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，跟随鼠标的移动连续记录它途经表面的“快照”，这些快照（即帧）有肯定的频率、尺寸和辨别力，而光电鼠标的--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，并将这些位移的信息加以编码后实时地传给电脑主机 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，来掌握光标的移动，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、微掌握器和nRF2401射频收发器组成微加速度传感器采纳美国AD公司生产的ADXL203微传感器，微掌握器采纳Atmel公司生产的ATmega 16L微掌握器，该微掌握器附带有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纳电器中常见的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微掌握器组成，其中，RS232串行通信接口芯片采纳的是Maxim2IC公司的MAX233芯片，作用是将微掌握器输出的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，通过微掌握器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放射出去。
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，VATmega 16L单片机采样速率可以达到15000次/秒，本文采纳1000次/秒；即每1ms采样，每25ms便向电脑相对的位移转变量，以保证屏幕上鼠标指针运动的和平滑，则每的位移转变量包含25次对加速度采样的数据可以采纳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方向的位移转变量，连同鼠标按键的实时信息，根据标准的Microsoft鼠标协议要求的格式进行编码，以便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，来正确掌握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，再大的位移转变量会自动溢出 表1 Microsoft标准鼠标协议数据包格式 2 详细设计方案 2.1 鼠标原理 光学鼠标的是一个低辨别率迷你摄像机， 称为传感器。
扫瞄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纳可视的红色LED，有些制造商还生产采纳红外线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，以打算移动的距离和方向产生的结果会传回计算机，而屏幕上的光标会依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扫瞄的，例如镜面、玻璃表面、光滑表面、杂志及全像摄影表面 依据图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）蓝牙放射芯片； 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 鼠标详细的工作原理为：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准时得到当前X/Y坐标移动的位置；接着单片机就将变化的数据根据商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掌握过程。
2.2 放射端 加速度传感器采集加速度信号，单片机通过软件实现对加速度信号的二重积分而转换为位移信号，经编码处理至蓝牙放射芯片，通过天线将数据放射出去 2.2.1 加速度传感器电路 采纳ADI的低成本、低功耗双轴单片加速度传感器 ,其可测量加速度范围至少在 ±2g 以上 ,可以测量动态加速度（比如振动）和静态加速度（比如重力加速度），其输出的占空比是和加速度的大小成肯定的线性关系，并且可以直接被单片机（MCU）采样而不需模数转换（ADC）工作周期则可以简洁地通过RSET来调整 ,范围在0. 5m s到10m s之间带宽可以通过调整XFLT和管脚上的电容Cx和Cy来确定， 本方案中选用Cx=Cy= 0.10μF, 故，需要留意的是，加速度传感器在平动时会在相应的方向产生与加速度相关的输出，在转动的时候也是如此 ,本方案中我们假设鼠标在水平面使用 ,因此我们只需要一片加速度传感器就可以解决问题 ,加速度的大小可以通过 T1/ T2 = 11% 3A+ 50%这个线性比例关系获得 其中 T1表示工作周期中高电平部分的长度 , T2表示整个工作周期的长度 , T1/ T2就是输出占空比的大小，A 是加速度大小 ,而加速度的方向可以通过其正负性来判定。
2.2.2 占空比输出解码 对于每一个轴，传感器的输出电路把模拟信号转变成占空比调制的数字信号，这样就可以通过MCU 的定时/计数器解码获得加速度信息，其大小可以通过下式计算得到： 由于每个器件存在差异，其 0g输出和灵敏性会由于温度、噪声等缘由而不同，为实现高精度测量，0g的偏移量和比例因子必需根据实际测量所得本方案在TA=25℃，VDD=3V,RSET=125KΩ，中测得： 为了实现高精度测量，考虑到T2易受温度漂移的影响，必需周期性地更新T2的平均值一种新的改进型脉宽调制（PWM）解码方法是通过占空比调制在X轴和Y轴使用相同的三角形参考波 ,使得每个周期中 T1的中点达到同步 ,这种方法能加快数据传输时间，也称之为高速解码，X轴和Y轴的占空比输出如图2所示 图2 X轴和Y轴的占空比输出 单片机软件编程实现猎取加速度信息的流程图如图3所示 图3 ADXL202E高速解码技术流程图 2.2.3 软件实现猎取位移信号 如何实现高度且易于编程的二重积分算法是把加速度信号转换为位移信号的关键所在，用积分电路来实现二重积分的误差较大，因此拟用软件编程来实现二重积分的算法 ,并且先在 matlab环境下用动态系统的simulink模型模拟 FFT、辛普生公式等不同的积分算法 ,来进行算法的比较与选择 ,通过加速度传感器鼠标的 simulink模型对实际位移和软件实现的位移信号进行比较，误差掌握在在0.5%以内，满意鼠标设计要求。
2.2.4 无线鼠标按键 鼠标按键采纳标准开关，每个开关直接连到ATmega16 的通用输入输出（GPIO）口， GPIO被配置成输入引脚，每个引脚可以单独地选择上拉电阻，单片机检测按键操作，软件进行按键去抖处理和实现噪声抑制功能，然后通过蓝牙芯片放射出按键信息 2.2.5 蓝牙模块放射芯片 nRF2402是单片2.4 ～2.5GHz射频放射芯片， 放射器包含频率合成器、功放、晶体振荡器和调制器 ,输出功率和信道选择很简单通过3-线接口编程实现， 在输 出功率为-5dBm时电流消耗仅10mA ,内置的ShockBurst技术以及休眠模式用来降低发送数据的电流消耗 ,以延长电池使用寿命 ,并且向pc发送的数据包也应尽可能少（取采样速率为100采样点/秒）ShockBurst技术使用片内先入先出堆栈（FIFO）低速处理数据（10Kbps）而高速发送数据（1Mbps） 该设计需要一个16MHz的晶体振荡器和一个外部的EPROM用来固件存储固件将使用ShockBurst技术从鼠标发送RF数据包其中固件必需完成下列任务： 装载地址（ADDR）和有效载荷（PAYLOAD）； 计算循环冗余检查（CRC）； 添加信息位（PRE）； 使用ShockBurst技术发送数据包； 数据包发送完成回到休眠模式。
2.3 接收端 2.3.1 蓝牙收发芯片 接收器是将nRF2401收发芯片配置成接收模式（RX），其性能类似放射芯片，但该芯片采纳Duo2Ceiver同步双通道接收技术，这样就可以实现鼠标和键盘的无线掌握（在此我们仅考虑鼠标的使用）误差掌握其固件必需完成下列任务： 当nRF2401作为ShockBurst的接收器时，设置正确的地址和接收到的RF数据包的有效载荷长度； 激活RX,并设CE为高； 等待200μs后，nRF2401处于等待接收数据状态； 当有效数据包正确的ADDR和CRC信息接收到后，nRF2401去除数据包中的附加信息、地址和循环冗余检查位； nRF2401通知MCU使DR1设置为高； MCU设置CE为低也可能不设置为低 使芯片处于低电流模式； MCU以肯定的速率记录有效载荷信息； 当得到有效载荷后nRF2402设置DR1为低假如CE为高则预备接收新的数据包 ,假如CE为低，则重新开头起始序列 2.3.2 PCB天线设计 为实现2.4GHz低功耗射频器件nRF2401和nRF2402 的小尺寸、易制造和低成本特点，在PCB上选用1/4波长单极天线是一个抱负的解决方案。
但是犹如其他天线一样 , 1/4 波长单极天线的增益会由于壳体材料、与接地面（ground p lane）接地面的尺寸以及PCB天线的宽度和厚度等参数的转变而发生变化，因此单极PCB天线的长度必需的转变而发生变化，因此单极PCB天线的长度必需优化在本方案中，天线采纳标准1.6mm材料，其相对介电常数为4.4，天线的宽度W=1.5 mm,通过计算可得到单极天线四周物质的介电常数为3.16,从而在该条件下波长为 68.9mm在PCB基底上选用印制1/4波长单极天线。