ADNK - 6003 - SP01光學(xué)鼠標(biāo)設(shè)計(jì)指南解析

在當(dāng)今的計(jì)算機(jī)外設(shè)領(lǐng)域，鼠標(biāo)作為重要的輸入設(shè)備，其性能和設(shè)計(jì)不斷發(fā)展。ADNK - 6003 - SP01光學(xué)鼠標(biāo)設(shè)計(jì)套件為電子工程師提供了一個(gè)出色的設(shè)計(jì)方案，下面我們來詳細(xì)解析這個(gè)設(shè)計(jì)指南。

文件下載：ADNK-6003-SP01.pdf

一、整體概述

USB（通用串行總線）是計(jì)算機(jī)與鼠標(biāo)、鍵盤等外設(shè)之間的標(biāo)準(zhǔn)串行接口。本設(shè)計(jì)指南介紹了如何使用Sunplus的SPCP825A USB微控制器和Avago Technologies的ADNS - 6000光學(xué)傳感器構(gòu)建一個(gè)經(jīng)濟(jì)高效的USB光學(xué)鼠標(biāo)。

ADNS - 6000激光鼠標(biāo)套裝是世界上首個(gè)激光照明導(dǎo)航系統(tǒng)，具有高性能架構(gòu)，能在傳統(tǒng)LED光學(xué)導(dǎo)航難以工作的表面上正常操作，可感應(yīng)高達(dá)20英寸/秒的速度和8g的加速度。

二、光學(xué)鼠標(biāo)基礎(chǔ)

光學(xué)鼠標(biāo)通過光學(xué)方式獲取連續(xù)的表面圖像（幀），并通過數(shù)學(xué)方法確定移動(dòng)的方向和幅度來測量位置變化。Z輪的移動(dòng)通過解碼光學(xué)傳感器產(chǎn)生的正交信號(hào)來實(shí)現(xiàn)。

三、核心組件介紹

3.1 Sunplus SPCP825A

它是一款通用的OTP USB微控制器，具有雙USB速度（低速和全速），支持PS/2模式，收發(fā)器由固件完全控制，USB SIE為固件處理USB協(xié)議提供了良好的靈活性。內(nèi)置PLL允許CPU使用一個(gè)6MHz晶體或諧振器以6MHz或12MHz工作。

3.2 ADNS - 6000光學(xué)傳感器

作為主要導(dǎo)航引擎，它包含圖像采集系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理器、雙通道正交輸出和四線串行端口。SPCP825A會(huì)定期讀取其Delta_X和Delta_Y寄存器，以獲取鼠標(biāo)移動(dòng)的水平和垂直運(yùn)動(dòng)信息。該傳感器具有跟蹤精度高、可通過SPI端口編程、自動(dòng)幀率（1000fps - 6400fps）等優(yōu)點(diǎn)，還能在傳統(tǒng)LED技術(shù)無法跟蹤的表面（如光滑和有光澤的表面）上實(shí)現(xiàn)出色的跟蹤。此外，它還具有Burst模式，可減少三種預(yù)定義操作（運(yùn)動(dòng)讀取、SROM下載和幀捕獲）的串行事務(wù)時(shí)間。

四、硬件實(shí)現(xiàn)

4.1 硬件架構(gòu)

標(biāo)準(zhǔn)鼠標(biāo)硬件中，X和Y方向的移動(dòng)由光學(xué)傳感器檢測，Z輪移動(dòng)由一組輸出正交信號(hào)的光學(xué)傳感器檢測。每個(gè)按鈕對應(yīng)一個(gè)開關(guān)，通過內(nèi)置上拉電阻上拉。D線通過連接到VREG引腳的1.3k歐姆電阻上拉。

4.2 固件可配置GPIO

參考固件按附錄A中的原理圖配置GPIO引腳，但為滿足PCB設(shè)計(jì)的機(jī)械約束，可通過修改SPCP825A_A6000.asm列表開頭的I/O定義來重新配置引腳連接。

4.3 通信接口

SPCP825A和ADNS - 6000之間通過集成的SPI接口通信。芯片處于掉電模式（NPD低）或復(fù)位（RESET高）時(shí)，串口不能激活。SPI通過PB0（NCS）啟用時(shí)，PB2（SCLK）、PB1（MISO）和PB3（MOSI）GPIO引腳具有特殊功能，以實(shí)現(xiàn)與外部硬件的通信。

五、鼠標(biāo)光學(xué)與按鈕

5.1 鼠標(biāo)光學(xué)

Z輪的運(yùn)動(dòng)通過解碼光學(xué)傳感器產(chǎn)生的正交信號(hào)來檢測。兩個(gè)光電晶體管以源極跟隨器配置連接，紅外LED發(fā)光使光電晶體管導(dǎo)通，其間的針輪隨鼠標(biāo)球滾動(dòng)，其扇葉會(huì)阻擋紅外光，使光電晶體管以正交輸出模式導(dǎo)通和關(guān)斷，通過比較光電晶體管輸出的狀態(tài)變化來確定鼠標(biāo)移動(dòng)的方向和計(jì)數(shù)。

5.2 鼠標(biāo)按鈕

鼠標(biāo)按鈕作為標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)連接，通過微控制器內(nèi)部的上拉電阻上拉。用戶按下按鈕時(shí)，開關(guān)閉合，引腳電平拉低到GND，低電平表示按鈕被按下，高電平表示按鈕釋放或未被按下。通常在固件中對開關(guān)進(jìn)行15 - 20ms的消抖處理。本參考設(shè)計(jì)中有左、Z輪和右三個(gè)開關(guān)。

六、USB連接與操作

6.1 USB連接

SPCP825A有一個(gè)配置寄存器，可將D +和D -引腳的控制從SIE切換到手動(dòng)控制，使固件能夠動(dòng)態(tài)配置為USB鼠標(biāo)。參考設(shè)計(jì)的固件會(huì)自動(dòng)檢測主機(jī)拓?fù)洌║SB）。

6.2 USB操作流程

1. 設(shè)備插入：USB設(shè)備首次連接到總線時(shí)，通電并運(yùn)行固件，但在主機(jī)發(fā)出USB總線復(fù)位之前，USB通信仍無法工作。
2. 總線復(fù)位：D -上的上拉電阻通知集線器連接了一個(gè)低速（1.5Mbps）設(shè)備，主機(jī)識(shí)別到新設(shè)備并發(fā)起總線復(fù)位。
3. 枚舉：主機(jī)發(fā)起SETUP事務(wù)，獲取鼠標(biāo)的通用和特定信息，為鼠標(biāo)分配新的唯一USB地址，完成枚舉過程。
4. 枚舉后操作：主機(jī)與鼠標(biāo)建立通信后，外設(shè)負(fù)責(zé)在控制和數(shù)據(jù)端點(diǎn)上發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。主機(jī)配置端點(diǎn)1后，鼠標(biāo)在有數(shù)據(jù)時(shí)將按鈕和運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送回主機(jī)。

6.3 USB請求

• 端點(diǎn)0：作為主機(jī)的控制端點(diǎn)，上電時(shí)是所有USB設(shè)備的默認(rèn)通信通道。主機(jī)通過Control - Read和Control - Write確定設(shè)備類型和配置通信方式，本設(shè)計(jì)僅需Control - Read事務(wù)來枚舉鼠標(biāo)。
• 端點(diǎn)1：是鼠標(biāo)按鈕、滾輪和移動(dòng)信息的數(shù)據(jù)傳輸通信通道。主機(jī)配置端點(diǎn)1后，會(huì)發(fā)送中斷IN請求收集鼠標(biāo)數(shù)據(jù)。鼠標(biāo)空閑時(shí)，固件會(huì)拒絕端點(diǎn)1的請求，僅在鼠標(biāo)狀態(tài)改變時(shí)報(bào)告數(shù)據(jù)。

七、固件實(shí)現(xiàn)

7.1 所需文件

固件用Avago Technologies匯編語言編寫，編譯鼠標(biāo)需要多個(gè)文件，如SPCP825A _A6000.asm（主鼠標(biāo)固件）、calibration_hid.asm（HID兼容設(shè)備USB描述符ROM表）等。

7.2 主要功能函數(shù)

固件包含多個(gè)功能函數(shù)，如IO_initial（設(shè)置微控制器的輸入輸出）、Usb_initial（啟用USB模式）、sample_mouse（獲取X、Y和Z輪的運(yùn)動(dòng)信息）等。這些函數(shù)協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)的各種功能。

八、其他注意事項(xiàng)

8.1 系統(tǒng)要求

使用Windows 95/98/NT/2000的PC，并加載標(biāo)準(zhǔn)3按鈕USB鼠標(biāo)驅(qū)動(dòng)。

8.2 拆卸與組裝

ADNK - 6003 - SP01由塑料鼠標(biāo)外殼、PCB、鏡頭、按鈕和USB電纜組成。擰下底部的一個(gè)螺絲可打開設(shè)備，進(jìn)一步取出PCB進(jìn)行拆卸。組裝時(shí)要確保Z高度（鏡頭參考平面到表面的距離）有效。

8.3 啟用SROM

ADNS - 6000必須從外部加載程序運(yùn)行，外部程序由Avago Technologies提供，可燒錄到可編程設(shè)備中。上電和復(fù)位時(shí)，使用同步串行端口部分描述的突發(fā)模式程序?qū)DNS6000程序下載到易失性內(nèi)存中。

8.4 法規(guī)要求

該鼠標(biāo)在按建議組裝并使用屏蔽電纜時(shí)，需通過FCC B和全球類似的發(fā)射限制、IEC - 1000 - 4 - 3輻射抗擾度水平、EN61000 - 4 - 4/IEC801 - 4 EFT測試，達(dá)到UL94 V - 0阻燃等級(jí)，并提供足夠的ESD爬電/間隙距離以避免高達(dá)15kV的放電。

8.5 眼睛安全

ADNS - 6000及相關(guān)組件應(yīng)符合IEC 60825 - 1的1類眼睛安全要求。Avago Technologies建議制造商對每個(gè)鼠標(biāo)進(jìn)行眼睛安全測試，并審查可能的單故障機(jī)制。

8.6 激光功率調(diào)整

激光功率調(diào)整需在環(huán)境溫度25°C ± 5°C下進(jìn)行，設(shè)置VDD3為永久值，確保激光驅(qū)動(dòng)占空比為100%，編程LP_CFG0和LP_CFG1寄存器使輸出功率接近506uW但不超過。

通過以上對ADNK - 6003 - SP01光學(xué)鼠標(biāo)設(shè)計(jì)指南的解析，我們可以看到它在硬件和固件設(shè)計(jì)上的諸多特點(diǎn)和優(yōu)勢。電子工程師在實(shí)際設(shè)計(jì)中可以參考這些內(nèi)容，打造出高性能的光學(xué)鼠標(biāo)產(chǎn)品。你在設(shè)計(jì)類似鼠標(biāo)產(chǎn)品時(shí)，是否也遇到過一些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享。