李佰財(cái) 寧偉勛

（國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410073）

摘 要：計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，應(yīng)用需求的種類增多，對(duì)計(jì)算機(jī)的輸入也提出了更高的要求。在二維平面運(yùn)動(dòng)的傳統(tǒng)鼠標(biāo)已經(jīng)不能滿足更高的人機(jī)交互需求，文中基于三軸加速度計(jì)ADXL345和Cortex-M0處理器，對(duì)三維鼠標(biāo)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了探索。通過(guò)加速度計(jì)ADXL345完成X、Y、Z方向的數(shù)據(jù)采集，使用I2C將數(shù)據(jù)傳輸給Cortex-M0處理器；處理器對(duì)數(shù)據(jù)加工處理后，使用UART將動(dòng)作的偏移量傳輸給PC機(jī)；根據(jù)三維方向的偏移量實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)的三維控制。

關(guān)鍵詞：三軸加速計(jì)；ADXL345；Cortex-M0；三維鼠標(biāo)

中圖分類號(hào)：TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9599 （2013） 09-0000-02

1 引言

從“圖靈獎(jiǎng)”獲得者道格拉斯.恩格爾巴特（Douglas Englebart）1968年12月在IEEE會(huì)議上展示了世界上的第一個(gè)鼠標(biāo)開(kāi)始，多年來(lái)，從早期的機(jī)械鼠標(biāo)到現(xiàn)在的光學(xué)鼠標(biāo)，鼠標(biāo)在形狀、性能及工作原理上都有了巨大的變化。鼠標(biāo)的使用代替了鍵盤(pán)繁瑣的指令，使計(jì)算機(jī)的操作更加簡(jiǎn)便，鼠標(biāo)也成為了計(jì)算機(jī)的重要輸入設(shè)備。隨著計(jì)算機(jī)三維動(dòng)畫(huà)圖形技術(shù)的發(fā)展、三維游戲的出現(xiàn)，二維鼠標(biāo)在三維視覺(jué)空間的使用越來(lái)越不方便。雖然鼠標(biāo)上增加一個(gè)滾輪，在某些應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了三維控制，但是在二維空間的操作不能滿足人們?nèi)S人機(jī)交互帶來(lái)的身臨其境的舒適體驗(yàn)。因此，三維鼠標(biāo)的研究和設(shè)計(jì)及其在虛擬三維現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用將是一個(gè)熱門(mén)課題。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架

系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分。硬件設(shè)計(jì)部分：首先根據(jù)三軸加速度計(jì)設(shè)計(jì)一個(gè)三維數(shù)據(jù)采集電路，采集X、Y、Z方向的加速度信號(hào)；其次，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)電路，將加速度計(jì)傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理，得到X、Y、Z方向的數(shù)據(jù)偏移量。軟件設(shè)計(jì)部分：首先設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理過(guò)程，將三軸加速度計(jì)傳輸?shù)教幚砥髦械脑紨?shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理；其次，設(shè)計(jì)三軸加速度計(jì)與處理器之間I2C接口驅(qū)動(dòng)和處理器與PC機(jī)間的UART串口驅(qū)動(dòng)。如圖1是系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 三維鼠標(biāo)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

3 硬件設(shè)計(jì)方案

加速度數(shù)據(jù)采集電路主要由三軸加速度計(jì)ADXL345來(lái)實(shí)現(xiàn)。ADXL345是美國(guó)模擬器件公司于推出的MEMS技術(shù)具有SPI和I2C數(shù)字輸出功能的三軸加速度計(jì)，具有小巧輕薄、超低功耗、可變量程、分辨率高等特點(diǎn)，測(cè)量范圍達(dá)±16g，數(shù)字輸出數(shù)據(jù)為16位二進(jìn)制補(bǔ)碼格式，集成了32級(jí)FIFO緩存器。加速度數(shù)據(jù)采集電路加3.3V電壓供電，通訊方式用I2C接口。

處理器電路主要由Cortex-M0處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)。Cortex-M0處理器是市場(chǎng)上現(xiàn)有的最小、能耗最低、最節(jié)能的ARM處理器。該處理能耗非常低、門(mén)數(shù)量少、代碼占用空間小，使得MCU開(kāi)發(fā)人員能夠以8位處理器的價(jià)位，獲得32位處理器的性能。Cortex-M0處理器對(duì)三軸加速度計(jì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)，得出加速度計(jì)在三個(gè)方向上的偏移量，并通過(guò)串口發(fā)送給PC機(jī)。

圖2 硬件實(shí)際連接圖

4 軟件設(shè)計(jì)方案

三軸加速度計(jì)與處理器之間的通訊采用I2C接口模式。I2C（Inter-Integrated Circuit）總線是PHILIPS半導(dǎo)體公司設(shè)計(jì)出來(lái)的串行數(shù)據(jù)傳輸總線規(guī)范，一般有兩根信號(hào)線：一要是雙向的數(shù)據(jù)線SDA，另一根是時(shí)鐘線SCL。兩個(gè)線即可實(shí)驗(yàn)全雙工數(shù)據(jù)傳輸。將ADXL345的/cs片選信號(hào)接高電平時(shí)，其工作在I2C通訊模式，與處理器的連接電路如圖3所示。

圖3 I2C總線連接電路

對(duì)接口的設(shè)置和數(shù)據(jù)的處理，使用Keil uVision4軟件編寫(xiě)生成，并通過(guò)Flashmagic軟件燒寫(xiě)進(jìn)芯片中。

圖4 三軸加速計(jì)數(shù)據(jù)采集流程圖 圖5 鼠標(biāo)驅(qū)動(dòng)流程圖

上位機(jī)通過(guò)鼠標(biāo)驅(qū)動(dòng)程序，利用X方向偏移量控制光標(biāo)左右移動(dòng)、Y方向偏移量控制光標(biāo)上下移動(dòng)、Z軸方向偏移量來(lái)實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)放大縮小功能。通過(guò)X、Y、Z的綜合定義實(shí)現(xiàn)三維方向移動(dòng)的功能。驅(qū)動(dòng)軟件流程如圖5所示。

判斷鼠標(biāo)的偏移量是通過(guò)計(jì)算傳感器給出的加速度得出的，鼠標(biāo)正常使用過(guò)程中的加速度數(shù)值為：

X方向運(yùn)動(dòng)時(shí)：X軸的加速度值區(qū)間為-12g—12g，Y軸的加速度值區(qū)間為-1g—1g，Z軸的加速度值區(qū)間為-1g—1g；

Y方向運(yùn)動(dòng)時(shí)：X軸的加速度值區(qū)間為-1g—1g，Y軸的加速度值區(qū)間為-12g—12g，Z軸的加速度值區(qū)間為-1g—1g；

Z方向運(yùn)動(dòng)時(shí)：X軸的加速度值區(qū)間為-1g—1g，Y軸的加速度值區(qū)間為-1g—1g，Z軸的加速度值區(qū)間為-12g—12g。

加速度值經(jīng)過(guò)處理后傳輸給PC機(jī)的三維方向數(shù)據(jù)偏移量如圖6.

圖6 三軸加速計(jì)運(yùn)動(dòng)時(shí)各方向加速值偏移量

在PC機(jī)端，使用環(huán)境為Windows操作系統(tǒng)。PC機(jī)通過(guò)USB模擬的串口通道接收三個(gè)方向上的偏移量，采用Microsoft Visual C++6.0作為開(kāi)發(fā)工具，編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序，根據(jù)三個(gè)方向的偏移量控制實(shí)現(xiàn)三維鼠標(biāo)的功能。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)ADXL345采集三軸加速度數(shù)值，通過(guò)Cortex-M0計(jì)算加速度數(shù)值并獲取偏移量，通過(guò)串口將所獲取的偏移量傳給電腦，實(shí)現(xiàn)控制鼠標(biāo)光標(biāo)的移動(dòng)和其他的一些必要功能。三維空間的拓展開(kāi)發(fā)離不開(kāi)鼠標(biāo)這個(gè)經(jīng)典人機(jī)交互設(shè)備的三維化，隨著模擬空間的三維化，鼠標(biāo)的需求還會(huì)進(jìn)一步體現(xiàn)，但三軸加速計(jì)的天然三維性質(zhì)使得它成為三維鼠標(biāo)核心的首選器件，隨著需求的出現(xiàn)，其功能也會(huì)進(jìn)一步得到挖掘。

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