林永福，孫清泉，王志江，李尚富，饒連周，陳錦濤

(三明學院物理與機電工程學院,福建三明365004)

基于加速度傳感器的無線三維鼠標的設(shè)計

林永福，孫清泉，王志江，李尚富，饒連周，陳錦濤

(三明學院物理與機電工程學院,福建三明365004)

研究了一種基于加速度傳感器的無線三維鼠標。該無線三維鼠標由發(fā)送模塊和接受模塊組成，其中發(fā)射模塊（鼠標端）采用單片機STC12C5A60S2采集并處理加速度傳感器得到的數(shù)據(jù)，nRF24L01無線收發(fā)模塊負責無線數(shù)據(jù)傳輸。接收模塊通過PDIUSBD12芯片與PC機進行數(shù)據(jù)傳輸。該無線三維鼠標擺脫了受參考平面限制，具有一定的實用性和推廣價值。

加速度傳感器；無線鼠標；PDIUSBD12;MMA7455L

鼠標已成為人們最常使用的電腦外設(shè)之一。傳統(tǒng)的鼠標感知位移的變化都是依賴于平面的，大致可以分為光電式鼠標和機械式鼠標兩種。為了滿足用戶需求和適應不同的使用場合，一種具備懸空遙控功能和無線功能的鼠標就應運而生了，它既可以脫離平面的束縛，又可以克服連線的距離限制［1－2］。筆者運用MMA7455L加速度傳感器來感知鼠標的運動信息，然后通過無線通信技術(shù)和USB接口技術(shù)，實現(xiàn)無線三維鼠標。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

整個系統(tǒng)的設(shè)計是由發(fā)送模塊和接收模塊兩大部分組成。發(fā)射模塊以加速度傳感器MMA7455L、單片機芯片STC12C5A60S2、NRF24L01無線射頻模塊為核心，實現(xiàn)鼠標移動信息的采集、數(shù)據(jù)的處理、以及處理后數(shù)據(jù)的發(fā)送［2－3］。接收模塊由USB芯片PDIUSBD12、單片機芯片、NRF24L01無線射頻模塊組成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、建立鼠標與PC機之間的通訊［4－5］。圖1為方系統(tǒng)框圖。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 發(fā)射模塊電路設(shè)計

無線鼠標的動作檢測單元由MMA7455L加速度傳感器來實現(xiàn)。

單片機負責對NRF24L01無線射頻模塊和MMA7455L加速度傳感器的初始化、對采集來的數(shù)據(jù)進行處理和控制，NRF24L01無線射頻模塊發(fā)送經(jīng)處理的數(shù)據(jù)到接收模塊［6］。

鼠標采用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器作為滾輪編碼器，編碼器的公共端接地，A、B相輸出引腳分別接10k的上拉電阻，然后輸入到單片機的I/O口。

MMA7455L加速度傳感器通過IIC總線與單片機通信；NRF24L01無線射頻模塊通過SPI總線與單片機通訊。串行總線的使用，使整個系統(tǒng)具有簡單穩(wěn)定的特點。圖2是發(fā)射模塊的電路原理圖。

圖1 無線三維鼠標系統(tǒng)框圖

圖2 發(fā)送模塊電路原理圖

2.2 接收模塊電路設(shè)計

接收模塊主要由單片機、無線射頻模塊、USB模塊等相關(guān)電路構(gòu)成，如圖3所示。

系統(tǒng)采用的USB芯片是Philips公司的PDIUSBD12芯片，該芯片符合USB1.1規(guī)范［4－5］。它是一款內(nèi)部集成了320 B的FIFO緩存、SIE、收發(fā)器以及電壓調(diào)整電路和終端電阻器的性價比很高的USB器件，支持本地的DMA傳輸。有一個2 MB／s速率的并行接口，同時芯片提供了多重中斷模式，這有利于批量和等時數(shù)據(jù)的傳輸。芯片的雙倍輸入輸出緩沖，使得在批量模式和同步模式下都可以達到1 MB／s數(shù)據(jù)傳輸率。

USB芯片PDIUSBD12的8根數(shù)據(jù)引腳（DATA0－DATA7）與單片機的P0口相連接，并采用10 k的排阻作為上拉電阻；中斷請求引腳INT＿N與單片機P2.6連接；讀寫選通信號RD＿N和WR＿N分別與單片機的P1.0和P1.1連接；因為沒有啟用DMA功能，所以DMREQ，DMACK＿N，EOT＿N等幾個與DMA傳輸有關(guān)的引腳被懸空或者接地。復位引腳RESET＿N接電源，上電自動復位；為了可以直接觀察USB設(shè)備的運行狀態(tài)，就在GL＿N引腳接入一個LED指示燈；XTAL1和XTAL2接6MHZ晶振，A0地址線，這里采用I／O口模擬，接單片機的P1.2；CS＿N為片選信號，接單片機P3.4；D＋和D－是USB的差分數(shù)據(jù)線分別串聯(lián)一個10 Ω的阻抗匹配電阻，后接USB插頭上。接收模塊沒有額外添加供電電源，而是采用計算機的USB直接供電。

圖3 接收模塊電路原理圖

3 軟件設(shè)計

軟件開發(fā)是使用KEIL的uVision4集成開發(fā)環(huán)境，這是一個基于Windows具有功能強大的編輯器和項目管理器的軟件開發(fā)平臺。

3.1 發(fā)射端軟件設(shè)計

無線鼠標的發(fā)送端主要分為三部分，分別是MM7455L模塊采集運動數(shù)據(jù)、運動數(shù)據(jù)處理以及通過無線模塊NRF24L01發(fā)送數(shù)據(jù)。發(fā)送端軟件結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

MMA7455L分別可選為±2、±4和±8 g的靈敏度，其靈敏度適用環(huán)境如下：

（1）自由落體檢測（±2g）：筆記本、手機和移動硬盤驅(qū)動。

（2）搖擺（±4 g）：測量電機穩(wěn)定性。

（3）步程計（±8 g）：生理學和跑步。

在此選擇2 g作為無線鼠標的姿勢檢測靈敏度。

鼠標滾輪采用的是增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，增量式旋轉(zhuǎn)編碼器是一種光電精密傳感器，它通過內(nèi)部兩個光敏接受管來感應角度碼盤的時序和相位關(guān)系，得到其角度碼盤角度位移量減少（負方向）或增加（正方向），增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的運動周期的時序如圖5所示。

3.2 接收端軟件設(shè)計

接收端的軟件主要由兩部分組成：第一，初始化硬件設(shè)備，包括無線射頻模塊初始化、PDIUSBD12芯片的初始化以及建立USB設(shè)備與計算機之間的通訊。第二，接收來自發(fā)送端的鼠標信息，將其包裝成符合HID協(xié)議的報告，然后傳送給計算機。接收端軟件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖4 發(fā)送端系統(tǒng)流程圖

圖5 增量式編碼器的運動周期的時序圖

圖6 接收端系統(tǒng)流程圖

4 結(jié)論

提出了一種無線三維鼠標的設(shè)計方案，使鼠標成為一種可以脫離平面，在三維空間中任意移動的控制設(shè)備，這種設(shè)備的控制方式打破了傳統(tǒng)方式，更貼近人們的使用習慣，操作更加方便，使用更加自由。在此基礎(chǔ)之上，可以進一步集成其它類型的傳感器，使得本開發(fā)設(shè)計適用于更多需人機交互式的領(lǐng)域和場合，例如，遠程控制，虛擬鍵盤，遠距離遙控鼠標等。

［1］張繼光，羊彥，李偉.基于組合微慣性測量元件的人體動作檢測系統(tǒng)設(shè)計［J］.傳感技術(shù)學報，2010，23（2）：162－167.

［2］蔡猛.基于ZigBee技術(shù)的無線非接觸式鼠標的研制［D］.大連：大連理工大學，2008.

［3］李國峰，王錦，張勇，等.基于MEMS加速度傳感器的智能輸入系統(tǒng)［J］.傳感技術(shù)學報，2009，22（5）：643－646.

［4］許永和.8051單片機USB接口程序設(shè)計［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2004.

［5］方汝炤，葉騰達，饒連周，等.基于USB和藍牙的單片機溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計［J］.三明學院學報，2010，27（6）：542－546.

［6］錢莉，陳文元，黃得志，等.基于MEMS技術(shù)的無線鼠標［J］.北京電子科技學院學報，2005，13（4）：76－78.

Design of Wireless 3D Mouse Aased on Acceleration Sensor

LIN Yong-fu，SUN Qing-quan，WANG Zhi-jiang，LI Shang-fu，RAO Lian-zhou，CHEN Jin-tao
(College of Physics and Electromechanical Engineering,Sanming University,Sanming 365004,China)

A kind of wireless 3D mouse based on the acceleration sensor is investigated.The mouse is made up of sending modules and accepting modules.The sending modules(the mouse side)use the singlechip STC12C5A60S2 to collect and process the data obtained by the acceleration sensor,and wireless transceiver module nRF24L01 is responsible for wireless data transmission.The receiving modules do the data transmission through the PDIUSBD12 chip and PC.The wireless 3D mouse which gets rid of the restrictions by reference plane,thus it has certain practicability and popularization value.

acceleration sensor;wireless mouse;PDIUSBD12;MMA7455L

TP334.2

A

1673-4343（2013）02-0038-04

2012-10-28

大學生創(chuàng)新性實驗計劃項目（201211311009,201211311014,ZL1216/CS(sj)）;“卓越工程師”教育培養(yǎng)計劃改革試點項目（SD1108）;三明學院教學改革項目(L1116/Q)

林永福，男，福建尤溪人，大學生；通信作者：饒連周，男，福建明溪人，教授。研究方向：光電技術(shù)與自動控制。