摘要： 提出了一種基于微加速度計(jì)的無線慣性鼠標(biāo)的設(shè)計(jì)方案。該方案以微加速度計(jì)ADXL213作為信號(hào)檢測元件，并采用低功耗處理器MSP430F135和RF芯片nRF401進(jìn)行信號(hào)處理與無線傳輸。按該方案設(shè)計(jì)的鼠標(biāo)結(jié)構(gòu)簡單、密封性好，在降低鼠標(biāo)功耗和提高鼠標(biāo)使用靈活性等方面具有較大的應(yīng)用前景。

1 引言

鼠標(biāo)作為PC機(jī)的輸入工具，其重要性不言而喻。但是，隨著計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備的越來越多，各種連線也越來越多，給用戶帶來了許多的不便。于是，人們便有了無線接口的想法，迫切希望有一種鼠標(biāo)，它能夠克服諸如有線的距離限制、有線鼠標(biāo)的線材損耗、連線多且錯(cuò)綜復(fù)雜等問題。在這種情況下，無線鼠標(biāo)應(yīng)運(yùn)而生。目前市場上的無線鼠標(biāo)幾乎都是光電射頻鼠標(biāo)，它雖然克服了有線的缺點(diǎn)，但在功耗、使用場合等方面仍然存在一些不足。

采用微加速度計(jì)設(shè)計(jì)的無線鼠標(biāo)，既可以獨(dú)立使用，作為桌面PC 的鼠標(biāo)；同時(shí)也可以作為單獨(dú)的模塊嵌入到現(xiàn)有的機(jī)械鼠標(biāo)和光電鼠標(biāo)中，實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)的懸空使用，方便用戶的操作。該設(shè)計(jì)兼顧了設(shè)計(jì)成本與鼠標(biāo)使用壽命，使得慣性鼠標(biāo)具有相當(dāng)大的競爭力。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)檢測電路的設(shè)計(jì)

ADXL213是一種低成本、低功耗、集成了信號(hào)調(diào)理電路和占空比調(diào)制器的微加速度計(jì)芯片。輸出為PWM數(shù)字信號(hào)，因此可與計(jì)數(shù)電路或單片機(jī)直接接口，無須放大和A／D電路。用戶只需外接三個(gè)無源器件就可以設(shè)置濾波器輸出帶寬和輸出PWM波的周期。

ADXL213的典型帶寬為1Hz～2500Hz，其-3dB帶寬公式為：

可見，帶寬主要由C（x，y）確定。C（x，y）越小，信號(hào)帶寬越寬，分辨率越高，響應(yīng)速度越快。設(shè)計(jì)時(shí)，首先要確定被測加速度的頻率范圍，然后再設(shè)計(jì)濾波器的參數(shù)。盡量使濾波器的帶寬略高于信號(hào)的最高頻率，這樣做不僅有利于濾除高頻干擾，也利于降低系統(tǒng)噪聲干擾。

對于占空比的設(shè)計(jì)，占空比調(diào)制器（DCM）的周期就是芯片輸出方波的周期T2。該周期是由RSEL確定的，其關(guān)系式為T2=RSEL／125MΩ（RSEL是用來設(shè)置輸出信號(hào)循環(huán)周期的電阻）。當(dāng)DCM輸出方波頻率大于模擬帶寬10倍以上，測量準(zhǔn)確度就很理想。從這一點(diǎn)來看，T2越小越好，但是T2的減小會(huì)提高對計(jì)數(shù)器以及微控制器的處理速度要求。另一方面，要提高測量的分辨率就應(yīng)該盡量提高T2時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)次數(shù)，這就要求計(jì)數(shù)器和控制器有更高的處理速度，而實(shí)際中硬件的處理速度是受到器件性能限制的。綜上所述，T2是根據(jù)模擬帶寬、計(jì)數(shù)器和處理器速度以及測量分辨率的要求共同確定的。在設(shè)計(jì)時(shí)要明確測量的指標(biāo)要求，綜合考慮各種因素。

本設(shè)計(jì)中要求被測帶寬為20～50Hz，則選擇濾波器的帶寬為60Hz，選定T2為1.25ms，即DCM輸出方波頻率為800 Hz，該頻率是測量最大頻率的16倍，因此可以很好地反映加速度的變化。根據(jù)上述選擇，可以計(jì)算出電阻RSEL為156KΩ，兩個(gè)電容選用0.08μF。

對于鼠標(biāo)的按鍵設(shè)計(jì)，主要是要考慮消抖?？紤]到鼠標(biāo)體積、功耗等要求，設(shè)計(jì)中采用軟件延時(shí)方式來消抖。加速度計(jì)及鼠標(biāo)的按鍵信號(hào)的處理由MSP430F135單片機(jī)來完成。

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將鼠標(biāo)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性放在第一位，而將鼠標(biāo)的功耗放在第二位。加速度計(jì)需設(shè)置一個(gè)控制開關(guān)，以解決其一直有信號(hào)輸出的問題（加速度計(jì)有零漂，鼠標(biāo)傾斜等原因）。按鍵及加速度計(jì)與單片機(jī)的連接如圖1：

圖1 鼠標(biāo)按芻及加速度計(jì)與單片機(jī)的連接圖

2.2 無線模塊的設(shè)計(jì)

圖2 發(fā)送端的硬件電路圖

圖3 接收端的電路圖

傳輸模塊的關(guān)鍵是無線收發(fā)芯片。考慮到鼠標(biāo)的體積和功耗等方面的因素，無線通信模塊選用了Nordic公司的nRF401芯片。nRF401在工作時(shí)，只需要外接一個(gè)晶振和幾個(gè)阻容、電感元件，基本無需測試。設(shè)計(jì)中，單片機(jī)通過異步串口與nRF401通信，然后再分別使用三個(gè)引腳作為nRF401的通信控制即可。外接晶體及阻容、電感等元件均按照nRF401推薦的典型參數(shù)值選取。發(fā)送端的硬件電路如圖2。接收端的nRF401接收到數(shù)據(jù)后通過USB接口與PC機(jī)相連，接收端的處理器采用AT89C51，具體連接見圖3。

為了獲得較好的RF性能，PCB設(shè)計(jì)至少需要兩層板來實(shí)現(xiàn)，分成射頻電路和控制電路兩部分來布置。nRF401采用PCB天線，在天線的下面沒有接地面。為了減少分布參數(shù)的影響，PCB上應(yīng)該避免長的電源走線，所有元件地線，VDD連接線，VDD去耦電容必須離nRF401盡可能地近。nRF401的電源必須經(jīng)過很好的濾波，并且與數(shù)字電路的電源分離，在離電源腳VDD盡可能近的地方用高性能的電容去耦，最好是一個(gè)小電容和一個(gè)大電容相并聯(lián)。PCB板頂層和底層最好敷銅接地，把這兩層的敷銅用較多的過孔緊密相連，再將VSS腳連接到敷銅面。所有開關(guān)信號(hào)和控制信號(hào)都不能經(jīng)過PLL環(huán)路濾波器元件和VCO電感附近。

2.3 USB接口硬件設(shè)計(jì)

鼠標(biāo)與計(jì)算機(jī)的通信采用USB通信方式。USB控制芯片選擇了PHILIPS公司的PDIUSBD12。PDIUSBD12與89C51的連接如圖3，PDIUSBD12的8位并行數(shù)據(jù)接入89C51的P0口，地址線A15（P2.7）作為PDIUSBD12的片選，地址線A14（P2.6）作為PDIUSBD12的命令或數(shù)據(jù)的選擇線。PDIUSBD12 與89C51的數(shù)據(jù)交換采用中斷方式（外中斷INT0）。PDIUSBD12從USB口得到信息后向89C51發(fā)出中斷信號(hào)，89C51進(jìn)入中斷處理程序進(jìn)行響應(yīng)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 信號(hào)檢測部分的軟件設(shè)計(jì)

信號(hào)檢測部分軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是計(jì)算加速度計(jì)輸出信號(hào)的占空比，從而計(jì)算出加速度值。待機(jī)時(shí)，處理器工作在低功耗模式LPM3，從而降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗。加速度計(jì)的輸出信號(hào)接MSP430F135的比較/捕獲模塊的輸入端，為了能精確測出輸出信號(hào)的占空比，可利用MSP430F135中Timer_A的比較/捕獲模塊，令其工作在捕獲模式，且讓其在上升沿和下降沿都捕獲。在上升沿時(shí)，捕獲一個(gè)定時(shí)器數(shù)據(jù)，這個(gè)數(shù)據(jù)在捕獲寄存器器中讀出；再等下降沿到來，在下降沿時(shí)又捕獲一個(gè)定時(shí)器數(shù)據(jù)；兩次捕獲的定時(shí)器數(shù)據(jù)差就是脈沖的寬度也即輸出信號(hào)中高電平的寬度。

限于篇幅，這里僅給出X軸的信號(hào)檢測部分的程序，分別用start和end記錄上升沿和下降沿捕獲時(shí)計(jì)數(shù)單元的值：

#include 《msp430x13x.h》

unsigned int start，end;

unsigned char overflow;

void main（void） {

WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD; //關(guān)閉看門狗

P1DIR|=BIT0+BIT4; //P1.0設(shè)為輸出

P1SEL|=BIT1; //P1.1為模塊使用

CCTL0=CM0+SCS+CAP+CCTE0; //軟件捕獲，CCIOA

輸入，允許捕獲中斷

TACTL=TASSEL0+TACLR+TAIE+MC1; // ACLK，連續(xù)計(jì)數(shù)模式，清除TAR，允許定時(shí)器溢出中斷

_EINT（）; //系統(tǒng)總中斷

for（;;）{ //低功耗模式3

_BIS_SR（CPUOFF+SCG1+SCG0）;

_NOP（）;}}

interrupt［TIMERA0_VECTOR］void TimerA0（void） {

Switch（TAIV） {

case:2; //捕獲中斷

if（CCTL0&&CM0） //上升沿

{CCTL0=（CCTL0&&（～CM0））|CM1; //改為下降沿觸發(fā)

star=TAR; //記錄初始時(shí)間

overflow=0; } //溢出計(jì)數(shù)復(fù)位

else if（CCTL0&&CM1） //下降沿

{CCTL0=（CCTL1&&（～CM1））|CM0; //改為上升沿觸發(fā)

end=TAR; } //用start、end和overflow計(jì)算寬度

break;

case 10; //定時(shí)器溢出中斷

overflow++; //溢出計(jì)數(shù)加1

break;

default： break; }}

3.2 無線通信模塊部分的軟件設(shè)計(jì)

為了節(jié)能，nRF401大多數(shù)情況下應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)。由于無線部分硬件不具備自動(dòng)喚醒功能，nRF401由MSPF135根據(jù)加速度信號(hào)來喚醒。在通信模塊的設(shè)計(jì)中，鼠標(biāo)的功耗、響應(yīng)的及時(shí)性和指針定位的準(zhǔn)確性是要考慮的主要問題。鼠標(biāo)的通信是一種非對稱的單工通信，系統(tǒng)的功耗主要產(chǎn)生在鼠標(biāo)主體部分即發(fā)送端。接收端由USB接口供電，可以一直處于接收監(jiān)聽狀態(tài)，不影響系統(tǒng)的功耗，因此不需要設(shè)置同步碼來喚醒接收端，可以在幀尾加上2字節(jié)的CRC校驗(yàn)來校驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，提高抗干擾能力。

綜上所述，通信幀格式采用了1字節(jié)地址加4字節(jié)有效數(shù)據(jù)信息再加2字節(jié)CRC校驗(yàn)的短幀格式。當(dāng)CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤時(shí)，直接丟棄該幀。這樣做雖然犧牲了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕〝?shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃詫κ髽?biāo)來說并不太重要），卻換來了整個(gè)系統(tǒng)功耗的降低和響應(yīng)時(shí)間的加快。

程序設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意：nRF401的通信速率最高為20kbit/s；發(fā)送數(shù)據(jù)之前需將發(fā)送端置于發(fā)射模式（TXEN = l），接收端一直打開。在待機(jī)模式，電路不接收和發(fā)射數(shù)據(jù)。待機(jī)模式轉(zhuǎn)換為發(fā)射模式的轉(zhuǎn)換時(shí)間至少2ms；待機(jī)模式轉(zhuǎn)換為接收模式的轉(zhuǎn)換時(shí)間至少3ms。

3.3 USB接口的軟件設(shè)計(jì)

USB接口的軟件設(shè)計(jì)部分包括接口外設(shè)端的固件程序、PC操作系統(tǒng)上的USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和串行通信程序。固件設(shè)計(jì)的目標(biāo)是使PDIUSBD12在USB上達(dá)到最大的傳輸速率。本方案的固件設(shè)計(jì)采用完全的中斷驅(qū)動(dòng)方式。當(dāng)CPU處理前臺(tái)任務(wù)時(shí)，USB的傳輸在后臺(tái)進(jìn)行，中斷和主循環(huán)的數(shù)據(jù)交換通過事件標(biāo)志和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)進(jìn)行。這樣既保證了最佳的傳輸速率，又簡化了編程和調(diào)試。固件結(jié)構(gòu)如圖4所示，圖中箭頭表示數(shù)據(jù)傳輸方向。

圖4 固件結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)流向

固件中必須先定義命令和數(shù)據(jù)所在的地址：

unsigned char d12 _cmd xdata_at_0X7FFF;

unsigned char d12_data xdata_at_0X3FFF;

向PDIUSBD12發(fā)命令和對其進(jìn)行讀寫的子程序：

void_wrt_cmd （unsigned char command）

{d12_cmd=command;} // 向PDIUSBD發(fā)命令

void wrt_data （unsigned char tmp_data）

{d12_data=tmp_data;} // 向PDIDUSBD寫數(shù)據(jù)

void read_data（）

{return （d12_data）;} // 從PDIUSBD12讀數(shù)據(jù)

PDIUSBD12命令接口包括了對PDIUSBD12讀寫操作的所有命令，通過定義若干個(gè)子程序?qū)?yīng)于各自不同的命令。當(dāng)固件中其它程序需要對PDIUSBD12進(jìn)行讀寫時(shí)，只須調(diào)用其中相應(yīng)的子程序。

本設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)程序直接采用了通用的USB鼠標(biāo)的驅(qū)動(dòng)程序，因而可以在很大程度上簡化軟件設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：本設(shè)計(jì)按照低功耗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，利用加速度計(jì)和用戶操作的靈活性來判斷和檢測鼠標(biāo)的移動(dòng)，設(shè)計(jì)了一種沒有活動(dòng)部件、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和光電器件的密封性好的低功耗無線慣性鼠標(biāo)。測試結(jié)果表明該無線慣性鼠標(biāo)靈敏度達(dá)到了使用要求，很好地解決了現(xiàn)有無線鼠標(biāo)存在的電池壽命低、使用場合不靈活等缺點(diǎn)，具有較大的應(yīng)用前景。