基于加速度传感器的无线三维鼠标的设计

林永福，孙清泉，王志江，李尚富，饶连周，陈锦涛

(三明学院物理与机电工程学院,福建三明365004)

基于加速度传感器的无线三维鼠标的设计

林永福，孙清泉，王志江，李尚富，饶连周，陈锦涛

(三明学院物理与机电工程学院,福建三明365004)

研究了一种基于加速度传感器的无线三维鼠标。该无线三维鼠标由发送模块和接受模块组成，其中发射模块（鼠标端）采用单片机STC12C5A60S2采集并处理加速度传感器得到的数据，nRF24L01无线收发模块负责无线数据传输。接收模块通过PDIUSBD12芯片与PC机进行数据传输。该无线三维鼠标摆脱了受参考平面限制，具有一定的实用性和推广价值。

加速度传感器；无线鼠标；PDIUSBD12;MMA7455L

鼠标已成为人们最常使用的电脑外设之一。传统的鼠标感知位移的变化都是依赖于平面的，大致可以分为光电式鼠标和机械式鼠标两种。为了满足用户需求和适应不同的使用场合，一种具备悬空遥控功能和无线功能的鼠标就应运而生了，它既可以脱离平面的束缚，又可以克服连线的距离限制［1－2］。笔者运用MMA7455L加速度传感器来感知鼠标的运动信息，然后通过无线通信技术和USB接口技术，实现无线三维鼠标。

1 系统的结构

整个系统的设计是由发送模块和接收模块两大部分组成。发射模块以加速度传感器MMA7455L、单片机芯片STC12C5A60S2、NRF24L01无线射频模块为核心，实现鼠标移动信息的采集、数据的处理、以及处理后数据的发送［2－3］。接收模块由USB芯片PDIUSBD12、单片机芯片、NRF24L01无线射频模块组成，实现数据接收、建立鼠标与PC机之间的通讯［4－5］。图1为方系统框图。

2 系统硬件设计

2.1 发射模块电路设计

无线鼠标的动作检测单元由MMA7455L加速度传感器来实现。

单片机负责对NRF24L01无线射频模块和MMA7455L加速度传感器的初始化、对采集来的数据进行处理和控制，NRF24L01无线射频模块发送经处理的数据到接收模块［6］。

鼠标采用增量式旋转编码器作为滚轮编码器，编码器的公共端接地，A、B相输出引脚分别接10k的上拉电阻，然后输入到单片机的I/O口。

MMA7455L加速度传感器通过IIC总线与单片机通信；NRF24L01无线射频模块通过SPI总线与单片机通讯。串行总线的使用，使整个系统具有简单稳定的特点。图2是发射模块的电路原理图。

图1 无线三维鼠标系统框图

图2 发送模块电路原理图

2.2 接收模块电路设计

接收模块主要由单片机、无线射频模块、USB模块等相关电路构成，如图3所示。

系统采用的USB芯片是Philips公司的PDIUSBD12芯片，该芯片符合USB1.1规范［4－5］。它是一款内部集成了320 B的FIFO缓存、SIE、收发器以及电压调整电路和终端电阻器的性价比很高的USB器件，支持本地的DMA传输。有一个2 MB／s速率的并行接口，同时芯片提供了多重中断模式，这有利于批量和等时数据的传输。芯片的双倍输入输出缓冲，使得在批量模式和同步模式下都可以达到1 MB／s数据传输率。

USB芯片PDIUSBD12的8根数据引脚（DATA0－DATA7）与单片机的P0口相连接，并采用10 k的排阻作为上拉电阻；中断请求引脚INT＿N与单片机P2.6连接；读写选通信号RD＿N和WR＿N分别与单片机的P1.0和P1.1连接；因为没有启用DMA功能，所以DMREQ，DMACK＿N，EOT＿N等几个与DMA传输有关的引脚被悬空或者接地。复位引脚RESET＿N接电源，上电自动复位；为了可以直接观察USB设备的运行状态，就在GL＿N引脚接入一个LED指示灯；XTAL1和XTAL2接6MHZ晶振，A0地址线，这里采用I／O口模拟，接单片机的P1.2；CS＿N为片选信号，接单片机P3.4；D＋和D－是USB的差分数据线分别串联一个10 Ω的阻抗匹配电阻，后接USB插头上。接收模块没有额外添加供电电源，而是采用计算机的USB直接供电。

图3 接收模块电路原理图

3 软件设计

软件开发是使用KEIL的uVision4集成开发环境，这是一个基于Windows具有功能强大的编辑器和项目管理器的软件开发平台。

3.1 发射端软件设计

无线鼠标的发送端主要分为三部分，分别是MM7455L模块采集运动数据、运动数据处理以及通过无线模块NRF24L01发送数据。发送端软件结构图如图4所示。

MMA7455L分别可选为±2、±4和±8 g的灵敏度，其灵敏度适用环境如下：

（1）自由落体检测（±2g）：笔记本、手机和移动硬盘驱动。

（2）摇摆（±4 g）：测量电机稳定性。

（3）步程计（±8 g）：生理学和跑步。

在此选择2 g作为无线鼠标的姿势检测灵敏度。

鼠标滚轮采用的是增量式旋转编码器，增量式旋转编码器是一种光电精密传感器，它通过内部两个光敏接受管来感应角度码盘的时序和相位关系，得到其角度码盘角度位移量减少（负方向）或增加（正方向），增量式旋转编码器的运动周期的时序如图5所示。

3.2 接收端软件设计

接收端的软件主要由两部分组成：第一，初始化硬件设备，包括无线射频模块初始化、PDIUSBD12芯片的初始化以及建立USB设备与计算机之间的通讯。第二，接收来自发送端的鼠标信息，将其包装成符合HID协议的报告，然后传送给计算机。接收端软件结构如图6所示。

图4 发送端系统流程图

图5 增量式编码器的运动周期的时序图

图6 接收端系统流程图

4 结论

提出了一种无线三维鼠标的设计方案，使鼠标成为一种可以脱离平面，在三维空间中任意移动的控制设备，这种设备的控制方式打破了传统方式，更贴近人们的使用习惯，操作更加方便，使用更加自由。在此基础之上，可以进一步集成其它类型的传感器，使得本开发设计适用于更多需人机交互式的领域和场合，例如，远程控制，虚拟键盘，远距离遥控鼠标等。

［1］张继光，羊彦，李伟.基于组合微惯性测量元件的人体动作检测系统设计［J］.传感技术学报，2010，23（2）：162－167.

［2］蔡猛.基于ZigBee技术的无线非接触式鼠标的研制［D］.大连：大连理工大学，2008.

［3］李国峰，王锦，张勇，等.基于MEMS加速度传感器的智能输入系统［J］.传感技术学报，2009，22（5）：643－646.

［4］许永和.8051单片机USB接口程序设计［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2004.

［5］方汝炤，叶腾达，饶连周，等.基于USB和蓝牙的单片机温度监测系统的设计［J］.三明学院学报，2010，27（6）：542－546.

［6］钱莉，陈文元，黄得志，等.基于MEMS技术的无线鼠标［J］.北京电子科技学院学报，2005，13（4）：76－78.

Design of Wireless 3D Mouse Aased on Acceleration Sensor

LIN Yong-fu，SUN Qing-quan，WANG Zhi-jiang，LI Shang-fu，RAO Lian-zhou，CHEN Jin-tao
(College of Physics and Electromechanical Engineering,Sanming University,Sanming 365004,China)

A kind of wireless 3D mouse based on the acceleration sensor is investigated.The mouse is made up of sending modules and accepting modules.The sending modules(the mouse side)use the singlechip STC12C5A60S2 to collect and process the data obtained by the acceleration sensor,and wireless transceiver module nRF24L01 is responsible for wireless data transmission.The receiving modules do the data transmission through the PDIUSBD12 chip and PC.The wireless 3D mouse which gets rid of the restrictions by reference plane,thus it has certain practicability and popularization value.

acceleration sensor;wireless mouse;PDIUSBD12;MMA7455L

TP334.2

A

1673-4343（2013）02-0038-04

2012-10-28

大学生创新性实验计划项目（201211311009,201211311014,ZL1216/CS(sj)）;“卓越工程师”教育培养计划改革试点项目（SD1108）;三明学院教学改革项目(L1116/Q)

林永福，男，福建尤溪人，大学生；通信作者：饶连周，男，福建明溪人，教授。研究方向：光电技术与自动控制。