基于微加速度計的無(wú)線(xiàn)教鞭的設計

摘要：為彌補多媒體教學(xué)中激光筆的不足，提出了一種基于微加速度計的無(wú)線(xiàn)教鞭系統，它不僅具有激光筆上下翻頁(yè)的功能，而且能在空中自由靈活移動(dòng)實(shí)現高精度點(diǎn)擊的功能，該系統以微加速度計ADXL345作為信號檢測元件，并采用低功耗低成本微控制器AT89S52和RF芯片nRF24 L01進(jìn)行信息處理與無(wú)線(xiàn)傳榆，符合人體工程學(xué)設計，最大限度地滿(mǎn)足人們使用鼠標時(shí)在手感以及舒適度和使用習慣方面的要求。

目前多媒體教學(xué)或會(huì )議演示中已經(jīng)用到無(wú)線(xiàn)教鞭，但是更多的只能用來(lái)文檔的翻頁(yè)，所以使用時(shí)還得配合有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)的鼠標，正由于這種傳統的機械式或光電式鼠標不能脫離平坦有摩擦的工作表面，自身體積大，工作空間受限制，移動(dòng)不自由，所以我們開(kāi)發(fā)出了基于微加速度計的無(wú)線(xiàn)教鞭。

國外和港臺地區有一些單位早些年已經(jīng)開(kāi)展了這方面的研究，近些年國內對該技術(shù)的研究日趨成熟，2002年?yáng)|南大學(xué)的李宏生申請了名為“移動(dòng)式全電子慣性鼠標”的實(shí)用新型專(zhuān)利，它利用加速度計檢測到的加速度信號經(jīng)過(guò)積分并分頻后產(chǎn)生速度脈沖，再配合專(zhuān)用的鼠標IC芯片實(shí)現。2004年清華大學(xué)工程物理系張樂(lè )平成功設計了一種基于加速度計的慣性鼠標，通過(guò)傾斜使用1的方式，獲得了很好的效果。2006年上海交通大學(xué)微納科學(xué)技術(shù)研究院黃得志等人成功設計出了一種基于微加速度傳感器的無(wú)線(xiàn)鼠標，以上3種鼠標可以說(shuō)做的很好，但是他們使用專(zhuān)門(mén)的編碼和解碼芯片或專(zhuān)用的AD轉換、鼠標IC芯片或高性能的微控制器，這樣相應地增大了板的體積，也增加了成本，我們基于此開(kāi)發(fā)出了基于微加速度計ADXL345的無(wú)線(xiàn)教鞭，該加速度計集成了AD轉換功能可以將采集的加速度信號轉換成數字信號，微控制器采用功耗小、價(jià)格低的AT89S52，它的無(wú)線(xiàn)傳輸距離能達到30～60 m，是傳統鼠標的2～4倍，能在教師和會(huì )議室的任何位置遙控主機端光標的動(dòng)作，完美的結合了傳統鼠標和激光筆的功能，體積可以做的很小，便于攜帶，靈活應用與各種場(chǎng)合，并且該無(wú)線(xiàn)教鞭符合人體工程學(xué)的設計，能預防鼠標手的出現。

1 系統整體設計

本項目設計分為兩部分，遠端用戶(hù)控制子系統和主機端信號接收子系統。遠端用戶(hù)控制子系統負責采集鼠標位移信息和按鍵信息，并發(fā)送給主機端信號接收子系統。主機端信號接收子系統負責對接收到的信息進(jìn)行編碼并與計算機進(jìn)行通信，控制計算機執行相關(guān)操作。

遠端子系統由微加速度計、微控制器和無(wú)線(xiàn)射頻接收器組成。首先，遠端子系統采集微加速度計ADXL345的信號，將其通過(guò)特殊的積分算法轉化為位移量。然后，遠端子系統綜合位移信號和按鍵信號，按照無(wú)線(xiàn)模塊定義的格式對信號進(jìn)行編碼、最后通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻模塊將編碼好的數據發(fā)送給主機端子系統。

主機端子系統由無(wú)線(xiàn)射頻收發(fā)器、微控制器和USB控制芯片組成。USB控制芯片USBPD1D12負責主機端子系統與上位機之間的USB通訊控制。主機端子系統通過(guò)USB接口與上位機相連后，上位機操作系統會(huì )自動(dòng)加載HID類(lèi)設備的驅動(dòng)程序，完成主機端和上位機的連接。然后主機端微控制器接收無(wú)線(xiàn)模塊nRF24L01傳輸的位移和按鍵信號，進(jìn)而控制光標的移動(dòng)和按鍵的操作。

如圖1所示，為遠端用戶(hù)控制子系統和主機端信號接收子系統的結構方框圖。

2 系統硬件設計

2.1 遠端子系統硬件電路設計

1)微加速度計模塊

ADXL345是ADI公司的三軸數字加速度傳感器，工作原理是首先由前端感應器件感測加速度的大小，然后由感應電信號器件轉為可識e的模擬電信號，ADXL345中集成了AD轉換器，可以將此模擬信號數字化，輸出的是16位的二進(jìn)制補碼。最值得一提的它集成了一個(gè)32級先進(jìn)先出(FIFO)存儲器管理系統，可用于輸出數據的緩沖，降低主機處理器負荷，并降低整體系統功耗。

該芯片主要應用于消費電子的微型慣性器件，最大可感知±16 g的加速度，感應精度可達3.9 mg/LSB，傾角測量典型誤差小于1°，超低功耗。通過(guò)其內置的ADC將加速度信號轉換為數字量存放在片內緩沖區，在實(shí)際使用中，為提高輸出數據的穩定性，設置感應范圍為±2g，感應精度為3.9 mg，可以滿(mǎn)足人體動(dòng)作加速度范圍與精度要求。

ADXL345可以通過(guò)SPI總線(xiàn)或I2C總線(xiàn)與單片機連接，本產(chǎn)品選擇的單片機模塊AT89S52不具有SPI和I2C接口，所以我們采用I/O口模擬I2C總線(xiàn)或SPI總線(xiàn)接口的方法連接。

2)按鍵電路模塊

按鍵電路模塊主要考慮消抖的問(wèn)題，我們這里采用軟件延時(shí)消抖，不過(guò)沒(méi)有采用在主程序中延時(shí)，這樣很浪費系統資源，而是用定時(shí)器延時(shí)設置標志變量的方法。

2.2 主機端子系統硬件電路設計

如圖2，微控制器通過(guò)P1口(P1.4～P1.7)模擬四線(xiàn)制的SPI總線(xiàn)與nRF24L01連接，控制信號的接收與處理，接收的信號通過(guò)P0及其他控制端口傳給USB接口芯片PDIUSBD12進(jìn)而控制主機端光標的移動(dòng)，其中nRF24L01無(wú)線(xiàn)射頻模塊是一款新型單片射頻收發(fā)器件，工作于2.4GHz ISM頻段，最高工作速率達2 Mbps，信號空中傳輸時(shí)間很短，極大降低了無(wú)線(xiàn)傳輸中的碰撞現象和電流消耗，該芯片融合了增強型ShockBurst技術(shù)，能自動(dòng)處理字頭和CRC效驗碼，使用方便。該芯片功耗低，在以-6 dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流只有9 mA;接收時(shí)，工作電流只有12.3 mA，多種低功率下作模式(掉電模式和空閑模式)，使節能設計更方便。

PDIUSBD12是Philips公司的一個(gè)性能優(yōu)化的USB器件，通常用于基于微控制器的系統，并通過(guò)高速通用并行接口與微控制器進(jìn)行通信，而且支持本地DMA傳輸。PDIUSDB12完全符合USB1.1規范，也能適應大多數設備類(lèi)規范的設計，如成像類(lèi)、大容量存儲類(lèi)、通信類(lèi)、打印類(lèi)和人工輸入設備等。PDIUSBD12還集成了SoftConnect、GoodLink、可編程時(shí)鐘輸出、低頻晶振和終端電阻等特性。所有這些特性都能在系統實(shí)現時(shí)節省成本，同時(shí)在外圍設備上很容易實(shí)現更高級的USB功能。

3 系統軟件設計

3.1 遠端子系統軟件設計

3.1.1 發(fā)送和接收模塊

無(wú)線(xiàn)RF射頻收發(fā)模塊nRF24L01通過(guò)SPI總線(xiàn)連接用戶(hù)端和主機端，在使用時(shí)要分別對其配置，用戶(hù)端配置為發(fā)射模式，主機端配置為接收模式，并且要嚴格按照其數據格式及流程發(fā)送和接收數據。

3.1.2 微加速度計模塊

1)寄存器中數據的重建

微加速度計ADXL345與微處理器之間通過(guò)I2C總線(xiàn)連接，它們之間的數據傳輸需要遵循I2C總線(xiàn)協(xié)議，寄存器0x32至寄存器0x37分別保存x、y、z軸輸出數據，輸出數據為二進(jìn)制補碼，DATAx0為最低有效字節，DATAx1為最高有效字節，其中x代表X、Y或Z。因為ADXL345為16位數據格式，從數據寄存器中獲取加速度數據后，用戶(hù)必須對數據進(jìn)行重建。我們利用接口函數Multiple_read_ADXL345()多字節連續讀取寄存器的數據，然后將高字節左移8位和低字節8位相或的方法對數據重建，且對我們來(lái)說(shuō)，只需X和Z方向的加速度數據即可，程序如下：

ADXL345_DataReconstrution()

{ unsigned int Acceleration[2];

Multiple_Read_ADXL345();

Acceleration[0]=BUF[1];

ACCeleration[0]=(ACceleration[0]8)|BUF[0];

Acceleration[1]=BUF[5];

Acceleration[1]=(Acceleration[1]8)|BUF[4];

}

2)微加速度計ADXL345與普通鼠標精度的比較

現在市面上普通光學(xué)鼠標主流分辨率為400DPI，即每移動(dòng)1英寸可反饋400個(gè)不同點(diǎn)的坐標，也即該鼠標的分辨率為25.4 mm/400=0.06 35mm。而ADXL345采用13位或10位的分辨率模式，此模式可以通過(guò)DATA_FORMAT寄存器(地址0x31)進(jìn)行設置，除此之外，該寄存器還可以沒(méi)置g的范圍，有±2 g，±4 g，±8 g，±16 g，該教鞭選擇10位模式，±2 g已經(jīng)能滿(mǎn)足對分辨率的要求，此時(shí)分辨率為4g/1024LSB=3.9mg/ LSB，我們是將采集到的加速度數據采用16進(jìn)制數字方式存儲在寄存器中，然后取出數據重建劃分步長(cháng)后，通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳送至接收端控制鼠標的移動(dòng)，而USB鼠標報告描述中規定，若接收到的數據為1則移動(dòng)一個(gè)像素，假設尺寸為300mm*190 mm的14寸顯示器，分辨率設置為1 024*768，那么橫向最小點(diǎn)間距為300 mm/1 024=0.293 0 mm，雖然這個(gè)數據沒(méi)有普通光學(xué)鼠標高，但是對于一般教鞭已經(jīng)足夠，最重要的是我們可以通過(guò)軟件設置步長(cháng)，可以在教鞭微動(dòng)的時(shí)候做出準確移動(dòng)，在需要情況下大幅晃動(dòng)教鞭能夠快速將光標移動(dòng)到屏幕邊緣，符合人體工程學(xué)的要求，并且我們可以改變g值，分辨率模式及步長(cháng)來(lái)自由調整教鞭的移動(dòng)。設置的步長(cháng)程序如下：

3.2 主機端子系統軟件設計

圖3為接收端主程序流程圖，該接收端軟件部分主要包括：PDIUSBD12固件驅動(dòng)，USB設備的枚舉過(guò)程。為了使軟件可移植性強、易維護，采用分層的方法編寫(xiě)PDIUSBD12的驅動(dòng)程序。USB驅動(dòng)程序分成接口和設備控制驅動(dòng)層、協(xié)議層和應用層。應用分層的方法編寫(xiě)的程序條理清晰，可移植性好。而USB HID類(lèi)是比較大的一個(gè)類(lèi)，HID類(lèi)設備屬于人機交互操作的設備。使用HID設備的一個(gè)好處就是，操作系統自帶了HID類(lèi)的驅動(dòng)程序，而用戶(hù)無(wú)需去開(kāi)發(fā)很麻煩的驅動(dòng)程序，只要直接使用API調用即可完成通信。所以我們將USB設備枚舉成HID設備，這樣就可以不用安裝驅動(dòng)而直接使用。USB設備的枚舉過(guò)程實(shí)際上就是告知PC設備描述類(lèi)型。當插入USB設備后，主機會(huì )向設備請求各種描述符來(lái)識別設備，包括5個(gè)標準描述符：設備描述符、配置描述符、接口描述符、端點(diǎn)描述符、字符串描述符和3個(gè)HID設備類(lèi)特定描述符：HID描述符、報告描述符、實(shí)體描述符。當主機從它的描述符中知道了能夠知道的所有信息后，便開(kāi)始為這個(gè)設備安裝驅動(dòng)程序。此時(shí)USB枚舉過(guò)程結束，設備可以正常使用了。

4 結束語(yǔ)

本文應用微加速度計和無(wú)線(xiàn)RF模塊，實(shí)現無(wú)線(xiàn)遙控的鼠標操作。遙控有效距離可達30～60 m，功耗小，成本低，而且遙控無(wú)指向性，能大大增強多媒體的人機交互性能。而且該成品外觀(guān)設計合理，手感舒適，符合人體工程學(xué)設計，能防止鼠標手的出現。