文獻標識碼: A
文章編號: 0258-7998(2011)09-142-03
目前廣泛使用的無線鼠標通常采用電池供電,定期更換電池給用戶帶來不便。本文設計了一種無接觸供電CPT(Contact-less Power Transfer)的無線鼠標電路,如圖1所示。
無接觸供電電路包括無接觸電能發(fā)射電路和無接觸電能接收電路兩部分。無接觸電能發(fā)射電路采用USB供電,電壓為5 V,通過自激振蕩電路產(chǎn)生約138 kHz的高頻振蕩電流;無接觸電能接收電路采用感應耦合方式獲取電能。鼠標墊內(nèi)置無接觸耦合原邊載流線圈L31,無線鼠標內(nèi)置副邊載流線圈L32。L32采用無接觸感應耦合方式獲取電能,由MC34063集成穩(wěn)壓芯片構(gòu)成BUCK穩(wěn)壓電路,負載電壓為3.3 V。由于采用無接觸供電,因此不需要電池。
無線鼠標用無線模塊nRF24E1構(gòu)成信號發(fā)射和接收電路,該電路除具備有線鼠標全部功能外,還可以離開電腦遠距離靈活操縱鼠標。無線鼠標信號接收電路采用USB與電腦連接,不占用電腦的無線傳輸網(wǎng)絡通道。
無線信號發(fā)射電路和無接觸電能接收電路集中安裝在一個印刷線路板上。無線信號接收電路和無接觸電能發(fā)射電路可以根據(jù)需要安裝在不同的印刷線路板上。其中無線信號接收電路可安裝在電腦附近,無接觸電能發(fā)射電路可根據(jù)安裝位置的不同選擇由電腦供電或是單獨采用5 V電源供電。
1 無接觸供電電路工作原理
圖2為無接觸供電電路原理圖。分裂電感L21、L22和功率開關(guān)管Q1、Q2構(gòu)成自激式推挽式變換器電路,每一個開關(guān)管的控制電壓分別取自另外一個開關(guān)管的兩端電壓[1]。
理想狀態(tài)下,兩個開關(guān)管的參數(shù)相同。初始時刻,開關(guān)管Q1、Q2都在關(guān)斷狀態(tài)。當電路接通時,電源電壓同時作用于開關(guān)管的控制端,使它們同時導通。由于實際電路元件參數(shù)并不完全相同,使得兩個開關(guān)管兩端的電壓不相等。通過正反饋,其中一個開關(guān)管完全關(guān)斷,另一個開關(guān)管導通。隨著諧振電容C3兩端電壓的改變,兩個開關(guān)管在電壓過零時交替導通和斷開,系統(tǒng)自動運行在ZVS模式下。
L31、L32組成無接觸耦合變壓器,其中C3、C4為原、副邊補償電容,原邊電源、原邊變換器和原邊載流線圈L31屬于固定不動部分;副邊感應線圈、副邊變換器和負載為可移動部分。原、副邊之間不存在電氣連接。
D1、D2和C5、C6構(gòu)成倍壓整流電路,經(jīng)L4、C7濾波后由穩(wěn)壓芯片MC34063構(gòu)成BUCK穩(wěn)壓電路。
通過數(shù)學建模及PSpice軟件仿真,得到無接觸電能傳輸設計方案,限于篇幅該部分從略。
2 無線鼠標信號發(fā)射和接收電路工作原理
2.1 無線鼠標信號發(fā)射電路工作原理
無線鼠標信號發(fā)射電路如圖3所示。該電路由無線傳輸模塊nRF24E1、25LC320、ADNS5030及其他外圍電路組成。電源由無接觸電能接收電路提供,為了減少能量消耗,供電電壓定為3.1 V。
無線傳輸模塊nRF24E1同時具有發(fā)射和接收功能,通過軟件設定決定具體用于發(fā)射或是接收[2]。其通信頻率為2.4 GHz,晶振頻率為16 M, P07和P06為兩路按鍵輸入,分別為右鍵RSWITCH、左鍵LSWITCH和中鍵,中鍵與MOSI復用。MOSI為主機輸出,從機數(shù)據(jù)輸入,其中主機為單片機,從機為ADNS5030;SI為串行數(shù)據(jù)輸入;MISO為主機輸入,從機數(shù)據(jù)輸出,復位期間為高電平。
25LC320是一種E2PROM存儲芯片,用于給無線傳輸模塊nRF24E1內(nèi)置的51單片機內(nèi)核提供外接程序存儲器。電路中25LC320采用貼片式封裝,程序采用在線編程方式。
ADNS5030是一種鼠標光電信號檢測芯片,上電后由XY-LED端口發(fā)出閃爍的光信號,通過內(nèi)置的CCD感光芯片檢測鼠標前、后、左、右方向的移動信息。在鼠標移動時電平時序不同,無線傳輸模塊nRF24E1根據(jù)電平時序狀態(tài)判斷轉(zhuǎn)動方向[3]。
在整個電路調(diào)試過程中,鼠標移動和滾輪移動較難實現(xiàn),本文介紹滾輪識別設計算法。
滾輪轉(zhuǎn)動識別電路由發(fā)光二極管D2和光敏三極管Q1、Q2組成。滾輪安裝在發(fā)光二極管D2和光敏三極管Q1、Q2之間,當滾輪上的輻條擋住光線時,光敏三極管Q1、Q2為低電平,否則為高電平。由于光敏三極管Q1、Q2在滾輪轉(zhuǎn)動時電平時序不同,無線傳輸模塊nRF24E1可根據(jù)電平時序狀態(tài)判斷是前向轉(zhuǎn)動還是后向轉(zhuǎn)動。
電路的程序流程圖如圖4所示。
2.2 無線鼠標信號接收電路工作原理
無線鼠標信號接收電路如圖5所示。該電路由無線傳輸模塊nRF24E1、外部存儲芯片25LC320、鼠標專用通信芯片HT82M98A、USB端口及其他外圍電路組成。
由USB端口為HT82M98A提供5 V的電源,無線鼠標信號接收電路中,其他芯片使用的電源由HT82M98A自帶的電壓輸出端口V33O提供,供電電壓為3.3 V。無線傳輸模塊接收到發(fā)射模塊傳來的移動信息后由I/O口傳遞到HT82M98A,HT82M98A再將數(shù)據(jù)傳送到電腦的USB口。HT82M98A的端口USBD+/CLK連接USB數(shù)據(jù)正端;USBD-/DATA連接USB數(shù)據(jù)負端。
X1、X2表示鼠標前后移動時(X方向)圖像的數(shù)據(jù);Y1、Y2表示鼠標左右移動時(Y方向)圖像的數(shù)據(jù)。
Z1、Z2表示鼠標中間滾輪轉(zhuǎn)動的信號數(shù)據(jù);M、R、L表示鼠標的左、中、右鍵按下時的數(shù)據(jù);OSC1、OSC2外接6 MHz晶振;RESET表示復位輸入端,啟動時硬件自動復位。
無線鼠標信號接收電路的程序流程圖如圖6所示。在流程圖中,先判斷鼠標前后左右移動時狀態(tài)機X、Y方向的移動信息,再判斷鼠標中間滾輪轉(zhuǎn)動時狀態(tài)機Z方向的移動信息。
3 實驗結(jié)果與結(jié)論
設計輸入電壓Uin=5 V,Uo=3.1 V的無接觸供電電路,實驗波形如圖7所示。負載為無線鼠標電路,測試負載范圍為60 mW~273 mW。滿輸出負載為91 mA,273 mW,電路效率為52%,工作頻率fs=138 kHz。經(jīng)理論分析,該電路帶負載能力最大可達到350 mW。
無線鼠標用無線模塊nRF24E1構(gòu)成信號發(fā)射和接收電路,可離電腦較遠距離靈活操縱鼠標。無線鼠標信號接收電路采用USB與電腦連接,不占用電腦的無線傳輸網(wǎng)絡通道。通過電腦控制面板內(nèi)的自動安裝驅(qū)動程序功能,可一次完成鼠標驅(qū)動的安裝。實驗證明電路可行。
參考文獻
[1] 孫躍,王智慧,戴欣,等.非接觸電能傳輸系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性研究[J].電工技術(shù)學報,2005,20(11):56-59.
[2] CHAN E, LUI D. High data rate wireless USB optical mouse solution using the MC68HC908QY4 and MC68HC- 908JB12s[M].Motorola,Hong Kong,Report No. DRM055/D. January 2004.
[3] HU A P,HUSSMANN S,Improved power flow control for contact-less moving sensor applications[M]. IEEE Power Electronics Letters,2004. (收稿日期:2011-01-17)