USB姿態(tài)感應(yīng)游戲手柄設(shè)計(jì)

桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院 陳奇生 梁桂英

0 引言

隨著社會(huì)信息技術(shù)的發(fā)展，各種各樣的游戲也成為了廣大市民日常必備的娛樂(lè)項(xiàng)目之一。想要玩大型的游戲必定需要用到游戲手柄，然而游戲手柄的選擇固然也很重要，市場(chǎng)上面有很多的有線游戲手柄，此類(lèi)游戲手柄不僅靈活性差、操作不方便，而且很大程度上限制游戲操作者的活動(dòng)范圍，一不小心就會(huì)把手柄拉脫電腦，這樣就會(huì)導(dǎo)致游戲的終止。這種游戲手柄影響游戲者的興趣不說(shuō)，重要的是有著損壞電腦的潛在危機(jī)。

為了讓游戲者在游戲過(guò)程中獲得更多的樂(lè)趣，然而無(wú)線游戲手柄就此誕生。無(wú)線手柄的誕生，讓游戲者可以擺脫空間以及距離的束縛。使用NRF24L01模塊2.4G無(wú)線高速傳輸數(shù)據(jù)讓手柄和PC機(jī)無(wú)延時(shí)，再加入MPU6050角度傳感器實(shí)現(xiàn)姿態(tài)感應(yīng)和前后各兩組震動(dòng)馬達(dá)，還有設(shè)計(jì)無(wú)線充電等功能。因此，此類(lèi)游戲手柄在市場(chǎng)上面有很大的前景。

1 NRF24L01模塊

1.1 簡(jiǎn)介

NRF24L01是一款工作在2.4-2.5GHz通用ISM頻段的單片機(jī)芯片，無(wú)線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器增強(qiáng)型SchockBurstTM模式控制器、功率放大器、晶體放大器、調(diào)制器、解調(diào)器、輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過(guò)SPI接口進(jìn)行設(shè)置極低的電流消耗，當(dāng)工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為6dBm時(shí)電流消耗為9.0mA接受模式為12.3mA掉電模式和待機(jī)模式下電流消耗模式低。全球開(kāi)放ISM頻段，最大0dBm發(fā)射功率，免許可證使用，支持六路通道的數(shù)據(jù)接收。

1.2 主要特性

（1）低工作電壓：1.9-3.6V低電壓工作。

（2）高速率：2Mbps,由于空氣傳輸時(shí)間很短，極大的降低了無(wú)線傳輸中碰撞現(xiàn)象(軟件設(shè)置1Mbps或者2Mbps的空氣傳輸速率)。

（3）多頻點(diǎn):125頻點(diǎn)，滿(mǎn)足多點(diǎn)通信和調(diào)頻通信需要。（4）超小型：內(nèi)置2.4GHz天線，體積小巧，15*29mm(包括天線)。（5）低功耗：當(dāng)工作在應(yīng)答模式通信時(shí)，快速的空中傳輸及啟動(dòng)時(shí)間，極大的降低了電流消耗。

（6）低應(yīng)用成本：NRF24L01集成了所有與RF協(xié)議相關(guān)的高速信號(hào)處理部分，比如：自動(dòng)重發(fā)丟失數(shù)據(jù)包和自動(dòng)產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)等，NRF24L01的SPI接口可以利用單片機(jī)的硬件SPI口連接或用單片機(jī)I/O口進(jìn)行模擬，內(nèi)部有FIFO可以與各種高低速微處理器接口，便于使用低成本單片機(jī)。

（7）便于開(kāi)發(fā):由于鏈路層完全集成在模塊上，非常便于開(kāi)發(fā)。自動(dòng)重發(fā)功能，自動(dòng)檢測(cè)和重發(fā)丟失的數(shù)據(jù)包，重發(fā)時(shí)間及重發(fā)次數(shù)可軟件控制。自動(dòng)存儲(chǔ)未收到應(yīng)答信號(hào)的數(shù)據(jù)包自動(dòng)應(yīng)答功能，在收到有效數(shù)據(jù)后，模塊自動(dòng)發(fā)送應(yīng)答信號(hào)，無(wú)須另行編程載波檢測(cè)一固定頻率檢測(cè)。內(nèi)置硬件CRC檢錯(cuò)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信地址控制數(shù)據(jù)包傳輸錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器及載波檢測(cè)功能用于調(diào)頻設(shè)置可同時(shí)設(shè)置六路接收通道地址，可有選擇性的打開(kāi)接收通道標(biāo)準(zhǔn)插針Dip3.54MM間距接口，便于嵌入式應(yīng)用。

充分利用NRF24L01模塊這些特性可用于游戲手柄與PC機(jī)的進(jìn)行無(wú)延時(shí)傳輸。

2 MPU6050角度傳感器

2.1 簡(jiǎn)介

串口6軸JY-61模塊采用高精度的陀螺儀加速度計(jì)MPU6050，通過(guò)處理器讀取MPU6050的測(cè)量數(shù)據(jù)然后通過(guò)串口輸出，免去了用戶(hù)自己去MPU6050復(fù)雜的I2C協(xié)議，同時(shí)精心的PCB布局和工藝保證了MPU6050收到外接的干擾最小，測(cè)量的精度最高。

2.2 JY-61模塊主要特點(diǎn)

（1）模塊內(nèi)部集成了姿態(tài)解算器，配合動(dòng)態(tài)卡爾曼濾波算法，能夠在動(dòng)態(tài)環(huán)境下輸出模塊的當(dāng)前模塊的當(dāng)前姿態(tài)，姿態(tài)測(cè)量精度0.01度，穩(wěn)定性高。

（2）模塊內(nèi)部自帶電壓穩(wěn)定電路，可以兼容3.3V/5V的嵌入式系統(tǒng)，連接方便。

（3）模塊保留了MPU6050的I2C接口，以滿(mǎn)足用戶(hù)希望訪問(wèn)底層測(cè)量數(shù)據(jù)的需求。

（4）采用數(shù)字濾波技術(shù)，能有效降低測(cè)量噪聲，提高測(cè)量度。

（5）數(shù)據(jù)輸出頻率100Hz(波特率115200)/20Hz（波特率9600）。

（6）測(cè)量緯度：加速度：3維，角速度：3維，姿態(tài)角:3維。

（7）量程：加速度：+2g，角速度：+250°/s。

（8）分辨率:加速度：6.1e-5g,角速度:7.6e-3°/s。

（9）穩(wěn)定性：加速度：0.0001g,角速度：0.02°/s。

加速度傳感器精度差，而且運(yùn)動(dòng)情況下由于運(yùn)動(dòng)加速度的干擾，無(wú)法得到準(zhǔn)確的角度，但加速度求出的角度不會(huì)隨時(shí)間積累誤差。陀螺儀的精度高，通過(guò)積分運(yùn)算得到的姿態(tài)角度準(zhǔn)確度高，但積分會(huì)有累計(jì)誤差，會(huì)隨時(shí)間積累。JY-61模塊中的卡爾曼濾波法正好可以取二者之長(zhǎng)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律自動(dòng)計(jì)算出二者的權(quán)重，融合出最準(zhǔn)確的狀態(tài)值。

3 XKT412-26模塊

3.1 簡(jiǎn)介

主要采用電磁感應(yīng)原理，通過(guò)線圈進(jìn)行能量耦合實(shí)現(xiàn)能量的傳遞。系統(tǒng)工作時(shí)輸入端將交流市電經(jīng)全橋整流電路變換成直流電，或用12V直流電端直接為系統(tǒng)供電。經(jīng)過(guò)電源管理模塊后輸出的直流電通過(guò)2M有源晶振逆變轉(zhuǎn)換成高頻交流電供給初級(jí)繞組。通過(guò)2個(gè)電感線圈耦合能量，次級(jí)線圈輸出的電流經(jīng)接受轉(zhuǎn)換電路變化成直流電。

3.2 主要特點(diǎn)

（1）采用無(wú)接觸式充電供電，可使產(chǎn)品完全密封，防水防塵；增加產(chǎn)品的使用壽命、使用更加方便。

（2）發(fā)射模塊工作電流會(huì)隨接收負(fù)載電流的大小自動(dòng)增減，這有利于延長(zhǎng)電池的使用壽命以及提高充電的安全性避免出現(xiàn)不良情況。

4 硬件設(shè)計(jì)方案

該游戲手柄是以STM32F1作為MCU設(shè)計(jì)的，由MPU6050角度傳感器來(lái)采集游戲者的狀態(tài)以達(dá)到姿態(tài)感應(yīng)，采集到姿態(tài)角度數(shù)據(jù)送給MCU模塊處理后，再通過(guò)NRF24L01無(wú)線串口模塊傳輸個(gè)PC機(jī)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)游戲者能靈活操控游戲。另外PC機(jī)上的數(shù)據(jù)也可以通過(guò)NRF24L01無(wú)線串口模塊反饋給MCU，這樣就可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)操控游戲而不產(chǎn)生延時(shí)。其主要由USB無(wú)線串口轉(zhuǎn)NRF24L01模塊、TTL串口轉(zhuǎn)NRF24L01模塊、按鍵和搖桿模塊、YG-61模塊、震動(dòng)馬達(dá)模塊還有無(wú)線充電等模塊組成，如圖1所示。

編寫(xiě)上位機(jī)軟件，用來(lái)檢測(cè)游戲手柄按鍵以及搖桿與PC機(jī)通信是否成功，還有可以用來(lái)查看通信是否存在長(zhǎng)延時(shí)等。同時(shí)也提高了用戶(hù)使用靈活性，手柄即插即用而不用進(jìn)行繁瑣操作，可以說(shuō)是老少皆宜的產(chǎn)品。

該手柄的設(shè)計(jì)具有高靈活性、高可靠性、操作簡(jiǎn)便、操作舒適、實(shí)用性等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 系統(tǒng)原理流程圖

4.1 MCU

選用ARM32位的Cortex-M3系列的STM32F103C8T6芯片，它是中等容量增強(qiáng)型，基于ARM核心的帶64或128K字節(jié)閃存的微控制器，具有USB、CAN、7個(gè)定時(shí)器、2個(gè)ADC、9個(gè)通信接口。其有多達(dá)80個(gè)快速I(mǎi)/O口可以影像到16個(gè)外部中斷，幾乎所有端口均可容忍5V信號(hào)，這樣有利于TTL無(wú)線串口轉(zhuǎn)NRF24L01模塊的轉(zhuǎn)接。因?yàn)槠銲/O口非常多，所以可以在極大程度上外接各種模塊。

4.2 按鍵、搖桿模塊

選用PS2游戲雙軸搖桿傳感器模塊，采用優(yōu)質(zhì)金屬PS2搖桿電位器制作，具有（X，Y）2軸模擬輸出，（Z）1路按鈕數(shù)字輸出。數(shù)據(jù)類(lèi)型的X，Y維模擬輸入信號(hào)而Z維是數(shù)字輸入信號(hào)，因此X和Y端口連接到模擬插腳傳感器端，而Z端口連接到數(shù)字端口，這樣在使用者操作游戲舒適的同時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)游戲延時(shí)等情況。

4.3 震動(dòng)馬達(dá)模塊

手柄前方兩端采用1030手機(jī)震動(dòng)馬達(dá)，后方兩端采用030電機(jī)3V靜音震動(dòng)馬達(dá)。手機(jī)震動(dòng)旋轉(zhuǎn)方向任何，這可以很好模擬各種震動(dòng)比如：游戲中炮彈落地后發(fā)出那種震撼的感覺(jué)，讓操作者仿佛身臨其境，更重要的是它的額定轉(zhuǎn)速達(dá)到12000+2500RPM/Min比起普通的馬達(dá)要快而且價(jià)格比較便宜。030震動(dòng)馬達(dá)放置于手柄后方兩端，主要用來(lái)模仿游戲中操作者扮演的角色受到碰撞或者攻擊時(shí)自身受到的撞擊。該款馬達(dá)采用半圓鐵層疊振動(dòng)頭且四層疊加，這使振動(dòng)更加強(qiáng)烈。

4.4 USB無(wú)線串口轉(zhuǎn)NRF24L01模塊和TTL串口轉(zhuǎn)NRF24L01模塊

這兩個(gè)模塊是PC機(jī)和手柄之間進(jìn)行通信的核心，有Enhanced ShockBurstTM收發(fā)模式、ShockBurstTM模式和直接收發(fā)模式三種，這三種模式高質(zhì)量的保證了手柄和PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。

5 結(jié)語(yǔ)

本文給出了USB姿態(tài)感應(yīng)游戲手柄設(shè)計(jì)方法。在設(shè)計(jì)選了STM32F1芯片作為控制器，減少了電路板的體積和降低整個(gè)電路布線布局的難度。將MPU6050角度傳感器采集回來(lái)的姿態(tài)角度變化送給MCU進(jìn)來(lái)處理，實(shí)時(shí)的將角度變化值內(nèi)容通過(guò)TTL串口轉(zhuǎn)NRF24L01模塊高效、快速發(fā)送出去。MCU發(fā)送出來(lái)姿態(tài)角度變化數(shù)據(jù)再經(jīng)過(guò)USB無(wú)線串口轉(zhuǎn)NRF24L01模塊送達(dá)PC機(jī)端進(jìn)而就可實(shí)現(xiàn)對(duì)游戲的姿態(tài)控制。

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