基于微加速度传感器的无线鼠标的设计

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。


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。

无线收发器件

本文采用Nordic半导体公司的nRF2401射频收发器来实现位移数据的无线传输。因为nRF2401的优异性能非常适合无线鼠标的设计，并且，其内置的多点通信控制可以为系统提供很大的扩展空间。nRF2401为2.4 GHz全球开放频段产品，采用0.18μm工艺设计。

系统和算法的Matlab模拟

AD公司给出了ADXL203微加速度传感器的Simulink模型(参见AD公司主页)，本文以此为基础，构建了基于该微加速度传感器的无线鼠标系统模型，如图3所示。

图3　无线MEMS鼠标系统的Simulink模型

其中，方框内的子系统模型即是封装好的ADXL203微加速度传感器模型。模型最后将采样的加速度值存入文件中，然后，通过编程来模拟微控制器中运行的不同积分算法，用Matlab来图示各个算法的模拟结果，对于系统算法的比较和选择有很大帮助。

上文通过假设每一次加速度采样间隔内鼠标做匀加速度运动，提出了一种二次积分的近似算法，便于编程实现，可以利用鼠标系统的Simulink模型，结合编程模拟该算法，来考察它的精确性。

程序取采样周期为1ms，发送周期为25ms，最后，Matlab模拟的结果如图4和图5所示。

由图4和图5中可以看出：由于该二次近似积分算法作了很大的简化，再加上加速度传感器的噪声干扰和信号延迟、A/D转换的误差等多方面的因素，当鼠标位移较大时，存在一些误差。但当鼠标位移在12cm以内时，精确度是非常理想的，这足以满足鼠标的一般应用，更大的移动距离可以通过改变二次积分的算法来实现。

光电和滚轮式鼠标的分辨力通常用dots per inch (DPI)来表示，即每英寸(2.54cm)的点数，它表示鼠标在物理表面上每移动1英寸(约2.54cm)，光学传感器所接收到的坐标点数。由于光学引擎中CMOS矩阵的像素密度和透镜的放大倍数限制，常见光电鼠标的分辨力一般在200～400DPI。对于MEMS鼠标，可以用鼠标每移动1英寸(2.54 cm)对加速度采样的次数来表示分辨力的大小。

MEMS鼠标中微控制器对加速度的最大采样速率可以达到15000次/秒，本文只需采用1000次/秒时，取鼠标1s移动的位移为10cm，则鼠标的分辨力便达到了1000×2.54/10=254DPI，已经达到了常见鼠标的分辨力，并且，更高的分辨力可以通过提高加速度的采样速率来实现，理论上，最大值可以达到15000/1000×254=3810DPI，远远高于一般光学鼠标的分辨力。


图4　X轴的鼠标实际位移与模拟位移对照图


图5　Y轴的鼠标实际位移与模拟位移对照图

结束语

本文详细讨论了基于微加速度传感器的MEMS无线鼠标的软件、硬件设计和系统构成，并给出了Matlab环境下系统的simulink模型和算法，模拟的结果证明：无线鼠标的设计是合理可行的，文中提出的二次积分近似算法是简捷有效的；文中讨论的二维鼠标的设计技术，能为进一步研究多维多功能的MEMS输入设备打下很好的基础。本文选择硬件时，充分考虑了系统向多维和多功能扩展的可能性，可以在此二维鼠标的基础上再添加一些器件，构成功能更多更完善的MEMS输入设备，例如：可以再添加一个微加速度传感器来感测Z轴的加速度，从而实现三维鼠标，可以实现对三维立体旋转等的控制；也可以利用nRF2401射频收发器内置的多点通信控制的特性，再多增加几个接收模块，可以同时控制多台主机，或多增加几个发射模块，用几个输入设备来控制同一台主机，以适应不同应用场合的需要。