桂林電子科技大學信息科技學院 陳奇生 梁桂英

0 引言

隨著社會信息技術的發(fā)展，各種各樣的游戲也成為了廣大市民日常必備的娛樂項目之一。想要玩大型的游戲必定需要用到游戲手柄，然而游戲手柄的選擇固然也很重要，市場上面有很多的有線游戲手柄，此類游戲手柄不僅靈活性差、操作不方便，而且很大程度上限制游戲操作者的活動范圍，一不小心就會把手柄拉脫電腦，這樣就會導致游戲的終止。這種游戲手柄影響游戲者的興趣不說，重要的是有著損壞電腦的潛在危機。

為了讓游戲者在游戲過程中獲得更多的樂趣，然而無線游戲手柄就此誕生。無線手柄的誕生，讓游戲者可以擺脫空間以及距離的束縛。使用NRF24L01模塊2.4G無線高速傳輸數(shù)據(jù)讓手柄和PC機無延時，再加入MPU6050角度傳感器實現(xiàn)姿態(tài)感應和前后各兩組震動馬達，還有設計無線充電等功能。因此，此類游戲手柄在市場上面有很大的前景。

1 NRF24L01模塊

1.1 簡介

NRF24L01是一款工作在2.4-2.5GHz通用ISM頻段的單片機芯片，無線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器增強型SchockBurstTM模式控制器、功率放大器、晶體放大器、調(diào)制器、解調(diào)器、輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設置可以通過SPI接口進行設置極低的電流消耗，當工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為6dBm時電流消耗為9.0mA接受模式為12.3mA掉電模式和待機模式下電流消耗模式低。全球開放ISM頻段，最大0dBm發(fā)射功率，免許可證使用，支持六路通道的數(shù)據(jù)接收。

1.2 主要特性

（1）低工作電壓：1.9-3.6V低電壓工作。

（2）高速率：2Mbps,由于空氣傳輸時間很短，極大的降低了無線傳輸中碰撞現(xiàn)象(軟件設置1Mbps或者2Mbps的空氣傳輸速率)。

（3）多頻點:125頻點，滿足多點通信和調(diào)頻通信需要。（4）超小型：內(nèi)置2.4GHz天線，體積小巧，15*29mm(包括天線)。（5）低功耗：當工作在應答模式通信時，快速的空中傳輸及啟動時間，極大的降低了電流消耗。

（6）低應用成本：NRF24L01集成了所有與RF協(xié)議相關的高速信號處理部分，比如：自動重發(fā)丟失數(shù)據(jù)包和自動產(chǎn)生應答信號等，NRF24L01的SPI接口可以利用單片機的硬件SPI口連接或用單片機I/O口進行模擬，內(nèi)部有FIFO可以與各種高低速微處理器接口，便于使用低成本單片機。

（7）便于開發(fā):由于鏈路層完全集成在模塊上，非常便于開發(fā)。自動重發(fā)功能，自動檢測和重發(fā)丟失的數(shù)據(jù)包，重發(fā)時間及重發(fā)次數(shù)可軟件控制。自動存儲未收到應答信號的數(shù)據(jù)包自動應答功能，在收到有效數(shù)據(jù)后，模塊自動發(fā)送應答信號，無須另行編程載波檢測一固定頻率檢測。內(nèi)置硬件CRC檢錯和點對多點通信地址控制數(shù)據(jù)包傳輸錯誤計數(shù)器及載波檢測功能用于調(diào)頻設置可同時設置六路接收通道地址，可有選擇性的打開接收通道標準插針Dip3.54MM間距接口，便于嵌入式應用。

充分利用NRF24L01模塊這些特性可用于游戲手柄與PC機的進行無延時傳輸。

2 MPU6050角度傳感器

2.1 簡介

串口6軸JY-61模塊采用高精度的陀螺儀加速度計MPU6050，通過處理器讀取MPU6050的測量數(shù)據(jù)然后通過串口輸出，免去了用戶自己去MPU6050復雜的I2C協(xié)議，同時精心的PCB布局和工藝保證了MPU6050收到外接的干擾最小，測量的精度最高。

2.2 JY-61模塊主要特點

（1）模塊內(nèi)部集成了姿態(tài)解算器，配合動態(tài)卡爾曼濾波算法，能夠在動態(tài)環(huán)境下輸出模塊的當前模塊的當前姿態(tài)，姿態(tài)測量精度0.01度，穩(wěn)定性高。

（2）模塊內(nèi)部自帶電壓穩(wěn)定電路，可以兼容3.3V/5V的嵌入式系統(tǒng)，連接方便。

（3）模塊保留了MPU6050的I2C接口，以滿足用戶希望訪問底層測量數(shù)據(jù)的需求。

（4）采用數(shù)字濾波技術，能有效降低測量噪聲，提高測量度。

（5）數(shù)據(jù)輸出頻率100Hz(波特率115200)/20Hz（波特率9600）。

（6）測量緯度：加速度：3維，角速度：3維，姿態(tài)角:3維。

（7）量程：加速度：+2g，角速度：+250°/s。

（8）分辨率:加速度：6.1e-5g,角速度:7.6e-3°/s。

（9）穩(wěn)定性：加速度：0.0001g,角速度：0.02°/s。

加速度傳感器精度差，而且運動情況下由于運動加速度的干擾，無法得到準確的角度，但加速度求出的角度不會隨時間積累誤差。陀螺儀的精度高，通過積分運算得到的姿態(tài)角度準確度高，但積分會有累計誤差，會隨時間積累。JY-61模塊中的卡爾曼濾波法正好可以取二者之長，根據(jù)統(tǒng)計規(guī)律自動計算出二者的權重，融合出最準確的狀態(tài)值。

3 XKT412-26模塊

3.1 簡介

主要采用電磁感應原理，通過線圈進行能量耦合實現(xiàn)能量的傳遞。系統(tǒng)工作時輸入端將交流市電經(jīng)全橋整流電路變換成直流電，或用12V直流電端直接為系統(tǒng)供電。經(jīng)過電源管理模塊后輸出的直流電通過2M有源晶振逆變轉(zhuǎn)換成高頻交流電供給初級繞組。通過2個電感線圈耦合能量，次級線圈輸出的電流經(jīng)接受轉(zhuǎn)換電路變化成直流電。

3.2 主要特點

（1）采用無接觸式充電供電，可使產(chǎn)品完全密封，防水防塵；增加產(chǎn)品的使用壽命、使用更加方便。

（2）發(fā)射模塊工作電流會隨接收負載電流的大小自動增減，這有利于延長電池的使用壽命以及提高充電的安全性避免出現(xiàn)不良情況。

4 硬件設計方案

該游戲手柄是以STM32F1作為MCU設計的，由MPU6050角度傳感器來采集游戲者的狀態(tài)以達到姿態(tài)感應，采集到姿態(tài)角度數(shù)據(jù)送給MCU模塊處理后，再通過NRF24L01無線串口模塊傳輸個PC機，進而實現(xiàn)游戲者能靈活操控游戲。另外PC機上的數(shù)據(jù)也可以通過NRF24L01無線串口模塊反饋給MCU，這樣就可以實現(xiàn)實時操控游戲而不產(chǎn)生延時。其主要由USB無線串口轉(zhuǎn)NRF24L01模塊、TTL串口轉(zhuǎn)NRF24L01模塊、按鍵和搖桿模塊、YG-61模塊、震動馬達模塊還有無線充電等模塊組成，如圖1所示。

編寫上位機軟件，用來檢測游戲手柄按鍵以及搖桿與PC機通信是否成功，還有可以用來查看通信是否存在長延時等。同時也提高了用戶使用靈活性，手柄即插即用而不用進行繁瑣操作，可以說是老少皆宜的產(chǎn)品。

該手柄的設計具有高靈活性、高可靠性、操作簡便、操作舒適、實用性等優(yōu)點。

圖1 系統(tǒng)原理流程圖

4.1 MCU

選用ARM32位的Cortex-M3系列的STM32F103C8T6芯片，它是中等容量增強型，基于ARM核心的帶64或128K字節(jié)閃存的微控制器，具有USB、CAN、7個定時器、2個ADC、9個通信接口。其有多達80個快速I/O口可以影像到16個外部中斷，幾乎所有端口均可容忍5V信號，這樣有利于TTL無線串口轉(zhuǎn)NRF24L01模塊的轉(zhuǎn)接。因為其I/O口非常多，所以可以在極大程度上外接各種模塊。

4.2 按鍵、搖桿模塊

選用PS2游戲雙軸搖桿傳感器模塊，采用優(yōu)質(zhì)金屬PS2搖桿電位器制作，具有（X，Y）2軸模擬輸出，（Z）1路按鈕數(shù)字輸出。數(shù)據(jù)類型的X，Y維模擬輸入信號而Z維是數(shù)字輸入信號，因此X和Y端口連接到模擬插腳傳感器端，而Z端口連接到數(shù)字端口，這樣在使用者操作游戲舒適的同時也不會出現(xiàn)游戲延時等情況。

4.3 震動馬達模塊

手柄前方兩端采用1030手機震動馬達，后方兩端采用030電機3V靜音震動馬達。手機震動旋轉(zhuǎn)方向任何，這可以很好模擬各種震動比如：游戲中炮彈落地后發(fā)出那種震撼的感覺，讓操作者仿佛身臨其境，更重要的是它的額定轉(zhuǎn)速達到12000+2500RPM/Min比起普通的馬達要快而且價格比較便宜。030震動馬達放置于手柄后方兩端，主要用來模仿游戲中操作者扮演的角色受到碰撞或者攻擊時自身受到的撞擊。該款馬達采用半圓鐵層疊振動頭且四層疊加，這使振動更加強烈。

4.4 USB無線串口轉(zhuǎn)NRF24L01模塊和TTL串口轉(zhuǎn)NRF24L01模塊

這兩個模塊是PC機和手柄之間進行通信的核心，有Enhanced ShockBurstTM收發(fā)模式、ShockBurstTM模式和直接收發(fā)模式三種，這三種模式高質(zhì)量的保證了手柄和PC機之間的數(shù)據(jù)傳輸。

5 結(jié)語

本文給出了USB姿態(tài)感應游戲手柄設計方法。在設計選了STM32F1芯片作為控制器，減少了電路板的體積和降低整個電路布線布局的難度。將MPU6050角度傳感器采集回來的姿態(tài)角度變化送給MCU進來處理，實時的將角度變化值內(nèi)容通過TTL串口轉(zhuǎn)NRF24L01模塊高效、快速發(fā)送出去。MCU發(fā)送出來姿態(tài)角度變化數(shù)據(jù)再經(jīng)過USB無線串口轉(zhuǎn)NRF24L01模塊送達PC機端進而就可實現(xiàn)對游戲的姿態(tài)控制。

[1]康維新.嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)與應用[M].機械工業(yè)出版社,2011,4.

[2]張勇.ARM Cortex-M3嵌入式開發(fā)與實踐——基于STM32F103[M].清華大學出版社,2017,3.

[3](意)阿爾梅尼塞.新型陀螺儀技術[M].國防工業(yè)出版社,2013,7.