基于微机电系统的无线鼠标方案

        1 系统原理与设计

　　1.1 检测原理

　　目前，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轴上的译码轮转动，来感测鼠标位移的变化;光电式鼠标是用一个自带光源的光电传感器。而光电鼠标的核心--DSP通过对比这些快照之间的差异从而识别移动的方向和位移量。

　　而基于MEMS技术的无线鼠标是用微加速度传感器实时测量鼠标运动的加速度，经过两次积分转换为位移信号传输给主机，来控制光标的移动，从而实现鼠标的功能。

　　1.2 硬件设计

　　如图1所示，整个无线鼠标系统分为2个子系统，远端子系统和主机端子系统。

　　图1　无线鼠标系统结构框图

　　远端子系统由微加速度传感器、微控制器和nRF2401射频收发器组成。微加速度传感器采用美国AD公司生产的ADXL203微传感器，微控制器采用Atmel公司生产的ATmega 16L微控制器，该微控制器附带有8路10位可编程的A/D转换电路，可以实时地将ADXL203加速度传感器输出的加速度模拟信号转换成加速度数字信号。

　　ADXL203加速度传感器在加速度为0时输出电压为2.5V，为提高A/D转换的精度，本文利用ATmega 16L内置的差分放大功能，用差分信号将这2.5V电压给滤掉，并将差分后的电压信号放大到与A/D转换的参考电压相匹配。系统供电采用电器中常见的9V电池，连接一个LM78M05稳压贴片得到恒定的5V电压，供各个模块使用。

　　主机端子系统由nRF2401射频收发器，串行传输接口芯片和另一个ATmega 16L微控制器组成，其中，RS232串行通信接口芯片采用的是Maxim2IC公司的MAX233芯片，作用是将微控制器输出的5V TTL/CMOS电平转换为EIA/TIA-232-E电平，以便与电脑主机进行串行(RS232)通信。

　　1.3 软件与算法设计

　　鼠标在人的操纵下移动，微加速度传感器便会实时地输出鼠标运动的加速度大小和方向，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放大5.0/1.7倍后，通过微控制器A/D转换功能变成与加速度大小对应的数字信号，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，并通过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转换得到的数字量大小为

　　式中[ ]表示取整数;a为加速度传感器输出的电压大小，V。ATmega 16L单片机最大采样速率可以达到15000次/秒，本文采用1000次/秒;即每1ms采样一次，每25ms便向电脑报告一次相对的位移改变量，以保证屏幕上鼠标指针运动的精确和平滑，则每一次报告的位移改变量包含25次对加速度采样的数据。可以采用近似算法来对加速度信号进行二次积分，得到位移信号。

　　编码的目的是将X和Y方向的位移改变量，连同鼠标按键的实时信息，按照标准的Microsoft鼠标协议要求的格式进行编码，以便最后发送到主机的信息能够被电脑正确识别，从而使电脑能正确处理发送给它的位移信号，来正确控制鼠标光标的移动等动作。表1表示的即是标准的鼠标协议规定的三字节数据包格式，第1个字节记录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，对应的位置1，否则，置0;第2和第3个字节分别记录X和Y方向位移的低6位数据。位移值的范围取-127～+127，再大的位移改变量会自动溢出。

　　表1　Microsoft标准鼠标协议数据包格式

　　2 具体设计方案

　　2.1 鼠标原理

　　光学鼠标的核心是一个低分辨率迷你摄像机， 称为传感器。浏览LED照亮表面，光从表面反射回来，通过透镜采集。大多数鼠标制造商采用可视的红色LED，有些制造商还生产采用红外线LED的鼠标。

　　当鼠标移动时，传感器会连续拍摄物体表面，并利用数字信号处理来比较各个影像，以决定移动的距离和方向。产生的结果会传回计算机，而屏幕上的光标会根据这些结果来移动。虽然光学鼠标传感器几乎可以在任何一种物体表面上移动，但仍有一些表面是鼠标传感器无法浏览的，例如镜面、玻璃表面、光滑表面、杂志及全像摄影表面。

　　根据图1，鼠标可划分为以下几个功能部分：

　　1)位移检测单元--X、Y双轴加速度传感器;

　　2)按键检测单元;

　　3)单片机(MCU);

　　4)蓝牙发射芯片;

　　5)蓝牙收发芯片--做接收器(RX);

　　6)带USB接口的单片机(USB MCU)。

　　图1 基于加速度传感器无线鼠标的描述

　　鼠标具体的工作原理为：鼠标内的单片机实时监测加速度传感器的移动和按键状态，当鼠标器的状态发生变化时，单片机读出按键状态并及时得到当前X/Y坐标移动的位置;接着单片机就将变化的数据按照约定的通信协议将数据打包通过无线收发技术发送到接收端，接收端通过单片机解码把符合鼠标USB协议的数据包送至PC主机的USB端口;PC中的鼠标驱动程序接收到端口的数据包后将其解码再传送给相应的应用软件，从而完成鼠标器的检测和控制过程。