研讨根据微加速度传感器的无线鼠标的规划，评论了MEMS无线鼠标的软件、硬件规划和体系组成，给出了Matlab环境下体系的模型和算法。模仿成果阐明：无线鼠标的规划是合理可行的，提出的二次积分近似算法是简捷有用的。
导言
微机械加速度传感器是一种典型的微机电体系（microelectromechanical system，MEMS），在航空、航天、轿车等范畴已得到了越来越广泛的运用，但根据MEMS微加速度传感器技能的无线输入设备的研讨和运用还不是许多，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运用。
鼠标是最常用的电脑输入设备，跟着PDA、笔记本、可穿戴式电脑等便携设备的盛行，传统的鼠标现已满意不了移动作业的需求。现有的滚轮式或光电式鼠标都需求一个平整的作业外表，且本身的体积也比较大。而根据微加速度传感器的无线鼠标则彻底没有这个约束，它能够无拘无束的在空中移动来操控电脑；能够做得很小，便于带着，能够灵敏地运用于各种场合，例如：能够做成供残疾人运用的头戴式鼠标，供讲演者运用的移动式鼠标等。
国外和港台地区有一些单位正在展开这方面的研讨，例如：香港中文大学Lam等人提出了一种根据微加速度传感器的虚拟键盘鼠标体系（MIDS），能一起具有鼠标和键盘的功用；Prince在他的专利中提出了一种输入设备的计划，用连在手指上的压力传感器来感测手指的动作，然后操控电脑输入；英国伯明翰大学Humphreys等人研发了一种三维鼠标，运用回转仪能够操控电脑屏幕上三维立体的旋转。本文选用美国AD公司老练的微加速度传感器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微操控器，开发新一代根据微加速度传感器技能的MEMS无线鼠标，探究微加速度传感器在输入设备上的运用技能，并为进一步研讨多维多功用的MEMS无线输入设备打下根底。
体系原理与规划
检测原理现在，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轴上的译码轮滚动，来感测鼠标位移的改动；光电式鼠标是用一个自带光源的光电传感器，跟从鼠标的移动接连记载它途经外表的“快照”，这些快照（即帧）有必定的频率、尺度和分辨力，而光电鼠标的中心——DSP经过比照这些快照之间的差异然后辨认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。
而根据MEMS技能的无线鼠标是用微加速度传感器实时丈量鼠标运动的加速度，经过两次积分转化为位移信号传输给主机，来操控光标的移动，然后完成鼠标的功用。
硬件规划如图1所示，整个无线鼠标体系分为2个子体系，远端子体系和主机端子体系。
图1无线鼠标体系结构框图
远端子体系由微加速度传感器、微操控器和nRF2401射频收发器组成。微加速度传感器选用美国AD公司出产的ADXL203微传感器，微操控器选用Atmel公司出产的ATmega 16L微操控器，该微操控器顺便有8路10位可编程的A/D转化电路，能够实时地将ADXL203加速度传感器输出的加速度模仿信号转化成加速度数字信号。
ADXL203加速度传感器在加速度为0时输出电压为2.5V，为进步A/D转化的精度，本文运用ATmega 16L内置的差分扩大功用，用差分信号将这2.5V电压给滤掉，并将差分后的电压信号扩大到与A/D转化的参阅电压相匹配。体系供电选用电器中常见的9V电池，衔接一个LM78M05稳压贴片得到稳定的5V电压，供各个模块运用。
主机端子体系由nRF2401射频收发器，串行传输接口芯片和另一个ATmega 16L微操控器组成，其间，RS232串行通讯接口芯片选用的是Maxim2IC公司的MAX233芯片，作用是将微操控器输出的5V TTL/CMOS电平转化为EIA/TIA-232-E电平，以便与电脑主机进行串行（RS232）通讯。
软件与算法规划鼠标在人的操作下移动，微加速度传感器便会实时地输出鼠标运动的加速度巨细和方向，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扩大5.0/1.7倍后，经过微操控器A/D转化功用变成与加速度巨细对应的数字信号，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，并经过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转化得到的数字量巨细为
式中［ ］表明取整数；a为加速度传感器输出的电压巨细，V.ATmega 16L单片机最大采样速率能够到达15000次/秒，本文选用1000次/秒；即每1ms采样一次，每25ms便向电脑陈述一次相对的位移改动量，以确保屏幕上鼠标指针运动的准确和滑润，则每一次陈述的位移改动量包括25次对加速度采样的数据。能够选用近似算法来对加速度信号进行二次积分，得到位移信号。
编码的意图是将X和Y方向的位移改动量，连同鼠标按键的实时信息，依照规范的Microsoft鼠标协议要求的格局进行编码，以便最终发送到主机的信息能够被电脑正确辨认，然后使电脑能正确处理发送给它的位移信号，来正确操控鼠标光标的移动等动作。表1表明的便是规范的鼠标协议规则的三字节数据包格局，第1个字节记载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，对应的方位1，不然，置0；第2和第3个字节别离记载X和Y方向位移的低6位数据。位移值的规模取-127～+127，再大的位移改动量会主动溢出。
表1 Microsoft规范鼠标协议数据包格局
体系的根本组件
MEMS微加速度传感器本文选用美国AD公司出产的电容式微加速度传感器ADXL203，如图2所示，该加速度传感器是运用各向异性刻蚀、阳极键合等硅全体加工工艺在硅资料上制作出来的，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扩大调制等处理后，能够一起在X轴和Y轴2个方向输出准确的加速度信号。
图2 ADXL203加速度传感器原理图
ATmega16L微操控器ATmega16是Atmel公司出产的根据增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微操控器，本文选用ATmega 16L微操控器，能够满意体系要求，且存在比较大的扩展性。
无线收发器材本文选用Nordic半导体公司的nRF2401射频收发器来完成位移数据的无线传输。因为nRF2401的优异功用十分合适无线鼠标的规划，而且，其内置的多点通讯操控能够为体系供给很大的扩展空间。nRF2401为2.4 GHz全球敞开频段产品，选用0.18μm工艺规划。
体系和算法的Matlab模仿
AD公司给出了ADXL203微加速度传感器的Simulink模型（拜见AD公司主页），本文以此为根底，构建了根据该微加速度传感器的无线鼠标体系模型，如图3所示。
图3无线MEMS鼠标体系的Simulink模型
其间，方框内的子体系模型便是封装好的ADXL203微加速度传感器模型。模型最终将采样的加速度值存入文件中，然后，经过编程来模仿微操控器中运转的不同积分算法，用Matlab来图示各个算法的模仿成果，关于体系算法的比较和挑选有很大协助。
上文经过假定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，便于编程完成，能够运用鼠标体系的Simulink模型，结合编程模仿该算法，来调查它的准确性。
程序取采样周期为1ms，发送周期为25ms，最终，Matlab模仿的成果如图4和图5所示。
由图4和图5中能够看出：因为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搅扰和信号推迟、A/D转化的差错等多方面的要素，当鼠标位移较大时，存在一些差错。但当鼠标位移在12cm以内时，准确度是十分抱负的，这足以满意鼠标的一般运用，更大的移动间隔能够经过改动二次积分的算法来完成。
光电和滚轮式鼠标的分辨力通常用dots per inch （DPI）来表明，即每英寸（2.54cm）的点数，它表明鼠标在物理外表上每移动1英寸（约2.54cm），光学传感器所接纳到的坐标点数。因为光学引擎中CMOS矩阵的像素密度和透镜的扩大倍数约束，常见光电鼠标的分辨力一般在200～400DPI.关于MEMS鼠标，能够用鼠标每移动1英寸（2.54 cm）对加速度采样的次数来表明分辨力的巨细。
MEMS鼠标中微操控器对加速度的最大采样速率能够到达15000次/秒，本文只需选用1000次/秒时，取鼠标1s移动的位移为10cm，则鼠标的分辨力便到达了1000×2.54/10=254DPI，现已到达了常见鼠标的分辨力，而且，更高的分辨力能够经过进步加速度的采样速率来完成，理论上，最大值能够到达15000/1000×254=3810DPI，远远高于一般光学鼠标的分辨力。
图4 X轴的鼠标实践位移与模仿位移对照图
图5 Y轴的鼠标实践位移与模仿位移对照图
结束语
本文具体评论了根据微加速度传感器的MEMS无线鼠标的软件、硬件规划和体系构成，并给出了Matlab环境下体系的simulink模型和算法，模仿的成果证明：无线鼠标的规划是合理可行的，文中提出的二次积分近似算法是简捷有用的；文中评论的二维鼠标的规划技能，能为进一步研讨多维多功用的MEMS输入设备打下很好的根底。本文挑选硬件时，充分考虑了体系向多维和多功用扩展的可能性，能够在此二维鼠标的根底上再添加一些器材，构成功用更多更完善的MEMS输入设备，例如：能够再添加一个微加速度传感器来感测Z轴的加速度，然后完成三维鼠标，能够完成对三维立体旋转等的操控；也能够运用nRF2401射频收发器内置的多点通讯操控的特性，再多添加几个接纳模块，能够一起操控多台主机，或多添加几个发射模块，用几个输入设备来操控同一台主机，以习惯不同运用场合的需求。
