无线鼠标的设计与实现毕业论文文档格式.docx
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光学机械式鼠标的部结构是由机械传动装置、光电转换装置、按键、编码电路和连接线、外壳等组成。
光电鼠标是1981年由DiekLyon和steveKirseh发明的,这种没有滚球的鼠标采用光学定位,最初的光电必须和特殊额垫板配合才能使用,造成诸多不便。
随着技术的进步,光电鼠标最终抛弃了垫板,工作的时候通过发送一束红色的光线照射到桌面上,然后通过桌面不同颜色或凹凸点的运动和反射来判断鼠标的运动。
(2)串口鼠标、PS/2鼠标[4]和USB鼠标
早期的鼠标并不是电脑的标准配置,因此和现在的鼠标有很大的不同,除了必须外装电源之外,还要安装特殊的适配卡,使用起来很不方便。
后来出现了一种转接盒,通过它可以把鼠标连接到Parallel接口上。
Parallel接口成为了鼠标与电脑连接的第一种接口。
随着鼠标被广泛使用,在加上技术的发展,从COM接口(串口)成了鼠标使用的第二种接口,与其它设备一样,鼠标也是使用9针连接接口(DB-9)。
由于电脑的COM口本来就少,还要连接其它设备,所以很容易造成资源占用的问题。
目前广泛使用的鼠标都是使用的PS/2鼠标这种接口是IBM公司于1987年在PS/2系统上推出的,这也是被称为PS/2鼠标的来由。
虽然PS/2系统最终没能得到市场的认可,但是其中的一些优秀设计还是被保留下来,比如它的PS/2鼠标接口,现在已经成了ATX主机板上面的标准配置。
USB接口的出现为外设提供了更加简便的连接方案,由于它符PNP规,可以实现热插拔,因此使用起来很方便。
1.3本文的主要工作
本文研究一款以普通Ps/2鼠标,采用ZigBee无线模块进行通信的无线鼠标,鼠标系统由鼠标发送部分和鼠标接收部分组成。
本文的主要工作如下:
(l)设计无线鼠标的硬件系统,连接各个模块,包括PS/2鼠标,LCD1602显示,ZigBee无线传输等鼠标的硬件设计。
(2)为鼠标设计合理的系统软件,获取鼠标位移信息及按键信息,利用LCD1602显示实现鼠标操作仿真。
(3)将鼠标的位移与按键信息合并后无线发送给插在电脑上的鼠标接收器使鼠标接收器与计算机进行通信,最终实现了鼠标的无线操作。
2PS/2协议与PS/2鼠标工作原理
2.1PS/2协议简介
PS/2协议是由IBM开发,主要用于鼠标和键盘的一种通信协议,它规定了物理及电器接口、命令、数据包格式。
2.1.1PS/2硬件接口物理特性
PS/2接口用于许多现代的鼠标和键盘,由IBM最初开发和使用。物理上的PS/2接口[5]有两种类型的连接器:
5脚的DIN和6脚的mini-DIN。图2—1就是两种连接器的引脚定义。使用中,主机提供+5V电源给鼠标,鼠标的地连接到主机电源地上。
图2-1PS/2硬件接口
2.1.2接口协议原理
PS/2鼠标接口采用一种双向同步串行协议。即每在时钟线上发一个脉冲,就在数据线上发送一位数据。在相互传输中,主机拥有总线控制权,即它可以在任何时候抑制鼠标的发送。方法是把时钟线一直拉低,鼠标就不能产生时钟信号和发送数据。
如果主机要发送数据,它必须控制鼠标产生时钟信号。方法如下:
主机首先下拉时钟线至少100μs抑制通信,然后再下拉数据线,最后释放时钟线。通过这一时序控制鼠标产生时钟信号。当鼠标检测到这个时序状态,会在10ms产生时钟信号。如图2-3中A时序段。主机和鼠标之间,传输数据帧的时序如图2-2、图2-3所示。
图2-2鼠标到主机的传输时序
图2-3主机到鼠标的传输时序
数据包结构在主机程序中,利用每个数据位的时钟脉冲触发中断,在中断例程中实现数据位的判断和接收。在实验过程中,通过合适的编程,能够正确控制并接收鼠标数据。但该方案有一点不足,由于每个CLOCK都要产生一次中断,中断频繁,需要耗用大量的主机资源。
2.2PS/2鼠标的工作原理
2.2.1PS/2鼠标的工作模式
目前最常见的鼠标有PS/2鼠标和USB鼠标。
PS/2鼠标有4种工作模式,具体如下:
(1)复位模式:
当上电后或接收到复位命令FF后鼠标即处于此模式。
鼠标进行自检和初始化,再向主机发送0xFA,0xAA和0x00,一些参数将恢复到默认值,即采样率为100sample/s非自动流速、流模式、分辨率为4计数/mm、禁止状态。
(2)流模式:
如果有按键或滚轮动作,即向系统发送信息,最大发送速率就是可编程的采样率。
(3)遥控模式:
只有主机发送了模式设置指令0xF0后,鼠标才进入这种模式。
(4)卷绕模式:
这种模式只用于检测鼠标与主机是否连接正确,在该模式下鼠标收到什么就返回什么,除非收到退出卷绕指令0xEC或复位指令0xFF。
流模式是默认模式。
大多数应用系统使用流模式,鼠标的任何动作都会报告给主机。
也可以使用遥控模式,主机使用0xEB命令请求数据,鼠标进行应答。
主机和鼠标之间的通信命令有很多。
主机向鼠标发出的每一个字节和命令鼠标都必须采用0xFA应答,但是重传命令0xFE除外。
2.2.2PS/2协议数据包格式
PS/2鼠标在工作过程中,会及时把它的状态数据发送给主机。发送的数据包格式[6]如图2-4所示。
图2-4数据包格式
Byte1中的Bit0、Bit1、Bit2分别表示左、右、中键的状态,状态值0表示释放,1表示按下。Byte2和Byte3分别表示X轴和Y轴方向的移动计量值,是二进制补码值。Byte4的低四位表示滚轮的移动计量值,也是二进制补码值,高四位作为扩展符号位。这种数据包由带滚轮的三键三维鼠标产生。若是不带滚轮的三键鼠标,产生的数据包没有Byte4其余的相同。
标准的PS/2协议数据格式为3字节,如图2-5所示。
鼠标的按键和滚动信息都采用这种格式汇报给主机。
YOverflow
XOverflow
YSign
XSign
1
Middle
Button
Right
Left
Xmovement
Ymovement
图2-5标准的PS/2协议数据格式
标准鼠标指支持左右移动和三个鼠标键。
微软智能鼠标支持滚轮。
当主机向鼠标发送魔幻序列0xF30xC80xF30x640xF30x50后,鼠标进入滚轮模式。
此时读取鼠标ID返回0x03。
此后通信过程使用如图2-6所示的4字节协议。
ZHmovement
ZLmovement
图2-6字节的PS/2协议数据格式
其中ZH和ZL都采用二进制补码表示,围为-8~7。
此外,鼠标还有只能IE鼠标和台风(Typhoon)鼠标,通信协议与上述还有不同。
目前最常见的鼠标就是这两种。
3ZigBee无线传输协议
随着现代社会对通信技术的要求日益提高,由于短距离无线通信技术有广阔的应用前景和巨大的市场空间因此得到了许多厂商的重视,取得很大的发展。
各种短距离无线通信技术各有自己的特点和应用领域,下面对其中几种常用的短距离无线通信技术做简单介绍,并比较其特点。
1、红外技术
红外线[7]是波长在750nm-1mm之间的电磁波,它的频率高于微波而低于可见光,是一种人眼看不到的光线。
由于红外线波长较短,对障碍物衍射能力差,所以更适合应用在需要短距离无线通信的场合,进行点对点的直线数据传输。
红外数据协会将红外数据通信所采用的光波波长围限定在850nm-900nm之。
红外数据通信的通信距离通常最大不超过10m,通信角度不能超过30°
,传输速率可以达到16Mbps。
该技术具有工作原理简单、功耗小、成本低的特点,但由于其传输距离有限、传输方向性强等缺点,在应用围上受到了一定程度的限制。
2、家庭无线电射频技术(HomeRadioFrequency)
家庭无线电射频[8]无线联网标准是由西门子、摩托罗拉等技术巨头组建的HomeRF工作组负责研发的,旨在为家庭无线联网提供一种组网方便、易用、成本低廉的通用性标准,是IEEE802.11与DECT的结合,使用开发的2.4GHz频段,能够有效降低话音和数据传输成本,可提供1-2Mbps的数据传输,最高可达10Mbps。
3、射频识别技术(RadioFrequencyIdentificationDevices)
无线射频[9]识别是一种非接触式的自动识别技术,它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。
其突出特点主要有识别速度快,适应高速移动物体,能穿透布、皮、木等材料,且阅读距离远,可全天候工作。
目前主要应用在电子标签领域。
4、蓝牙技术(Bluetooth)
蓝牙技术[10]于1998年5月由爱立信、诺基亚、东芝、IBM和英特尔公司在联合开展短程无线通信技术的标准化活动时提出的,旨在提供一种短距离、低成本的无线传输应用技术。
利用蓝牙技术,能够有效地简化掌上电脑、笔记本电脑和移动等移动通信终端设备之间的通信,也能够成功地简化以上这些设备与Intemet之间的通信,从而使数据传输更加简便迅速高效。
蓝牙工作在2.4GHISM频段,采用1600次/秒的扩频调频技术,通信距离为10-100m,传输速率从720kbps发展到3Mbps,而且在传输数据信息的同时,还可以传输一路话音信息。
蓝牙技术的应用领域越来越广泛,从工业自动控制、家庭自动化到PDA、手机和电脑外设等,无处不在。
上面简单介绍了几种常用的短距离无线通信技术特征,接下来将这几种短距离无线通信技术与ZigBee通信技术[11]做简单的性能比较。
由3-1可以看出,各种短距离无线通信技术各有特点,适用于不同的场合。
表3-1几种短距离无线通信技术的比较
规
工作
频段
传输速
率(Mbps)
数据/
话音
最大功耗(mW)
连接设备数
安全
措施
主要用途
ZigBee
868/915
MHz
2.4GHz
0.25
数据
1-3
216-264
32,64,
128
密钥
家庭网络、
控制网络、
传感器网络
红外
820nm
1.521
4,16
10
2
小角度
传输
可
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