基于微加速度传感器的无线鼠标的设计

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。


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



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