簡報筆的故事 (二)

上次我們已經成功用 RF 訊號傳送多個按鍵狀態，接下來就要想辦法把這個狀態餵進電腦，讓它來控制簡報播放。

市面上買得到的簡報遙控器應該都是用 USB 的 HID class 傳送訊號給電腦，而且我很確定我們手上的幾個簡報遙控器都說將自己宣告成 HID keyboard，因為每次當我們把接收器插上 Macbook 的時候，都會跳出這個畫面：

因此我們現在的目標就是做一個裝置，模擬 USB HID 鍵盤，在收到無線模組來的訊號時，送對應的 key code 給電腦。

我曾經用過不少可以做 USB device 的 MCU，也拿它們做過一些如 I2C/SPI bridge 或 JTAG scanner 之類的工具，還曾經開過帶 CDC (communication device class) 的 USB 複合裝置，因此對 USB device 還算有點研究。

我第一個想到的做法就是找一顆 LPC1U4 或 ATmega32U4 之類的，有 USB device 能力的 MCU，在上面跑個 USB HID class 來送 key code。軟體不是問題，這些我以前都寫過，只需要修改一點小東西就好，但我至少得洗塊電路板把 MCU 開起來，上面要有 USB connector (這年頭應該是用 microUSB 了) 跟 3.3V 電源，還要一個 crystal。這些 MCU 都是 QFP 或 QFN 的包裝，加上又有 crystal 跟 USB 走線，大概沒辦法用洞洞板做。

懶還要更懶

雖然畫這種小板子大概花不了我半小時，送淘寶洗電路板也沒多少錢，但我心裡隱隱覺得好像可以用更懶惰的解決方法。

咦 ? 我剛剛是不是提到 ATmega32U4 ?

我想到抽屜裡還有這個小東西:

這片小板子叫 Sparkfun Pro Miro，是 Sparkfun 將 Arduino Leonardo 的電路簡化之後設計出來的模組，它上面的 MCU 剛好是 ATmega32u4。這是我某次在淘寶上買零件時，順手淘回來的小玩具，但一直都沒用過。

我本來想直接在 ATmega32u4 上寫 HID 的程式，但想到它既然可以跑 Arduino，就查一下 Arduino 有沒有可以模擬 HID 鍵盤的功能好了。果然 Arduino 有個 Mouse and Keyboard library，可以讓 ATmega32u4 跟 Cortex-M3 的板子透過 native USB 模擬鍵盤跟滑鼠，而且範例看起來超簡單的：

void setup() {
//start keyboard communication
  Keyboard.begin();
//send a keystroke
  Keyboard.print("Hello!");
//end keyboard communication
  Keyboard.end();
}

看到這範例，本來已經打開的 Keil uVision 就被我關掉了，直接改開 Arduino。

我很快地寫了一個簡單的程式，測試一下 Arduino 模擬鍵盤的能力：

// USB HID keyboard emulation test
// target: Pro Micro 5V/16MHz

#include <Keyboard.h> // Arduino keyboard emulation library

const int LED=17; // on-board RX LED, active low
const int buttonR = 2; // input pin for right button
int previousR = LOW; // keep last state of the button
int i=0xc0;
void setup() {
 pinMode(LED, OUTPUT);
 pinMode(buttonR, INPUT);
 Keyboard.begin(); // start HID keyboard emulation
}

void loop() {
 int stateR = digitalRead(buttonR); // poll button state
 if ((stateR != previousR) && (stateR == HIGH)) { // if button state is changed and is high
 Keyboard.write(65); // send 'A' to host
 digitalWrite(LED, LOW); delay(200); digitalWrite(LED, HIGH); // blink LED once 
 }
 previousR=stateR; // update button state
}

然後用麵包板接了一個 tach switch 到 Pro Micro 的 D2 I/O 腳上 (我把按鈕接成 active high，記得要加 pull down)。

把程式燒進 Pro Micro 後，電腦上果然多出一隻 USB 鍵盤。當我按下 tact switch 時，這個鍵盤就會吐一個 “A” 出來。

鍵碼的奧秘

現在我可以送 “A” 了，但要控制簡報的話，要送什麼鍵呢 ?

送方向鍵是最簡單的，我們常用的簡報軟體如 PowerPoint、Keynote、或是 Google Slides，在簡報播放中都可以用方向鍵切換投影片：右或下方向鍵是下一張，左或上方向鍵是上一張。但我記得如果我在文字編輯軟體中按簡報遙控器時，游標不會跑，因此一般的簡報遙控器應該不是送方向鍵。

我決定求證一下。

這是 AppWorks 目前使用的簡報遙控器中，比較厲害的一支。它除了可以切換投影片外，還有內建小滾珠滑鼠和雷射筆，但它也是 2.4GHz 的，一樣有射程不夠的問題。

我把它的接收器插到 Macbook 上，用一個叫 Key Codes 的小程式看看它到底送什麼鍵出來：

原來這支簡報遙控器，按「上一張」送的是 PageUp，「下一張」送的是 PageDown。除此之外，有個叫 Blank Screen 的鍵會送小寫的 “b” 出來，在 PowerPoint 和 Keynote 中可以切換全黑的畫面，但 Google Slides 沒有這個功能。至於 Start/Stop 鍵則會交替送出 “F5” 和 ESC，但 F5 只對 PowerPoint 有用，Keynote 跟 Google Slides 都不理他。

現在萬事俱備，我可以把 Pro Micro 跟 RF 接收模組接在一起試試了。

初試啼聲

我把 RF 接收模組也插到麵包板上，從 Pro Micro 的 RAW 腳引出 VBUS 的 5V 給 RF module，並把解碼 IC 的其中兩個輸出接到 Pro Micro 的 D2 和 D3 digital I/O 腳。

解碼 IC M7215 的輸出是 push-pull 的，所以我不用另外在 Pro Micro 的 digital I/O 腳上加 pull-up 或 pull-down 電阻。整個電路簡單得不得了，除了模組外沒有其他的零件。

把接收模組跟遙控器對碼後，一如預期，遙控器上的兩個按鍵就變成了 Page Up 跟 Page Down。

幫它找個家

最後一件事，就是我們得幫這個接收器找個家。

光華商場可以買到這種塑膠小機殼，小時候我常用它來做些小東西。雖然外型實在不怎麼樣，但精度和結構都還蠻可靠的。我決定用它來保護接收器的電路板。

我把洞洞板切成可以塞進機殼的大小，並把 Pro Micro 和 RF 接收器模組固定在上面。殼的邊上要打個半型孔，好讓 micro USB cable 穿過去。

另外，為了讓使用者可以知道接收器有沒有在運作，我另外在殼的正面開了一個小洞，裝了一顆帶燈殼的 3mm LED，並把它接到 RF 接收模組的 VT 訊號。VT 訊號是 M7215 解碼器的觸發輸出，用來指示解碼器解到正確的 address code，因此不管按哪一個鍵，VT 訊號都會有輸出。我試了一下，VT 腳可以直接驅動 2mA 左右的 LED，因此只需要加限流電阻就好了，不用另外加 driver。

手上一時找不到適合的限流電阻，就抓了一個 1K 的 VR 當限流電阻，LED 的亮度還可以調呢。

天線的難題

雖然模組化的接收器解決了我們大部分 RF 電路的麻煩，但最後還是得面對天線這個難題。

就像前面說過的，SYN470R 的 ANT 腳並不是理想的 50ohm RF 輸入，而是一個偏離甚遠的電容性負載，因此如果要接 50ohm 的天線，就要另外加 matching network。除了 IC 本身外，模組本身電路板 layout 和針腳所引入的寄生電容電感也是未知的變數。在手頭上沒有網路分析儀可以掃 Smiteh chart 和 S11 參數的狀況下，我幾乎不可能用正規的方法幫它設計天線。

不過還是有一些原則可以遵循的。天線一定要在它的接收中心頻率諧振，就算跟接收電路的阻抗不匹配，它最好還是得諧振，不然它無法捕獲空氣中虛無縹緲的目標訊號。

由於這是一個速度很慢的 OOK 接收機，它需要的天線頻寬非常小，因此我們可以儘可能讓天線在接收的頻率諧振，不用考慮頻寬的問題。

最簡單的天線就是 1/4 波長的鞭型天線 (whip antenna)。對任何頻率的訊號來說，拉一段 1/4 波長的導體，再加上夠好的接地，就是一個不錯的鞭型天線。315MHz 的訊號在空氣中的波長是 95.2 公分，1/4 波長就是 23.8 公分。因此最簡單的方法就是拉一段 23.8 公分的電線接在 RF 模組的 ANT 腳上。當然，這麼做的話，距離理想的 whip antenna 其實蠻遙遠的，一來我們沒有良好的 ground pland 給它參考，二來與發射訊號的極化方向也沒有良好的對應。

另外一個選擇就是螺旋天線，它基本上就是一個空氣芯的電感，在接收的頻率諧振。螺旋天線的設計參數相當多，線長、螺距、直徑甚至線徑都會影響天線的特性。315MHz 是個很常用的頻段，因此網路上可以找到很多實際的天線設計。

這是淘寶跟 eBay 上最常看到的一個 315MHz 螺旋天線，直徑 4.5mm、繞 23 圈，總長26mm。我決定依樣畫葫蘆，照這張圖來繞一個。

SYN470R 的接收感度在 315MHz 有 -106dBm，因此距離夠近的話就算完全不拉天線大概也收得到。在手上沒有網路分析儀的情況下，就只能在發射功率恆定的狀況下，以接收距離來判斷天線的效能，但這其中的變數實在太多了，我暫時還沒有時間可以這樣搞。

最後接收器的成品長這樣：

雖然看起來不起眼，但搭配大功率的遙控發射器，它在大場地的表現遠比 2.4GHz 的簡報遙控器要好得多。

＊＊＊

後記

買到第一批材料後不久，我又買到了另一個比原來那隻霸氣十倍的遙控發射器：

這隻更猛，叫做 「4000 米大功率遙控發射器」。我很好奇它到底只是殼比較大，還是發射功率真的有比較猛 ? 拆開來看看。

它一樣是用 PT2264 編碼，RF 電路一樣用 SAW resonator 定頻，但發射器用了兩顆 2SC33557 (在板子背面)，好像有比較厲害。

量一下耗電好了。這個遙控器是吃 9V 006P 的積層電池，發射時的電流… 哇，差不多 110mA，也就是說發射的時候它吃差不多 1W 的電。如果它的 RF 效率跟另一隻相仿的話，發射功率大概是兩倍。

現在我相信這隻不只是大而已，它可能真的比較厲害。