基于微機(jī)電系統(tǒng)的無線鼠標(biāo)方案

??????? 1 系統(tǒng)原理與設(shè)計

　　1.1 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)是靠滾輪的傳動帶動X和Y軸上的譯碼輪轉(zhuǎn)動，來感測鼠標(biāo)位移的變化;光電式鼠標(biāo)是用一個自帶光源的光電傳感器。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的方向和位移量。

　　而基于MEMS技術(shù)的無線鼠標(biāo)是用微加速度傳感器實時測量鼠標(biāo)運(yùn)動的加速度，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，從而實現(xiàn)鼠標(biāo)的功能。

　　1.2 硬件設(shè)計

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

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　　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，可以實時地將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LM78M05穩(wěn)壓貼片得到恒定的5V電壓，供各個模塊使用。

　　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。

　　1.3 軟件與算法設(shè)計

　　鼠標(biāo)在人的操縱下移動，微加速度傳感器便會實時地輸出鼠標(biāo)運(yùn)動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，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量大小為

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　　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)動的精確和平滑，則每一次報告的位移改變量包含25次對加速度采樣的數(shù)據(jù)?？梢圆捎媒扑惴▉韺铀俣刃盘栠M(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)按鍵的實時信息，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)的移動等動作。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個字位的數(shù)據(jù)，按鍵按下時，對應(yīng)的位置1，否則，置0;第2和第3個字節(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自動溢出。

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

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　　2 具體設(shè)計方案

　　2.1 鼠標(biāo)原理

　　光學(xué)鼠標(biāo)的核心是一個低分辨率迷你攝像機(jī)， 稱為傳感器。瀏覽LED照亮表面，光從表面反射回來，通過透鏡采集。大多數(shù)鼠標(biāo)制造商采用可視的紅色LED，有些制造商還生產(chǎn)采用紅外線LED的鼠標(biāo)。

　　當(dāng)鼠標(biāo)移動時，傳感器會連續(xù)拍攝物體表面，并利用數(shù)字信號處理來比較各個影像，以決定移動的距離和方向。產(chǎn)生的結(jié)果會傳回計算機(jī)，而屏幕上的光標(biāo)會根據(jù)這些結(jié)果來移動。雖然光學(xué)鼠標(biāo)傳感器幾乎可以在任何一種物體表面上移動，但仍有一些表面是鼠標(biāo)傳感器無法瀏覽的，例如鏡面、玻璃表面、光滑表面、雜志及全像攝影表面。

　　根據(jù)圖1，鼠標(biāo)可劃分為以下幾個功能部分：

　　1)位移檢測單元--X、Y雙軸加速度傳感器;

　　2)按鍵檢測單元;

　　3)單片機(jī)(MCU);

　　4)藍(lán)牙發(fā)射芯片;

　　5)藍(lán)牙收發(fā)芯片--做接收器(RX);

　　6)帶USB接口的單片機(jī)(USB MCU)。

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　　圖1 基于加速度傳感器無線鼠標(biāo)的描述

　　鼠標(biāo)具體的工作原理為：鼠標(biāo)內(nèi)的單片機(jī)實時監(jiān)測加速度傳感器的移動和按鍵狀態(tài)，當(dāng)鼠標(biāo)器的狀態(tài)發(fā)生變化時，單片機(jī)讀出按鍵狀態(tài)并及時得到當(dāng)前X/Y坐標(biāo)移動的位置;接著單片機(jī)就將變化的數(shù)據(jù)按照約定的通信協(xié)議將數(shù)據(jù)打包通過無線收發(fā)技術(shù)發(fā)送到接收端，接收端通過單片機(jī)解碼把符合鼠標(biāo)USB協(xié)議的數(shù)據(jù)包送至PC主機(jī)的USB端口;PC中的鼠標(biāo)驅(qū)動程序接收到端口的數(shù)據(jù)包后將其解碼再傳送給相應(yīng)的應(yīng)用軟件，從而完成鼠標(biāo)器的檢測和控制過程。