PS/2圖書信息讀取器無線收發(fā)模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李東陽

摘 要：介紹了PS/2接口的圖書信息閱讀器的無線收發(fā)模塊的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了閱讀器終端的無線化。數(shù)據(jù)發(fā)送模塊以51芯片為主控，控制2.4G無線芯片nRF24L01收發(fā)數(shù)據(jù)，并通過PS/2接口與閱讀器或上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。程序部分主要涉及對nRF24L01芯片的控制，及PS/2接口數(shù)據(jù)的解碼和發(fā)送。

關(guān)鍵詞：圖書信息閱讀器；PS/2；nRF24L01芯片；51單片機(jī)，2.4G

1 信息讀取設(shè)備簡介

圖書信息閱讀器可分為一維條碼閱讀器、二維條碼閱讀器和Rfid射頻閱讀器。在圖書館中常見的信息閱讀器是PS/2接口的手持式一維條碼槍，該設(shè)備在日常生活中應(yīng)用十分廣泛，例如圖書管理、超市商品結(jié)算、物流快遞查詢、藥品管理、生產(chǎn)過程控制等。一維條碼憑借輸入速度快、成本低等優(yōu)勢在條碼應(yīng)用領(lǐng)域依然占據(jù)霸主地位。在目前的很多高校圖書館中的圖書借閱系統(tǒng)，依然使用一維條碼來標(biāo)記每本圖書。隨著用條形碼符號表示更多資訊的要求與日俱增，二維條碼憑借自身的“資料儲存量大”、“資訊隨著產(chǎn)品走”、“可以傳真影印”、“錯誤糾正能力高”等優(yōu)勢得到了迅速發(fā)展[1]。只有少數(shù)高校采用先進(jìn)的Rfid技術(shù)。

信息閱讀器有一個功能就是可以設(shè)置信息閱讀完畢后在輸出的數(shù)據(jù)中包含一個回車，這在實(shí)際應(yīng)用中十分重要，一方面為上位機(jī)的軟件提供了人性化的功能，避免工作人員在掃描數(shù)據(jù)后手動敲擊鍵盤的回車，減輕了工作量；另一方面，為本模塊提供了一個判斷數(shù)據(jù)是否傳送完畢的標(biāo)志，當(dāng)收到回車鍵時(shí)表示數(shù)據(jù)已經(jīng)傳送完畢可以無線發(fā)送了。

2 數(shù)據(jù)發(fā)送模塊介紹

數(shù)據(jù)發(fā)送模塊主要的功能就是把有線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)為無線傳輸從而達(dá)到方便用戶使用的目的，為此該模塊設(shè)計(jì)為手持式，并采用電池供電。減小整個發(fā)送模塊的功耗也是需要考慮的重要因素之一。該模塊主要使用兩塊芯片，其中一塊是3V的低功耗高速51芯片，該芯片用作主控芯片負(fù)責(zé)解析PS/2接口數(shù)據(jù)和控制無線芯片，為了節(jié)省51芯片有限的硬件資源，在解析閱讀器傳送過來的PS/2數(shù)據(jù)后只保存通碼到數(shù)組丟棄斷碼。

另一塊是北歐集成電路公司（Nordic）推出的無線收發(fā)芯片nRF24L01。該芯片在待機(jī)情況下的電流為22uA，掉電模式下為900nA，功耗很小很適合設(shè)計(jì)需要，工作在2.4G赫茲ISM免許可證頻段，在室內(nèi)傳輸距離可達(dá)30～40米。該芯片可以在Enhanced ShockBurst模式下發(fā)送數(shù)據(jù)，在這種模式下，MCU低速發(fā)送數(shù)據(jù)到先入先出堆棧，然后以1Mbps高速發(fā)射，減少數(shù)據(jù)在空中滯留時(shí)間，提高了抗干擾性，減小了平均工作電流，從而達(dá)到節(jié)能目的。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，芯片自動加入字頭和CRC校驗(yàn)碼，接收數(shù)據(jù)時(shí)自動去除字頭和校驗(yàn)碼，減輕了編寫程序工作量[2]。

在進(jìn)行硬件連接時(shí)，nRF24L01和51的外圍天線、晶振和復(fù)位等電路限于篇幅不在討論。PS/2接口和51芯片連接時(shí)，PS/2接口的時(shí)鐘線接在主控芯片的P3.3外部中斷1引腳，數(shù)據(jù)線連接P3.4引腳，由于PS/2接口是集電極開路，連接時(shí)需要接上拉電阻。nRF24L01主要通過CE、CSN、SCK、MOSI和MISO這五個引腳和51主控芯片相連，硬件連接十分簡單。

2.1 解碼信息閱讀器通過PS/2接口傳送來的數(shù)據(jù)

如果對PS/2數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，必須對PS/2協(xié)議有所了解，下面對PS/2協(xié)議進(jìn)行簡單介紹。PS/2協(xié)議是一種雙向同步串行協(xié)議，接口只使用數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線兩條線實(shí)現(xiàn)了主機(jī)與從設(shè)備的通訊，其中數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線都是集電極開路。通訊時(shí)總是從設(shè)備產(chǎn)生時(shí)鐘信號，主機(jī)享有通訊控制權(quán)，可以在任何時(shí)候通過拉低時(shí)鐘線來禁止從設(shè)備信號的傳輸。PS/2數(shù)據(jù)以幀為單位傳送，每幀包括11-12位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式如下：第一位為起始位總是零，后面緊跟8個數(shù)據(jù)位，低位在前高位在后，第十位是奇偶校驗(yàn)位，第十一位為停止位，第十二位是應(yīng)答位，僅在主機(jī)到從設(shè)備的通訊中會出現(xiàn)。從設(shè)備在時(shí)鐘位為高電平時(shí)準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)位，主機(jī)在時(shí)鐘的下降沿讀取數(shù)據(jù)[3]。

對PS/2信息閱讀器傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，流程圖如下：

程序部分采用C語言編寫，由于時(shí)鐘線接在主控芯片的P3.3外部中斷1引腳，可在程序里設(shè)置電平下降沿觸發(fā)，即IT1=1[4]，下面給出了在中斷里進(jìn)行解碼的代碼。

void init1（）interrupt 2 using 0

{

EX1=0； //關(guān)閉中斷

if （（Num > 0） && （Num < 9））

{

//鍵盤數(shù)據(jù)是由低到高故右移一位

Key_V = Key_V >> 1；

if （Key_Data） Key_V = Key_V|0x80；

}

Num++；

while （！Key_CLK）；

if （Num > 10）

{

Num = 0；

BF = 1； //表示解碼完成

keybuf=Key_V；

Key_V =0；

}

EX1=1； //開中斷

}

2.2 整個發(fā)送數(shù)據(jù)的流程

A、主控芯片解碼圖書條碼閱讀通過PS/2接口傳過來的數(shù)據(jù)。B、剔除PS/2數(shù)據(jù)中的以F0開頭的斷碼，并存接收到的通碼到數(shù)組中。C、判斷是否是回車的通碼0x5A，如果是就表示PS/2數(shù)據(jù)已經(jīng)傳輸完畢可以無線發(fā)送了。D、把負(fù)責(zé)接收數(shù)的nRF24L01據(jù)芯片的地址和讀取的PS/2數(shù)據(jù)按照時(shí)序?qū)懭雗RF24L01的先入先出堆棧。E、寫CONFIG寄存器，配置數(shù)據(jù)傳輸率、射頻通道和自動應(yīng)答等信息，等待發(fā)射。F、把nRF24L01的CE引腳置為高電平并延時(shí)至少10us，數(shù)據(jù)開始高速發(fā)射。G、發(fā)射完成，nRF24L01進(jìn)入待機(jī)模式。

3 數(shù)據(jù)接收模塊設(shè)計(jì)

接收模塊一般和電腦相連，整個模塊的供電可由電腦的USB接口提供，不需要考慮節(jié)能細(xì)節(jié)。USB口的電壓為5V，無法直接使用，做簡單降壓處理即可。由于無法確定何時(shí)收到數(shù)據(jù)包，因此需要保持nRF24L01芯片為監(jiān)視工作模式。

3.1 接收并發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的流程

A、設(shè)置nRF24L01與發(fā)送模塊相同的發(fā)送地址、數(shù)據(jù)寬度和射頻通道，并開啟自動應(yīng)答。B、把nRF24L01的CE引腳置為高電平并延時(shí)至少10us。C、130us后，nRF24L01 進(jìn)入監(jiān)視模式，開始等待數(shù)據(jù)包的到來。D、接收到數(shù)據(jù)包后自動移除字頭、CRC校驗(yàn)，并把RX_DR置位通知主控讀取數(shù)據(jù)。E、讀取數(shù)據(jù)后清除STATUS寄存器，保存數(shù)據(jù)到數(shù)組。F、判斷回車鍵的通碼是否到來，如果到來表示這一次無線通訊已經(jīng)完成。G、通過PS/2向上位機(jī)傳送保存在數(shù)組中的數(shù)據(jù)。

在數(shù)據(jù)發(fā)送過程中，51模擬從機(jī)向上位機(jī)發(fā)送PS/2數(shù)據(jù)，流程如下：

C語言程序如下：

void PS2SendChar（unsigned char dat）

{

bit ParityBit； unsigned char i；

ACC=dat；

CY=P；

//計(jì)算出奇校驗(yàn)位

ParityBit=CY？0x00：0x80；

CLSSIGNAL（）；

CT_KB=0；

EX0=0； //關(guān)閉中斷

H_DATA=0；Delay10us（）；

H_CLK=1；Delay10us（）；

H_CLK=0；Delay30us（）；

for（i=0；i<8；i++）//發(fā)送8位數(shù)據(jù)

{

if（dat&0x01==0x01）

{H_DATA=1；Delay10us（）；}

else {H_DATA=0；Delay10us（）；}

dat>>=1；

H_CLK=1；Delay10us（）；

H_CLK=0；Delay30us（）；

}

//發(fā)送校驗(yàn)位

H_DATA=ParityBit；Delay10us（）；

H_CLK=1；Delay10us（）；

H_CLK=0；

Delay30us（）；

H_DATA=1；Delay10us（）；

//發(fā)送停止位

H_CLK=1；Delay10us（）；

H_CLK=0；Delay30us（）；

IE0=0；

//發(fā)送完畢，打開接收中斷

EX0=1；

H_CLK=1；

H_DATA=1；

CT_KB=ON；

Delay30us（）；

}

4 結(jié)束語

本文介紹了2.4G無線圖書信息讀取器收發(fā)模塊的研究和實(shí)現(xiàn)過程，其中涉及到51芯片對PS/2數(shù)據(jù)的解析，2.4G無線數(shù)據(jù)的收發(fā)等基礎(chǔ)知識。nRF24L01體積小、功耗低，外圍電路的設(shè)計(jì)簡單，被應(yīng)用廣泛于無線遙控，無線電腦外設(shè)、遙控等領(lǐng)域。此無線收發(fā)模塊體積小便于攜帶，可以廣泛應(yīng)用于圖書館和超市等領(lǐng)域的手持信息掃描終端，有一定的實(shí)用性。

[參考文獻(xiàn)]

[1]二維碼[EB/OL].http：//baike.baidu.com/view/886309.htm？fromId=132241.

[2]NRF24L01數(shù)據(jù)手冊Nordic.

[3]PS/2 Technical Reference Adam Chapweske，2002.

[4]張毅剛.MCS-51單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2004.