基于微加速度傳感器的無線鼠標(biāo)的設(shè)計(jì)

引　言

　　微機(jī)械加速度傳感器是一種典型的微機(jī)電系統(tǒng)(microelectromechanical system，MEMS)，在航空、航天、汽車等領(lǐng)域已得到了越來越廣泛的應(yīng)用，但基于MEMS微加速度傳感器技術(shù)的無線輸入設(shè)備的研究和應(yīng)用還不是很多，微加速度傳感器用于輸入設(shè)備的潛在優(yōu)勢還沒有得到很好的應(yīng)用。

　　鼠標(biāo)是最常用的電腦輸入設(shè)備，隨著PDA、筆記本、可穿戴式電腦等便攜設(shè)備的流行，傳統(tǒng)的鼠標(biāo)已經(jīng)滿足不了移動(dòng)辦公的需要?，F(xiàn)有的滾輪式或光電式鼠標(biāo)都需要一個(gè)平坦的工作表面，且自身的體積也比較大。而基于微加速度傳感器的無線鼠標(biāo)則完全沒有這個(gè)限制，它可以自由自在的在空中移動(dòng)來控制電腦；可以做得很小，便于攜帶，可以靈活地應(yīng)用于各種場合，例如：可以做成供殘疾人使用的頭戴式鼠標(biāo)，供講演者使用的移動(dòng)式鼠標(biāo)等。

　　國外和港臺(tái)地區(qū)有一些單位正在開展這方面的研究，例如：香港中文大學(xué)Lam等人提出了一種基于微加速度傳感器的虛擬鍵盤鼠標(biāo)系統(tǒng)(MIDS)，能同時(shí)具備鼠標(biāo)和鍵盤的功能；Prince在他的專利中提出了一種輸入設(shè)備的方案，用連在手指上的壓力傳感器來感測手指的動(dòng)作，從而控制電腦輸入；英國伯明翰大學(xué)Humphreys等人研制了一種三維鼠標(biāo)，利用回轉(zhuǎn)儀可以控制電腦屏幕上三維立體的旋轉(zhuǎn)。本文采用美國AD公司成熟的微加速度傳感器ADXL203，并集成Nordic半導(dǎo)體公司最新的射頻收發(fā)器nRF2401和Atmel公司的ATmega16L微控制器，開發(fā)新一代基于微加速度傳感器技術(shù)的MEMS無線鼠標(biāo)，探索微加速度傳感器在輸入設(shè)備上的應(yīng)用技術(shù)，并為進(jìn)一步研究多維多功能的MEMS無線輸入設(shè)備打下基礎(chǔ)。

　　系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)

　　檢測原理

　　目前，常見的鼠標(biāo)有2種，滾輪式和光電式。滾輪式鼠標(biāo)是靠滾輪的傳動(dòng)帶動(dòng)X和Y軸上的譯碼輪轉(zhuǎn)動(dòng)，來感測鼠標(biāo)位移的變化；光電式鼠標(biāo)是用一個(gè)自帶光源的光電傳感器，跟隨鼠標(biāo)的移動(dòng)連續(xù)記錄它途經(jīng)表面的“快照”，這些快照(即幀)有一定的頻率、尺寸和分辨力，而光電鼠標(biāo)的核心——DSP通過對比這些快照之間的差異從而識別移動(dòng)的方向和位移量，并將這些位移的信息加以編碼后實(shí)時(shí)地傳給電腦主機(jī)。

　　而基于MEMS技術(shù)的無線鼠標(biāo)是用微加速度傳感器實(shí)時(shí)測量鼠標(biāo)運(yùn)動(dòng)的加速度，經(jīng)過兩次積分轉(zhuǎn)換為位移信號傳輸給主機(jī)，來控制光標(biāo)的移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)的功能。

　　硬件設(shè)計(jì)

　　如圖1所示，整個(gè)無線鼠標(biāo)系統(tǒng)分為2個(gè)子系統(tǒng)，遠(yuǎn)端子系統(tǒng)和主機(jī)端子系統(tǒng)。

圖1 無線鼠標(biāo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　遠(yuǎn)端子系統(tǒng)由微加速度傳感器、微控制器和nRF2401射頻收發(fā)器組成。微加速度傳感器采用美國AD公司生產(chǎn)的ADXL203微傳感器，微控制器采用Atmel公司生產(chǎn)的ATmega 16L微控制器，該微控制器附帶有8路10位可編程的A/D轉(zhuǎn)換電路，可以實(shí)時(shí)地將ADXL203加速度傳感器輸出的加速度模擬信號轉(zhuǎn)換成加速度數(shù)字信號。

　　ADXL203加速度傳感器在加速度為0時(shí)輸出電壓為2.5V，為提高A/D轉(zhuǎn)換的精度，本文利用ATmega 16L內(nèi)置的差分放大功能，用差分信號將這2.5V電壓給濾掉，并將差分后的電壓信號放大到與A/D轉(zhuǎn)換的參考電壓相匹配。系統(tǒng)供電采用電器中常見的9V電池，連接一個(gè)LM78M05穩(wěn)壓貼片得到恒定的5V電壓，供各個(gè)模塊使用。

　　主機(jī)端子系統(tǒng)由nRF2401射頻收發(fā)器，串行傳輸接口芯片和另一個(gè)ATmega 16L微控制器組成，其中，RS232串行通信接口芯片采用的是Maxim2IC公司的MAX233芯片，作用是將微控制器輸出的5V TTL/CMOS電平轉(zhuǎn)換為EIA/TIA-232-E電平，以便與電腦主機(jī)進(jìn)行串行(RS232)通信。

　　軟件與算法設(shè)計(jì)

　　鼠標(biāo)在人的操縱下移動(dòng)，微加速度傳感器便會(huì)實(shí)時(shí)地輸出鼠標(biāo)運(yùn)動(dòng)的加速度大小和方向，ADXL203傳感器的量程為±1.7gn ，電壓靈敏度為1000mV/gn，這個(gè)電壓信號經(jīng)過差分放大5.0/1.7倍后，通過微控制器A/D轉(zhuǎn)換功能變成與加速度大小對應(yīng)的數(shù)字信號，加速度經(jīng)過兩次積分，便變成了鼠標(biāo)移動(dòng)的位移信號，然后，再經(jīng)過編碼，并通過nRF2401射頻收發(fā)器將位移信號發(fā)射出去。

　　當(dāng)加速度傳感器輸出電壓為a時(shí)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量大小為

　　式中[ ]表示取整數(shù)；a為加速度傳感器輸出的電壓大小，V。ATmega 16L單片機(jī)最大采樣速率可以達(dá)到15000次/秒，本文采用1000次/秒；即每1ms采樣一次，每25ms便向電腦報(bào)告一次相對的位移改變量，以保證屏幕上鼠標(biāo)指針運(yùn)動(dòng)的精確和平滑，則每一次報(bào)告的位移改變量包含25次對加速度采樣的數(shù)據(jù)。可以采用近似算法來對加速度信號進(jìn)行二次積分，得到位移信號。

　　編碼的目的是將X和Y方向的位移改變量，連同鼠標(biāo)按鍵的實(shí)時(shí)信息，按照標(biāo)準(zhǔn)的Microsoft鼠標(biāo)協(xié)議要求的格式進(jìn)行編碼，以便最后發(fā)送到主機(jī)的信息能夠被電腦正確識別，從而使電腦能正確處理發(fā)送給它的位移信號，來正確控制鼠標(biāo)光標(biāo)的移動(dòng)等動(dòng)作。表1表示的即是標(biāo)準(zhǔn)的鼠標(biāo)協(xié)議規(guī)定的三字節(jié)數(shù)據(jù)包格式，第1個(gè)字節(jié)記錄的是左右按鍵的信息和鼠標(biāo)X，Y位移的最高2個(gè)字位的數(shù)據(jù)，按鍵按下時(shí)，對應(yīng)的位置1，否則，置0；第2和第3個(gè)字節(jié)分別記錄X和Y方向位移的低6位數(shù)據(jù)。位移值的范圍取-127～+127，再大的位移改變量會(huì)自動(dòng)溢出。

表1　Microsoft標(biāo)準(zhǔn)鼠標(biāo)協(xié)議數(shù)據(jù)包格式

　　系統(tǒng)的基本組件

　　MEMS微加速度傳感器

　　本文采用美國AD公司生產(chǎn)的電容式微加速度傳感器ADXL203，如圖2所示，該加速度傳感器是利用各向異性刻蝕、陽極鍵合等硅整體加工工藝在硅材料上制造出來的，并在同一個(gè)基片上集成一些外圍電路，對輸出的加速度信號進(jìn)行放大調(diào)制等處理后，可以同時(shí)在X 軸和Y軸2個(gè)方向輸出精確的加速度信號。

圖2　ADXL203加速度傳感器原理圖