基于微加速度传感器的无线鼠标的设计

传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnology2006年第25卷第1期基于微加速度传感器的无线鼠标的设计黄得志,陈文元,杨华锋,钱莉,张卫平(上海交通大学微纳科学技术研究院薄膜与微细技术教育部重点实验室微米/纳米加工技术国家级重点实验室,上海200030摘要:研究基于微加速度传感器的无线鼠标的设计,讨论了MEMS无线鼠标的软件、硬件设计和系统组成,给出了Matlab环境下系统的模型和算法。模拟结果说明:无线鼠标的设计是合理可行的,提出的二次积分近似算法是简捷有效的。关键词:微加速度传感器;微机电系统;无线鼠标中图分类号:TP23文献标识码:A文章编号:1000-9787(200601-0050-03DesignofwirelessmousebasedonmicroaccelerometerHUANGDe2zhi,CHENWen2yuan,YANGHua2feng,QIANLi,ZHANGWei2ping(ThinFilms&Micro2fabricationLab,KeyLaboftheMinistryofEducation,NationalKeyLabofNano/MicroFabricationTech,ResInstofMicro/NanoSciandTech,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200030,ChinaAbstract:Designofthewirelessmousebasedonmicroaccelerometerisinvestigated,andthehardwareandsoftwaredesignandsystemconstitutionoftheMEMSwirelessmousearediscussed.ThemodelandarithmeticofthemousesystemunderMatlabenvironmentaregivenaswell.Theresultofsimulationprovesthatthedesignofthewirelessmouseisreasonableandfeasible,andthearithmeticofquadraticapproximateintegralraisediseasyandeffective.Keywords:microaccelerometer;microelectromechanicalsystem(MEMS;wirelessmouse0引言微机械加速度传感器是一种典型的微机电系统(mi2croelectromechanicalsystem,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[1],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收稿日期:2005-04-22的功能[2];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[3];英国伯明翰大学Humphreys等人研制了一种三维鼠标[4],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。1系统原理与设计1.1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05第1期黄得志等:基于微加速度传感器的无线鼠标的设计动的方向和位移量,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。1.2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Fig1Structurediagramofwirelessmousesystem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ATmega16L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ATmega16L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ATmega16L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5VTTL/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。1.3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n,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[a×51.7×2105]=[1024a/1.7],(1式中[]表示取整数;a为加速度传感器输出的电压大小,V。ATmega16L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1Microsoft标准鼠标协议数据包格式Tab1DatapacketofstandardMicrosoftmouseprotocol字节各字位数据所表示的物理意义NoD7D6D5D4D3D2D1D0Ⅰ11LBRBY7Y6X7X6Ⅱ10X5X4X3X2X1X0Ⅲ10Y5Y4Y3Y2Y1Y02系统的基本组件2.1MEMS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2ADXL203加速度传感器原理图Fig2BlockdiagramofADXL203accelerometer2.2ATmega16L微控制器ATmega16是Atmel公司生产的基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器,本文选用ATmega16L微控制器,可以满足系统要求,且存在比较大的扩展性。15传感器与微系统第25卷2.3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2.4GHz全球开放频段产品,采用0.18μm工艺设计。3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Fig3SimulinkmodelofwirelessMEMSmousesystem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,Mat2lab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dotsperinch(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(2.54cm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4X轴的鼠标实际位移与模拟位移对照图Fig4ComparisondiagramofmouserealandsimulateddisplacementsofXaxis图5Y轴的鼠标实际位移与模拟位移对照图Fig5ComparisondiagramofmouserealandsimulateddisplacementsofYaxis(下转第55页25第1期陈新等:一种便携式工程机械振动信号采集系统的设计图3原始信号及频谱图与功率谱Fig3Originalsignalandfrequencyspectrumandpowerspectrum4结束语采用HS801综合虚拟测试仪构建的信号采集分析系统,可以实现振动信号的采集与分析,因其实时采集分析功能强、操作简单、可靠性高、携带方便,极大方便了在恶劣环境下完成对工程机械的振动信号采集,为抗振设计和故障分析打下良好基础,现已实际应用于装载机、挖掘机等工程机械振动信号采集和故障检测工作中。参考文献:[1]孙宁.一种能实现变刚度特性的新型抗振冲机构设计[J].机械设计,2000,12(7:16.[2]秦树人.机械工程测试原理与技术[M].重庆:重庆大学出版社,2002.141-142.[3]李德葆,张元润.振动测量与试验分析分析[M].北京:机械工业出版社,1991.125-126.[4]黄惟公.机械工程测试技术与信号分析[M].重庆:重庆大学出版社,2000.113.作者简介:陈新(1978-,男,江苏宿迁人,硕士研究生,主要从事机电控制与自动化方面的研究。(上接第52页4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