基于微加速度傳感器的無線鼠標的設計

　　ATmega16L微控制器

　　ATmega16是Atmel公司生產的基于增強的AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器，本文選用ATmega 16L微控制器，可以滿足系統要求，且存在比較大的擴展性。

　　無線收發器件

　　本文采用Nordic半導體公司的nRF2401射頻收發器來實現位移數據的無線傳輸。因為nRF2401的優異性能非常適合無線鼠標的設計，并且，其內置的多點通信控制可以為系統提供很大的擴展空間。nRF2401為2.4 GHz全球開放頻段產品，采用0.18μm工藝設計。

　　系統和算法的Matlab模擬

　　AD公司給出了ADXL203微加速度傳感器的Simulink模型(參見AD公司主頁)，本文以此為基礎，構建了基于該微加速度傳感器的無線鼠標系統模型，如圖3所示。

圖3　無線MEMS鼠標系統的Simulink模型

　　其中，方框內的子系統模型即是封裝好的ADXL203微加速度傳感器模型。模型最后將采樣的加速度值存入文件中，然后，通過編程來模擬微控制器中運行的不同積分算法，用Matlab來圖示各個算法的模擬結果，對于系統算法的比較和選擇有很大幫助。

　　上文通過假設每一次加速度采樣間隔內鼠標做勻加速度運動，提出了一種二次積分的近似算法，便于編程實現，可以利用鼠標系統的Simulink模型，結合編程模擬該算法，來考察它的精確性。

　　程序取采樣周期為1ms，發送周期為25ms，最后，Matlab模擬的結果如圖4和圖5所示。

　　由圖4和圖5中可以看出：由于該二次近似積分算法作了很大的簡化，再加上加速度傳感器的噪聲干擾和信號延遲、A/D轉換的誤差等多方面的因素，當鼠標位移較大時，存在一些誤差。但當鼠標位移在12cm以內時，精確度是非常理想的，這足以滿足鼠標的一般應用，更大的移動距離可以通過改變二次積分的算法來實現。

　　光電和滾輪式鼠標的分辨力通常用dots per inch (DPI)來表示，即每英寸(2.54cm)的點數，它表示鼠標在物理表面上每移動1英寸(約2.54cm)，光學傳感器所接收到的坐標點數。由于光學引擎中CMOS矩陣的像素密度和透鏡的放大倍數限制，常見光電鼠標的分辨力一般在200～400DPI。對于MEMS鼠標，可以用鼠標每移動1英寸(2.54 cm)對加速度采樣的次數來表示分辨力的大小。

　　MEMS鼠標中微控制器對加速度的最大采樣速率可以達到15000次/秒，本文只需采用1000次/秒時，取鼠標1s移動的位移為10cm，則鼠標的分辨力便達到了1000×2.54/10=254DPI，已經達到了常見鼠標的分辨力，并且，更高的分辨力可以通過提高加速度的采樣速率來實現，理論上，最大值可以達到15000/1000×254=3810DPI，遠遠高于一般光學鼠標的分辨力。

圖4　X軸的鼠標實際位移與模擬位移對照圖

圖5　Y軸的鼠標實際位移與模擬位移對照圖

　　結束語

　　本文詳細討論了基于微加速度傳感器的MEMS無線鼠標的軟件、硬件設計和系統構成，并給出了Matlab環境下系統的simulink模型和算法，模擬的結果證明：無線鼠標的設計是合理可行的，文中提出的二次積分近似算法是簡捷有效的；文中討論的二維鼠標的設計技術，能為進一步研究多維多功能的MEMS輸入設備打下很好的基礎。本文選擇硬件時，充分考慮了系統向多維和多功能擴展的可能性，可以在此二維鼠標的基礎上再添加一些器件，構成功能更多更完善的MEMS輸入設備，例如：可以再添加一個微加速度傳感器來感測Z軸的加速度，從而實現三維鼠標，可以實現對三維立體旋轉等的控制；也可以利用nRF2401射頻收發器內置的多點通信控制的特性，再多增加幾個接收模塊，可以同時控制多臺主機，或多增加幾個發射模塊，用幾個輸入設備來控制同一臺主機，以適應不同應用場合的需要。