基于MEMS技术的无线鼠标设计

中心议题：
    *  MEMS无线鼠标系统原理与设计
    *  系统的基本组件
    *  系统和算法的Matlab模拟
解决方案：
    *  采用美国AD公司生产的电容式微加速度传感器ADXL203
    *  采用Nordic公司的nRF2401射频收发器实现位移数据的无线传输

引言
　　
微机械加速度传感器是一种典型的微机电系统（microelectromechanicalsystem,MEMS），在航空、航天、汽车等领域已得到了越来越广泛的应用，但基于MEMS微加速度传感器技术的无线输入设备的研究和应用还不是很多，微加速度传感器用于输入设备的潜在优势还没有得到很好的应用。
　　
鼠标是最常用的电脑输入设备，随着PDA、笔记本、可穿戴式电脑等便携设备的流行，传统的鼠标已经满足不了移动办公的需要。现有的滚轮式或光电式鼠标都需要一个平坦的工作表面，且自身的体积也比较大。而基于微加速度传感器的无线鼠标则完全没有这个限制，它可以自由自在的在空中移动来控制电脑；可以做得很小，便于携带，可以灵活地应用于各种场合，例如：可以做成供残疾人使用的头戴式鼠标,供讲演者使用的移动式鼠标等。本文采用美国AD公司成熟的微加速度传感器ADXL203,并集成Nordic半导体公司最新的射频收发器nRF2401和Atmel公司的ATmega16L微控制器，开发新一代基于微加速度传感器技术的MEMS无线鼠标。
　　
1　系统原理与设计
　　
1.1　检测原理
　　
目前，常见的鼠标有2种，滚轮式和光电式。滚轮式鼠标是靠滚轮的传动带动X和Y轴上的译码轮转动，来感测鼠标位移的变化；光电式鼠标是用一个自带光源的光电传感器，跟随鼠标的移动连续记录它途经表面的“快照”，这些快照（即帧）有一定的频率、尺寸和分辨力，而光电鼠标的核心———DSP通过对比这些快照之间的差异从而识别移动的方向和位移量，并将这些位移的信息加以编码后实时地传给电脑主机。
　　
而基于MEMS技术的无线鼠标是用微加速度传感器实时测量鼠标运动的加速度，经过两次积分转换为位移信号传输给主机，来控制光标的移动，从而实现鼠标的功能。
　　
1.2　硬件设计
　　
如图1所示，整个无线鼠标系统分为2个子系统，远端子系统和主机端子系统。

图1　无线鼠标系统结构框图
　　
远端子系统由微加速度传感器、微控制器和nRF2401射频收发器组成。微加速度传感器采用美国AD公司生产的ADXL203微传感器，微控制器采用Atmel公司生产的ATmega16L微控制器，该微控制器附带有8路10位可编程的A/D转换电路，可以实时地将ADXL203加速度传感器输出的加速度模拟信号转换成加速度数字信号。
　　
ADXL203加速度传感器在加速度为0时输出电压为2.5V,为提高A/D转换的精度，本文利用ATmega16L内置的差分放大功能，用差分信号将这2.5V电压给滤掉，并将差分后的电压信号放大到与A/D转换的参考电压相匹配。
　　
系统供电采用电器中常见的9V电池，连接一个LM78M05稳压贴片得到恒定的5V电压，供各个模块使用。
　　
主机端子系统由nRF2401射频收发器，串行传输接口芯片和另一个ATmega16L微控制器组成，其中，RS232串行通信接口芯片采用的是Maxim2IC公司的MAX233芯片，作用是将微控制器输出的5VTTL/CMOS电平转换为EIA/TIA-232-E电平，以便与电脑主机进行串行（RS232）通信。
 

1.3　软件与算法设计
　　
鼠标在人的操纵下移动，微加速度传感器便会实时地输出鼠标运动的加速度大小和方向，ADXL203传感器的量程为±1.7gn,电压灵敏度为1000mV/gn,这个电压信号经过差分放大5.0/1.7倍后，通过微控制器A/D转换功能变成与加速度大小对应的数字信号，加速度经过两次积分，便变成了鼠标移动的位移信号，然后，再经过编码，并通过nRF2401射频收发器将位移信号发射出去。
　　
当加速度传感器输出电压为a时，经A/D转换得到的数字量大小为：
　　
式中　[]表示取整数；a为加速度传感器输出的电压大小，V。ATmega16L单片机最大采样速率可以达到15000次/秒，本文采用1000次/秒；即每1ms采样一次，每25ms便向电脑报告一次相对的位移改变量，以保证屏幕上鼠标指针运动的精确和平滑，则每一次报告的位移改变量包含25次对加速度采样的数据。可以采用近似算法来对加速度信号进行二次积分，得到位移信号。
　　
编码的目的是将X和Y方向的位移改变量，连同鼠标按键的实时信息，按照标准的Microsoft鼠标协议要求的格式进行编码，以便最后发送到主机的信息能够被电脑正确识别，从而使电脑能正确处理发送给它的位移信号，来正确控制鼠标光标的移动等动作。表1表示的即是标准的鼠标协议规定的三字节数据包格式，第1个字节记录的是左右按键的信息和鼠标X,Y位移的最高2个字位的数据，按键按下时，对应的位置1,否则，置0;第2和第3个字节分别记录X和Y方向位移的低6位数据。位移值的范围取-127～+127,再大的位移改变量会自动溢出。

　　
2　系统的基本组件
　　
2.1　MEMS微加速度传感器
　　
本文采用美国AD公司生产的电容式微加速度传感器ADXL203,如图2所示，该加速度传感器是利用各向异性刻蚀、阳极键合等硅整体加工工艺在硅材料上制造出来的，并在同一个基片上集成一些外围电路，对输出的加速度信号进行放大调制等处理后，可以同时在X轴和Y轴2个方向输出精确的加速度信号。

图2　ADXL203加速度传感器原理图
　　

2.2　ATmega16L微控制器
　　
ATmega16是Atmel公司生产的基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器，本文选用ATmega16L微控制器，可以满足系统要求，且存在比较大的扩展性。
     
2.3　无线收发器件
     
本文采用Nordic半导体公司的nRF2401射频收发器来实现位移数据的无线传输。因为nRF2401的优异性能非常适合无线鼠标的设计，并且，其内置的多点通信控制可以为系统提供很大的扩展空间。nRF2401为2.4GHz全球开放频段产品，采用0.18μm工艺设计。

3　系统和算法的Matlab模拟
　　
AD公司给出了ADXL203微加速度传感器的Simulink模型（参见AD公司主页），本文以此为基础，构建了基于该微加速度传感器的无线鼠标系统模型，如图3所示。

图3　无线MEMS鼠标系统的Simulink模型
　　
其中，方框内的子系统模型即是封装好的ADXL203微加速度传感器模型。模型最后将采样的加速度值存入文件中，然后，通过编程来模拟微控制器中运行的不同积分算法，用Matlab来图示各个算法的模拟结果，对于系统算法的比较和选择有很大帮助。
　　
上文通过假设每一次加速度采样间隔内鼠标做匀加速度运动，提出了一种二次积分的近似算法，便于编程实现，可以利用鼠标系统的Simulink模型，结合编程模拟该算法，来考察它的精确性。
　　
程序取采样周期为1ms,发送周期为25ms,最后，Mat2lab模拟的结果如图4和图5所示。

图4　X轴的鼠标实际位移与模拟位移对照图

图5　Y轴的鼠标实际位移与模拟位移对照图
　　

由图4和图5中可以看出：由于该二次近似积分算法作了很大的简化，再加上加速度传感器的噪声干扰和信号延迟、A/D转换的误差等多方面的因素，当鼠标位移较大时，存在一些误差。但当鼠标位移在12cm以内时，精确度是非常理想的，这足以满足鼠标的一般应用，更大的移动距离可以通过改变二次积分的算法来实现。
　　
光电和滚轮式鼠标的分辨力通常用dotsperinch（DPI）来表示，即每英寸（2.54cm）的点数，它表示鼠标在物理表面上每移动1英寸（约2.54cm），光学传感器所接收到的坐标点数。由于光学引擎中CMOS矩阵的像素密度和透镜的放大倍数限制，常见光电鼠标的分辨力一般在200～400DPI。对于MEMS鼠标，可以用鼠标每移动1英寸（2.54cm）对加速度采样的次数来表示分辨力的大小。
　　
MEMS鼠标中微控制器对加速度的最大采样速率可以达到15000次/秒，本文只需采用1000次/秒时，取鼠标1s移动的位移为10cm,则鼠标的分辨力便达到了1000×2.54/10=254DPI,已经达到了常见鼠标的分辨力，并且，更高的分辨力可以通过提高加速度的采样速率来实现，理论上，最大值可以达到15000/1000×254=3810DPI,远远高于一般光学鼠标的分辨力。
　　
4　结语
　　
本文详细讨论了基于微加速度传感器的MEMS无线鼠标的软件、硬件设计和系统构成，并给出了Matlab环境下系统的simulink模型和算法，模拟的结果证明：无线鼠标的设计是合理可行的，文中提出的二次积分近似算法是简捷有效的；文中讨论的二维鼠标的设计技术，能为进一步研究多维多功能的MEMS输入设备打下很好的基础。本文选择硬件时，充分考虑了系统向多维和多功能扩展的可能性，可以在此二维鼠标的基础上再添加一些器件，构成功能更多更完善的MEMS输入设备，例如：可以再添加一个微加速度传感器来感测Z轴的加速度，从而实现三维鼠标，可以实现对三维立体旋转等的控制；也可以利用nRF2401射频收发器内置的多点通信控制的特性，再多增加几个接收模块，可以同时控制多台主机，或多增加几个发射模块，用几个输入设备来控制同一台主机，以适应不同应用场合的需要。