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51兼容射頻Soc nRF9E5與無線光機鼠標設計
【摘 要】本文首先比較詳細、系統(tǒng)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；然后分析了無線鼠標與有線鼠標的區(qū)別，并引出了無線光機鼠標的概念和工作原理，給出用nRF9E5進行無線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，說明用nRF9E5進行無線光機鼠標設計的優(yōu)勢。【關鍵詞】nRF9E5；射頻；無線通信；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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)提供1.9V到3.6V的工作電壓。nRF9E5符合美國通信委員會和歐洲電信標準學會的相關標準。由于nRF905功耗低，工作可靠，因此很適用于無線光機鼠標設計。
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。指令時序與標準51稍有區(qū)別，典型的區(qū)別是nRF9E5的片內微控制器的指令周期為4到20個指令周期。中斷控制器支持5個擴展的中斷源：ADC中斷、SPI中斷、RADIO1中斷、RADIO2中斷和喚醒定時器中斷。片內控制器還有3個與8052相同的定時器。一個和8051相同的串口，可以用定時器1和定時器2來作為異步通信的波特率產生器。此外，還擴展了兩個數據指針，以方便于從XRAM區(qū)讀取數據。
微處理器中有256字節(jié)的數據RAM和512字節(jié)的ROM。上電復位或軟件復位后，處理器自動執(zhí)行ROM中的引導區(qū)中的代碼。用戶程序通常是在引導區(qū)的引導下，從EEPROM加載到1個4K的RAM中，這個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，比較常見的是通過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內有一個可編程控制的PWM(脈寬調制)輸出，使用時，通過程序改變P0.7的功能來實現，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，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送來的數據)、SCK(給EEPROM的SCK提供時鐘信號)、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，通過寄存器SPI_CTRL控制來控制功能間的撤換。SPI硬件不產生任何片選信號，可以用GPIO口來進行片選。通常，系統(tǒng)上電時，SPI自動和片外的25320相連，當程序加載完成后，MISO(P1.2)、MOSI(P1.0)和SCK(P1.0)可能會用作其它用途，比如其它的SPI器件或GPIO。
2.4 LF時鐘，RTC喚醒定時器，GPIO喚醒和WTD
nRF9E5內有一個低頻的時鐘CKLF，該時鐘常開。當晶振開始工作后，CKLF頻率為4kHz；晶振不工作時，CKLF是一個低功耗RC晶振并且不能禁能，只要VDD 1.8V，其連續(xù)工作。RTC喚醒定時器、WTD(看門狗)和GPIO喚醒全都工作在CKLF頻率，以保證芯片低功耗工作時能夠完成這三個功能。
RTC喚醒定時器是個24位可編程控制的遞減計數器，WTD則是個16位可編程控制的遞減計數器。RTC喚醒定時器和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軟件設置在AREF和1.22V之間(內部參考電壓)。AD轉換器的4個輸入可通過軟件進行選擇，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(jiān)控。AD轉換器默認工作于10位方式，可通過軟件使其工作于6位、8位或12位方式。
2.6 射頻收發(fā)器
nRF9E5收發(fā)器通過內部并行口或內部SPI口與其它模塊進行通信，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，可通過程序使其為微處理器的中斷或通過GPIO口的傳給CPU。
nRF9E5工作于433/868/915 ISM頻段。收發(fā)器由一個完整的頻率合成器、一個功率放大器、一個調節(jié)器和兩個接收器組成。輸出功率、頻道和其它射頻參數可通過對特殊功能寄存器RADIO（0xA0）編程進行控制。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(jié)能，可通過程序控制收發(fā)器的開/關。
3. 無線鼠標的基本知識[2]
無線鼠標的基本功能和普通鼠標相同，唯一的區(qū)別是無線鼠標通過無線方式傳送鼠標信息給PC機，而普通鼠標是通過電線。這意味著無線鼠標檢測鼠標移動和按鍵信息的方法和普通有線鼠標一樣，也是用開關來檢測按鍵，用球和滾軸來檢測鼠標的移動。無線鼠標使用電池供電，所以應該盡量考慮節(jié)能問題，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。無線鼠標在PC機處還應有一個接收器，一般該接收器是通過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. 無線光機鼠標方案
無線光機鼠標器，即將滾輪的機械轉動轉換成光信號，然后變?yōu)閿底蛛娦盘栐偻ㄟ^無線的方式發(fā)送給和PC機相連的接收器。無線光機鼠標器底部有一個露出一部分的塑膠小球,當鼠標器在操作桌面上移動時，小球隨之轉動，在鼠標器內部裝有三個滾軸與小球接觸，其中有兩個分別是X軸方向和Y軸
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