姿態(tài)傳感器基礎(chǔ)的無線空中鼠標(biāo)設(shè)計

張昭，修宇亮，黨麗琴，王留杰

（武夷學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 武夷山 354300）

鼠標(biāo)是人類日常生活中最常用的設(shè)備之一，它是人們操控計算機(jī)最主要的設(shè)備之一。從最開始的機(jī)械鼠標(biāo)，然后再發(fā)展到如今的光電鼠標(biāo)，逐漸滿足人類的需求。隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷革新以及計算機(jī)、平板電腦等數(shù)字設(shè)備的流行，人們對鼠標(biāo)的要求也不斷提高。目前市場上出現(xiàn)的傳統(tǒng)的二維操作鼠標(biāo)已經(jīng)滿足不了人們在三維空間操作鼠標(biāo)的要求。本文設(shè)計一款適應(yīng)人們需求的，可以在三維空間靈活操控的無線空中鼠標(biāo)，以微控制器STC89C52RC作為主要芯片，使用集成運(yùn)動傳感器MPU6050采集鼠標(biāo)姿態(tài)數(shù)據(jù)，通過無線通信模塊傳輸?shù)接嬎銠C(jī)，實(shí)現(xiàn)在三維空間內(nèi)實(shí)時操作鼠標(biāo)功能。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

選用STC89C52RC作為主控部件來連接其他的各個模塊,選用MPU6050運(yùn)動傳感器，利用其內(nèi)帶的三軸陀螺儀傳感器進(jìn)行鼠標(biāo)運(yùn)動數(shù)據(jù)采集，利用其內(nèi)部的數(shù)字運(yùn)動處理器對數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)解算，選用nRF24L01無線通信模塊來完成鼠標(biāo)和接收端的數(shù)據(jù)傳輸,最后用PDIUSBD12通信模塊向計算機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，控制計算機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的操作。系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 無線空中鼠標(biāo)系統(tǒng)方框圖Fig.1 Block diagram of wireless air mouse system

2 硬件電路設(shè)計

2.1 鼠標(biāo)模塊設(shè)計

鼠標(biāo)模塊選用MPU6050傳感器，利用其內(nèi)部自帶的三軸陀螺儀來采集鼠標(biāo)運(yùn)動姿態(tài)信息。

2.1.1 MPU 6050陀螺儀介紹

MPU6050傳感器內(nèi)部有一個3軸陀螺儀和3軸加速度傳感器[1]。該芯片結(jié)合動力學(xué)解算與動態(tài)卡爾曼濾波算法[2]，能在運(yùn)動狀態(tài)下將姿態(tài)數(shù)據(jù)精確穩(wěn)定地輸出。MPU6050和單片機(jī)之間的通信采用400 kHz的IIC接口。MPU6050陀螺儀可測范圍為±250，±500，±1000，±2000°/秒（dps），加速度計可測范圍為±2，±4，±8，±16 g[3]。MPU6050外圍電路如圖2所示。

圖2 MPU6050外圍電路Fig.2 Peripheral circuit of MPU6050

2.1.2 MPU 6050姿態(tài)解算

僅需要MPU6050中陀螺儀Y,Z軸的角速度數(shù)據(jù),不選用三軸加速度數(shù)據(jù)是因?yàn)槠涫且环N重力感應(yīng)，數(shù)據(jù)處理較為復(fù)雜，且用加速度傳感器會不便于操作鼠標(biāo)，而如果同時選用三軸陀螺儀傳感器和三軸加速度傳感器會導(dǎo)致鼠標(biāo)靈敏度過大。MPU6050內(nèi)帶的陀螺儀是用來測試角速度變化的傳感器[4]，其傳感器模型圖如圖3所示。

圖3 三軸陀螺儀傳感器模型圖Fig.3 Model diagram of three-axis gyroscope sensor

而MPU6050內(nèi)部自帶的三軸的陀螺儀可以同時檢測出X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動角速度。將其模型圖轉(zhuǎn)換成向量模型如圖4所示。由模型圖，可以看到RXZ是R向量在X/Z兩軸所形成的平面上的投影，RYZ是R向量在Y/Z兩軸平面上的投影，通過勾股定理，可以得到

圖4 三軸陀螺儀傳感器向量模型圖Fig.4 Vector model diagram of three-axis gyroscope sensor

同樣可以得到

如圖4定義AXZ為RXZ和Z軸間的夾角，AYZ為RYZ和Z軸間的夾角。假設(shè)要檢測陀螺儀繞Y軸的旋轉(zhuǎn)角在t1到t2時間段的變化率，即AXZ角的變化率。將t1時刻的旋轉(zhuǎn)角定義為AXZ1，而t2時刻的旋轉(zhuǎn)角定義為AXZ2，則變化率為

Rate AXZ的單位則為deg/s，但是MPU6050陀螺儀通過IIC端口向單片機(jī)輸出的是ADC值。

陀螺儀測量范圍轉(zhuǎn)化為靈敏度如表1所示，如果選擇±2 000°/s的測量范圍，而內(nèi)帶的陀螺儀產(chǎn)生的其中一個坐標(biāo)軸數(shù)據(jù)為100，從圖中可以看到測量范圍在±2 000°/s下的靈敏度數(shù)據(jù)為16.4 LSB/(°/s)。根據(jù)上面的式(6)得

表1 MPU6050陀螺儀靈敏度數(shù)據(jù)Tab.1 MPU6050 gyroscope sensitivity data

表示MPU6050陀螺儀檢測到其自身正在以大概6度每秒的速度繞X軸旋轉(zhuǎn)。ADC的值也不完全都是正數(shù)，如果有負(fù)數(shù)出現(xiàn)則表示，其是按照規(guī)定的正方向相反的方向旋轉(zhuǎn)的。

系統(tǒng)接收模塊通過接收到的角速度，積分計算出鼠標(biāo)轉(zhuǎn)過的角度

式中：θnow為當(dāng)前角度；θlast是上次計算的角度；ω是當(dāng)前測量的角速度；d t是積分時間（角速度采樣間隔）。

本鼠標(biāo)還具有左鍵，右鍵，滾輪向上，向下的功能。鼠標(biāo)左右鍵的按鍵數(shù)據(jù)和滾輪上下滾動的數(shù)據(jù)與陀螺儀傳感器角度數(shù)據(jù)組成6字節(jié)數(shù)據(jù)，以此來控制鼠標(biāo)的移動和鼠標(biāo)按鍵操作。

2.2 接收模塊設(shè)計

2.2.1 接收電路設(shè)計

接收模塊接收到鼠標(biāo)運(yùn)動數(shù)據(jù)，通過SPI總線傳輸?shù)絊TC89C52RC單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

單片機(jī)讀取來自接收端的數(shù)據(jù)后無法直接傳輸給計算機(jī)，需要將接收到的數(shù)據(jù)封裝到USB協(xié)議包中傳輸?shù)接嬎銠C(jī)。因此選用一款通用的USB接口芯片PDIUSBD12來實(shí)現(xiàn)與計算機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。PDIUSBD12芯片通過8位并行接口實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。單片機(jī)與PDIUSBD12芯片相連電路如圖5所示。

圖5 單片機(jī)與PDIUSBD12連接電路Fig.5 Single chip microcomputer and PDIUSBD12 connecting circuit

2.4 無線通信模塊設(shè)計

無線通信的接收端和發(fā)射端選用了兩塊深圳云佳科技生產(chǎn)的nRF24L01芯片來完成。NRF24L01是工作在2.4～2.5 GHz全球開放的ISM頻段，而且不需要許可證就可以使用，并且擁有很高效的GFSK調(diào)制，還具有自動應(yīng)答和自動重發(fā)功能，地址以及CRC檢驗(yàn)功能[5]。nRF24L01通信芯片的工作模式有很多種，主要包括接收、發(fā)送、待機(jī)和掉電4中工作模式，這4種工作模式主要由CE、PWR_UP和PRIM_RX位來控制[5]。其中，收發(fā)模式有Enhanced ShockBurstTM和ShockBurstTM兩種。Enhanced ShockBurstTM收發(fā)模式下發(fā)送方要求終端設(shè)備在接收到數(shù)據(jù)后有應(yīng)答信號，以便發(fā)送方檢測有無數(shù)據(jù)丟失，一旦丟失則重發(fā)數(shù)據(jù)[6]。選用Enhanced ShockBurstTM收發(fā)模式，nRF24L01芯片與單片機(jī)之間使用了串行通信。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計

3.1 鼠標(biāo)模塊程序設(shè)計

3.1.1 鼠標(biāo)模塊主程序設(shè)計

首先對整個系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后開始判斷鼠標(biāo)左右鍵是否被觸發(fā)，如果被觸發(fā)則獲取鼠標(biāo)左右鍵數(shù)據(jù)，然后判斷鼠標(biāo)滾輪上下鍵是否被觸發(fā)，如果被觸發(fā)則獲取滾輪上下鍵數(shù)據(jù)。然后獲取陀螺儀數(shù)據(jù)的Z，Y軸角速度，將其輸出的ADC值分別除以90和100賦予X,Y變量以調(diào)節(jié)靈敏度。然后將X,Y的高八位和低八位分離。最后傳輸?shù)綗o線通信模塊nRF24L01的發(fā)射端，之后繼續(xù)獲取下一組數(shù)據(jù)，形成循環(huán)。發(fā)射模塊主程序流程圖如圖6所示。

圖6 鼠標(biāo)模塊主程序流程圖Fig.6 Mouse module main program flow chart

3.1.3 無線通信模塊發(fā)射流程

單片機(jī)向無線通信模塊發(fā)送數(shù)據(jù)時將通過SPI接口傳到nRF24L01中，當(dāng)CSN為低時，單片機(jī)會一直向nRF24L01傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸完畢后，設(shè)置延時，配置PWR_UP為高，PRIM_RX為高，CE為低，使nRF24L01進(jìn)入發(fā)送模式，數(shù)據(jù)發(fā)送完成之后，接收端將產(chǎn)生應(yīng)答到發(fā)射端，如果接到應(yīng)答信號則數(shù)據(jù)發(fā)送完成，繼續(xù)發(fā)送下一數(shù)據(jù)，直到發(fā)送完成后進(jìn)入待機(jī)模式。nRF24L01發(fā)射端流程圖如圖7所示。

圖7 nRF24L01發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖Fig.7 Flow chart of nRF24L01 sending data

3.2 接收模塊程序設(shè)計

3.2.1 接收模塊主程序設(shè)計

接收模塊主程序包含一個中斷服務(wù)子程序，主要是由于單片機(jī)和PDIUSBD12芯片之間是以令牌包的形式進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸，PDIUSBD12芯片接收到數(shù)據(jù)后會使單片機(jī)進(jìn)入中斷服務(wù)子程序來判斷PDIUSBD12三個端點(diǎn)的狀態(tài)。然后將從鼠標(biāo)模塊接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)包處理，主要是將接收到的高八位和低八位三軸角速度重新組合在一起，根據(jù)角速度計算鼠標(biāo)光標(biāo)X軸Y軸變化量。因?yàn)镻DIUSBD12可以傳輸16字節(jié)數(shù)據(jù)。接收模塊主程序設(shè)計流程圖如圖8所示。

圖8 接收模塊主程序流程圖Fig.8 Main program flow chart of receiving module

4 系統(tǒng)功能測試

測試工具選擇計算機(jī)、萬用表、Areson Mouse Test Program鼠標(biāo)測試軟件。

鼠標(biāo)實(shí)物圖如圖9、圖10所示。鼠標(biāo)功能測試選用的鼠標(biāo)檢測工具為Areson Mouse Test Program，可以測試出鼠標(biāo)的回報率（Report Rate），還可以測試鼠標(biāo)的幀數(shù)，可以反映出鼠標(biāo)移動過程中的移動曲線是否平滑，除此之外還可以測試鼠標(biāo)按鍵。功能測試首先測試鼠標(biāo)的左右按鍵，經(jīng)測試鼠標(biāo)左右按鍵可正常使用，測試結(jié)果分別如圖11，圖12所示。

圖9 鼠標(biāo)模塊Fig.9 Mouse module

圖10 接收模塊Fig.10 Receiving module

圖11 鼠標(biāo)左側(cè)按鍵測試Fig.11 Left mouse button test

圖12 鼠標(biāo)右側(cè)按鍵測試Fig.12 Right mouse button test

接著測試鼠標(biāo)的回報率即從手指發(fā)出指令到電腦接收并執(zhí)行相應(yīng)指令的速度參數(shù)?；貓舐试礁弑硎臼髽?biāo)性能越好，反映在計算機(jī)顯示屏上可以看出回報率越高鼠標(biāo)指針在屏幕上運(yùn)動的曲線越完美，回報率越低曲線會接近多邊形。以普通的光電鼠標(biāo)作為對比。光電鼠標(biāo)回報率為150左右，本次設(shè)計出的無線空中鼠標(biāo)回報率在50左右。反映在屏幕上曲線如圖13，14所示。

圖13 光電鼠標(biāo)回報率測試Fig.13 Photoelectric mouse return test

測試中，雖然無線空中鼠標(biāo)的回報率低于普通鼠標(biāo)的回報率，但是并不能看出曲線的差別，因此選擇Track選項(xiàng)，定位顯示每一幀來觀察其中的差別。結(jié)果如圖15，16所示。從測試圖15和16中，很容易看出光電鼠標(biāo)每幀之間的距離小于無線空中鼠標(biāo)每幀之間的距離，這可以解釋為回報率越高的鼠標(biāo)在控制鼠標(biāo)光標(biāo)移動的過程中移動曲線更加圓滑，如果回報率過低，則在鼠標(biāo)移動的過程中可能會呈現(xiàn)不規(guī)則移動，會影響鼠標(biāo)的性能。

經(jīng)過測試本次設(shè)計的無線空中鼠標(biāo)按鍵可正常使用，在移動方面雖然回報率低于光電鼠標(biāo)，但并不影響鼠標(biāo)的正常移動，鼠標(biāo)移動的曲線較為平滑，經(jīng)測試，可供正常使用。而在幀數(shù)顯示方面，兩幀之間的距離依然無法像普通光電鼠標(biāo)那么短，這就導(dǎo)致鼠標(biāo)光標(biāo)在移動過程中會出現(xiàn)晃動，移動的曲線不夠圓滑，但在正常操作過程中感受并不明顯。

圖14 空中鼠標(biāo)回報率測試Fig.14 Air mouse return test

圖15 光電鼠標(biāo)幀數(shù)顯示Fig.15 Frame number display of photoelectric mouse

圖16 空中鼠標(biāo)幀數(shù)顯示Fig.16 Frame number display of air mouse

5 結(jié)論

以STC89C52RC單片機(jī)為控制核心，采用MPU6050傳感器對鼠標(biāo)角速度進(jìn)行采集和姿態(tài)解算，利用nRF24L01芯片將鼠標(biāo)運(yùn)動姿態(tài)信息發(fā)送到系統(tǒng)接收模塊。接收模塊采用單片機(jī)為控制核心，通過PDIUSBD12芯片將鼠標(biāo)運(yùn)動姿態(tài)數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)，從而實(shí)現(xiàn)在三維空間控制鼠標(biāo)功能。經(jīng)過和普通光電鼠標(biāo)對比測試證明本次設(shè)計的鼠標(biāo)基本達(dá)到了預(yù)期的效果。