基于PIC16FB77A單片機(jī)+PDIUSBDl2芯片+CC2420無線模塊的USB無線觸摸鼠標(biāo)板設(shè)計(jì)方案

引言

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，多媒體教學(xué)在學(xué)校中得到了廣泛應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)的多媒體教學(xué)設(shè)備在互動(dòng)性方面存在不足，限制了師生之間的有效交流。為了提升教學(xué)互動(dòng)性，我們?cè)O(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于USB的無線觸摸鼠標(biāo)板，該系統(tǒng)結(jié)合了USB接口和無線傳輸技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，使得教師可以在教室的任何位置自由控制電腦，增強(qiáng)教學(xué)效果。

系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)主要由PIC16FB77A單片機(jī)、PDIUSBDl2芯片、CC2420無線模塊以及PS/2鼠標(biāo)觸摸板組成。系統(tǒng)大致分為兩個(gè)部分：手持設(shè)備終端（即無線觸摸鼠標(biāo)板）和PC接入端。手持設(shè)備終端提供PS/2接口供鼠標(biāo)觸摸板接入，并通過無線模塊將控制信息發(fā)送到PC接入端。PC接入端通過USB接口與主機(jī)PC相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互通信。

主控芯片型號(hào)及其在設(shè)計(jì)中的作用

PIC16FB77A單片機(jī)

型號(hào)特點(diǎn)：
PIC16FB77A是一款功能強(qiáng)大的8位微控制器，具備豐富的外設(shè)接口和靈活的編程能力，廣泛應(yīng)用于各種嵌入式系統(tǒng)中。其內(nèi)置的高速ADC、多個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、SPI和USART等接口，為系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的控制能力。

在設(shè)計(jì)中的作用：

• 系統(tǒng)控制：PIC16FB77A作為整個(gè)系統(tǒng)的核心控制單元，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各個(gè)模塊的工作，包括觸摸板的初始化、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和無線發(fā)送等。

• 數(shù)據(jù)處理：對(duì)觸摸板產(chǎn)生的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換為適合無線傳輸?shù)母袷剑⒖刂艭C2420無線模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。

• 電源管理：通過控制各模塊的電源供應(yīng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗運(yùn)行。

PDIUSBDl2芯片

型號(hào)特點(diǎn)：
PDIUSBDl2是一款專為USB設(shè)備設(shè)計(jì)的接口芯片，支持全速USB通信，并提供了簡(jiǎn)單的硬件接口和靈活的固件編程接口。該芯片廣泛應(yīng)用于各種USB外設(shè)中，如鼠標(biāo)、鍵盤、游戲手柄等。

在設(shè)計(jì)中的作用：

• USB通信：作為PC接入端與主機(jī)PC之間的通信橋梁，PDIUSBDl2負(fù)責(zé)將接收到的無線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為USB數(shù)據(jù)格式，并通過USB接口發(fā)送給主機(jī)PC。

• 設(shè)備枚舉：在設(shè)備接入主機(jī)時(shí)，PDIUSBDl2會(huì)參與設(shè)備的枚舉過程，確保設(shè)備能夠被主機(jī)正確識(shí)別并安裝相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。

• 電源供應(yīng)：通過USB接口為整個(gè)PC接入端提供穩(wěn)定的5V電源。

CC2420無線模塊

型號(hào)特點(diǎn)：
CC2420是一款集成了2.4GHz IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線收發(fā)器，支持多種通信協(xié)議，如ZigBee、RF4CE等。該模塊具有低功耗、高靈敏度、高可靠性等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、智能家居、遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域。

在設(shè)計(jì)中的作用：

• 無線傳輸：負(fù)責(zé)手持設(shè)備終端與PC接入端之間的無線數(shù)據(jù)傳輸，包括控制命令的發(fā)送和接收。

• 協(xié)議處理：支持多種通信協(xié)議，可根據(jù)需要選擇合適的協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，提高系統(tǒng)的兼容性和靈活性。

• 低功耗設(shè)計(jì)：通過優(yōu)化電路設(shè)計(jì)和電源管理策略，降低模塊的功耗，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

手持設(shè)備終端設(shè)計(jì)

手持設(shè)備終端主要由MCU控制模塊、無線發(fā)送模塊、PS/2接口模塊和調(diào)試模塊組成。

• MCU控制模塊：以PIC16FB77A單片機(jī)為核心，控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。在觸摸板事件發(fā)生時(shí)，通過中斷觸發(fā)方式喚醒MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，并將處理后的數(shù)據(jù)通過無線發(fā)送模塊發(fā)送出去。

• 無線發(fā)送模塊：采用CC2420無線模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線發(fā)送。MCU通過SPI接口與CC2420進(jìn)行通信，發(fā)送控制命令和數(shù)據(jù)包。同時(shí)，通過電平跳變中斷檢測(cè)CC2420的狀態(tài)變化，確保數(shù)據(jù)的可靠發(fā)送。

• PS/2接口模塊：提供PS/2接口供鼠標(biāo)觸摸板接入。通過兩條IO線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和控制信號(hào)的接收。在初始化階段，MCU會(huì)發(fā)送一系列的初始化命令給觸摸板，確保其正常工作。

• 調(diào)試模塊：為了方便設(shè)計(jì)過程中的調(diào)試需要，在開發(fā)板上設(shè)計(jì)一個(gè)串口調(diào)試模塊。通過RS232電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232實(shí)現(xiàn)不同電壓之間的連接，將調(diào)試信息發(fā)送給PC端進(jìn)行顯示和分析。

PC接入端設(shè)計(jì)

PC接入端主要由USB模塊和無線接收模塊組成。

• USB模塊：以PDIUSBDl2芯片為核心，實(shí)現(xiàn)與主機(jī)PC的USB通信。設(shè)備被設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)的HID類鼠標(biāo)，可以直接使用操作系統(tǒng)自帶的驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行識(shí)別和通信。當(dāng)PDIUSBD12接收到來自USB總線的數(shù)據(jù)或命令時(shí)，會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的處理，并通過內(nèi)部接口與單片機(jī)或微處理器（盡管在此設(shè)計(jì)中，PDIUSBD12主要是與無線接收模塊間接交互，但本質(zhì)上它是連接USB世界與內(nèi)部邏輯的橋梁）。

• 無線接收模塊：同樣采用CC2420無線模塊，但在此端作為接收方。它負(fù)責(zé)監(jiān)聽來自手持設(shè)備終端的無線信號(hào)，并通過SPI接口將接收到的數(shù)據(jù)包傳輸給MCU（雖然在此設(shè)計(jì)中，我們可能不直接使用MCU來直接處理數(shù)據(jù)，而是直接通過PDIUSBD12將數(shù)據(jù)發(fā)送到USB，但為了設(shè)計(jì)的靈活性和可能的擴(kuò)展性，我們保留了這個(gè)選項(xiàng)）。然而，更常見的做法是，CC2420將接收到的數(shù)據(jù)直接或通過簡(jiǎn)單的微控制器（如果系統(tǒng)需要額外的處理）傳遞給PDIUSBD12，PDIUSBD12再將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為USB HID報(bào)告，發(fā)送給主機(jī)PC。

軟件設(shè)計(jì)

手持設(shè)備終端軟件設(shè)計(jì)

手持設(shè)備終端的軟件設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)部分：

• 初始化：系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行各個(gè)模塊的初始化，包括PIC16FB77A單片機(jī)的時(shí)鐘設(shè)置、IO口配置、中斷使能，以及CC2420無線模塊的參數(shù)配置（如頻道、通信速率、地址等）。

• 觸摸板數(shù)據(jù)讀取：通過輪詢或中斷方式讀取PS/2接口的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行解析和處理，轉(zhuǎn)換為鼠標(biāo)的移動(dòng)和點(diǎn)擊事件。

• 數(shù)據(jù)打包與發(fā)送：將處理后的數(shù)據(jù)打包成適合無線傳輸?shù)母袷?，并通過SPI接口發(fā)送給CC2420無線模塊進(jìn)行發(fā)送。

• 低功耗管理：在沒有觸摸事件發(fā)生時(shí)，使系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式，以降低功耗。

PC接入端軟件設(shè)計(jì)

PC接入端的軟件設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，因?yàn)榇蟛糠止ぷ饔蒔DIUSBD12和操作系統(tǒng)自動(dòng)完成：

• 固件編程：為PDIUSBD12編寫固件程序，使其能夠識(shí)別和處理來自CC2420的數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為USB HID報(bào)告發(fā)送給主機(jī)PC。

• 驅(qū)動(dòng)程序：通常不需要編寫特定的驅(qū)動(dòng)程序，因?yàn)榇蠖鄶?shù)操作系統(tǒng)都內(nèi)置了對(duì)HID類設(shè)備的支持。然而，如果需要進(jìn)行特殊的設(shè)備識(shí)別或功能擴(kuò)展，可能需要編寫或修改驅(qū)動(dòng)程序。

調(diào)試與測(cè)試

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，需要進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)試和測(cè)試，以確保各個(gè)模塊能夠正常工作并協(xié)同完成預(yù)期的功能。調(diào)試和測(cè)試過程包括：

• 模塊級(jí)測(cè)試：分別測(cè)試各個(gè)模塊的功能，如觸摸板的靈敏度、無線模塊的通信距離和穩(wěn)定性、PDIUSBD12的USB通信能力等。

• 系統(tǒng)集成測(cè)試：將各個(gè)模塊集成到系統(tǒng)中，進(jìn)行整體的功能測(cè)試，確保系統(tǒng)能夠正確接收和處理觸摸事件，并通過無線方式將控制命令發(fā)送給PC接入端。

• 性能測(cè)試：測(cè)試系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間、通信速率、功耗等性能指標(biāo)，確保系統(tǒng)能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。

結(jié)論

基于PIC16FB77A單片機(jī)、PDIUSBD12芯片和CC2420無線模塊的USB無線觸摸鼠標(biāo)板設(shè)計(jì)方案，通過合理的硬件選型和軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了高效、可靠的無線觸摸控制功能。該系統(tǒng)不僅提高了教學(xué)互動(dòng)性，還展示了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)的綜合技能。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用的深入拓展，該系統(tǒng)有望在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用和推廣。