基于微加速度傳感器的無(wú)線鼠標(biāo)的設(shè)計(jì)

　　ATmega16L微控制器

　　ATmega16是Atmel公司生產(chǎn)的基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器，本文選用ATmega 16L微控制器，可以滿足系統(tǒng)要求，且存在比較大的擴(kuò)展性。

　　無(wú)線收發(fā)器件

　　本文采用Nordic半導(dǎo)體公司的nRF2401射頻收發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)位移數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。因?yàn)閚RF2401的優(yōu)異性能非常適合無(wú)線鼠標(biāo)的設(shè)計(jì)，并且，其內(nèi)置的多點(diǎn)通信控制可以為系統(tǒng)提供很大的擴(kuò)展空間。nRF2401為2.4 GHz全球開放頻段產(chǎn)品，采用0.18μm工藝設(shè)計(jì)。

　　系統(tǒng)和算法的Matlab模擬

　　AD公司給出了ADXL203微加速度傳感器的Simulink模型(參見AD公司主頁(yè))，本文以此為基礎(chǔ)，構(gòu)建了基于該微加速度傳感器的無(wú)線鼠標(biāo)系統(tǒng)模型，如圖3所示。

圖3　無(wú)線MEMS鼠標(biāo)系統(tǒng)的Simulink模型

　　其中，方框內(nèi)的子系統(tǒng)模型即是封裝好的ADXL203微加速度傳感器模型。模型最后將采樣的加速度值存入文件中，然后，通過(guò)編程來(lái)模擬微控制器中運(yùn)行的不同積分算法，用Matlab來(lái)圖示各個(gè)算法的模擬結(jié)果，對(duì)于系統(tǒng)算法的比較和選擇有很大幫助。

　　上文通過(guò)假設(shè)每一次加速度采樣間隔內(nèi)鼠標(biāo)做勻加速度運(yùn)動(dòng)，提出了一種二次積分的近似算法，便于編程實(shí)現(xiàn)，可以利用鼠標(biāo)系統(tǒng)的Simulink模型，結(jié)合編程模擬該算法，來(lái)考察它的精確性。

　　程序取采樣周期為1ms，發(fā)送周期為25ms，最后，Matlab模擬的結(jié)果如圖4和圖5所示。

　　由圖4和圖5中可以看出：由于該二次近似積分算法作了很大的簡(jiǎn)化，再加上加速度傳感器的噪聲干擾和信號(hào)延遲、A/D轉(zhuǎn)換的誤差等多方面的因素，當(dāng)鼠標(biāo)位移較大時(shí)，存在一些誤差。但當(dāng)鼠標(biāo)位移在12cm以內(nèi)時(shí)，精確度是非常理想的，這足以滿足鼠標(biāo)的一般應(yīng)用，更大的移動(dòng)距離可以通過(guò)改變二次積分的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　光電和滾輪式鼠標(biāo)的分辨力通常用dots per inch (DPI)來(lái)表示，即每英寸(2.54cm)的點(diǎn)數(shù)，它表示鼠標(biāo)在物理表面上每移動(dòng)1英寸(約2.54cm)，光學(xué)傳感器所接收到的坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)。由于光學(xué)引擎中CMOS矩陣的像素密度和透鏡的放大倍數(shù)限制，常見光電鼠標(biāo)的分辨力一般在200～400DPI。對(duì)于MEMS鼠標(biāo)，可以用鼠標(biāo)每移動(dòng)1英寸(2.54 cm)對(duì)加速度采樣的次數(shù)來(lái)表示分辨力的大小。

　　MEMS鼠標(biāo)中微控制器對(duì)加速度的最大采樣速率可以達(dá)到15000次/秒，本文只需采用1000次/秒時(shí)，取鼠標(biāo)1s移動(dòng)的位移為10cm，則鼠標(biāo)的分辨力便達(dá)到了1000×2.54/10=254DPI，已經(jīng)達(dá)到了常見鼠標(biāo)的分辨力，并且，更高的分辨力可以通過(guò)提高加速度的采樣速率來(lái)實(shí)現(xiàn)，理論上，最大值可以達(dá)到15000/1000×254=3810DPI，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般光學(xué)鼠標(biāo)的分辨力。

圖4　X軸的鼠標(biāo)實(shí)際位移與模擬位移對(duì)照?qǐng)D

圖5　Y軸的鼠標(biāo)實(shí)際位移與模擬位移對(duì)照?qǐng)D

　　結(jié)束語(yǔ)

　　本文詳細(xì)討論了基于微加速度傳感器的MEMS無(wú)線鼠標(biāo)的軟件、硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)構(gòu)成，并給出了Matlab環(huán)境下系統(tǒng)的simulink模型和算法，模擬的結(jié)果證明：無(wú)線鼠標(biāo)的設(shè)計(jì)是合理可行的，文中提出的二次積分近似算法是簡(jiǎn)捷有效的；文中討論的二維鼠標(biāo)的設(shè)計(jì)技術(shù)，能為進(jìn)一步研究多維多功能的MEMS輸入設(shè)備打下很好的基礎(chǔ)。本文選擇硬件時(shí)，充分考慮了系統(tǒng)向多維和多功能擴(kuò)展的可能性，可以在此二維鼠標(biāo)的基礎(chǔ)上再添加一些器件，構(gòu)成功能更多更完善的MEMS輸入設(shè)備，例如：可以再添加一個(gè)微加速度傳感器來(lái)感測(cè)Z軸的加速度，從而實(shí)現(xiàn)三維鼠標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)三維立體旋轉(zhuǎn)等的控制；也可以利用nRF2401射頻收發(fā)器內(nèi)置的多點(diǎn)通信控制的特性，再多增加幾個(gè)接收模塊，可以同時(shí)控制多臺(tái)主機(jī)，或多增加幾個(gè)發(fā)射模塊，用幾個(gè)輸入設(shè)備來(lái)控制同一臺(tái)主機(jī)，以適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)合的需要。