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@ -0,0 +1,554 @@
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# 基于stm32制作的PAW3395鼠标开源介绍
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## 一、项目简介
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B站演示视频：
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github开源地址：
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本项目是一款基于stm32f103c8t6单片机制作的有线鼠标，使用的光电传感器为原相paw3395，使用HID协议与电脑通讯，尼龙外壳使用立创三维猴3D打印。
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项目实现功能有：
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- 正常鼠标功能：光标移动、左右键、中键、滚轮、DPI切换，DPI切换时LED闪烁3次
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- 拓展功能：两个自定义按键（已预留接口），本例程未添加
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<img src="https://picture-note-1328988318.cos.ap-nanjing.myqcloud.com/Typora/202409052004277.png" alt="image-20240905200432905" style="zoom:50%;" />
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<img src="https://picture-note-1328988318.cos.ap-nanjing.myqcloud.com/Typora/202409052005416.png" alt="image-20240905200511964" style="zoom:50%;" />
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## 二、制作动机
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本人前段时间做数字图像处理时接触过一款adns3080光流传感器，能够近距离拍照生成黑白像素图像。深入了解后发现和鼠标使用的传感器原理一样，索性就想制作一款鼠标。本着要做就做最好的原则，选择了当时最流行的鼠标传感器paw3395。主控则选择手头最多的stm32f103c8t6。
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## 三、软件具体实现
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### 1. 总体架构
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使用一种类RTOS操作系统的架构，其实也是传统前后台架构的一种，实现任务的时间片轮询，不加delay占用cpu资源
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```c
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#define TASKNUM_MAX 4
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typedef struct{
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void (*pTask)(void); //任务函数
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uint16_t TaskPeriod; //多少毫秒调用一次任务函数
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}TaskStruct;
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/***************自定义一个定时器中断，我以定时器3为例，每次进入给每个任务减一个时钟节拍，中断进入时间可自定义，本例1ms******************/
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void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *hitm)
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{
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for(i = 0; i < TASKNUM_MAX; i++){
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if(TaskTimer[i])
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TaskTimer[i]--;
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}
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}
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/******************************任务调度机制*********************************/
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void Task_Init(void)
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{
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uint8_t NTask;
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for(NTask = 0; NTask < sizeof(Task)/sizeof(Task[0]); NTask++){
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TaskTimer[NTask] = Task[NTask].TaskPeriod;
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}
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}
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void Task_Run(void)
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{
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uint8_t NTask;
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for(NTask = 0; NTask < sizeof(Task)/sizeof(Task[0]); NTask++){
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if(TaskTimer[NTask] == 0)
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{
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TaskTimer[NTask] = Task[NTask].TaskPeriod;
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(Task[NTask].pTask)();
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}
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}
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}
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/******************************具体任务函数声明*********************************/
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void Key_Task(void); //按键任务
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void Mouse_XY_Updata(void); //HID协议发送电脑任务
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void Mouse_wheel_Updata(void); //鼠标滚轮更新任务
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void LED_Task(void); //LED任务
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/******************************全局变量声明*********************************/
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uint16_t TaskTimer[TASKNUM_MAX];
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TaskStruct Task[] = { // 添加任务函数
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{Key_Task, 20},
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{Mouse_XY_Updata, 1},
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{Mouse_wheel_Updata, 5},
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{LED_Task, 100}
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};
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/******************************主函数中调用*********************************/
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int main()
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{
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Task_Init();
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while(1)
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{
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Task_Run();
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}
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}
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```
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网上有很多类似实现方法，也有原理的讲解，如：
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[时间片轮询的任务调度方法（一）](https://blog.csdn.net/mirco_mcu/article/details/114157274)
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### 2. 驱动PAW3395
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PAW3395使用spi协议驱动，按照数据手册编写驱动程序（中文手册以放在开源文件夹中）
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### 3. HID协议
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使用STM32CbueMX自动生成初始HID协议：
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勾选使用USB
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选择Device Class(HID)后其他选项全部默认
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由于STM32CubeMX配置HID协议时，只能配默认值，以下为在KEIL中需更改的自定义代码
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```c
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/*
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*更改HID_FS_BINTERVAL轮询时间，每1ms更新一次
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*/
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//更改usbd_config.h文件：
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//原：
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#define HID_FS_BINTERVAL 0xA //10ms
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//改为：
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#define HID_FS_BINTERVAL 0x01 //1ms
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/*
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*更改usbd_hid鼠标报文，使鼠标可以发送最大6字节数据，保证x,y轴移动数据不丢包
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*
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|
*全部复制粘贴
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*/
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更改usbd_hid.h文件：
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#define HID_EPIN_ADDR 0x81U
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#define HID_EPIN_SIZE 0x06U //最大数据为6Byte
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#define USB_HID_CONFIG_DESC_SIZ 34U
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#define USB_HID_DESC_SIZ 9U
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#define HID_MOUSE_REPORT_DESC_SIZE 69U
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#define HID_DESCRIPTOR_TYPE 0x21U
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#define HID_REPORT_DESC 0x22U
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#ifndef HID_HS_BINTERVAL
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#define HID_HS_BINTERVAL 0x04U
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#endif /* HID_HS_BINTERVAL */
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#ifndef HID_FS_BINTERVAL
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#define HID_FS_BINTERVAL 0x01U
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#endif /* HID_FS_BINTERVAL */
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#define HID_REQ_SET_PROTOCOL 0x0BU
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#define HID_REQ_GET_PROTOCOL 0x03U
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#define HID_REQ_SET_IDLE 0x0AU
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#define HID_REQ_GET_IDLE 0x02U
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#define HID_REQ_SET_REPORT 0x09U
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#define HID_REQ_GET_REPORT 0x01U
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// 更改usbd_hid.c文件：
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__ALIGN_BEGIN static uint8_t HID_MOUSE_ReportDesc[HID_MOUSE_REPORT_DESC_SIZE] __ALIGN_END =
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{
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0x05, 0x01,
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|
0x09, 0x02,
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0xA1, 0x01,
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||||||
|
0x05, 0x09,
|
||||||
|
0x19, 0x01,
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||||||
|
0x29, 0x05,
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||||||
|
0x15, 0x00,
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||||||
|
0x25, 0x01,
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||||||
|
0x95, 0x05,
|
||||||
|
0x75, 0x01,
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||||||
|
0x81, 0x02,
|
||||||
|
0x95, 0x01,
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||||||
|
0x75, 0x03,
|
||||||
|
0x81, 0x03,
|
||||||
|
|
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|
0x05, 0x01,
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||||||
|
0x09, 0x30,
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|
0x09, 0x31,
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||||||
|
0x16, 0x00, 0x80,
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|
0x26, 0xFF, 0x7F,
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|
0x36, 0x00, 0x80,
|
||||||
|
0x46, 0xFF, 0x7F,
|
||||||
|
0x75, 0x10,
|
||||||
|
0x95, 0x02,
|
||||||
|
0x81, 0x06,
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||||||
|
|
||||||
|
0x09, 0x38,
|
||||||
|
0x15, 0x81,
|
||||||
|
0x25, 0x7F,
|
||||||
|
0x35, 0x81,
|
||||||
|
0x45, 0x7F,
|
||||||
|
0x75, 0x08,
|
||||||
|
0x95, 0x01,
|
||||||
|
0x81, 0x06,
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||||||
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0xC0
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};
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```
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具体为什么这样做就不在赘述了，想继续了解的可以百度“HID协议”
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### 4. 鼠标信息结构体及报文发送
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鼠标结构体
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```c
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struct mouseHID_t
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{
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/*鼠标按键：
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* bit0: 左键
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|
* bit1: 右键
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|
* bit2: 中键
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* bit3: 自定义
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|
* ...
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|
* bit7: 自定义
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|
*/
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uint8_t button_left:1; //左键
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|
uint8_t button_right:1; //右键
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|
uint8_t button_middel:1; //中建
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int16_t x; //x轴相对位移
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|
int16_t y; //y轴相对位移
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int8_t wheel; //滚轮位移大小
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|
};
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```
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*注：声明顺序不能变，HID协议中已经规定好了*
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自定义HID报文发送函数
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```c
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//更新鼠标报文
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void myMouse_update(struct mouseHID_t* mouseHID)
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{
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mouseHID->button_left = Left_Key_Value;
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|
mouseHID->button_right = Right_Key_Value;
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|
mouseHID->button_middel = Middel_Key_Value;
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|
mouseHID->x = X_Speed;
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|
mouseHID->y = Y_Speed;
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|
mouseHID->wheel = wheel_num;
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|
// stm32 hal库的HID发送函数
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|
USBD_HID_SendReport(&hUsbDeviceFS,(uint8_t*)mouseHID,sizeof(struct mouseHID_t));
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|
wheel_num = 0x80;// 滚轮数据清零
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|
}
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|
```
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|
最后，声明一个HID报文发送任务，每1ms更新一次位移数据并向电脑发送报文
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```c
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//更新移动数据，并向电脑发送报文
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void Mouse_XY_Updata(void)
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{
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Motion_Burst(motion_burst_data); //读取PAW3395传回来的X和Y速度
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|
X_Speed = (int16_t)(motion_burst_data[2] + (motion_burst_data[3] << 8));
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||||||
|
Y_Speed = (int16_t)(motion_burst_data[4] + (motion_burst_data[5] << 8));
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||||||
|
|
||||||
|
myMouse_update(&mouseHID);
|
||||||
|
}
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||||||
|
```
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### 5. 滚轮数据更新
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在CubeMX中使用TIM2的编码器模式，默认配置
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在HID协议中，滚轮数据为0x80时代表滚轮未移动，0xff为向上移动一个单位，0x01为向下移动一个单位；而其他数值为向上或向下移动好几个单位，移动距离太大，我们把握不住。
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所以我的解决方法是只要判断滚轮移动就以一个单位处理，及0xff或0x01；其他情况为滚轮未移动，及0x80。但如果滚了一次后编码器就会长时间保持一个值造成重复判断，一直向上/下滚，这就引出来一个新问题：什么时候将编码器的值清零？
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|
很简单，判断完就清零，将判断出来的数值暂存在 wheel_num 中，通过上面刚自定义的报文发送函数 myMouse_update() 每1ms发送给电脑。当然这个编码器判断函数可以就放在 Mouse_XY_Updata() 中，但这样1ms做的事情就太多了，既要spi读鼠标位移值，又要发送HID报文给电脑，还要判断滚轮数据，容易时序紊乱。所以最终我测试出每5ms判断一次还是可以的，最终代码如下：
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```c
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//更新滚轮数据
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|
void Mouse_wheel_Updata(void)
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|
{
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|
if((int16_t)__HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim2) > 0)// 返回16位数据，如果需要负值要强制数据类型转换
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|
wheel_num = 0xFF;
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||||||
|
else if((int16_t)__HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim2) < 0)
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||||||
|
wheel_num = 0x01;
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||||||
|
else
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||||||
|
wheel_num = 0x80;
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||||||
|
|
||||||
|
//清除编码器计数
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||||||
|
TIM2->CNT=0; // x表示第几个定时器，例如TIM8->CNT=0;
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||||||
|
}
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||||||
|
```
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||||||
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||||||
|
### 6. 按键任务
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|
按键对应引脚
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| 名称 | 引脚 | 解释 |
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| ---------- | ---- | ------------------------------------------------------------ |
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| DPI_Key | PB12 | 理论最大DPI为26000，我设置最大为3000，初始为500，每次按下+500，大于3000时，DPI值变回500 |
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| Middel_Key | PB14 | 鼠标中键，按下上下移动可快速滚动页面 |
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||||||
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| Right_Key | PB15 | 鼠标右键 |
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| Left_Key | PB13 | 鼠标左键 |
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|
所有按键皆设置为上拉输入模式，低电平按下，减少元件，提高板子空间利用率
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|
目前仅实现鼠标基本按键功能，侧键可自己添加，预留PH2.0接口，对应引脚 PB10、PB11
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||||||
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|
按键功能的实现不用纠结于长按短按双击这些问题，我们只需要告诉电脑什么时候时按下状态，什么时候是弹起状态即可，长按短按双击由电脑中的鼠标驱动程序判断即可，不需要我们操心
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|
人如果连续按下按键，每次间隔的时间大约为20ms，因此按键任务我们设置为每20ms执行一次
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||||||
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|
||||||
|
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|
```c
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|
uint8_t Key_Read(void)
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||||||
|
{
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||||||
|
uint8_t Key_Value = 0;
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||||||
|
|
||||||
|
if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, Left_Key_Pin) == 0)
|
||||||
|
Key_Value = Left_Key;
|
||||||
|
else if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, Right_Key_Pin) == 0)
|
||||||
|
Key_Value = Right_Key;
|
||||||
|
else if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, Middel_Key_Pin) == 0)
|
||||||
|
Key_Value = Middel_Key;
|
||||||
|
else if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, DPI_Key_Pin) == 0)
|
||||||
|
Key_Value = DPI_Key;
|
||||||
|
|
||||||
|
return Key_Value;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
//按键任务
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||||||
|
void Key_Task(void)
|
||||||
|
{
|
||||||
|
// 使用位操作将按键的上升沿和下降沿抽离出来，并对应到具体的键值
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||||||
|
Key_Value = Key_Read();
|
||||||
|
Key_Down = Key_Value&(Key_Old^Key_Value);
|
||||||
|
Key_UP = ~Key_Value&(Key_Old^Key_Value);
|
||||||
|
Key_Old = Key_Value;
|
||||||
|
|
||||||
|
//按键下降沿（按下瞬间）
|
||||||
|
switch(Key_Down)
|
||||||
|
{
|
||||||
|
case Left_Key:
|
||||||
|
Left_Key_Value = 1;
|
||||||
|
break;
|
||||||
|
|
||||||
|
case Right_Key:
|
||||||
|
Right_Key_Value = 1;
|
||||||
|
break;
|
||||||
|
|
||||||
|
case Middel_Key:
|
||||||
|
Middel_Key_Value = 1;
|
||||||
|
break;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
//按键上升沿（弹起瞬间）
|
||||||
|
switch(Key_UP)
|
||||||
|
{
|
||||||
|
case Left_Key:
|
||||||
|
Left_Key_Value = 0;
|
||||||
|
break;
|
||||||
|
|
||||||
|
case Right_Key:
|
||||||
|
Right_Key_Value = 0;
|
||||||
|
break;
|
||||||
|
|
||||||
|
case Middel_Key:
|
||||||
|
Middel_Key_Value = 0;
|
||||||
|
break;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
//DPI按键按下
|
||||||
|
if(Key_Down == DPI_Key)
|
||||||
|
{
|
||||||
|
DPI += 500;
|
||||||
|
if(DPI > 3000)
|
||||||
|
{
|
||||||
|
DPI = 500;
|
||||||
|
}
|
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DPI_Config(DPI);
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led_flag = 1;
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Key_cnt++;
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}
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}
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```
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### 7. LED任务
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DPI改变时LED间隔500ms闪烁3次，但如果在闪烁期间DPI按键再次按下应该怎么办呢，我的做法是待本次3下的闪烁完成后再进行3次闪烁，若按下两次，则待本次3下的闪烁完成后再进行6次闪烁，以此类推
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LED任务的时间需求不是很大，所以我将轮询时间设为100ms。上述功能的实现方法有好多种，我的不一定是最好的，仅供参考
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```c
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/******************************定时器3中断回调函数*********************************/
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void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *hitm)
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{
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uint8_t i;
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// 系统总运行时间，可连续计时49.7天
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SYS_tick_ms++;
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for(i = 0; i < TASKNUM_MAX; i++){
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if(TaskTimer[i])
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TaskTimer[i]--;
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}
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}
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//按键任务
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void Key_Task(void)
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{
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...
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...
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...
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//DPI按键按下
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if(Key_Down == DPI_Key)
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{
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DPI += 500;
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if(DPI > 3000)
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{
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DPI = 500;
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}
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DPI_Config(DPI);
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led_flag = 1;
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Key_cnt++;
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}
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}
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//LED任务，DPI改变时LED闪烁3次
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//若闪烁期间DPI按键再次按下，则本次3次的闪烁完成后再进行3次闪烁，以此类推
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void LED_Task(void)
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{
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static uint32_t LED_tick_ms;
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static uint8_t blink_cnt;
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if(led_flag == 1)
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{
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if(SYS_tick_ms - LED_tick_ms >= 500)
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{
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LED_tick_ms = SYS_tick_ms;
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HAL_GPIO_TogglePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin);
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blink_cnt++;
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if(blink_cnt == 6)
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{
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Key_cnt--;
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blink_cnt = 0;
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HAL_GPIO_WritePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin, GPIO_PIN_SET);
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}
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if(Key_cnt == 0)
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{
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led_flag = 0;
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}
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}
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}
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}
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## 四、硬件实现
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硬件比较简单，本质就是stm32最小系统板 + PAW3395驱动电路 + 按键和滚轮电路，还有就是PCB和3D外壳的适配，文件工程里都有。具体BOM表及PCB、3D外壳详细信息请移步立创开源广场：
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这里先放出原理图及PCB图片以供参考：
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## 五、开发过程中遇到的问题及解决方法
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### 问题1：PAW3395驱动失败
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找到PAW3395数据手册后，先尝试自己驱动，由于是英文而且篇幅很长，一直没有什么进展。后来在github找到一位大佬的开源驱动，并找到中文翻译的数据手册，成功驱动
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大佬github主页：[Ghost-Girls (Jao) (github.com)](https://github.com/Ghost-Girls/)
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### 问题2：HID报文格式
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由于STM32CubeMX只能生成基本信息，详细配置需要自己修改。作为第一次使用HID协议的纯小白，我只得上网了解，最后也是勉强改出来了，usb协议这东西有多有杂，我真的不是很擅长...
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这里推荐一个讲的比较清楚的博客：[USB鼠标HID报告描述符数据格式分析 - USB中文网 (usbzh.com)](https://www.usbzh.com/article/detail-327.html)
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## 六、总结
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鼠标看着容易，其实实现起来也挺复杂的，当然目前的效果仍存在一些缺陷：
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1. PCB上晶振和芯片之间GND过孔和3.3V打得太近了，导致那里有一点干扰就容易短路，这也是最开头的图中将晶振和芯片之间用热熔胶打上的原因，就是为了防止信号干扰
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<img src="https://picture-note-1328988318.cos.ap-nanjing.myqcloud.com/Typora/202409061554906.png" alt="image-20240906155423745" style="zoom:50%;" />
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2. HID协议研究的模棱两可，有些参数不是很理解，仅是把功能实现了
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3. 总体架构不是很合理，1ms的时间既要spi读取鼠标位移数据又要发送报文，容易造成运行时间超出预设触发时间，实时性不够好
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4. 3D打印外壳用的B站up主**[一浅垅一](https://space.bilibili.com/28885190)**的开源文件，但我PCB测量的尺寸对应的不是很好，各个键位能对应的上，就是有点丑...
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总之，虽然缺点有不少，但好歹是能用的，我自己使用了两个星期，并用它打了2024年的电赛，除了手感有点拉跨，其他各功能都没什么问题，稳定性也不错，中途没有突然死机罢工
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之后有空的话，我将对它进行一些优化：
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1. 首先，外壳我准备换成厂家生产的现成鼠标外壳，虽然3D打印外壳一开始用会很新奇，但用久了手感还是不太好
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2. 传感器准备换一种，虽然paw3395性能很强，但价格有点贵，一个要50人民币
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3. HID协议准备换成南京沁恒的HID转串口芯片CH9328，这样就不用研究复杂的HID了，只需串口发送对应的命令即可实现HID的效果
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4. 准备将裸机换成RT-Thread，以提高系统的稳定性及实时性
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