基于单片机的无线鼠标的设计.docx

基于单片机的无线鼠标的设计.docx

《基于单片机的无线鼠标的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的无线鼠标的设计.docx（47页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于单片机的无线鼠标的设计

基于单片机的无线鼠标的设计

摘要随着计算机的不断普及，计算机周边器件之中的鼠标也得到了迅速的发展。

无线鼠标则是电脑周边器件与无线通信技术的完美结合物。

MSP430单片机是一种通常用于家庭的高性能低功耗的人机接口设备（HID）应用，如：

无线鼠标或键盘。

本应用报告描述了一个全功能的无线鼠标的参考设计，由MSP430单片机组成的超低功耗微控制器。

该方案解决了无线鼠标三个部分，包括AvagoTechnologies的超低功耗的ADNS-3040光学鼠标传感器，以及TRF795027兆赫发射模块，相应的USB接收适配器都进行了讨论。

完整的硬件示意图，无线鼠标发射原理图，USB无线接收示意图，与源代码都提供了一个完整的参考设计方案。

可以实现基于MSP430单片机无线鼠标的设计。

关键词单片机；光学鼠标传感器；发射模块；USB接收适配器

WirelessmousewithMCUDesign

SchoolofPhysicsandElectronicInformation,HuaibeiCoalIndustuyTerachersCollege,235000

AbstractWirelessMouseisacomputerperipheraldeviceandwirelesscommunicationtechnologytheperfectcombinationofthings.MSP430MCUisacommonlyusedfamilyofmanyhigh-performancelow-powerhumaninterfacedevice（HID）applications,suchas:

wirelessmouseorkeyboard.Thisapplicationreportdescribesafullyfunctionalwirelessmousereferencedesign,fromthecompositionofultra-lowpowerMSP430MCUmicrocontrollers.Theprogramsolvesthewirelessmousethreeparts,includingAvagoTechnologiesoftheultra-low-powerADNS-3040opticalmousesensor，aswellastheTRF795027MHztransmittermodule,thecorrespondingUSBreceiveradaptersarediscussed.Acompletehardwareschematicdiagramlauncheswirelessmouse,USBwirelessreceiverschematic,withthesourcecodeprovidesacompletereferencedesign.BasedonMSP430MCUenableswirelessmousedesign.

KeywordsMicrocontroller;opticalmousesensor;TransmitterModule;USBReceiverAdapter

目次

1导言

在电子技术日益发展的今天,由于配件价格的不断下调,人们逐渐从2D中脱离出来，逐渐迈向了3D,有些有远见的厂家从价格战中脱离出来，于是科技含量较高的无线技术应运而生。

随着科学技术的发展，计算机已经走进千家万户，但人们常用的都是手柄式光电鼠标。

无线鼠标作为一个研究的新课题，最早提出的无线鼠标的概念主要是为了解决在多媒体教室中，普通鼠标确实很不方便，于是无线鼠标应运而生。

采用先进的RF技术，可以让您在任何位置、任何方向工作，只需将遥控器对准计算机或接收器，就能给您带来真正的无“线”自由。

并且外观时尚靓丽。

四个方向健让鼠标移动更加轻松、定位更加准确、点击快捷方便，比轨迹球好多了。

自动采用原有鼠标的驱动程序，即插即用，安装简便，完全不影响计算机原有程序的运行。

而无线鼠标就是这其中比较另类的一支。

这些产品大多采用红外技术进行遥控，使用时距离可以控制在10～20米以类，一方面这种技术可以让用户远离显示器的辐射，间接保护了用户的视力。

另一方面也避免了采用同一种姿势给用户带来的疲劳感。

当然应用无线技术的鼠标使用起来十分方便，省去了鼠标线带来的累赘。

对那些爱护个体健康，追求时尚的个性用户，从经济到心理上多可以完全被接受。

从这个角度上讲，无线遥控鼠标具有广阔的发展空间。

所以我们今天进一步研究无线鼠标是很有必要的。

无线鼠标的设计必须以维持高性能，低功耗，延长电池寿命。

选MSP430F1222单片机是由于相对较少的针脚数（28针）。

MSP430工作在两种模式下：

工作模式和睡眠模式。

当鼠标检测数据时：

MSP430停留在主动模式下为80毫秒，80毫秒之后MSP430自动进入睡眠模式，直到鼠标移动检测光学传感器或按钮被按下。

当鼠标在深度睡眠模式时，消耗小于4毫安的电流。

所以用MSP430设计无线鼠标是超低功耗的。

2鼠标发射机的硬件体系结构

2.1MSP430单片机

MSP430系列是16位、精简指令集、超低功耗的混合型单片机，1996年问世，以及极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手段，已成为众多单片机系列中的一颗新星。

MSP430单片机的发展过程有三个阶段:

开始阶段：

从1996年推出MSP430系列开始到2000年。

蓬勃发展阶段：

TI公司在2002年底和2003年期间又陆续推出了F15X和F16X系列的产品。

在这一新的系列中，有了两个方面的发展：

一是从存储器方面来说，将RAM容量大大增加，如F1611的RAM容量增加到了10KB。

这样一来，希望将实时操作系统（RTOS）引入MSP430的，就不会因RAM不够而发愁了。

二是从外围模块来说，增加了IIC、DMA、DAC12和SVS等模块。

在2003年中，TI公司还推出了专门用于电量计量的MSP430FE42X和用于水表、气表、热表上的具有无磁传感模块的MSP430FW42X单片机。

我们相信由于MSP430的开放性的基本架构和新技术的应用，新的MSP430的产品品种必将会不断出现。

左按键HLMP-ED80传感器

发光二极管

中间的按键

右按键MSP430单片机

前按键ADNS-3040光学

鼠标传感器

后按键

连接按键

发光二极管

滚动轮TRF发射模块电池

图1鼠标发射系统框图

2.1.1MSP430单片机的特点

1．强大的处理能力。

MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址）、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令；有较高的处理速度，在8MHz晶体驱动下指令周期为125ns。

这些特点保证了可编制出高效率的源程序。

在运算速度方面，MSP430系列单片机能在8MHz晶体的驱动下，实现125ns的指令周期。

16位的数据宽度、125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加）相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如FFT等）。

MSP430系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。

当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只用6us。

2．超低功耗MSP430单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。

首先，MSP430系列单片机的电源电压采用的是1.8~3.6V电压。

因而可使其在1MHz的时钟条件下运行时，芯片的电流会在200~400uA左右，时钟关断模式的最低功耗只有0.1uA。

其次，独特的时钟系统设计。

在MSP430系列中有两个不同的系统时钟系统：

基本时钟系统和锁频环（FLL和FLL+）时钟系统或DCO数字振荡器时钟系统。

有的使用一个晶体振荡器（32768Hz）,有的使用两个晶体振荡器）。

由系统时钟系统产生CPU和各功能所需的时钟。

并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。

由于系统运行时打开的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。

在系统中共有一种活动模式（AM）和五种低功耗模式（LPM0~LPM4）。

在等待方式下，耗电为0.7uA，在节电方式下，最低可达0.1uA。

系统工作稳定上电复位后，首先由DCOCLK启动CPU，以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。

然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。

如果晶体振荡器在用做CPU时钟MCLK时发生故障，DCO会自动启动，以保证系统正常工作；如果程序跑飞，可用看门狗将其复位。

丰富的片上外围模块MSP430系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设。

它们分别是看门狗（WDT）、模拟比较器A、定时器A（Timer_A）、定时器B（Timer_B）、串口0、1（USART0、1）、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、I2C总线直接数据存取（DMA）、端口O（P0）、端口1~6（P1~P6）、基本定时器（BasicTimer）等的一些外围模块的不同组合。

其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出A/D转换器；16位定时器（Timer_A和Timer_B）具有捕获/比较功能，大量的捕获/比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、PWM等；有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用；具有较多的I/O端口，最多达6*8条I/O口线P0、P1、P2端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；12/14位硬件A/D转换器有较高的转换速率，最高可达200kbps，能够满足大多数数据采集应用；能直接驱动液晶多达160段；实现两路的12位D/A转换；硬件IIC串行总线接口实现存储器串行扩展；以及为了增加数据传输速度，而采用直接数据传输（DMA）模块。

MSP430系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。

方便高效的开发环境目前MSP430系列有OPT型、FLASH型和ROM型三种类型的器件，这些器件的开发手段不同。

对于OPT型和ROM型的器件是使用仿真器开发成功之后在烧写或掩膜芯片；对于FLASH型则有十分方便的开发调试环境，因为器件片内有JTAG调试接口，还有可电擦写的FLASH存储器，因此采用先下载程序到FLASH内，再在器件内通过软件控制程序的运行，由JTAG接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开发。

这种方式只需要一台PC机和一个JTAG调试器，而不需要仿真器和编程器。

开发语言有汇编语言和C语言。

MSP430系列单片机，是一种具有超低功耗特性的功能强大的单片机。

主要有以下几个特点：

1）．16位精简指令结构。

2）．内含10,12,14位快速ADC/SLOPADC。

3）．内含FLASHROM多致60K字节,多致2KRAM。

4）．片内资源丰富,有ADC,PWM,若干TIME,串行口，WATCHDOG,比较器,模拟信号。

5）．有多种省电模式，功耗特别省，一颗电池可工作10年,在液晶显示时也能达到0.8uA的低电源消耗。

6）．开发简单，仿真器价格低廉，不需昂贵的编程器。

同其它微控制器相比，带Flash的微控制器可以将功耗降低5倍，既缩小了线路板空间又降低了系统成本。

高效16位RISCCPU可以确保任务的快速执行，缩短了工作时间。

大多数指令可在一个时钟周期里完成6微秒的快速启动时间可以延长待机时间并使启动更加迅速，降低了电池的功耗。

MSP430产品系列可以提供多种存储器选择，从14位ADCs到LCD驱动电路的混合信号外设，简化了各类应用中MSP430的设计ESD保护，抗干扰力特强，1.8V-3.6V低电压供电。

MSP430系列超低功耗微控制器，结合5个低功耗模式，实现了延长电池的寿命。

该设备有功能强大的16位CPU，16位寄存器和常数发生器。

在数控振荡器器允许唤醒从低功耗模式为主动模式。

在MSP430x11xx（20引脚减少外围设备）和MSP430x12x2（28引脚器件）该MSP430x12x2系列单片机具有内置通信功能。

使用异步（UART），以及同步（SPI）的协议。

2.1.2振荡器和定时器

MSP430根据型号的不同最多可以选择使用3个振荡器。

我们可以根据需要选择合适的振荡频率，并可以在不需要时随时关闭振荡器，以节省功耗。

这3个振荡器分别为：

1.DCO 数控RC振荡器。

它在芯片内部，不用时可以关闭。

DCO的振荡频率会受周围环境温度和MSP430工作电压的影响，且同一型号的芯片所产生的频率也不相同。

但DCO的调节功能可以改善它的性能，他的调节分为以下3步：

a：

选择BCSCTL1.RSELx确定时钟的标称频率；b：

选择DCOCTL.DCOx在标称频率基础上分段粗调；c：

选择DCOCTL.MODx的值进行细调。

2.LFXT1 接低频振荡器。

典型为接32768HZ的时钟振荡器，直接连接在XIN与XOUT之间,此时振荡器不需要接负载电容。

也可以接450KHZ~8MHZ的标准晶体振荡器，此时需要接负载电容.LXFT1产生的频率信号为ACLK.低速时钟需要上百毫秒的建立时间才能稳定下来.

3.XT2 接450KHZ~8MHZ的标准晶体振荡器。

外部标准晶体振荡器接在XT2IN和XT2OUT之间,此时需要接负载电容，不用时可以关闭。

低频振荡器主要用来降低能量消耗，如使用电池供电的系统，高频振荡器用来对事件做出快速反应或者供CPU进行大量运算。

MSP430的3种时钟信号：

MCLK系统主时钟；SMCLK系统子时钟；ACLK辅助时钟。

1）MCLK系统主时钟。

除了CPU运算使用此时钟以外，外围模块也可以使用。

MCLK可以选择任何一个振荡器所产生的时钟信号并进行1、2、4、8分频作为其信号源。

2）SMCLK系统子时钟。

供外围模块使用。

并在使用前可以通过各模块的寄存器实现分频。

SMCLK可以XT2CLK或者DCOCLK振荡器所产生的时钟信号并进行1、2、4、8分频作为其信号源。

3）ACLK辅助时钟。

供外围模块使用。

并在使用前可以通过各模块的寄存器实现分频。

但ACLK只能由LFXT1进行1、2、4、8分频作为信号源。

可以作为后台时钟用来唤醒CPU。

4）ACLK/N,ACK缓冲输出,他可以有ACL.1.2.4.8分频获得,且只能为外部所用.

PUC复位后，MCLK和SMCLK的信号源为DCO，DCO的振荡频率为800KHZ。

ACLK的信号源为LFXT1。

MSP430内部含有晶体振荡器失效监测电路，监测LFXT1（工作在高频模式）和XT2输出的时钟信号。

当时钟信号丢失50us时，监测电路捕捉到振荡器失效。

如果MCLK信号来自LFXT1或者XT2，那么MSP430自动把MCLK的信号切换为DCO，这样可以保证程序继续运行。

但MSP430不对工作在低频模式的LFXT1进行监测。

在MSP430的主动模式（通过按键从深度睡眠中醒来），然后从新调整外部32.768kHz的时钟晶振，以节省电力。

TimerA有2个中断向量,TIMERA0,TIMERA1。

TIMERA0只针对CCR0的计数溢出。

TIMERA1再查询TAIV后可知道是CCR1,还是CCR2，亦或TAIFG引起的，至于TAIFG是什么情况下置位的，则要看TA工作的模式。

具体看用户手册，还有一点TA本身有PWM输出功能，无须借用中断功能。

在这个问题上经常出现应用弯路的是如何结合TA和AD实行定时采样的问题，很多人都是在TA中断里打开AD这样来做。

这是不适宜的，因为430的ADC10，ADC12模块均有脉冲采样模式和扩展采样模式。

只要选择AD是由TA触发采样，然后把TA设置成PWM输出模式，当然输出PWM波的都是特殊功能脚，但是在这里它是不需要输出的，所以引脚设置不必理会。

值得关心的就是PWM的频率，也就是你AD的采样率。

图2MSP430的总线转换

2.1.3MSP430单片机I/O端口控制特点

与8031单片机相比，MSP430的I/O端口的功能要强大的多，其控制的方法也更为复杂。

MSP430的I/O端口可以实现双向的输入、输出；完成一些特殊功能如：

驱动LCD、A/D转换、捕获比较等；实现I/O各种中断。

MSP430采用了传统的8位端口方式保证其兼容性，即每个I/O端口控制8个I/O引脚。

为了实现对I/O端口每一个引脚的复杂控制，MSP430中的每个I/O口都对应一组8位的控制寄存器（如图3）。

寄存器中的每一位对应一个I/O引脚，实现对该引脚的独立控制。

寄存器的功能和数目是由该I/O口所能完成的功能以及类型确定的。

图3为MSP430的一个I/O端口的控制结构示意图。

对于最基本的只能完成输入、输出功能的I/O端口其控制寄存器只有3个。

其中，输入寄存器保存输入状态；输出寄存器保存输出的状态，方向寄存器控制对应引脚的输入、输出状态。

本文中用来实现I2C总线接口的P6.6、P6.7都属于这类的端口。

此外，有些I/O端口不但可以用作基本的输入输出，而且可以用作其他用途，比如可以作为LCD的驱动控制引脚。

这类端口的控制功能寄存器实现引脚功能状态的切换。

再者，有一类端口不但可以完成上述两种端口的功能，而且可以实现中断功能。

该类端口拥有图1中所有的寄存器，中断触发的方式以及中断的屏蔽性都可以通过相应的寄存器控制。

本文中使用的P2.0就属于该类端口，利用它来接收LM92发出的中断。

通过上述的控制结构，MSP430的I/O端口可以实现很丰富的功能。

不仅如此，其中一些I/O口还可以与MSP430中的特殊模块相结合完成更为复杂的工作。

如与捕获比较模块相结合可以实现串行通信，与A/D模块结合实现A/D转换等。

此外，MSP430I/O端口的电器特性也十分突出，几乎所有的I/O口都有20mA的驱动能力，对于一般的LED、蜂鸣器可以直接驱动无需辅助电路。

许多端口内部都集成了上拉电阻，可以方便与外围器件的接口。

图3MSP430的一个I/O端口的控制结构示意图

2.1.4MSP430与IIC总线器件接口

通过上述的介绍了解了MSP430中I/O口的一些控制特点。

以下介绍如何利用这些特点实现I2C总线的接口。

如图2所示，使用41系列单片机的P6.6产生I2C总线的时序同步信号；使用P6.7完成I2C总线的串行数据输入输出；利用P2.0接收LM92产生的中断信号。

基于I2C总线规范，通过对LM92的A0、A1和AT240的A0、A1、A2设定不同的器件地址，两个器件可以共用SCL、SDA。

图4MSP430接口电路示意图

2.1.5调试接口

MSP430系列产品中，采用的是4线JTAG接口。

也即TMS（模式选择）、TCK（JTAG时钟信号）、TDO（数据输出）、TDI（数据输入）。

在4线制的JTAG接口中，TI公司有定义一个常规的14pin接口方式，而在MSP430F2系列产品中，包含了两种JATG接口界面，一种是上述所说的4线制JTAG。

另一种是MSP430F20xx系列产品中名为“SpyBi-Wire”的调试接口，此接口方式采用是2线制。

分别为SBWTCK（时钟）、SBWTDO（数据线），加上GND、VCC两引脚此接口只需4根引线。

目前支持2线制接口的仿真器有TIeZSP430USB接口仿真器。

2.1.6中断

中断是MSP430微处理器的一大特色,有效地利用中断可以简化程序和提高执行效率。

MSP430的几乎每个外围模块都能够产生中断,为MSP430针对事件（即外围模块产生的中断）进行的编程打下基础。

MSP430在没有事件发生时进入低功耗模式,事件发生时,通过中断唤醒CPU,事件处理完毕后,CPU再次进入低功耗状态。

由于CPU的运算速度和退出低功耗的速度很快,所以在应用中,CPU大部分时间都处于低功耗状态。

MSP430的中断分为3种：

系统复位、不可屏蔽中断、可屏蔽中断。

（1）系统复位的中断向量为0xFFFE。

（2）不可屏蔽中断的中断向量为0xFFFC。

响应不可屏蔽中断时,硬件自动将OFIE、NMIE、ACCVIE复位。

软件首先判断中断源并复位中断标志,接着执行用户代码。

退出中断之前需要置位OFIE、NMIE、ACCVIE,以便能够再次响应中断。

需要特别注意点：

置位OFIE、NMIE、ACCVIE后,必须立即退出中断相应程序,否则会再次触发中断,导致中断嵌套,从而导致堆栈溢出,致使程序执行结果的无法预料。

（3）可屏蔽中断的中断来源于具有中断能力的外围模块,包括看门狗定时器工作在定时器模式时溢出产生的中断。

每一个中断都可以被自己的中断控制位屏蔽,也可以由全局中断控制位屏蔽。

多个中断请求发生时,响应最高优先级中断。

响应中断时,MSP430会将可屏蔽中断控制位SR.GIE复位。

因此,一旦响应了中断,即使有优先级更高的可屏蔽中断出现,也不会中断当前正在响应的中断,去响应另外的中断。

但SR.GIE复位不影响不可屏蔽中断,所以仍可以接受不可屏蔽中断的中断请求。

中断响应的过程：

（1）如果CPU处于活动状态,则完成当前指令;

（2）若CPU处于低功耗状态,则退出低功耗状态;（3）将下一条指令的PC值压入堆栈;（4）将状态寄存器SR压入堆栈;（5）若有多个中断请求,响应最高优先级中断;（6）单中断源的中断请求标志位自动复位,多中断源的标志位不变,等待软件复位;（7）总中断允许位SR.GIE复位。

SR状态寄存器中的CPUOFF、OSCOFF、SCG1、V、N、Z、C位复位;（8）相应的中断向量值装入PC寄存器,程序从此地址开始执行。

中断返回的过程：

（1）从堆栈中恢复PC值,若响应中断前CPU处于低功耗模式,则可屏蔽中断仍然恢复低功耗模式;

（2）从堆栈中恢复PC值,若响应中断前CPU不处于低功耗模式,则从此地址继续执行程序。

图5中断地址表

2.2ADNS-3040光学鼠标传感器

ADNS-3040是一种超低功耗的光学导航传感器，它有新的低功耗构架和自动电源管理模式，非常实用与电池的应用，如：

无线输入设备。

ANDS-3040是高速的运动检测，它有一个振荡器和LED驱动器，以尽量减少外部元件。

ADNS-3040通过ADNS-3120-001透镜，构成一个完整的和小巧的鼠标跟踪系统。

这意味着高可靠性，为用户减少维护。

该传感器是通过寄存器编程，通过4线SPI端口。

他是采用20脚DIP封装。

ADNS-3040是采用光学导航技术，该措施是采用光学方式连续采集表面图像和用数学方法确定方向和运动幅度。

ADNS-3040包含一个图像采集系统（IAS）,和一个数字信号处理器（DSP）和一个四线串行端口。

在图像采集系统通过透镜精微的表面图像和照