夏金晶 方浩

摘 要：鼠標作為電腦的一個基本部件，扮演著重要角色。現(xiàn)今的鼠標即使可以脫離桌面載體的使用，其對于二維桌面環(huán)境（Windows系統(tǒng)）本質(zhì)上二維平面屬性未能改變，若針對三維桌面環(huán)境，即增加可視化窗口的維度，現(xiàn)今的鼠標在空間進行前后運動未能有真實效果。文中基于三軸加速度計ADXL345和Cortex-M0處理器，對三維鼠標的設(shè)計進行了探索。通過加速度計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;處理器對數(shù)據(jù)加工處理后，使用UART將動作的偏移量傳輸給PC機;根據(jù)三維方向的偏移量實現(xiàn)鼠標的三維控制。

關(guān)鍵詞：二維桌面;三維鼠標;虛擬環(huán)境;縱深方向;ADXL345;Cortex-M0

中圖分類號：TP212文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）01-0-03

0 引 言

自從美國科學(xué)家在1968年制造出世界上第一只鼠標（以其外形類似老鼠而命名）以來，鼠標已經(jīng)有近60年的歷史。最初，鼠標普遍都是滾輪式，而隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，當前人們開始越來越多地使用更為先進的光電子鼠標。然而，隨著計算機應(yīng)用的進一步發(fā)展，當在許多場合沒有臺式機時（例如在長途車和礦井中），傳統(tǒng)鼠標在操作中存在較大的缺陷，便捷性較低;即使應(yīng)用到目前最為先進的觸摸屏技術(shù)，往往也達不到較高的使用效果。而隨著微電子機械系統(tǒng)的研究不斷成熟，基于這一系統(tǒng)的傳感器也開始得到越來越廣泛的應(yīng)用，尤其是在三維空間的定位中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用[1]。

1 整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)設(shè)計劃分為軟件和硬件這兩個部分。其中，對于硬件而言，選取使用到了三軸加速度計，完成了對三維數(shù)據(jù)采集電路的前期設(shè)計工作，在此基礎(chǔ)上進一步得出了x，y，z這三個不同方向上的加速度信號強弱;接著，完成了對存儲電路的設(shè)計工作，借助于數(shù)據(jù)分析處理，及時得出了在x，y，z這三個方向的數(shù)據(jù)偏移[2]。對于軟件而言：第一步是對整個數(shù)據(jù)處理的流程做出設(shè)計，將加速度計進一步移動至原始數(shù)據(jù)中，并完成對該數(shù)據(jù)的及時存儲，最終將其轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)格式進行處理;除此之外，還針對I2C接口驅(qū)動程序進行了設(shè)計[3]。圖1為系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)。

2 硬件設(shè)計

2.1 MEMS加速度傳感器

本文設(shè)計選擇三軸加速度計ADXL345是因為它有三個軸，并且獲得的信號是三維的，不需要像單軸和雙軸加速度計那樣使用幾個芯片同時工作，只需要執(zhí)行復(fù)雜的操作來集成它們，以獲得想要的三維信號。選擇ADXL345是出于簡單的設(shè)計、簡化的電路和時間限制的考慮[4]。

2.1.1 工作原理

圖2為MEMS加速度傳感器工作原理。根據(jù)圖2可知，該傳感器工作原理即在實際運行的過程中應(yīng)用到的工作原理。此時進一步引入Hook定理，可以得出：

式中：F表示外力;m表示質(zhì)量;a代表加速度;x代表距離;k表示彈簧彈性系數(shù)[5]。正是因為這樣，就可以借助于距離、質(zhì)量和彈簧系數(shù)這三種量，精確地測量出加速度a的實際大小。文中，闡述了處于垂直位置關(guān)系的兩個加速度傳感器，獲得了單軸加速度。類似地，對于三軸加速度而言，其在本質(zhì)上就是基于三個相互垂直單軸加速度傳感器而得出的。

2.1.2 傾斜角測量原理

根據(jù)圖2可以進一步得出，二維加速度傳感器在傾斜角測量中應(yīng)用到的原理。此時，可以將傾斜角表示為：

式中ax和ay分別代表了在x軸和y軸這兩個不同方向上的加速度大小。

當單軸加速度傳感器放置在物體上方，也能夠進行傾斜角的測定工作。但是需要注意的是，針對微機電系統(tǒng)傳感器而言，其在實際運用的過程中具有一定的局限性，如果工作環(huán)境中存在噪聲，則會大大影響最終的應(yīng)用效果。基于這樣的考慮，選取了二維加速度傳感器，從而達到減少噪聲干擾的目的，保障最終測定結(jié)果的精確性。

二維加速度傾角測量如圖3所示?；谌S加速度和重力，能夠得出θ，ψ和φ這三類傾斜角。其中，θ，ψ分別是

X'軸，Y'軸與地面投影的夾角，而φ則代表Z'軸與垂直軸Z的夾角。因此可以進一步得出以下的數(shù)學(xué)表達式：

可以得出這樣的結(jié)論：姿態(tài)角的確定是基于三軸加速度計的輸出。所以，借助于這一特點，可以有效地減少工作環(huán)境中噪聲的干擾。但是需要注意的是，針對微機電系統(tǒng)而言，其在實際運行中必然會受到環(huán)境噪聲的影響，所以最終測定的結(jié)果往往不可避免存在細微的誤差。物體在三維空間中的姿態(tài)主要由三軸加速度的靜態(tài)或準靜態(tài)特性決定。若物體在三維空間處于高速移動的狀態(tài)，基于上述的表達式也難以精確地測定出物體的瞬時姿態(tài)[6]。三維加速度傾角測量如圖4所示。

2.2 微控制器設(shè)計

在該電路中，應(yīng)用到的是Cortex-M0處理器。這一處理器在實際運用中具備較大的性能優(yōu)勢，整體能耗較低，同時也能夠達到較強的節(jié)能效果。此外，該處理器能夠及時高效地完成對三軸加速度的數(shù)據(jù)處理，從三個方向獲得加速度計的偏移量，并通過串行端口將其發(fā)送到PC。

3 軟件設(shè)計

整體設(shè)計思想是通過ADXL345收集三軸加速值，通過Cortex-M0計算加速值并獲得偏移量，并通過串行端口將產(chǎn)生的偏移量傳遞給計算機，以控制鼠標光標的移動和其他必要的功能[7]。

該系統(tǒng)的鼠標驅(qū)動程序在微軟Win7平臺上實現(xiàn)。電腦接收從通用串行總線接口發(fā)送的數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，借助于式（3）～式（5），把它進一步轉(zhuǎn)變成方位角[3-8]。此外，必須要利用鼠標動作，基于屏幕來調(diào)控方位角和鼠標控制的聯(lián)系。在此過程中，運用驅(qū)動程序來開啟虛擬鼠標設(shè)備文件。緊接著，利用掛鉤鼠標類驅(qū)動程序，借助于相關(guān)回調(diào)函數(shù)，把鼠標操作及時傳送到類驅(qū)動程序，具體的步驟如圖5所示[9]。

系統(tǒng)在完成了對USB數(shù)據(jù)的接收之后，基于按鈕值來判定此時的鼠標操作。在這一操作中，若測定的是傾斜角，就把其轉(zhuǎn)變?yōu)槠聊幌袼刂?，同時調(diào)整鼠標位置。此外，進一步明確按鈕的具體動作。 在此基礎(chǔ)上，判定電子穩(wěn)定控制鍵是否存在，若已存在，那么指示退出。

4 系統(tǒng)測試

利用微機控制光標左右移動，光標上下移動，鼠標通過鼠標驅(qū)動程序使用x方向偏移量放大和縮小。基于x，y，z這三個方向的多維度定義，實現(xiàn)了三維運動的功能[6]。

根據(jù)圖5所示的流程可以發(fā)現(xiàn)，基于傳感器的處理，最終測定出鼠標的加速度。在一般的運行狀態(tài)下，如果鼠標處在x方向，此時加速度的大小處在-12g～12g，同時，其在y軸和z軸的加速度都處在-1g～1g;當沿y方向移動時，x軸的加速度范圍為-1g～1g，y軸的加速度范圍為-12g～12g，z軸加速度值范圍為-1g～1g;當在z方向上移動時，x軸加速度值范圍為-1g～1g，y軸加速度值范圍為-1g～1g，z軸的加速度值范圍為-12g～12g。

圖6為在加速度值被處理之后傳輸?shù)絺€人計算機的三維方向數(shù)據(jù)的偏移。

針對微機而言，其應(yīng)用的是視窗操作系統(tǒng)。PC運用USB模擬串行信道，并及時接收三個不同方向發(fā)生的偏移。 而借助于可視化VC 6.0++，編寫出的驅(qū)動程序，繼而使得該設(shè)計可在三個方向達到基于偏移控制的目的。

5 結(jié) 語

文中利用ADXL345來獲取三軸加速度值，同時借助Cortex-M0獲得偏移量?；诖锌?，把偏移量傳送至計算機，從而實現(xiàn)了鼠標光標移動控制的功能。該設(shè)計已在計算機鼠標的應(yīng)用中全面運行，具有良好的可操作性。另外，基于微機電系統(tǒng)技術(shù)的計算機輸入設(shè)備的研究，接收端數(shù)據(jù)處理方法的改進設(shè)計具有更好的三維使用和擴展空間，可以開發(fā)一系列專用虛擬現(xiàn)實設(shè)備，具有良好的三維體驗。

參 考 文 獻

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