基于PIC16FB77A單片機+PDIUSBDl2芯片+CC2420無線模塊的USB無線觸摸鼠標板設計方案

引言

隨著信息技術的飛速發展，多媒體教學在學校中得到了廣泛應用。然而，傳統的多媒體教學設備在互動性方面存在不足，限制了師生之間的有效交流。為了提升教學互動性，我們設計并實現了一種基于USB的無線觸摸鼠標板，該系統結合了USB接口和無線傳輸技術的優勢，使得教師可以在教室的任何位置自由控制電腦，增強教學效果。

系統概述

本系統主要由PIC16FB77A單片機、PDIUSBDl2芯片、CC2420無線模塊以及PS/2鼠標觸摸板組成。系統大致分為兩個部分：手持設備終端（即無線觸摸鼠標板）和PC接入端。手持設備終端提供PS/2接口供鼠標觸摸板接入，并通過無線模塊將控制信息發送到PC接入端。PC接入端通過USB接口與主機PC相連，實現數據的交互通信。

主控芯片型號及其在設計中的作用

PIC16FB77A單片機

型號特點：
PIC16FB77A是一款功能強大的8位微控制器，具備豐富的外設接口和靈活的編程能力，廣泛應用于各種嵌入式系統中。其內置的高速ADC、多個定時器/計數器、SPI和USART等接口，為系統提供了強大的控制能力。

在設計中的作用：

• 系統控制：PIC16FB77A作為整個系統的核心控制單元，負責協調各個模塊的工作，包括觸摸板的初始化、數據采集、數據處理和無線發送等。

• 數據處理：對觸摸板產生的原始數據進行處理，轉換為適合無線傳輸的格式，并控制CC2420無線模塊進行數據發送。

• 電源管理：通過控制各模塊的電源供應，實現系統的低功耗運行。

PDIUSBDl2芯片

型號特點：
PDIUSBDl2是一款專為USB設備設計的接口芯片，支持全速USB通信，并提供了簡單的硬件接口和靈活的固件編程接口。該芯片廣泛應用于各種USB外設中，如鼠標、鍵盤、游戲手柄等。

在設計中的作用：

• USB通信：作為PC接入端與主機PC之間的通信橋梁，PDIUSBDl2負責將接收到的無線數據轉換為USB數據格式，并通過USB接口發送給主機PC。

• 設備枚舉：在設備接入主機時，PDIUSBDl2會參與設備的枚舉過程，確保設備能夠被主機正確識別并安裝相應的驅動程序。

• 電源供應：通過USB接口為整個PC接入端提供穩定的5V電源。

CC2420無線模塊

型號特點：
CC2420是一款集成了2.4GHz IEEE 802.15.4標準的無線收發器，支持多種通信協議，如ZigBee、RF4CE等。該模塊具有低功耗、高靈敏度、高可靠性等特點，廣泛應用于無線傳感器網絡、智能家居、遠程控制等領域。

在設計中的作用：

• 無線傳輸：負責手持設備終端與PC接入端之間的無線數據傳輸，包括控制命令的發送和接收。

• 協議處理：支持多種通信協議，可根據需要選擇合適的協議進行數據傳輸，提高系統的兼容性和靈活性。

• 低功耗設計：通過優化電路設計和電源管理策略，降低模塊的功耗，延長設備的使用壽命。

系統設計

手持設備終端設計

手持設備終端主要由MCU控制模塊、無線發送模塊、PS/2接口模塊和調試模塊組成。

• MCU控制模塊：以PIC16FB77A單片機為核心，控制整個系統的運行。在觸摸板事件發生時，通過中斷觸發方式喚醒MCU進行數據采集和處理，并將處理后的數據通過無線發送模塊發送出去。

• 無線發送模塊：采用CC2420無線模塊實現數據的無線發送。MCU通過SPI接口與CC2420進行通信，發送控制命令和數據包。同時，通過電平跳變中斷檢測CC2420的狀態變化，確保數據的可靠發送。

• PS/2接口模塊：提供PS/2接口供鼠標觸摸板接入。通過兩條IO線實現數據的傳輸和控制信號的接收。在初始化階段，MCU會發送一系列的初始化命令給觸摸板，確保其正常工作。

• 調試模塊：為了方便設計過程中的調試需要，在開發板上設計一個串口調試模塊。通過RS232電平轉換芯片MAX3232實現不同電壓之間的連接，將調試信息發送給PC端進行顯示和分析。

PC接入端設計

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，實現與主機PC的USB通信。設備被設計為標準的HID類鼠標，可以直接使用操作系統自帶的驅動程序進行識別和通信。當PDIUSBD12接收到來自USB總線的數據或命令時，會進行相應的處理，并通過內部接口與單片機或微處理器（盡管在此設計中，PDIUSBD12主要是與無線接收模塊間接交互，但本質上它是連接USB世界與內部邏輯的橋梁）。

• 無線接收模塊：同樣采用CC2420無線模塊，但在此端作為接收方。它負責監聽來自手持設備終端的無線信號，并通過SPI接口將接收到的數據包傳輸給MCU（雖然在此設計中，我們可能不直接使用MCU來直接處理數據，而是直接通過PDIUSBD12將數據發送到USB，但為了設計的靈活性和可能的擴展性，我們保留了這個選項）。然而，更常見的做法是，CC2420將接收到的數據直接或通過簡單的微控制器（如果系統需要額外的處理）傳遞給PDIUSBD12，PDIUSBD12再將這些數據轉換為USB HID報告，發送給主機PC。

軟件設計

手持設備終端軟件設計

手持設備終端的軟件設計主要包括以下幾個部分：

• 初始化：系統上電后，首先進行各個模塊的初始化，包括PIC16FB77A單片機的時鐘設置、IO口配置、中斷使能，以及CC2420無線模塊的參數配置（如頻道、通信速率、地址等）。

• 觸摸板數據讀取：通過輪詢或中斷方式讀取PS/2接口的數據，并進行解析和處理，轉換為鼠標的移動和點擊事件。

• 數據打包與發送：將處理后的數據打包成適合無線傳輸的格式，并通過SPI接口發送給CC2420無線模塊進行發送。

• 低功耗管理：在沒有觸摸事件發生時，使系統進入低功耗模式，以降低功耗。

PC接入端軟件設計

PC接入端的軟件設計相對簡單，因為大部分工作由PDIUSBD12和操作系統自動完成：

• 固件編程：為PDIUSBD12編寫固件程序，使其能夠識別和處理來自CC2420的數據，并將其轉換為USB HID報告發送給主機PC。

• 驅動程序：通常不需要編寫特定的驅動程序，因為大多數操作系統都內置了對HID類設備的支持。然而，如果需要進行特殊的設備識別或功能擴展，可能需要編寫或修改驅動程序。

調試與測試

在系統設計完成后，需要進行詳細的調試和測試，以確保各個模塊能夠正常工作并協同完成預期的功能。調試和測試過程包括：

• 模塊級測試：分別測試各個模塊的功能，如觸摸板的靈敏度、無線模塊的通信距離和穩定性、PDIUSBD12的USB通信能力等。

• 系統集成測試：將各個模塊集成到系統中，進行整體的功能測試，確保系統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送給PC接入端。

• 性能測試：測試系統的響應時間、通信速率、功耗等性能指標，確保系統能夠滿足實際應用的需求。

結論

基于PIC16FB77A單片機、PDIUSBD12芯片和CC2420無線模塊的USB無線觸摸鼠標板設計方案，通過合理的硬件選型和軟件設計，實現了高效、可靠的無線觸摸控制功能。該系統不僅提高了教學互動性，還展示了嵌入式系統設計與開發的綜合技能。隨著技術的不斷進步和應用的深入拓展，該系統有望在更多領域得到應用和推廣。