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.   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.   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. 光电鼠标常用芯片

       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 sensor 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800 cpi (每英寸点数) 的分辨率，比较适合设计无线鼠标。

2.2. 鼠标控制器

2.2.1.    PS2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。

2.2.2.    USB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、唤醒电路和3.3V调压器。

2.3. 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.    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，nRF2401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.    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.    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，同时蓝牙产品的出货量越来越大。

2.4. 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.   设计方案

3.1. 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.    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能光电鼠标。SMC522采用MICRO控制接口，可使鼠标的解析度400CPI/800CPI动态切换并适用于PS/2 2D 3KEY、PS/2 3D 3KEY、PS/2 3D 5KEY等多种工作模式（根据不同的系统及驱动程序自动切换）。

目前所谓的机械鼠标应该叫做光学机械鼠标（Opto-mechanical），简称光机鼠标。光机鼠标限于先天结构的限制，存在滚球、滚轴等机械器件的磨损，而且还会沾染灰尘，造成其精度的下降。所以大多数的光机鼠标的设计寿命一般只有1年。光机鼠标除了需要经常清洗之外，还只能在诸如鼠标垫那样的比较平整却有一定摩擦力的平面上工作，适用场合很有限。

3.1.2.    使用ADNS-2030做无线鼠标

       接口PS2或者USB，适合要求不高的用户。

安捷伦科技公司不久前推出一种新型光学鼠标传感器ADNS-2030。它使用五号电池供电，连续使用时间长。ADNS-2030具有最平滑、最快速、最精确的定位控制功能，可为工作站、PC和笔记本电脑使用的无绳鼠标提供理想的解决方案。这种光学定位传感器每秒可拍摄上千张数码图片，其分辨率高达800dpi，该器件经过信号分析和处理可将鼠标的运动转化为计算机屏幕上光标的移动。与传统机械鼠标相比，采用这种新技术的光电鼠标可以实现更加精确的定位和更加灵敏的移动，而且不再需要鼠标垫，因此极大提高了使用的可靠性，延长了使用寿命。

ADNS-2030光学鼠标传感器还为设计人员提供了更高的灵活性，它的帧速率每秒可达500～2300帧，分辨率为400dpi或800dpi，最快速度每秒可达36cm。鼠标处于静止状态，还自动执行省电功能，同时可为发光二极管（LED）光源提供受控驱动程序。ADNS-2030使用单一电源供电，并具备片上LED驱动功能以及停止移动时的省电模式特性。另外，ADNS-2030还包含一个影像采撷系统（IAS）、一个数字信号处理器（DSP）、一个双通道的正交输出以及一个双线串行端口。

3.1.3.    使用ADNS-3060的光电鼠标基础上添加无线收发器

       这个设计是针对高端用户，可采用AVR单片机，USB/PS2 控制器采用较好的CY7CD83743A-PC芯片。

       在目前市场上的高端鼠标产品中，两大厂商罗技和微软还是用他们的集先进技术和良好设计于一体的无线鼠标产品当仁不让地占据着这个权威性的地位。在蓝牙技术鼠标产品推广微软要落后于罗技；不过在采用无线电技术的产品方面，微软的地位和罗技一样不可动摇。

3.1.4.    仿无需电池无线鼠标防双飞燕设计

       它的光电引擎芯片并非常见的安捷伦产品而是较为少见的台湾产OM02引擎。其水平大概和第二代安捷伦引擎差不多。选择它的因素我们估计有两个，一是安捷伦引擎在所有引擎中功耗属于较大的，显然不太适合无电池产品使用，二也不能不说是有一定价格的原因。

3.2. 电路图参考

图1 nRF2401参考设计

图2 OM02电路设计图

图3 ADNS-2030电路设计图

3.3. 抗干扰设计

由于无线RF特殊性，我们必须严格控制EMC干扰因素，否则产品达不到设计要求，无线芯片也无法达到理论传输距离和传输速率。

在绘制PCB板时要特别注意以下几个方面：

1)        采用质量较好的稳压电源，并添加高低频滤波电路，例如100uF和1000pF电容，100Ω电阻组成的滤波电路。

2)        PCB板的数字电路，模拟信号电路，RF电路必须分区设计，避免相互干扰，可用地线将区域隔离，在靠近电源的一点将三部分的地接与电源地。

3)        每个芯片的电源与地之间添加0.01uF-0.1uF高频电容，减少电路对电源的影响。

4)        单片机晶振与单片机引脚尽可能靠近，用地线将时钟隔离，并将晶振外壳与地连接固定。

5)        布线时避免90度折线，减少回路面积。

6)        电源线和地线尽可能的粗，PCB板空白处与地充分连接。

7)        软件抗干扰可以提高产品的可靠性，增强抗干扰效果：

8)        不用代码空间清“0”，程序结束设置软件陷阱。

9)        跳转指令前加几个NOP，多字节指令之后加几个NOP。

10)     数据通讯添加数据校验位。

3.4. 方案对比

       SMC522/$0.22，EM84510/￥1。（参考：明基无线键盘鼠标（滚轮）套装200元）。

采用ADNS-2030和nRF2401做的无线鼠标主要芯片价格为：nRF2401/$3.5，AT89C2051-12PI/￥5.5，CY7C63723/$1.47。

ADNS-3060/$5，（参考：双飞燕无线鼠标价格120元）。

光学成像引擎	鼠标控制芯片	无线芯片	价格	描述
	EM84510	nRF2401	低	PS2无线光机鼠标
PAN101-208	EM84510	nRF2401	较低	PS2无线光学鼠标
OM02	EM84510		较低	PS2无线光学鼠标
ADNS-2051
ADNS-2030	SMC522	nRF2401	中等	PS2无线光学鼠标
ADNS-2030	GL603USB-A-XP2P	nRF2401	中等	USB无线光学鼠标
ADNS-2030	CY7C63723-PC	nRF2401	中等	USB无线光学鼠标
ADNS-3060	CY7C63723-PC	PMB8753	较高	USB篮牙光学鼠标

键盘无线改造

3.5. 键盘原理

键盘是由一组排列成矩阵方式的按键开关组成，通常有编码键盘和非编码键盘两种类型，IBM系列个人微型计算机的键盘属于非编码类型。微机键盘主要由单片机、译码器和键开关矩阵三大部分组成。其中单片机采用了INTEL8048单片微处理器控制，这是一个40引脚的芯片，内部集成了8位CPU、1024×8位的ROM、64×8位的RAM、8位的定时器／计数器等器件。由于键盘排列成矩阵格式，被按键的识别和行列位置扫描码的产生，是由键盘内部的单片机通过译码器来实现的。单片机在周期性扫描行、列的同时，读回扫描信号线结果，判断是否有键按下，并计算按键的位置以获得扫描码。当有键按下时，键盘分两次将位置扫描码发送到键盘接口；按下一次，叫接通扫描码；释放时再发一次，叫断开扫描码。因此可以用硬件或软件的方法对键盘的行、列分别进行扫视，去查找按下的键，输出扫描位置码，通过查表转换为ASCII码返回。

3.6. 无线改造

       键盘无线改造的主机端可以和鼠标共用一个无线收发芯片，键盘部分增加低成本处理器和无线芯片即可。