多功能三維鼠標的研究與設(shè)計

劉嘉敏 李凌霄 權(quán)佳敏 眭佳銳 潘銀松

【摘 要】鼠標是一種重要的人際交互設(shè)備，可以快速、準確且直觀的對屏幕進行定位、控制，提供了用戶和計算機間交互的便捷方式，有效提升了系統(tǒng)的功能。本文主要研究了一種新型的多功能三維鼠標的設(shè)計。

【關(guān)鍵詞】多功能；三維；鼠標；無線射頻

【中圖分類號】TB47 【文獻標識碼】A 【文章編號】1672-5158（2013）03-0197-02

計算機操作的重要外設(shè)設(shè)備就是鍵盤和鼠標，伴隨無線通信技術(shù)的進一步發(fā)展，無線鼠標已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，成為了主流產(chǎn)品，目前鼠標大部分已經(jīng)采用了USB通信方式。本次研究的鼠標設(shè)計控制芯片采用的是STM32，利用加速度計采集數(shù)據(jù)，獲得X、Y、Z軸方向上的加速度值，并將其轉(zhuǎn)化成3D鼠標空間位置變化，利用USB接口將指令傳遞給PC機，實現(xiàn)三維鼠標的屏幕光標移動控制功能【1】。

一、多功能三維鼠標設(shè)計總體框架

主要分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分。硬件部分的設(shè)計主要包括：單片機，采用STM32控制芯片，采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)并存儲電路。單片機需符合可以實時將加速度計傳送過來的信號采集并處理、存儲的功能。另外需要對加速度計的功能電路進行設(shè)計，利用加速度傳感器獲取X軸、Y軸和Z軸上的加速度信號，傳送至單機片。軟件系統(tǒng)利用驅(qū)動程序連接I2C與USB接口，利用I2C接口對加速度計傳輸過來的信號進行采集，利用單片機功能計算，獲取三維坐標量值。由單片機的控制芯片STM32利用USB把最終處理好的數(shù)據(jù)信息傳送給PC機，實現(xiàn)屏幕光標移動控制【2】。圖1為三維鼠標設(shè)計過程結(jié)構(gòu)框圖。圖1 三維鼠標設(shè)計過程結(jié)構(gòu)框圖

通過觀察圖1可發(fā)現(xiàn)，本次研究的多功能三維鼠標系統(tǒng)主要包括了以下功能模塊：

1、采集、處理信號的模塊的硬件電路

此模塊的電路能夠確保采集、處理信號的模塊對加速度計傳送過來的三維數(shù)據(jù)信號進行實時正確采集。此部分主要利用控制芯片STM32實現(xiàn)，對ADXL345加速度計傳送的加速度信號進行處理，對加速度方向進行判定，應(yīng)用步進方式對X、Y、Z三軸方向上的相對位移情況進行定義，并把位移信息通過USB接口傳輸?shù)絇C機。

2、接口模塊

USB接口主要作用就是將PC機和單機片最小系統(tǒng)STM32進行連接，實現(xiàn)兩部分的數(shù)據(jù)傳輸；I2C接口主要作用是將加速度計ADXL345和單機片STM32進行連接，實現(xiàn)兩部分的數(shù)據(jù)采集和傳送。

3、加速度計功能電路模塊

此模塊的電路依靠ADXL345芯片實現(xiàn)，利用三個敏感單元敏感取得X、Y、Z方向的加速度，將感應(yīng)到的物理量采用感應(yīng)器進行模擬化，利用A/D將其轉(zhuǎn)化成為數(shù)字信號，傳送至控制和中斷邏輯。利用串行I/O口，依據(jù)命令控制實現(xiàn)和主設(shè)備之間的交互。

二、加速度計模塊的設(shè)計

整個系統(tǒng)主要包括信號的采集、處理和發(fā)送三部分，各模塊的設(shè)計均會對系統(tǒng)功能的實現(xiàn)產(chǎn)生直接的影響，因此需要做好加速度計模塊的設(shè)計和選型。

1、加速度傳感器的選擇

本次研究選用ADXL345加速度計，它是三個軸，也就是采集的是三維信號，選用ADXL345加速度計有以下性能特點：（1）它是三軸加速度傳感器，具有較低的功耗，而且還能實現(xiàn)伴隨寬帶自動調(diào)整功耗的功能；（2）I/O電壓及電源范圍為1.8V-3.6V，接口部分電源電壓為+1.8V，采用三軸慣性傳感器可以節(jié)約耗電量大約80%；（3）具備多個可變測量范圍及較高的耐沖擊性，備有SPI和I2C輸出接口，達到0.1-3.2kHz的數(shù)據(jù)傳輸速度；（4）適用于動態(tài)加速測量和靜態(tài)傾角測量；（5）利用寄存器實現(xiàn)多種功能，可以采用寄存器完成數(shù)據(jù)格式、數(shù)字通信模式、中斷使能、FIFO工作模式等選擇。

2、加速度計的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)

ADXL345是一款利用MEMS技術(shù)制作的，具備SPI和I2C數(shù)字輸出功能的加速度計，具有超低功耗、高分辨率、小巧輕薄及可變量程的特點【3】。在多晶硅上利用表面微機械處理技術(shù)構(gòu)成，對減速度進行敏感測量。工作流程為：①三個敏感單元敏感獲取X、Y、Z三個方向加速度；②將感應(yīng)到的物理量進行模擬化；③利用A/D采樣進行轉(zhuǎn)換，成為數(shù)字信號，濾波后傳送到中斷邏輯和控制，利用串行I/O實現(xiàn)和主設(shè)備的交互。ADXL345內(nèi)部結(jié)構(gòu)功能如圖2所示。

三、電源模塊設(shè)計

電源模塊的主要功能是提供整個系統(tǒng)的用電，本次設(shè)計的電源供給實現(xiàn)通過USB接口實現(xiàn)，因USB提供5V電壓，需要的是3.3V電壓，所以利用1117LD電壓轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)電壓供給。1117LD能夠提供多種輸出電壓，僅需要10μF的最小電容即可保持電路穩(wěn)定，具有功耗低、較高的穩(wěn)定性能和精度、大輸出電流的特點。原理圖如圖3。