基于微加速度计的AIR-MOUSE的研究

　　1 引言

　　鼠标是计算机最重要的外部输入设备之一, 以其快捷、准确、直观的屏幕定位和选择能力, 极大地方便了用户, 增强了系统的功能。根据鼠标测量位移原理, 可将其分为滚轮式和光电式。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的位移。把基于 MEMS 技术的微加速度计( 省电, 空间适应性好) 和RF MEMS 器件(2.4GHz, 传输距离超过 8 米) 应用于电脑输入设备, 能够脱离桌面、越过屏障、遥控操作; 可以做得更小,便于携带,可以灵活地应用于各种场合, 如多媒休教学、集体会议、工程应用控制及多媒体家庭娱乐系统等。

　　目前, 国内外对这种基于微加速度计的无线鼠标均有一定的研究。密歇根大学早就提出将双轴加速度计应用于鼠标的概念; 香港中文大学 MIDS 系统, 能同时实现鼠标和键盘的功能。本文采用AD 公司的ADXL203, 并集成NORDIC 公司的nRF2401 无线射频模块, 开发新一代基于微加速度计技术的无线空中鼠标,探索微加速度计在输入设备上的应用技术,并为进一步研究多维多功能的无线输入设备打下基础。

　　2 系统原理与设计

　　AIR-MOUSE 在空中旋转, 微加速度计来敏感其倾角, 将之与显示器 x-y 坐标对应起来, 并通过射频无线传输和 USB 接口实现与计算机的通信, 从而获得操作者的意图, 控制指针的移动方向, 最终实现空中鼠标的功能。系统的结构框图如图1 所示。

　　2.1 微加速度计ADXL203

　　电容式微加速度计ADXL203, 采用先进的各向异性刻蚀,阳极键合等MEMS 加工工艺, 由两个相对独立的固定板以及与运动体相连的中间板组成的差动电容器来测量两个方向上的加速度, 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,可以同时输出X 轴和Y 轴两个方向比较精确的加速度信号。如图2 为 ADXL203 结构原理图。重力加速度g 作为一个输入, 通过x- y 轴加速度输出值的变化来感测空间方向变化。加速度计水平放置, 因为此时敏感轴垂直g 方向, 加速度计对倾角最为敏感, 约为17.5mg/0, 当转到与g 成450时, 分辨率下降到约12.2mg/0。当加速度计水平放置时, 即x、y 轴都与地平面平行, 一个作为滚动轴, 一个作为倾斜轴, 用来测量双轴倾角。加速度值在±1g 间变化, 可以计算得出倾角为:

　　2.2 微控制器和接口设计

　　一方面, 本文利用 ARM7TDMI 微控制器芯片的高速处理能力, 可以通过增加前端加速度计的采样频率来适当提高鼠标的灵敏度。后端的分析处理主要包括三个内容: