基于MEMS技術的多媒體空中鼠標

于 帥, 趙 玫,2,楊智博, 楊洪勇

(1.魯東大學 信息與電氣工程學院，山東 煙臺 264025; 2.哈爾濱工業大學 電氣工程及其自動化學院，哈爾濱 150001)

基于MEMS技術的多媒體空中鼠標

于 帥1, 趙 玫1,2,楊智博1, 楊洪勇1

(1.魯東大學 信息與電氣工程學院，山東 煙臺 264025; 2.哈爾濱工業大學 電氣工程及其自動化學院，哈爾濱 150001)

針對現有空中無線鼠標存在通信距離短、電池供電局限性等問題, 采用通信距離更長的2.4GHz無線傳輸模塊以及可循環充電利用的鋰電池對空中無線鼠標系統進行了改進；同時系統接收端采用USB設備通信，將大容量存儲設備與鼠標設備整合復用，并實現二者功能的任意切換，從而提高了該鼠標系統適應實際應用環境的能力;本系統采用多傳感器信息融合技術，對三軸陀螺儀和三軸加速度計的數據進行實時采集，將采集到的數據傳送給STM32微控制器，用于計算鼠標的位移、角度、角速度等參數；利用無線傳輸模塊將數據發送到接收端完成與計算機的通信，控制電腦并完成鼠標的功能，同時USB設備的接收端可免插拔切換為U盤模式；從而實現基于MEMS技術的多媒體空中無線鼠標的智能化和多功能化。

微機電技術；空中鼠標；陀螺儀;加速度傳感器；USB設備

0 引言

自鼠標誕生以來以其快捷、準確、直觀的屏幕定位和控制能力，方便了用戶與計算機系統之間的交互，極大地增強了系統的功能。受制于鼠標的工作原理，在使用場合以及適用范圍上有著很大的局限性，使鼠標很難脫離載體而獨立工作。隨著技術的進步，時下鼠標的種類愈來愈多，并且越來越多的跨界功能融入鼠標，使得鼠標的功能更加多樣化。文獻[1]設計了一種基于光學鼠標傳感器的轉速測量的鼠標，它能準確判別轉向并且在1 000 r/min范圍內具有良好的線性度和快速響應性。文獻[2]的鼠標系統融合了AD 公司的ADXL203MEMS微加速度計和無線射頻技術，使該鼠標系統能達到比傳統鼠標更高的控制精度、更高的 DPI，實現無按鍵的操作。同時針對鼠標在 PC 機屏幕上移動是在平面上的特點開發出一種利用三向加速度傳感器 MMA7455L 作為移動信號采集的鼠標，可以真正的實現鼠標由平面轉向三維空間的自由操作[3]。文獻[3]使用 MMA7455L 加速度傳感器代替傳統光電傳感器作為鼠標移動信息的采集源，通過移動補償算法，減少了三維空間移動路徑轉化為平面移動的誤差，實現鼠標的功能。文獻[4]針對許多應用場合如床上、長途汽車座位上沒有桌面存在，傳統的光電鼠標就不方便應用的問題。提出一種基于微機電系統慣性傳感器的鼠標設計方法。

本文是根據空中定位以及MEMS (micro-electro-mechanical systems)技術的原理，采用多傳感器信息融合技術設計一款具有智能化和多功能化的多媒體無線空中鼠標。本系統利用STM32處理器對加速度計以及陀螺儀的數據進行采集，并將采集后的數據利用RF射頻器發送到系統的接收端，再通過USB接口實現與電腦端實行通信，進而實現鼠標的各種功能。系統具有良好的容錯能力以及適應實際應用環境的能力，同時采用了可循環充電技術，具有良好的快捷充電，節能環保的優勢，此外，本系統通過將存儲設備與鼠標設備整合復用，因此對于教師、職員、以及各種需要公開演講的人群來說，可以將文件方便快捷的存入到鼠標的接收端，便于保存管理。

1 多媒體空中鼠標系統整體設計方案

本文利用發射端和接收端的協同工作共同實現多媒體空中鼠標的功能。發射模塊集成在手持端，由使用者控制。接收模塊用來連接電腦或手機等設備。

空中鼠標系統主控制無線發射模塊主要由姿態傳感器、STM32微控制器、無線傳輸模塊、電池充電管理單元以及激光燈組構成。首先MEMS傳感器通過感知使用者的動作來檢測加速度以及角速度等參數，解算出獲得鼠標姿態所必須的四元數以及歐拉角，與此同時獲得發射模塊按鍵信息。然后，利用無線傳輸完成發射端與接收端的通信功能，最后接收端將接收到的數據以報告描述符的形式發送給USB主機。

空中鼠標系統接收模塊主要由基于Cortex-M3內核的STM32微控制器、SD卡驅動電路、NRF24L01射頻模塊構成。當接收端切換為存儲模式時，SD卡用來作為存儲介質。接收模塊的主要完成的工作是將發射端發來的數據通過USB總線發送給PC，而完成對PC設備端的遠距離控制。同時USB 口既可以為充電式電池充電，也能供電給電源管理芯片。系統主要工作原理框圖如圖1所示。

圖1 多媒體空中鼠標系統工作原理框圖

1.1 無線傳輸方式選擇

本文采用Nordic 公司的 nRF24L01 射頻收發芯片來實現鼠標位移和控制信息的無線通信。NRF24L01[5]是一款工作在2.4～2.5 G 的 ISM 頻段的單片無線收發器芯片[5]，集成度高而且價格比較低，包括頻率發生器、增強型 Shock-Burst 模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器和解調器。NRF24L01具有低功耗、低工作電壓、抗干擾性強、穩定性高等特性。此外，它內置的多點通信控制可以為系統提供很大的擴展的空間，是一款應用比較廣泛的無線通訊芯片，比較適合應用于游戲控制器、無線收音、計算機外設等設備。

1.2 微控制器選擇

本文采用由意法半導體 (ST)公司生產的Cortex_M3 STM32作為系統核心處理器。系統在發送端采用STM32F030C8T6處理器，原因是它能夠滿足本文對較低的功耗、較快的處理速度以及低調試成本等要求；同時其具有便捷的開發環境、極高的性價比及功能性等特點。系統在接收端采用的是STM32F103C8T6處理器，主要面向低端以及低功耗應用，它同STM32F103C8T6處理器一樣具有相似的特點，是作為替換8/16位MCU的最佳選擇。

1.3 USB系統工作模式

一方面本文使用Micro SD卡與USB功能相結合來設計模擬U盤。另一方面，利用USB的人機接口功能完成鼠標設備的基本功能。USB系統是由主機Host以及從機Device (設備) 組成的一種主從的結構系統。一般的主機通常由單個或者幾個USB主控制器以及根集線器(Root Hub)構成。數據處理是USB主控制器的首要任務，連接主控制器和設備的任務則由根集線器來完成，他們之間的接口和通路也有根集線器來完成。

2 多媒體無線空中鼠標系統的硬件設計

2.1 電源管理電路

本文的手持發射端選用可充電鋰電池供電，采用Micro-USB標準接口充電，放電電壓區間是3.3～3.7 V。系統采用的充電管理芯片為TP4056，是一款恒流/恒壓線性充電管理芯片，同時還具有溫度檢測功能，防止充電溫度過高，具有充電指示和充電結束兩種LED狀態指示。

鋰電池充滿電時電壓高達4.2 V，而CPU供電為3.3 V左右，因此需要通過穩壓芯片將電壓穩定在3.3 V附近。在本文中發射端選取的穩壓芯片同接收端一樣，同為SPX3819。該芯片具有電壓輸出噪聲較低以及低壓差特性，比較適合本文所用的充電電池情況。充電管理單元電路及穩壓電路如圖2和3所示。

圖2 充電管理單元電路

圖3 穩壓電路

2.2 晶振與濾波電路

晶振電路的作用在于向CPU以及其它電路提供工作時鐘。在電源和地之間的電容為去耦電容，去耦電容起到去除噪聲和蓄能的功能。

和去耦電容位置不同的電容被稱為旁路電容，它們都能降低電路的干擾。在相同的電路中：旁路電容的主要作用是濾除輸入信號帶來的高頻噪聲，而去耦電容的主要作用是濾除輸出信號中的干擾信號。晶振與濾波電路如圖4所示。

圖4 晶振與濾波電路

2.3 MEMS傳感器電路

微機電系統主要包括微型機構、微型傳感器、微型執行器和相應的處理電路等幾部分，而且融合了多種微細加工技術[6]。MEMS主要利用微型陀螺儀以及加速儀工作，能夠感知運動的速度與方向。由于加速度傳感器不能實現對載體運動的快速跟蹤，導致加速度傳感器在較短時間內容易產生波動，本文在鼠標設計中將加速度傳感器作為輔助傳感器用來校正陀螺儀積分產生的偏差[6-10]。

同時MPU6050分別能檢測三軸加速度以及角速度，該傳感器數據采集精度高且功耗合理 (工作電流為6 mA，休眠模式下為25 μA)。MPU6050整合了三軸陀螺儀和三軸線加速度計，避免了加速度計和陀螺儀組合時的軸間差問題，并且減小了包裝空間；并能夠以400 kHz 的速度提供 16 位精度的加速度數據。因此本文選用MPU6050模塊，保證了數據的可靠性。同時采用最高速度為400 kHz的I2C接口在設備內部的寄存器之間進行通信，MPU-6050芯片內部加速度計和陀螺儀的輸出精度為3個16位可調ADC輸出，并將輸出的模擬量轉換為單片機采樣需要的數字量。MPU6050具備I2C通信接口，其外圍電路如圖5所示。

圖5 MPU6050模塊電路

2.4 2.4 G無線接口電路

NRF24L01 是通過 SPI 串口來實現全部的 30 字節配置字的配置任務。NRF24L01與MCU的通信可通過IO軟件模擬SPI的方法或者硬件SPI接口兩種方式實現。IO口軟件模擬的方式可方便器件與各種MCU進行通信，節省MCU的硬件資源。其原理圖如圖6所示。

圖6 NRF24L01通信模塊電路

2.5 接收端系統硬件原理圖設計

電腦USB端口通過檢測D+或者D-是否被拉高來判斷是否有USB設備插入。上拉電阻是接在D+上時對應的是全速以及高速設備，接在D-上時對應的為低速設備。另外NPN型三極管Q1作為上拉電阻的開關，在程序中通過對三極管的控制可以實現軟插拔的功能。USB接口電路如圖7所示。

圖7 USB接口電路

SPI模式下需要注意SD卡的電平匹配問題，工作電壓為5 V的單片機需要通過三極管或其它方法進行電平匹配或者采用串電阻限流的方法。SD卡接口電路如圖8所示。

圖8 SD卡接口電路

3 多媒體無線空中鼠標系統的軟件設計

3.1 發射端系統軟件設計

在發射端的軟件系統設計中，主要用到了姿態解算、按鍵處理、數據發送等任務調度與任務間的通訊功能。首先，給微控制器上電復位以后，需立即對外設進行初始化。其次，數據通過發射端設備的自檢系統檢測，若通過，則進行下一步的任務, 即系統進行數據發送、按鍵處理以及鼠標系統的姿態解算等任務的處理。否則，系統將再次檢測數據直到通過為止。最后，系統進行數據發送、按鍵處理以及鼠標系統的姿態解算等任務的處理。發射端鼠標動作任務調度和通訊處理的流程如圖9所示。

圖9 發射端流程圖

3.2 接收端系統軟件設計

多媒體空中鼠標的接收端是整個程序最基礎的部分，涉及到任務之間以及USB功能之間的切換。因此首先要實現對USB HID設備類的程序設計(即先完成USB作為鼠標接收端的功能)；其次要完成SPI對SD卡的驅動，在文件系統下能實現對SD卡的正常讀寫功能接收端的程序設計；最后，在實現以上功能的基礎上完成USB大容量存數程序的移植，并能夠實現帶電狀態下的動態切換。完成上述過程就初步實現了鼠標功能和U盤存儲功能。與發送端采用了相同的結構與任務調度方法。接收端流程圖如圖10所示。

圖10 接收端流程圖

4 多媒體無線空中鼠標系統

4.1 多媒體無線空中鼠標系統實物平臺

通過對多媒體空中鼠標系統發射端和接收端的硬件、軟件設計以及在MDK開發環境下調試，得到了本文所設計的多媒體空中鼠標的實物圖，如圖11所示。

4.2 發射端姿態讀取及計算實驗驗證

鼠標發射端姿態傳感器MPU6050集成三軸加速度計與三軸陀螺儀。每個陀螺儀各自負責檢測相應軸的轉動速度，也就是檢測圍繞各個軸轉動的角速度。為校正角速度積分產生的誤差提高精確度，本文將加速度計作為鼠標平臺的一個觀測量用來輔助校正陀螺儀。角速度經過預處理之后就能得到較高響應度的鼠標偏轉角即翻滾角、俯仰角、偏航角。可以看出，鼠標具有較高的靈敏度。鼠標工作過程中對角度的響應如圖12所示。

圖11 多媒體無線空中鼠標系統實物圖

圖12 工作中的鼠標角度響應

5 結論

本文首先給出了無線空中鼠標系統的整體設計方案，主要包含鼠標的接收端和發射端兩方面的設計以及無線傳輸模式、微控制器等選擇。其次是系統硬件的設計，主要包括接收端電源管理電路、晶振與濾波電路、MEMS傳感器電路、2.4 G無線接口等電路。再次給出了系統軟件的實現過程，包括計算系統狀態、實現數據通信、完成USB和SD卡掃描等任務。最后通過發射端姿態讀取及計算實驗驗證該系統具有較高的靈敏度,可以較好的實現鼠標系統的功能。實驗證明，本文所設計的空中無線鼠標對現在的工作環境具有很廣的適應性，并且更加靈敏和環保，相信對未來無線空中鼠標的發展具有一定的借鑒意義。

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Multimedia Air Mouse Based on MEMS Technology

Yu Shuai1, Zhao Mei1,2, Yang Zhibo1, Yang Hongyong1

(1.School of Information and Electrical Engineering, Ludong University, Yantai 264025, China; 2.Department of Electrical Engineering and Automation, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

The air wireless mouse system adopted much longer communication distance 2.4 GHz wireless transmission module and a rechargeable lithium battery is improved, in order to solve the existing problem of wireless air mouse, such as the shorter communication distance, the limitations of battery-powered and so on. It is well-adapted to the practical application environments that the receiver through the USB protocol can be reused as the massive storage device.The air wireless mouse system is adopted multi-sensor data fusion technology. Firstly, the real-time collected data through the three axis gyro and three axis accelerometer is transmitted to the STM32 microcontroller, used to calculate the mouse displacement, angle, angular velocity and other parameters. These datas will be sent to the receiver by wireless transmission module to achieve communication with the computer, which is controlled to perform the function of the mouse, the receiver of the USB device can be switched to plug-free U disk mode. The multimedia wireless air mouse achieve an intelligent and multi-functional task based on MEMS technology.

MEMS technology; air mouse； gyroscope; acceleration sensor；USB devices

2016-06-11；

2016-09-13。

國家自然科學基金資助項目(61273152,61304052；51407088)；2015年地方高校國家級大學生創新創業訓練計劃項目(201510451088)。

于 帥(1995-)，男，碩士研究生，主要從事智能控制，嵌入式系統方向的研究。

楊洪勇(1967-)，男，教授，博士，主要從事多智能體編隊控制方向的研究。

1671-4598(2017)01-0114-05DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

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