基于MEMS的无线鼠标设计方案

鼠标具体的工作原理为：鼠标内的单片机实时监测加速度传感器的移动和按键状态，当鼠标器的状态发生变化时，单片机读出按键状态并及时得到当前X/Y坐标移动的位置；接着单片机就将变化的数据按照约定的通信协议将数据打包通过无线收发技术发送到接收端，接收端通过单片机解码把符合鼠标USB协议的数据包送至PC主机的USB端口；PC中的鼠标驱动程序接收到端口的数据包后将其解码再传送给相应的应用软件，从而完成鼠标器的检测和控制过程。

2.2 发射端

加速度传感器采集加速度信号，单片机通过软件实现对加速度信号的二重积分而转换为位移信号，经编码处理至蓝牙发射芯片，通过天线将数据发射出去。

2.2.1 加速度传感器电路

采用ADI的低成本、低功耗双轴单片加速度传感器 ,其可测量加速度范围至少在 ±2g 以上 ,可以测量动态加速度（比如振动）和静态加速度（比如重力加速度），其输出的占空比是和加速度的大小成一定的线性关系，并且可以直接被单片机（MCU）采样而不需模数转换（ADC）。工作周期则可以简单地通过RSET来调节 ,范围在0. 5m s到10m s之间。带宽可以通过调节XFLT和管脚上的电容Cx和Cy来确定， 本方案中选用Cx=Cy= 0.10μF, 故F-3db=50Hz，需要注意的是，加速度传感器在平动时会在相应的方向产生与加速度相关的输出，在转动的时候也是如此 ,本方案中我们假设鼠标在水平面使用 ,因此我们只需要一片加速度传感器就可以解决问题 ,加速度的大小可以通过 T1/ T2 = 11% 3A+ 50%这个线性比例关系获得 其中 T1表示工作周期中高电平部分的长度 , T2表示整个工作周期的长度 , T1/ T2就是输出占空比的大小，A 是加速度大小 ,而加速度的方向可以通过其正负性来判定。

2.2.2 占空比输出解码

对于每一个轴，传感器的输出电路把模拟信号转变成占空比调制的数字信号，这样就可以通过MCU 的定时/计数器解码获得加速度信息，其大小可以通过下式计算得到：

由于每个器件存在差异，其 0g输出和灵敏性会因为温度、噪声等原因而不同，为实现高精度测量，0g的偏移量和比例因子必须按照实际测量所得。本方案在TA=25℃，VDD=3V,RSET=125KΩ，中测得：

为了实现高精度测量，考虑到T2易受温度漂移的影响，必须周期性地更新T2的平均值。一种新的改进型脉宽调制（PWM）解码方法是通过占空比调制在X轴和Y轴使用相同的三角形参考波 ,使得每个周期中 T1的中点达到同步 ,这种方法能加快数据传输时间，也称之为高速解码，X轴和Y轴的占空比输出如图2所示。

图2　X轴和Y轴的占空比输出

单片机软件编程实现获取加速度信息的流程图如图3所示。

图3　ADXL202E高速解码技术流程图

2.2.3 软件实现获取位移信号

如何实现高精确度且易于编程的二重积分算法是把加速度信号转换为位移信号的关键所在，用积分电路来实现二重积分的误差较大，因此拟用软件编程来实现二重积分的算法 ,并且先在 matlab环境下用动态系统的simulink模型模拟 FFT、辛普生公式等不同的积分算法 ,来进行算法的比较与选择 ,通过加速度传感器鼠标的 simulink模型对实际位移和软件实现的位移信号进行比较，误差控制在在0.5%以内，满足鼠标设计要求。

2.2.4 无线鼠标按键

鼠标按键采用标准开关，每个开关直接连到ATmega16 的通用输入输出（GPIO）口， GPIO被配置成输入引脚，每个引脚可以单独地选择上拉电阻，单片机检测按键操作，软件进行按键去抖处理和实现噪声抑制功能，然后通过蓝牙芯片发射出按键信息。

2.2.5 蓝牙模块发射芯片

nRF2402是单片2.4 ～2.5GHz射频发射芯片， 发射器包含频率合成器、功放、晶体振荡器和调制器 ,输出功率和信道选择很容易通过3-线接口编程实现， 在输 出功率为-5dBm时电流消耗仅10mA ,内置的ShockBurst技术以及休眠模式用来降低发送数据的电流消耗 ,以延长电池使用寿命 ,并且向pc发送的数据包也应尽可能少（取采样速率为100采样点/秒）。ShockBurst技术使用片内先入先出堆栈（FIFO）低速处理数据（10Kbps）而高速发送数据（1Mbps）。

该设计需要一个16MHz的晶体振荡器和一个外部的EPROM用来固件存储。固件将使用ShockBurst技术从鼠标发送RF数据包。其中固件必须完成下列任务：

装载地址（ADDR）和有效载荷（PAYLOAD）；
计算循环冗余检查（CRC）；
添加信息位（PRE）；
使用ShockBurst技术发送数据包；
数据包发送完成回到休眠模式。

2.3 接收端

2.3.1 蓝牙收发芯片

接收器是将nRF2401收发芯片配置成接收模式（RX），其性能类似发射芯片，但该芯片采用Duo2Ceiver同步双通道接收技术，这样就可以实现鼠标和键盘的无线控制（在此我们仅考虑鼠标的使用）。误差控制其固件必须完成下列任务：