🖱️ 蓝牙鼠标

基于 HID over GATT Profile 的无线鼠标，低延迟、低功耗设计。

📐 HID over GATT 架构

📋 HID 服务结构

📊 鼠标输入报告格式

// HID 输入报告格式 (标准鼠标)
// Report ID: 0x01
// 总长度：5 bytes

typedef struct {
    uint8_t  report_id;    // Report ID (0x01)
    uint8_t  buttons;      // 按键状态
    int8_t   x_axis;       // X 轴移动 (-127~127)
    int8_t   y_axis;       // Y 轴移动 (-127~127)
    int8_t   wheel;        // 滚轮 (-127~127)
} mouse_input_report_t;

// 按键位定义
#define MOUSE_BTN_LEFT    0x01
#define MOUSE_BTN_RIGHT   0x02
#define MOUSE_BTN_MIDDLE  0x04
#define MOUSE_BTN_BACK    0x08
#define MOUSE_BTN_FORWARD 0x10

// 示例：左键按下，向右移动 10 像素，向上移动 5 像素
uint8_t mouse_report[] = {
    0x01,  // Report ID
    0x01,  // Buttons: Left clicked
    0x0A,  // X: +10
    0xFB,  // Y: -5 (向上，补码)
    0x00   // Wheel: 无滚动
};

// HID 报告描述符 (Report Descriptor)
const uint8_t report_descriptor[] = {
    0x05, 0x01,        // Usage Page (Desktop)
    0x09, 0x02,        // Usage (Mouse)
    0xA1, 0x01,        // Collection (Application)
    
    0x85, 0x01,        //   Report ID (1)
    0x09, 0x01,        //   Usage (Pointer)
    0xA1, 0x00,        //   Collection (Physical)
    
    0x05, 0x09,        //     Usage Page (Button)
    0x19, 0x01,        //     Usage Minimum (1)
    0x29, 0x05,        //     Usage Maximum (5)
    0x15, 0x00,        //     Logical Minimum (0)
    0x25, 0x01,        //     Logical Maximum (1)
    0x95, 0x05,        //     Report Count (5)
    0x75, 0x01,        //     Report Size (1)
    0x81, 0x02,        //     Input (Data, Var, Abs)
    
    0x95, 0x01,        //     Report Count (1)
    0x75, 0x03,        //     Report Size (3)
    0x81, 0x01,        //     Input (Cnst)
    
    0x05, 0x01,        //     Usage Page (Desktop)
    0x09, 0x30,        //     Usage (X)
    0x09, 0x31,        //     Usage (Y)
    0x15, 0x81,        //     Logical Minimum (-127)
    0x25, 0x7F,        //     Logical Maximum (127)
    0x75, 0x08,        //     Report Size (8)
    0x95, 0x02,        //     Report Count (2)
    0x81, 0x06,        //     Input (Data, Var, Rel)
    
    0x09, 0x38,        //     Usage (Wheel)
    0x81, 0x06,        //     Input (Data, Var, Rel)
    
    0xC0,              //   End Collection
    0xC0               // End Collection
};

📈 完整工作流程

💻 固件代码示例

#include "ble_hids.h"

// HID 服务句柄
BLE_HIDS_DEF(m_hids, 1);

// 鼠标输入报告
static uint8_t m_mouse_report[MOUSE_REPORT_MAX_LEN];

// 初始化 HID 服务
void hids_mouse_init(void) {
    uint32_t err_code;
    
    // HID 服务初始化配置
    ble_hids_init_t hids_init = {0};
    
    // 配置报告映射
    hids_init.rep_map.p_rep_map = (uint8_t *)report_descriptor;
    hids_init.rep_map.rep_map_len = sizeof(report_descriptor);
    
    // 配置输入报告
    ble_hids_inp_rep_t *p_inp_rep = &hids_init.inp_rep[0];
    p_inp_rep->max_len = MOUSE_REPORT_MAX_LEN;
    p_inp_rep->rep_ref.report_id = 1;
    p_inp_rep->rep_ref.report_type = BLE_HIDS_INPUT_REP;
    p_inp_rep->rep_ref.uuid = BLE_UUID_HID_REPORT_TYPE;
    p_inp_rep->evt_handler = input_report_evt_handler;
    p_inp_rep->security_mode.ccm.cps = 1;  // 需要加密
    
    hids_init.inp_rep_count = 1;
    
    // 配置 HID 信息
    hids_init.hid_information.bcd_hid = 0x0111;  // HID 1.11
    hids_init.hid_information.b_country_code = 0;
    hids_init.hid_information.flags = 0x01;      // 远程唤醒
    
    // 初始化服务
    err_code = ble_hids_init(&m_hids, &hids_init);
    APP_ERROR_CHECK(err_code);
}

// 发送鼠标报告
void mouse_send_report(int8_t x, int8_t y, uint8_t buttons) {
    uint32_t err_code;
    
    m_mouse_report[0] = 0x01;  // Report ID
    m_mouse_report[1] = buttons;
    m_mouse_report[2] = x;
    m_mouse_report[3] = y;
    m_mouse_report[4] = 0;     // Wheel
    
    // 发送通知
    err_code = ble_hids_inp_rep_send(&m_hids,
                                      0,  // 输入报告索引
                                      MOUSE_REPORT_MAX_LEN,
                                      m_mouse_report,
                                      m_conn_handle);
    
    if (err_code != NRF_SUCCESS) {
        // 缓冲区满，稍后重试
    }
}

// 按键扫描任务
void mouse_scan_task(void) {
    static uint8_t last_buttons = 0;
    static int16_t last_x = 0, last_y = 0;
    
    // 读取传感器数据
    int16_t delta_x, delta_y;
    optical_sensor_read(&delta_x, &delta_y);
    
    // 读取按键状态
    uint8_t buttons = read_buttons();
    
    // 有变化才发送 (降低功耗)
    if (delta_x != 0 || delta_y != 0 || buttons != last_buttons) {
        // 限制范围 (-127 ~ 127)
        int8_t send_x = CLAMP(delta_x, -127, 127);
        int8_t send_y = CLAMP(delta_y, -127, 127);
        
        mouse_send_report(send_x, send_y, buttons);
        
        last_buttons = buttons;
        last_x = delta_x;
        last_y = delta_y;
        
        // 重置活动定时器
        activity_timer_restart();
    }
}

⚡ 低延迟优化

🔐 配对与加密

// 配对配置
void ble_gap_sec_params_init(void) {
    ble_gap_sec_params_t sec_params = {
        .bond = 1,           // 允许绑定
        .mitm = 0,           // 不需要 MITM 保护
        .lesc = 0,           // 不使用 LE Secure Connections
        .keypress = 0,       // 不支持按键确认
        .io_caps = BLE_GAP_IO_CAPS_NONE,  // 无 IO 能力
        .oob = 0,            // 无 OOB 数据
        .min_key_size = 7,
        .max_key_size = 16,
        .kdist_own.enc = 1,  // 分发加密密钥
        .kdist_own.id = 1,   // 分发身份密钥
        .kdist_peer.enc = 1,
        .kdist_peer.id = 1,
    };
    
    sd_ble_gap_sec_params_reply(m_conn_handle, 
                                 BLE_GAP_SEC_STATUS_SUCCESS, 
                                 &sec_params, 
                                 NULL);
}

🔍 调试要点

🔧 鼠标数据包构建详解

从鼠标移动/点击到蓝牙空中传输，每一层如何添加头部，组合成完整的数据包。

数据包组合流程

逐步构建过程

// ========== 步骤 1: 鼠标输入 ==========
// 光学传感器检测移动，按键扫描检测点击
int8_t delta_x = 10;        // 向右移动 10 像素
int8_t delta_y = -5;        // 向上移动 5 像素
uint8_t buttons = 0x01;     // 左键按下
int8_t wheel = 0;           // 无滚动

// ========== 步骤 2: HID 报告封装 ==========
// 构建鼠标输入报告 (5 bytes)
uint8_t mouse_report[5] = {
    0x01,       // [0] Report ID: 1
    0x01,       // [1] Buttons: Left clicked
    0x0A,       // [2] X: +10
    0xFB,       // [3] Y: -5 (补码 0xFB = -5)
    0x00        // [4] Wheel: 0
};
// HID 报告总长度：5 bytes

// 特征值句柄 (假设)
uint16_t report_handle = 0x002B;  // 输入报告特征值句柄

// ========== 步骤 3: GATT 层封装 ==========
// GATT 不添加额外头部，直接使用 ATT
// 但需要知道特征值句柄和 Report ID

// ========== 步骤 4: ATT 层封装 ==========
// 添加 ATT Header (Opcode + Handle)
uint8_t att_packet[] = {
    0x1B,                   // [0] Opcode: Handle Value Notification
    0x2B, 0x00,             // [1-2] Handle: 0x002B (小端序)
    // GATT 数据 (HID 报告)
    0x01, 0x01, 0x0A, 0xFB, 0x00
};
// ATT 层总长度：8 bytes

// ========== 步骤 5: L2CAP 层封装 ==========
// 添加 L2CAP Header (Length + CID)
uint8_t l2cap_packet[] = {
    0x08, 0x00,             // [0-1] Length: 8 (ATT 包长度)
    0x04, 0x00,             // [2-3] CID: 0x0004 (ATT 信道)
    // ATT Packet (从步骤 4)
    0x1B, 0x2B, 0x00, 0x01, 0x01, 0x0A, 0xFB, 0x00
};
// L2CAP 层总长度：12 bytes

// ========== 步骤 6: HCI ACL 层封装 ==========
// 添加 HCI ACL Header (Handle + Data Length)
uint8_t hci_packet[] = {
    0x01, 0x00,             // [0-1] Handle: 0x0001 (连接句柄)
    0x0C, 0x00,             // [2-3] Data Length: 12 (L2CAP 包长度)
    // L2CAP Packet (从步骤 5)
    0x08, 0x00, 0x04, 0x00, 0x1B, 0x2B, 0x00, 0x01,
    0x01, 0x0A, 0xFB, 0x00
};
// HCI 层总长度：16 bytes

// ========== 步骤 7: Link Layer 封装 ==========
// LL 层添加：LL Header + MIC(加密) + CRC
// LL Data PDU 结构:
// +----------+------------+---------+-----+
// | LL Header| LL Payload | MIC(4B) | CRC |
// | (2B)     | (0-27B)    |         |(3B) |
// +----------+------------+---------+-----+

// LL Header (2 bytes)
uint8_t ll_header[] = {
    0x05,  // [0] LLID=01 (数据), NESN=0, SN=0, MD=0
    0x0C   // [1] Length: 12 bytes (HCI 数据长度)
};

// LL Payload = HCI Packet (16 bytes)
// 16 < 27-2-4-3 = 18，可以一次发送，无需分段

// MIC (4 bytes, 如果启用加密)
uint8_t mic[] = {0xA1, 0xB2, 0xC3, 0xD4};  // 示例

// CRC (3 bytes)
uint8_t crc[] = {0x12, 0x34, 0x56};  // 示例

// ========== 步骤 8: PHY 层封装 ==========
// PHY 添加：前导码 + 访问地址
// PHY Packet 结构:
// +--------+----------+------------+-----+
// | Preamble| Access  |   Payload  | CRC |
// | (1B)   | Address  |  (LL PDU)  |     |
// |        | (4B)     |            |     |
// +--------+----------+------------+-----+

uint8_t preamble = 0x55;              // 前导码 (01010101)
uint32_t access_address = 0x8E89BED6; // 访问地址 (BLE 固定)
// Payload = LL PDU (从步骤 7)
// CRC 已在 LL 层计算

完整数据包结构图

数据包大小计算

优势: 鼠标报告很小 (5 bytes)，可以一次 LL PDU 发送，无需分段，延迟最低。

实际字节流 (十六进制)

# 最终在空中传输的完整字节流 (从内到外):

# 应用数据 (鼠标报告 5 bytes):
01 01 0A FB 00

# + ATT Header (3 bytes):
1B 2B 00 01 01 0A FB 00

# + L2CAP Header (4 bytes):
08 00 04 00 1B 2B 00 01 01 0A FB 00

# + HCI ACL Header (4 bytes):
0C 00 08 00 04 00 1B 2B 00 01 01 0A FB 00

# + LL Header + MIC + CRC:
05 0C 0C 00 08 00 04 00 1B 2B 00 01 01 0A FB 00 A1 B2 C3 D4 12 34 56

# + PHY Preamble + Access Address:
55 8E 89 BE D6 05 0C 0C 00 08 00 04 00 1B 2B 00 01 01 0A FB 00 A1 B2 C3 D4 12 34 56

# 最终空中传输：约 37 bytes (单个包)

鼠标移动示例