|
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
 系统的基本组件
MEMS微加速度传感器
本文采用美国AD公司生产的电容式微加速度传感器ADXL203，如图2所示，该加速度传感器是利用各向异性刻蚀、阳极键合等硅整体加工工艺在硅材料上制造出来的，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放大调制等处理后，可以同时在X 轴和Y轴2个方向输出精确的加速度信号。
 图2 ADXL203加速度传感器原理图
ATmega16L微控制器
ATmega16是Atmel公司生产的基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器，本文选用ATmega 16L微控制器，可以满足系统要求，且存在比较大的扩展性。
无线收发器件
本文采用Nordic半导体公司的nRF2401射频收发器来实现位移数据的无线传输。因为nRF2401的优异性能非常适合无线鼠标的设计，并且，其内置的多点通信控制可以为系统提供很大的扩展空间。nRF2401为2.4 GHz全球开放频段产品，采用0.18μm工艺设计。
系统和算法的Matlab模拟
AD公司给出了ADXL203微加速度传感器的Simulink模型(参见AD公司主页)，本文以此为基础，构建了基于该微加速度传感器的无线鼠标系统模型，如图3所示。
 图3 无线MEMS鼠标系统的Simulink模型
其中，方框内的子系统模型即是封装好的ADXL203微加速度传感器模型。模型最后将采样的加速度值存入文件中，然后，通过编程来模拟微控制器中运行的不同积分算法，用Matlab来图示各个算法的模拟结果，对于系统算法的比较和选择有很大帮助。
上文通过假设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，便于编程实现，可以利用鼠标系统的Simulink模型，结合编程模拟该算法，来考察它的精确性。
程序取采样周期为1ms，发送周期为25ms，最后，Matlab模拟的结果如图4和图5所示。
由图4和图5中可以看出：由于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干扰和信号延迟、A/D转换的误差等多方面的因素，当鼠标位移较大时，存在一些误差。但当鼠标位移在12cm以内时，精确度是非常理想的，这足以满足鼠标的一般应用，更大的移动距离可以通过改变二次积分的算法来实现。
光电和滚轮式鼠标的分辨力通常用dots per inch (DPI)来表示，即每英寸(2.54cm)的点数，它表示鼠标在物理表面上每移动1英寸(约2.54cm)，光学传感器所接收到的坐标点数。由于光学引擎中CMOS矩阵的像素密度和透镜的放大倍数限制，常见光电鼠标的分辨力一般在200～400DPI。对于MEMS鼠标，可以用鼠标每移动1英寸(2.54 cm)对加速度采样的次数来表示分辨力的大小。
MEMS鼠标中微控制器对加速度的最大采样速率可以达到15000次/秒，本文只需采用1000次/秒时，取鼠标1s移动的位移为10cm，则鼠标的分辨力便达到了1000×2.54/10=254DPI，已经达到了常见鼠标的分辨力，并且，更高的分辨力可以通过提高加速度的采样速率来实现，理论上，最大值可以达到15000/1000×254=3810DPI，远远高于一般光学鼠标的分辨力。
 图4 X轴的鼠标实际位移与模拟位移对照图
 图5 Y轴的鼠标实际位移与模拟位移对照图
(责任编辑：传感器) |