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基于微加速度传感器的无线鼠标的设计

导读: 本文研究基于微加速度传感器的无线鼠标的设计,讨论了MEMS无线鼠标的软件、硬件设计和系统组成,给出了Matlab环境下系统的模型和算法。模拟结果说明:无线鼠标的设计是合理可行的,提出的二次积分近似算法是简捷有效的。

  摘要:研究基于微加速度传感器的无线鼠标的设计,讨论了MEMS无线鼠标的软件、硬件设计和系统组成,给出了Matlab环境下系统的模型和算法。模拟结果说明:无线鼠标的设计是合理可行的,提出的二次积分近似算法是简捷有效的。

 

  引 言

 

  微机械加速度传感器是一种典型的微机电系统(microelectromechanical system,MEMS),在航空、航天、汽车等领域已得到了越来越广泛的应用,但基于MEMS微加速度传感器技术的无线输入设备的研究和应用还不是很多,微加速度传感器用于输入设备的潜在优势还没有得到很好的应用。

  鼠标是最常用的电脑输入设备,随着PDA、笔记本、可穿戴式电脑等便携设备的流行,传统的鼠标已经满足不了移动办公的需要。现有的滚轮式或光电式鼠标都需要一个平坦的工作表面,且自身的体积也比较大。而基于微加速度传感器的无线鼠标则完全没有这个限制,它可以自由自在的在空中移动来控制电脑;可以做得很小,便于携带,可以灵活地应用于各种场合,例如:可以做成供残疾人使用的头戴式鼠标,供讲演者使用的移动式鼠标等。

  国外和港台地区有一些单位正在开展这方面的研究,例如:香港中文大学Lam等人提出了一种基于微加速度传感器的虚拟键盘鼠标系统(MIDS),能同时具备鼠标和键盘的功能;Prince在他的专利中提出了一种输入设备的方案,用连在手指上的压力传感器来感测手指的动作,从而控制电脑输入;英国伯明翰大学Humphreys等人研制了一种三维鼠标,利用回转仪可以控制电脑屏幕上三维立体的旋转。本文采用美国AD公司成熟的微加速度传感器ADXL203,并集成Nordic半导体公司最新的射频收发器nRF2401和Atmel公司的ATmega16L微控制器,开发新一代基于微加速度传感器技术的MEMS无线鼠标,探索微加速度传感器在输入设备上的应用技术,并为进一步研究多维多功能的MEMS无线输入设备打下基础。

 

  系统原理与设计

 

  检测原理

  目前,常见的鼠标有2种,滚轮式和光电式。滚轮式鼠标是靠滚轮的传动带动X和Y轴上的译码轮转动,来感测鼠标位移的变化;光电式鼠标是用一个自带光源的光电传感器,跟随鼠标的移动连续记录它途经表面的“快照”,这些快照(即帧)有一定的频率、尺寸和分辨力,而光电鼠标的核心——DSP通过对比这些快照之间的差异从而识别移动的方向和位移量,并将这些位移的信息加以编码后实时地传给电脑主机。

  而基于MEMS技术的无线鼠标是用微加速度传感器实时测量鼠标运动的加速度,经过两次积分转换为位移信号传输给主机,来控制光标的移动,从而实现鼠标的功能。

  硬件设计

  如图1所示,整个无线鼠标系统分为2个子系统,远端子系统和主机端子系统。

 

  无线鼠标系统结构框图

  图1 无线鼠标系统结构框图

 

  远端子系统由微加速度传感器、微控制器和nRF2401射频收发器组成。微加速度传感器采用美国AD公司生产的ADXL203微传感器,微控制器采用Atmel公司生产的ATmega 16L微控制器,该微控制器附带有8路10位可编程的A/D转换电路,可以实时地将ADXL203加速度传感器输出的加速度模拟信号转换成加速度数字信号。

  ADXL203加速度传感器在加速度为0时输出电压为2.5V,为提高A/D转换的精度,本文利用ATmega 16L内置的差分放大功能,用差分信号将这2.5V电压给滤掉,并将差分后的电压信号放大到与A/D转换的参考电压相匹配。系统供电采用电器中常见的9V电池,连接一个LM78M05稳压贴片得到恒定的5V电压,供各个模块使用。

  主机端子系统由nRF2401射频收发器,串行传输接口芯片和另一个ATmega 16L微控制器组成,其中,RS232串行通信接口芯片采用的是Maxim2IC公司的MAX233芯片,作用是将微控制器输出的5V TTL/CMOS电平转换为EIA/TIA-232-E电平,以便与电脑主机进行串行(RS232)通信。

  软件与算法设计

  鼠标在人的操纵下移动,微加速度传感器便会实时地输出鼠标运动的加速度大小和方向,ADXL203传感器的量程为±1.7gn ,电压灵敏度为1000mV/gn,这个电压信号经过差分放大5.0/1.7倍后,通过微控制器A/D转换功能变成与加速度大小对应的数字信号,加速度经过两次积分,便变成了鼠标移动的位移信号,然后,再经过编码,并通过nRF2401射频收发器将位移信号发射出去。

  当加速度传感器输出电压为a时,经A/D转换得到的数字量大小为

  数字量大小

  式中[ ]表示取整数;a为加速度传感器输出的电压大小,V。ATmega 16L单片机最大采样速率可以达到15000次/秒,本文采用1000次/秒;即每1ms采样一次,每25ms便向电脑报告一次相对的位移改变量,以保证屏幕上鼠标指针运动的精确和平滑,则每一次报告的位移改变量包含25次对加速度采样的数据。可以采用近似算法来对加速度信号进行二次积分,得到位移信号。

  编码的目的是将X和Y方向的位移改变量,连同鼠标按键的实时信息,按照标准的Microsoft鼠标协议要求的格式进行编码,以便最后发送到主机的信息能够被电脑正确识别,从而使电脑能正确处理发送给它的位移信号,来正确控制鼠标光标的移动等动作。表1表示的即是标准的鼠标协议规定的三字节数据包格式,第1个字节记录的是左右按键的信息和鼠标X,Y位移的最高2个字位的数据,按键按下时,对应的位置1,否则,置0;第2和第3个字节分别记录X和Y方向位移的低6位数据。位移值的范围取-127~+127,再大的位移改变量会自动溢出。

 

  表1 Microsoft标准鼠标协议数据包格式

  Microsoft标准鼠标协议数据包格式

 

  系统的基本组件

 

  MEMS微加速度传感器

  本文采用美国AD公司生产的电容式微加速度传感器ADXL203,如图2所示,该加速度传感器是利用各向异性刻蚀、阳极键合等硅整体加工工艺在硅材料上制造出来的,并在同一个基片上集成一些外围电路,对输出的加速度信号进行放大调制等处理后,可以同时在X 轴和Y轴2个方向输出精确的加速度信号。

 

  ADXL203加速度传感器原理图

  图2 ADXL203加速度传感器原理图

 

  ATmega16L微控制器

  ATmega16是Atmel公司生产的基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器,本文选用ATmega 16L微控制器,可以满足系统要求,且存在比较大的扩展性。

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