无线光电鼠标设计

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1、1 无线光电鼠标设计 李群林 电气与信息工程学院测试计量技术与仪器 湖南大学 湖南长沙 410082 摘要 无线鼠标技术已相当成熟 市面上已有大量无线鼠标上市 但是价格悬殊很大 本 文从无线光电鼠标原理出发 探讨如何设计不同档次的无线光电鼠标 关键字 USB 无线鼠标 光电鼠标 鼠标 1 1 1 1 技术可行性研究技术可行性研究 无线鼠标技术已相当成熟 市面上已有大量无线鼠标上市 价格在100到600元之间 有红外和无线电等传输方式 接口类型是 USB 和 PS2 大部分是光电鼠标 也有部分低 价的滚轮鼠标 但是由于滚轮鼠标易受灰尘影响 大部分场合工作都不是很理想 故本文 只讨论光电鼠标 2

2、2 2 2 光电鼠标原理光电鼠标原理 光电鼠标的光学传感器象一部 DC DV 一样 跟随操作者的移动连续记录它途经表面 的 快照 假想一下间谍卫星拍摄地球表面的情形 不过比喻不是很恰当 比如光电鼠标 是自带光源的 并且它的移动是没有规律的等等 这些快照 即帧 是有一定的频率 即 扫描频率 刷新率 帧速率等 以下我们对此不加区分 和尺寸及分辨率 即光学传感器 的 CMOS 晶振的有效像素数 并且光学传感器的透镜应具备一定的放大作用 而光电鼠 标的核心 DSP 通过对比这些快照之间的差异从而识别移动的方向和位移量 并将这 些确定的信息加以封装后通过 USB 接口源源不断地进入 PC 驱动程序 可以

3、是 Windows 的默认驱动 则根据这些信号经过一定的转换 参照关系由驱动设置 最终决定鼠标指针 在屏幕上的位置 由此 我们可知一个大略的 鼠标移动 表面 镜头 组 光学传感器 CMOS 晶阵 DSP USB 接口 驱动程序 PC 屏幕坐标 的过程了 光电鼠标的两个重要参数 光学分辨率和扫描频率 目前市场上光电鼠标的光学分辨 率多数为400DPI 和800DPI 两种 其含义就是鼠标每移动2 54厘米的距离 光标在屏幕上 移动的距离就是400像素和800像素 扫描频率主要是指光学扫描芯片每秒钟所获得的快照 的数量 这些快照会被信号处理系统进行分析 从而判断出鼠标移动的速度和方向 一般来说分辨

4、率在400DPI 扫描频率在2000次左右在普通的办公应用中就已经够了 但是专家推荐游戏玩家和制图高手 需购买一款分辨率为800DPI 扫描频率在2500次以 上的光电鼠标 另外 鼠标的分辨率应与扫描频率相互配合才能获得理想的使用效果 鼠 标仅仅拥有很高 DPI 指标是不够的 必须有适当的扫描频率相配合 例如某些杂牌产品 仅仅有每秒1500次的扫描频率 这样当鼠标快速移动 特别是进行激烈的游戏战时候 鼠 标很容易失去指向或者丢帧 2 1 2 1 2 1 2 1 光电鼠标常用芯片光电鼠标常用芯片光电鼠标常用芯片光电鼠标常用芯片 2 虽然市面上光学鼠标的品牌众多 但光学传感器的生产厂家屈指可数 在

5、以前 大 部分厂家都用的是安捷伦公司的光学传感器 IC 比较早期的如 HDNS 2000 Image sensor size 为18 18 刷新率为1500次 秒 被很多光学鼠标采用 另外安捷伦还有 ADNS 2051 ADNS 2001等传感器芯片 扫描次数最高达2300次 秒 来自台湾 IC 新的第三代光学定位芯片 PAN101 208 由于价格便宜 在国内占有一 定的市场 PAN101芯片具有2000次 秒的扫描频率 这个指标介于安捷伦 H2000 1500次 S2051 2500次 之间 不过定位芯片的性能还要取决于 CMOS 矩阵的大小等方面 实际 性能在我们后面的试用中会有介绍 此

6、外 PAN101芯片是一颗可编程光学引擎 不同的编 程算法能够达到400CPI 或800CPI 微软新一代的 IntelliMouse Explorer IE 系列鼠标 采用了 STMicroelectronics 公司 开发的光学传感器芯片 Image sensor size 增大到22 22 刷新率达到了6000次 秒 像素 处理能力达到了2904000个 秒 这一基本的技术指标仍被微软各光学鼠标沿用至今 按照 微软公布的指标 此款光学引擎可以承受最大37英寸 秒的移动速度 超越了30英寸 秒的 人手握鼠标移动速度的理论极限 光学鼠标丢帧的问题得以解决 这也是职业游戏玩家采 用微软的光学鼠

7、标的原因 安捷伦也开发出了新一代的光学传感器芯片 首先是专门为罗技开发的 A2020芯 片 与 STMicroelectronics 的芯片相比 A2020没有那么高的刷新率 只有5250次 秒 但 是却有大得多的 Image sensor size 30 30 这样算下来 像素处理能力达到了4725000 个 秒 比 STMicroelectronics 的产品更高 而罗技公司公布的 MX 光学引擎理论能的承受 最大移动速度为40英寸 秒 A2020被用于罗技的 MX 引擎中 大家熟悉的 MX300 MX500 和无线的 MX700都是以 A2020为核心的 当然 增大 Image sens

8、or size 也带来了功耗的增 加 这个对有线鼠标影响倒不大 但对于无线鼠标来说就相当明显了 现阶段高端鼠标应用最为广泛的是安捷伦 ADNS 3060系列光学成像定位引擎 该 引擎能为鼠标提供400dpi 800dpi 的扫描精度和6400FPS 的扫描速度 与被广泛采用的安 捷伦 ADNS 2051高性能的光学浏览传感器相比 ADNS 3060的工作电压是3 3V 而不是5 V 节电模式下电流消耗为30 uA 而不是240 uA 最大时钟频率为24 MHz 而不是18 MHz 在每秒6 400帧时的最大速度为每秒40英寸 而不是每秒1 500 帧时的14英寸 这 两种传感器都提供了高达80

9、0 cpi 每英寸点数 的分辨率 比较适合设计无线鼠标 2 2 2 2 2 2 2 2 鼠标控制器鼠标控制器鼠标控制器鼠标控制器 2 2 1 2 2 1 2 2 1 2 2 1 PS2PS2PS2PS2控制器控制器 XLT522是一款专用配对 PAN101B204 208系列 ADNS 2051系列的光电鼠标控制芯 片 采用 MICRO 控制接口 解析度达到800CPI 本芯片兼容 PS 2 2D 3KEY PS 2 3D 3KEY PS 2 3D 5KEY 三种工作模式 并根据不同的系统及驱动程序自动适应切换 当工 作于3D 3KEY 时 其第4 Forward 5 Back 两键相当于中间

10、键 该芯片外围电路精简到 最少 滚轮为除2设计 产品的主要性能优势是 可以采用 Micro 控制方式 把204版本的 高解析度的功能挖掘出来 达到800CPI 的高性能 并使用功能脚复用的方法 实现自由 动态切换 所谓动态即指可在使用鼠标过程中设置解析度 也可以在电路上把解析度定死 适合作5KEY 鼠标 且与2D 3KEY 3D 3KEY 模式自动切换 同时这款芯片适合 PAN101B 的所有型号 PAN101BOI 204 PAN101BOI 208 PAN101BSI 204 PAN101BSI 208 固 不必为选型而费心 3 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 USBUSB

11、USBUSB 鼠标控制器鼠标控制器 目前 USB 鼠标采用赛普拉斯半导体公司 Cypress 的 CY7C63723 enCoRe 增强型器 件减少 USB 微控制器 Cypress CY7C63723 enCoRe 器件具有如下特性 业界最小的 Cypress 专有 M8控制器内核及集成的 USB 串行接口引擎 SIE 和收发器 用于存储和数据 缓冲的集成 EPROM 加 RAM 以及可减少 EMI 的优化输出驱动器 EnCoRe 系列 USB 微 控制器专注于系统成本的降低 采用内部小晶振 因此无需外部晶振或共鸣器 该器件还 集成了低速常见的 USB 设备及其它片外元器件 如上拉电阻 唤醒

12、电路和3 3V 调压器 2 3 2 3 2 3 2 3 无线收发芯片无线收发芯片无线收发芯片无线收发芯片 无线收发种类很多 有无线 红外 篮牙等 红外有一定的方向性 而篮牙技术比较 复杂 价格比较高 目前市场上的无线鼠标大多采用无线芯片实现 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 无线射频无线射频 nRF2401无线收发一体芯片和蓝牙一样 都工作在2 4GHz 自由频段 能够在全球无线 市场畅通无阻 nRF2401支持多点间通信 最高传输速率超过1Mbit S 而且比蓝牙具有更 高的传输速度 它采用 SOC 方法设计 只需少量外围元件便可组成射频收发电路 与蓝 牙不同的是 nRF240

13、1没有复杂的通信协议 它完全对用户透明 同种产品之间可以自由 通信 更重要的是 nRF2401比蓝牙产品更便宜 所以 nRF2401是业界体积最小 功耗最 少 外围元件最少的低成本射频系统级芯片 2 3 2 2 3 2 2 3 2 2 3 2 红外红外 IRDA 是红外数据协会的简称 IRDA 制订的一系列红外数据通讯标准形成了红外数 据通讯技术的基础 红外通讯技术是一种点对点的数据传输协议 是传统的设备之间连接 线缆的替代 它的通讯距离一般在0到1米之间 传输速率最快可达16Mbps 通讯介质为 波长为900纳米左右的近红外线 不过红外线技术只是无线技术的最初级阶段 它的技术较简单 生产成本

14、低 同时也 拥很多显而易见的缺点 这些缺点主要是由于光的直线传播的特性所造成的 如使用时发 射器需要对准接收器 发射器和接收器之间不可有障碍物阻挡等缺点会给用户使用时造成 诸多限制 因为红外的传输速度限制 应用红外无线技术的鼠标 都存在着明显影响使用 感受的延迟现象 红外通讯植入成本大幅降低 大批量生产可使植入成本控制在3美元以 内 2 3 3 2 3 3 2 3 3 2 3 3 蓝牙技术蓝牙技术 PMB8753芯片基于英飞凌的130nm CMOS 工艺技术 功耗比以前的解决方案降低 35 该芯片通过了基本数据速率环境 1Mbps 和低于增强数据速率环境 2Mbps 和3Mbps 的所有协同工

15、作测试 这种 WLAN 共存接口 2线和3线 能和许多 WLAN 解决方案共享 4 2 4GHz ISM 频段 传输距离为10米 通过外接功率放大器 BlueMoon 芯片能容易地升级 到1级 100米 CSR 推出的 WLAN 解决方案 包括主打手机的802 11b g 的 UniFi 1 Portable 以及可 用于手机及其他消费性电子产品的802 11a b g 的 UniFi 1 Consumer 预计2004年底送样 2005年中正式量产 单价将低于8美元 额外的原材料成本不到1美元 随着竞争的加剧 产量的扩大 蓝牙芯片的价格越来越便宜 蓝牙芯片离3美元 颗的日子不远了 同时蓝牙

16、产品的出货量越来越大 2 4 2 4 2 4 2 4 电压和比特率电压和比特率电压和比特率电压和比特率 由于无线鼠标需自带电源 所以要求所用芯片必须是低功耗和低电压 而安捷伦的 光学成像定位引擎已有低电压低功耗产品 如 ADNS 2030 ADNS 3060 nRF2401也是 低电压低功耗产品 鼠标部分还需要一个微处理器考虑到价格和低电压要求 可以选用 AT89C2051 AVR 单片机等 nRF2401的传输速率可达1M 可充分发挥光学引警的性能 常用的 USB 接口都是 1 1规范的 它的传输速率最大是1 1M 和 nRF2401差不多 3 3 3 3 设计方案设计方案 3 1 3 1 3 1 3 1 典型方案典型方案典型方案典型方案 鼠标的设计需要考虑接口 光学芯片 无线射频芯片 组合起来有多种设计方案 本 文只列举采用无线芯片部分设计 3 1 1 3 1 1 3 1 1 3 1 1 低价无线鼠标低价无线鼠标 接口采用比较便宜的 PS2 SMC522是一款性能优良的 PS 2光电3D 鼠标控制芯片 可 与 PAN101B204 208系列 ADNS 2051系列配对使用构成高性

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