基于微加速度計(jì)的無(wú)線教鞭的設(shè)計(jì)

汪 濤，張持健

（安徽師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院 ,安徽 蕪湖 241000）

目前多媒體教學(xué)或會(huì)議演示中已經(jīng)用到無(wú)線教鞭，但是更多的只能用來(lái)文檔的翻頁(yè)，所以使用時(shí)還得配合有線或無(wú)線的鼠標(biāo)，正由于這種傳統(tǒng)的機(jī)械式或光電式鼠標(biāo)不能脫離平坦有摩擦的工作表面，自身體積大，工作空間受限制，移動(dòng)不自由，所以我們開發(fā)出了基于微加速度計(jì)的無(wú)線教鞭。

國(guó)外和港臺(tái)地區(qū)有一些單位早些年已經(jīng)開展了這方面的研究,近些年國(guó)內(nèi)對(duì)該技術(shù)的研究日趨成熟，2002年?yáng)|南大學(xué)的李宏生申請(qǐng)了名為“移動(dòng)式全電子慣性鼠標(biāo)”的實(shí)用新型專利，它利用加速度計(jì)檢測(cè)到的加速度信號(hào)經(jīng)過(guò)積分并分頻后產(chǎn)生速度脈沖，再配合專用的鼠標(biāo)IC芯片實(shí)現(xiàn)[1]。2004年清華大學(xué)工程物理系張樂(lè)平成功設(shè)計(jì)了一種基于加速度計(jì)的慣性鼠標(biāo)，通過(guò)傾斜使用1的方式，獲得了很好的效果[2]。2006年上海交通大學(xué)微納科學(xué)技術(shù)研究院黃得志等人成功設(shè)計(jì)出了一種基于微加速度傳感器的無(wú)線鼠標(biāo)[3]，以上3種鼠標(biāo)可以說(shuō)做的很好，但是他們使用專門的編碼和解碼芯片或?qū)Ｓ玫腁D轉(zhuǎn)換、鼠標(biāo)IC芯片或高性能的微控制器，這樣相應(yīng)地增大了板的體積，也增加了成本，我們基于此開發(fā)出了基于微加速度計(jì)ADXL345的無(wú)線教鞭，該加速度計(jì)集成了AD轉(zhuǎn)換功能可以將采集的加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，微控制器采用功耗小、價(jià)格低的AT89S52，它的無(wú)線傳輸距離能達(dá)到30～60 m，是傳統(tǒng)鼠標(biāo)的2～4倍，能在教師和會(huì)議室的任何位置遙控主機(jī)端光標(biāo)的動(dòng)作，完美的結(jié)合了傳統(tǒng)鼠標(biāo)和激光筆的功能，體積可以做的很小，便于攜帶，靈活應(yīng)用與各種場(chǎng)合，并且該無(wú)線教鞭符合人體工程學(xué)的設(shè)計(jì)，能預(yù)防鼠標(biāo)手的出現(xiàn)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)分為兩部分，遠(yuǎn)端用戶控制子系統(tǒng)和主機(jī)端信號(hào)接收子系統(tǒng)。遠(yuǎn)端用戶控制子系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集鼠標(biāo)位移信息和按鍵信息，并發(fā)送給主機(jī)端信號(hào)接收子系統(tǒng)。主機(jī)端信號(hào)接收子系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)接收到的信息進(jìn)行編碼并與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，控制計(jì)算機(jī)執(zhí)行相關(guān)操作。

遠(yuǎn)端子系統(tǒng)由微加速度計(jì)、微控制器和無(wú)線射頻接收器組成。首先，遠(yuǎn)端子系統(tǒng)采集微加速度計(jì)ADXL345的信號(hào)，將其通過(guò)特殊的積分算法轉(zhuǎn)化為位移量。然后，遠(yuǎn)端子系統(tǒng)綜合位移信號(hào)和按鍵信號(hào)，按照無(wú)線模塊定義的格式對(duì)信號(hào)進(jìn)行編碼，最后通過(guò)無(wú)線射頻模塊將編碼好的數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)端子系統(tǒng)。

主機(jī)端子系統(tǒng)由無(wú)線射頻收發(fā)器、微控制器和USB控制芯片組成。USB控制芯片USBPDID12負(fù)責(zé)主機(jī)端子系統(tǒng)與上位機(jī)之間的USB通訊控制。主機(jī)端子系統(tǒng)通過(guò)USB接口與上位機(jī)相連后，上位機(jī)操作系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)加載HID類設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，完成主機(jī)端和上位機(jī)的連接。然后主機(jī)端微控制器接收無(wú)線模塊nRF24L01傳輸?shù)奈灰坪桶存I信號(hào)，進(jìn)而控制光標(biāo)的移動(dòng)和按鍵的操作。

如圖1所示，為遠(yuǎn)端用戶控制子系統(tǒng)和主機(jī)端信號(hào)接收子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方框圖。

圖1 系統(tǒng)原理圖Fig.1 The principle diagram of the system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 遠(yuǎn)端子系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

1)微加速度計(jì)模塊

ADXL345是ADI公司的三軸數(shù)字加速度傳感器，工作原理是首先由前端感應(yīng)器件感測(cè)加速度的大小，然后由感應(yīng)電信號(hào)器件轉(zhuǎn)為可識(shí)別的模擬電信號(hào)，ADXL345中集成了AD轉(zhuǎn)換器，可以將此模擬信號(hào)數(shù)字化，輸出的是16位的二進(jìn)制補(bǔ)碼。最值得一提的它集成了一個(gè)32級(jí)先進(jìn)先出(FIFO)存儲(chǔ)器管理系統(tǒng)，可用于輸出數(shù)據(jù)的緩沖，降低主機(jī)處理器負(fù)荷，并降低整體系統(tǒng)功耗。

該芯片主要應(yīng)用于消費(fèi)電子的微型慣性器件，最大可感知±16 g的加速度,感應(yīng)精度可達(dá)3.9 mg/LSB，傾角測(cè)量典型誤差小于1°,超低功耗。通過(guò)其內(nèi)置的ADC將加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量存放在片內(nèi)緩沖區(qū)，在實(shí)際使用中，為提高輸出數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性,設(shè)置感應(yīng)范圍為±2 g，感應(yīng)精度為3.9 mg，可以滿足人體動(dòng)作加速度范圍與精度要求。

ADXL345可以通過(guò)SPI總線或I2C總線與單片機(jī)連接，本產(chǎn)品選擇的單片機(jī)模塊AT89S52不具有SPI和I2C接口，所以我們采用I/O口模擬I2C總線或SPI總線接口的方法連接。

2)按鍵電路模塊

按鍵電路模塊主要考慮消抖的問(wèn)題，我們這里采用軟件延時(shí)消抖，不過(guò)沒(méi)有采用在主程序中延時(shí)，這樣很浪費(fèi)系統(tǒng)資源，而是用定時(shí)器延時(shí)設(shè)置標(biāo)志變量的方法。

2.2 主機(jī)端子系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

圖2 主機(jī)端硬件連接示意圖Fig.2 The hardware connection diagram of the host

如圖 2，微控制器通過(guò) P1口（P1.4～P1.7）模擬四線制的SPI總線與nRF24L01連接，控制信號(hào)的接收與處理，接收的信號(hào)通過(guò)P0及其他控制端口傳給USB接口芯片PDIUSBD12進(jìn)而控制主機(jī)端光標(biāo)的移動(dòng)，其中nRF24L01無(wú)線射頻模塊是一款新型單片射頻收發(fā)器件,工作于2.4 GHz ISM頻段，最高工作速率達(dá)2Mbps,信號(hào)空中傳輸時(shí)間很短，極大降低了無(wú)線傳輸中的碰撞現(xiàn)象和電流消耗，該芯片融合了增強(qiáng)型ShockBurst技術(shù)，能自動(dòng)處理字頭和CRC效驗(yàn)碼，使用方便。該芯片功耗低,在以-6 dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流只有9mA;接收時(shí)，工作電流只有12.3 mA，多種低功率工作模式（掉電模式和空閑模式），使節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。

PDIUSBD12是Philips公司的一個(gè)性能優(yōu)化的USB器件，通常用于基于微控制器的系統(tǒng)，并通過(guò)高速通用并行接口與微控制器進(jìn)行通信，而且支持本地DMA傳輸。PDIUSDB12完全符合USB1.1規(guī)范，也能適應(yīng)大多數(shù)設(shè)備類規(guī)范的設(shè)計(jì)，如成像類、大容量存儲(chǔ)類、通信類、打印類和人工輸入設(shè)備等。PDIUSBD12還集成了SoftConnect、GoodLink、可編程時(shí)鐘輸出、低頻晶振和終端電阻等特性。所有這些特性都能在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)節(jié)省成本，同時(shí)在外圍設(shè)備上很容易實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的USB功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 遠(yuǎn)端子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1.1 發(fā)送和接收模塊

無(wú)線RF射頻收發(fā)模塊nRF24L01通過(guò)SPI總線連接用戶端和主機(jī)端，在使用時(shí)要分別對(duì)其配置，用戶端配置為發(fā)射模式，主機(jī)端配置為接收模式，并且要嚴(yán)格按照其數(shù)據(jù)格式及流程發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

3.1.2 微加速度計(jì)模塊

1)寄存器中數(shù)據(jù)的重建

微加速度計(jì)ADXL345與微處理器之間通過(guò)I2C總線連接，它們之間的數(shù)據(jù)傳輸需要遵循I2C總線協(xié)議，寄存器0x32至寄存器0x37分別保存x、y、z軸輸出數(shù)據(jù)，輸出數(shù)據(jù)為二進(jìn)制補(bǔ)碼，DATAx0為最低有效字節(jié)，DATAx1為最高有效字節(jié)，其中x代表X、Y或Z。因?yàn)?ADXL345為16位數(shù)據(jù)格式，從數(shù)據(jù)寄存器中獲取加速度數(shù)據(jù)后，用戶必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重建。我們利用接口函數(shù)Multiple_read_ADXL345（）多字節(jié)連續(xù)讀取寄存器的數(shù)據(jù)，然后將高字節(jié)左移8位和低字節(jié)8位相或的方法對(duì)數(shù)據(jù)重建,且對(duì)我們來(lái)說(shuō)，只需X和Z方向的加速度數(shù)據(jù)即可，程序如下：ADXL345_DataReconstrution（）

{ unsigned int Acceleration[2];

2)微加速度計(jì)ADXL345與普通鼠標(biāo)精度的比較

現(xiàn)在市面上普通光學(xué)鼠標(biāo)主流分辨率為400DPI，即每移動(dòng)1英寸可反饋400個(gè)不同點(diǎn)的坐標(biāo)，也即該鼠標(biāo)的分辨率為25.4mm/400=0.063 5mm。而ADXL345采用13位或10位的分辨率模式，此模式可以通過(guò)DATA_FORMAT寄存器(地址0x31)進(jìn)行設(shè)置，除此之外，該寄存器還可以設(shè)置g的范圍，有±2 g，±4 g，±8 g，±16 g，該教鞭選擇 10 位模式，±2 g 已經(jīng)能滿足對(duì)分辨率的要求，此時(shí)分辨率為4 g/1024LSB=3.9 mg/LSB,我們是將采集到的加速度數(shù)據(jù)采用16進(jìn)制數(shù)字方式存儲(chǔ)在寄存器中，然后取出數(shù)據(jù)重建劃分步長(zhǎng)后，通過(guò)無(wú)線傳送至接收端控制鼠標(biāo)的移動(dòng)，而USB鼠標(biāo)報(bào)告描述中規(guī)定，若接收到的數(shù)據(jù)為1則移動(dòng)一個(gè)像素，假設(shè)尺寸為300 mm*190mm的14寸顯示器，分辨率設(shè)置為1 024*768,那么橫向最小點(diǎn)間距為300 mm/1 024=0.293 0 mm,雖然這個(gè)數(shù)據(jù)沒(méi)有普通光學(xué)鼠標(biāo)高，但是對(duì)于一般教鞭已經(jīng)足夠，最重要的是我們可以通過(guò)軟件設(shè)置步長(zhǎng)，可以在教鞭微動(dòng)的時(shí)候做出準(zhǔn)確移動(dòng)，在需要情況下大幅晃動(dòng)教鞭能夠快速將光標(biāo)移動(dòng)到屏幕邊緣，符合人體工程學(xué)的要求，并且我們可以改變g值，分辨率模式及步長(zhǎng)來(lái)自由調(diào)整教鞭的移動(dòng)。設(shè)置的步長(zhǎng)程序如下：

3.2 主機(jī)端子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖3為接收端主程序流程圖，該接收端軟件部分主要包括：PDIUSBD12固件驅(qū)動(dòng)，USB設(shè)備的枚舉過(guò)程。為了使軟件可移植性強(qiáng)、易維護(hù)，采用分層的方法編寫PDIUSBD12的驅(qū)動(dòng)程序。USB驅(qū)動(dòng)程序分成接口和設(shè)備控制驅(qū)動(dòng)層、協(xié)議層和應(yīng)用層。應(yīng)用分層的方法編寫的程序條理清晰，可移植性好。而USBHID類是比較大的一個(gè)類，HID類設(shè)備屬于人機(jī)交互操作的設(shè)備。使用HID設(shè)備的一個(gè)好處就是，操作系統(tǒng)自帶了HID類的驅(qū)動(dòng)程序，而用戶無(wú)需去開發(fā)很麻煩的驅(qū)動(dòng)程序，只要直接使用API調(diào)用即可完成通信。所以我們將USB設(shè)備枚舉成HID設(shè)備，這樣就可以不用安裝驅(qū)動(dòng)而直接使用。USB設(shè)備的枚舉過(guò)程實(shí)際上就是告知PC設(shè)備描述類型。當(dāng)插入U(xiǎn)SB設(shè)備后，主機(jī)會(huì)向設(shè)備請(qǐng)求各種描述符來(lái)識(shí)別設(shè)備，包括5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)描述符：設(shè)備描述符、配置描述符、接口描述符、端點(diǎn)描述符、字符串描述符和3個(gè)HID設(shè)備類特定描述符：HID描述符、報(bào)告描述符、實(shí)體描述符。當(dāng)主機(jī)從它的描述符中知道了能夠知道的所有信息后，便開始為這個(gè)設(shè)備安裝驅(qū)動(dòng)程序。此時(shí)USB枚舉過(guò)程結(jié)束，設(shè)備可以正常使用了。

圖3 主機(jī)端子系統(tǒng)軟件流程圖Fig.3 The software flow chat of the subsystem of the host

4 結(jié)束語(yǔ)

本文應(yīng)用微加速度計(jì)和無(wú)線RF模塊,實(shí)現(xiàn)無(wú)線遙控的鼠標(biāo)操作。遙控有效距離可達(dá)30～60m，功耗小，成本低，而且遙控?zé)o指向性，能大大增強(qiáng)多媒體的人機(jī)交互性能。而且該成品外觀設(shè)計(jì)合理，手感舒適，符合人體工程學(xué)設(shè)計(jì)，能防止鼠標(biāo)手的出現(xiàn)。

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