原因是电容中的电荷无法释放掉，而该二极管可以通过整个电路快速释放掉电容中的电荷。

图2 USB 接口部分原理图

　　由于nRF24L01 的数据包处理模式支持与单片机低速通信而无线部分高速通信，并且nRF24L01 内部有3 个不同的RX FIFO 寄存器和3 个不同的TX FIFO 寄存器， 在掉电模式下、待机模式下和数据传输的过程中MCU 可以随时访问FIFO 寄存器[5]。这就允许SPI 接口低速传送数据，并且可以应用于MCU 硬件上没有SPI 接口的情况下。因此在设计中使用HT82K95E 的PA 口模拟SPI 总线与nRF42L01 的SPI 接口通信。

　　1.3 无线接收部分：

　　无线接收部分电路图如图3 所示。由于nRF24L01 是工作于2.4 GHz 的高频元件，因此，系统的PCB 设计的好坏，直接影响系统的性能。在设计时， 必须考虑到各种电磁干扰，注意调整电阻、电容和电感的位置，特别要注意电容的位置。nRF24L01 模块的PCB 为双面板，底层不放置任何元件，在地层，顶层的空余地方（除天线衬底之外）都覆上铜，并通过过孔与底层的地相连。

　图3 无线收发模块2 协议分析：

　　2.1 nRF24L01 无线通信协议：

　　2.4 GHz 无线通信协议分为3 层：物理层、数据链路层和应用层。物理层包括GFSK 调制和解调器、接收和发送滤波器、射频合成器、SPI 接口和电源管理，主要完成数据的调制解调、编码解码、FHSS 跳频扩频和SPI 通信。数据链路层主要完成解包和封*程。该协议有2 种基本的封包：数据包和应答包。数据包格式如表1 所示。

表1 数据包格式

　　前导码用来检测0 和1，nRF24L01 在接收模式下去除前导码， 在发送模式下加入前导码。地址内容为接收机地址，地址宽度是3、4 或5 字节，可以对接收通道和发送通道分别进行配置，接收端从接收到的数据包中自动去除地址。

　　封包控制域的格式如表2 所示。数据长度标志位只有在动态数据长度选项使能时才有效，6 位可以表示传输的数据域字节数从0～32 字节。标志位用来检测接收到的数据包是新的还是重发的。自动应答标志位表示这个封包是否需要自动应答。封包可以采用1 或2 字节的CRC 校验。对于应答包来说，数据域是一个可选项，但是如果使用该选项的话应该使能动态数据长度特性。应用层按照设计需要可以是键盘和鼠标等HID 类设备。

表2 封包控制域格式

　　这两种封包在应用层协议中的用途不同。数据包主要用于传送发射端和接收端之间的数据信息， 应答包则是在自动应答功能选项被使能之后才会出现的， 以便于发送端检测有无数据丢失。一旦数据丢失，则通过自动重发功能将丢失的数据恢复。增强型的ShockBurst 模式可以同时控制应答和重发功能而无需增加MCU 工作量。

　　在SCK 时钟控制下，数据在主从设备间传输，而且严格地遵守SPI 通信的时序。作为接收端（PRX），nRF24L01 通过2.4 GHz 无线通信技术与发射端(PTX)进行数据交换。收发器接收到数据后，通过中断nIRQ 通知MCU 已接收到数据，可以进行读入操作， 然后MCU 通过MISO 数据传输线读入数据。nRF24L01 在接收到数据之后，会自动切换到发送模式发送应答信号给发射端(PTX)，这样就完成了数据传输过程。

　　2.2 USB 设备枚举过程：

　　USB 的枚举过程是USB 规范中一个非常重要的“动作”或“过程”。这个动作将会让PC 知道何种USB 设备刚接上以及其所含的各种信息。若要完成一个设备枚举的过程，需要执行诸多的数据交换以及设备请求[8]。图4 描述了一个HID设备的枚举过程， 由于本设计是针对鼠标键盘复合设备的接收器， 所以在取完次描述符后还需要再取另一个设备的描述符。

图4 枚举过程3 固件设计：

　　固件设计使用HT-ICE 仿真器，它提供了多种实时仿真功能，包括多功能跟踪、单步执行以及设定断点功能。图5描述了USB 无线鼠标键盘接收器的程序执行流程。在程序中，键盘使用端点1，配置为输入；鼠标使用端点2，配置为输入。都采用USB 通信协议中的中断传输。采用“轮询”的工作机制，轮询间隔为8 ms。

图5 主程序流程图

　　接收器上电后，完成系统的初始化，包括MCU 的初始化和收发器的接收模式配置过程。然后系统进入接收数据包的状态中， 一旦收到数据包就通过中断的形式通知MCU有数据包到来，MCU 就会通过I/O 口模拟SPI 总线通信过程从nRF24L01 中将接收到的数据读出，然后将数据写到相应的USB 端点FIFO 中。主机通过查询的方式读取各端点的数据信息， 然后按照USB 规范定义的鼠标和键盘的协议产生相应的动作（如鼠标的移动和按键的值）。

　　无线收发器的初始化过程：1）配置本机地址和要接收的数据包大小；2）配置CONFIG 寄存器，使之进入接收模式，把CE 置高；3）130 μs 后，nRF24L01 进入监视状态， 等待数据包的到来；4）当接收到正确的数据包（正确的地址和CRC校验码），nRF24L01 自动把字头、地址和CRC 校验位移去；5）nRF24L01 通过把STATUS 寄存器的RX_DR 置位（STATUS一般引起微控制器中断）通知微控制器；6）微控制器把数据从nRF24L01 读出；7）所有数据读取完毕后，可以清除STATUS 寄存器。nRF24L01 可以进入4 种主要模式之一。

　　4 结束语

　　本系统基于8 位单片机HT82K95E 和nRF24L01 型射频收发器设计了一个用于无线鼠标键盘复合设备的USB 无线接收器。该接收器能够实现鼠标键盘复合设备的全部功能，具有成本低、体积小、通信方向不受制约和通信距离较远等优点，使其替代蓝牙及红外遥控设备成为可能，实践表明，该接收器具有广泛的应用前景。