（测试计量技术及仪器专业论文）基于zigbee技术的无线非接触式鼠标的研制.pdf

人连理t 人学硕十学何论文 摘要 鼠标是人们日常使用的电脑外设，其技术的发展备受瞩目。传统的鼠标有机械鼠标 和光电鼠标两种，它们都依赖于在平面上工作来感知位移的变化。而随着工作场合和客 户需求的不断变化，人们越来越需要一种具备无线功能和悬空遥控功能的鼠标，它不依 赖于平面，没有连线的距离限制。同时，在鼠标的发展中，如何缩小鼠标的体积，降低 鼠标的功耗也越来越被人们所关注。 本文阐述了一种基于z i g b e e 无线传输技术，使用m e m s 微加速度传感器 m m a 7 2 6 0 q t 、低功耗微处理器p i c 2 4 f j 6 4 g a 0 0 2 和z i g b e e 无线收发模块m r f 2 4 j 4 0 的无线非接触式鼠标的设计制作。该鼠标分为鼠标主体部分和鼠标接收器。鼠标主体部 分利用微加速度传感器检测移动的加速度；微处理器通过数字积分算法将加速度信息转 换为位移信息；z i g b e e 无线发送模块将鼠标的位移发送到鼠标接收器端，并通过p s 2 口传输给电脑。此款鼠标使用时不需要专门的工作表面，不受工作空间和移动自由度的 限制。 本文详细讨论了鼠标的硬件和软件设计、数字积分算法和无线传输体系，并给出了 系统测试和算法仿真。针对无线鼠标体积、功耗的特殊要求，进行了鼠标系统各器件的 选取和设计。根据加速度传感器输出信号的特点，详细介绍了加速度信号的调理电路、 单片机对数据的采样及数字积分。同时，本文给出了系统功能软件的流程及z i g b e e 通 信程序的设计。 测试结果表明该鼠标在响应速度、定位精度、功耗、灵敏度方面基本能够满足使用 需要。文中讨论的二维鼠标的设计技术，可为进一步研究多维多功能的微加速度传感器 输入设备打下良好的基础。 关键词：z i g b e e 无线通信；微加速度传感器；数字积分算法；信号调理 基丁z i g b e e 技术的无线1 r 接触式鼠标的研制 t h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sn o n c o n t a c tm o u s e b a s e do nz i g b e et e c h n o l o g y a b s t r a c t m o u s ei sap e r i p h e r a le q u i p m e n to fc o m p u t e rt h a tu s e df r e q u e n t l yb yp e o p l e ，t h e d e v e l o p m e n to fi t st e c h n o l o g yi sp a i dm u c ha t t e n t i o n t r a d i t i o n a lm o u s ei n c l u d e sm e c h a n i c a l m o u s ea n dp h o t o e l e c t r i c a lm o u s e ，b o t ho ft h e md e p e n do np l a n a rw o r kp l a t f o r mt oa p p e r c e i v e t h ec h a n g eo ft h ed i s p l a c e m e n t a l o n gw i t ht h ev a r i e t yo ft h ew o r ko c c a s i o na n dc l i e n t r e q u i r e m e n t ，ak i n do fw i r e l e s sn o n - c o n t a c tm o u s ei si n c r e a s i n g l yn e e d e d ，i td o s en o td e p e n d o np l a n a rp l a t f o r ma n dl i m i t e db yd i s t a n c e i nt h es a m et i m e ，h o wt or e d u c et h ev o l u m ea n d d e b a s et h ec o n s u m eo fp o w e ri sa l s op a i da t t e n t i o nb yp e o p l e i nt h i st h e s i s ，t h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to faw i r e l e s sn o n - c o n t a c tm o u s eb a s e do n z i g b e ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，u s e dm i c r o a c c e l e r o m e t e rm m a 7 2 6 0 q t ，l o w p o w e rc o n s u m em i c r o p r o c e s s o rp i c 2 4 f j 6 4 g a 0 0 2a n dz i g b e ew i r e l e s st r a n s m i t t i n ga n d r e c e i v i n gm o d u l ea r ee l a b o r a t e d 。t h i sm o u s ei n c l u d et w op a r t s ：m o u s em a i nb o d ya n dm o u s e r e c e i v e r t h em o u s em a i nb o d yd e t e c t sa c c e l e r a t i o no ft h em o v eu s e dm i c r o - a c c e l e r o m e t e r ； t h em i c r o p r o c e s s o rc o n v e r t si ti n t op o s i t i o ni n f o r m a t i o nb yd i g i t a li n t e g r a la l g o r i t h m ；z i g b e e w i r e l e s st r a n s m i tm o d u l es e n d st h ed i s p l a c e m e n ti n f o r m a t i o nt om o u s er e c e i v e r ，s oc o m p u t e r g e t si tt h r o u g ht h ep s 2p o r t t h i sm o u s ed o e sn o tn e e ds p e c i f i cw o r kp l a t f o r ma n dr e d u c e s t h el i m i t a t i o no ft h ew o r k i n gs p a c ea n df r e e d o mo fm o v e m e n t s t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n ，d i g i t a li n t e g r a la l g o r i t h ma n dw i r e l e s st r a n s m i s s i o n s y s t e ma r ed e s c r i b e di nd e t a i l ，a n dt h es y s t e mt e s ta n da l g o r i t h ms i m u l a t i o na l ea l s og i v e n a i m e da tt h er e q u i r e m e n to fc u b a g ea n dp o w e rr e s u m eo ft h i sm o u s e ，e a c hp a r to ft h es y s t e m w a ss e l e c t e da n dd e s i g n e d a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fa c c e l e r o m e t e ro u t p u ts i g n a l ， t h ed e s i g no fa c c e l e r a t i o ns i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i t ，t h ed a t as a m p l i n go ft h ea c c e l e r a t i o n s i g n a lb ym c u a n dt h ed i g i t a li n t e g r a la l ep r e s e n t e di nd e t a i l i na d d i t i o n ，s y s t e mf u n c t i o n a l s o f t w a r ef l o wa n dz i g b e ec o m m u n i c a t i o np r o g r a ma r ea l s op r e s e n t e d t h et e s tr e s u l ts h o w e dt h a tt h em o u s ec a nb a s i c a l l ym e e tu s e r sr e q u i r e m e n t si nt e r m so f r e s p o n s es p e e d ，p o s i t i o na c c u r a c y , p o w e rc o n s u m p t i o na n ds e n s i t i v i t y t h ed e s i g nm e t h o do f t w o d i m e n s i o n a lm o u s ed e s c r i b e di nt h i st h e s i sl a y sag o o df o u n d a t i o nf o rf u r t h e rs t u d yo n m u l t i - f u n c t i o n a la n dm u l t i - d i m e n s i o n a lm i c r o - a c c e l e r o m e t e ri n p u td e v i c e s k e yw o r d s ：z i g b e ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ：m i c r o a c c e l e r o m e t e r ：d i g i t a li n t e g r a l t e c h n o l o g ys i g n a lc o n d i t i o n i n g i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 舔疆 日期： 妒5 ，。3 口 人连理i ：人学硕十研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：签在 导师虢 耋雏查! ! 生年月尘日 人_ 迕理l ：人学硕十学何论文 1绪论 1 1课题的背景及意义 随着信息时代的来临，计算机已经在人们的日常生活中变的必不可少。鼠标，作为 人与电脑交互的重要工具，它能够控制电脑屏幕光标的移动，代替计算机键盘繁琐的指 令，使计算机的操作变得简便。鼠标技术与功能的发展，已经越来越被人们所关注。 目f i ，市场上主要有两种鼠标，机械鼠标和光电鼠标。机械鼠标设有两个滚轴，分 别代表x 与y 坐标。它依托于平面，以滚轴的转动来带动与之连接的光栅圆盘，并与电 路板上的光电传感器耦合产生输入信号。光电鼠标是令鼠标在带纹理的专用垫板上运 动，由发光和光敏器件将鼠标所经过的纹理转换为电信号，再由鼠标专用i c 处理并发 送至计算机的鼠标接口，通过前后图像的对比来确定鼠标的位移量。 由于当前计算机的外围设备越来越多，各种连线和接口也错综复杂，这给使用者带 来许多不便。为解决这个问题，在光电鼠标的基础上，无线鼠标应运而生，它采用无线 接口和无线传输技术，克服了有线鼠标的距离限制、线材损耗等问题。但是光电鼠标复 杂的光学系统和控制电路，使得耗电大的问题成为其一大弱点。对于无线鼠标来说这是 一个必须要解决的问题。 随着笔记本、可穿戴式电脑等便携设备的流行，传统的鼠标已经满足不了移动办公 的需要。无论机械鼠标还是光电鼠标，它们都有一个共同特点，就是必须依托于平面参 照物，需要在一定的平面上滑动才能够识别位移量的变化。而在例如会议讲演等的许多 场合，越来越需要一种鼠标，它能克服传统鼠标必须依托平面参照物的缺点，能够通过 悬空的移动传递位移量，使得鼠标的使用更加的方便，实现鼠标的悬空遥控，使用起来 好像电视的遥控器一样i 。 鼠标遥控的功能要求这种鼠标必须是无线的，克服鼠标连线带来的麻烦，实现完全 的灵活机动。而传统无线鼠标由于没有电脑给其供电，所以如何节省功耗一直是需要解 决的问题。在无线通信技术方面，就需要追求一种廉价的，固定、便携或者移动设备使 用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线通信技术。 为了适应鼠标使用者们这些新的需求，对低功耗无线通信，不依赖平面的非接触式 鼠标的研究就显得十分必要。 1 2 国内外技术概况及研究现状 鼠标是电脑重要的外设之一，它取代了繁琐的控制指令，令人机的交流更加方便快 捷，随着个人电脑的兴起，操作系统的友好化，鼠标的使用成为必然。鼠标的发展与技 墓丁z l 醇e e 技术的无线1 r 接触式鼠标的研制 术创新都被人们所时刻关注。在鼠标4 0 年的发展单程中，出现许多技术的革新在追 求定位精密，使_ e j 方便的标准下，鼠标技术得到j 不断拓展和完善l “。 121鼠标的发展概况与研究现状 1 9 6 8 年1 2 月9he n g i l e h b a r t 博士在i e e e 会议上展示的世界上第一个鼠标，一个 木质的小盒子，盒子f 面有两个互相垂直的轮子，每个轮子带动一个机械变阻器获得x 、 y 轴上的何移，在盒子的上面则有一个按钮开芙提供连通信号。这款鼠标的鼻祖与今天 的鼠标结构大不相同，甚至还需要外置电源给他供电才能正常工作j 。 1 9 7 2 年推出1 廿界上首款的机械滚轮鼠标名为“a l t om o u s e ”。它是机械鼠标的雏形。 1 9 8 3 年苹果公司受到仙重公司著名s t a r 计算机的启发，在当年推出的l i s a 电脑上 第一次使用了鼠标作为g u i 界面操作工具。这款电脑虽然不成功，但它为转年推出的 m a c i i _ t o s h 以及m a c o s 操作系统提供了经验，鼠标的黄金年代束i 临了。这个时候的鼠 标还是老式的机械式鼠标，但是对于最仞的产品已经有了新的改良，鼠标球取代了不是活 的单滚球，单键设计被更加灵活的双键= 键所取代，可供电的标准r s 2 3 2 串行口设计 取代了早期的独奇接口，现代鼠标的基本结构已经成型。 】9 8 5 年，帕洛阿尔托研究中心推出了首款光学鼠标，不过这款光学鼠标斋要在特殊 的自栅格的鼠标垫上才能正常使用，圊此它只能说是光学鼠标的雏形。 1 9 9 6 年由微软发明的鼠标滚轮是鼠标发展史p 十分重大的发明，在光电鼠标出现前 滚轮已经成为鼠标的标配之。机械滚轮鼠标图片如图11 所示。 图ll 机械鼠标 f i g l1m e c h a n i c a lm o u ” 现在流行的滚轮设计一般包括两种，一是机械式滚轮，也就是用滚轮来带动一个机 械电位器咀获得信息，微软的很多鼠标都是采用这种结构。它的优点就是滚动比较精准， 但是机械结构存在磨损问题。 人迎理i ：人学硕十学位论文 另一种滚轮就是光电式滚轮，罗技等大多数厂商都是采用这种设计。它的滚轮内部 就是一个栅轮。在栅轮的两侧分别有一个发光二级管和热敏二级管，工作原理上和光机 鼠标获得滚动信息的方式是一样的。这种滚轮的寿命比较长而且手感很干脆，但是在滚 动信息的精确性上却不如上面的机械式滚轮。 1 9 9 9 年微软与安捷伦公司合作，推出了i n t e l l i m o u s ee x p l o r e r 鼠标，揭开了光学成 像鼠标的时代的序幕。其中i n t e l l i e y e 定位引擎是世界上第一个光学成像式鼠标引擎，它 的高适应能力和不需清洁的特点成为当时最为轰动的鼠标产品，被多个科学评选评为 1 9 9 9 年最杰出的科技产品之一。( 不过由于那个时候微软的硬件产品没有正式进入中国， 所以当时i n t e l l i m o u s ee x p l o r e r 鼠标所引起的轰动反响并没有波及到中国大陆) 。 2 0 0 0 年，罗技公司也推出了同类的光电鼠标产品，使用安捷伦h 2 0 0 0 光学成像引 擎，性能上和i n t e l l i m o u s ee x p l o r e r 鼠标一样。这一代产品是光学成像引擎的第一代产品， 这一代的光电鼠标拥有一些现在已经众所周知的缺点，比如仅为1 5 0 0 次秒的刷新率和 4 0 0 c p i 的分辨率。对采样表面的适应性差，尤其对镜面以及花纹表面。 2 0 0 1 年安捷伦推出了自己第二代光学成像引擎( a 2 0 3 0 、a 2 0 5 1 ) ，首先推出产品 的是安睫伦，它在c m o s 和d s p 引擎都没有重大变化的背景下，通过对光学引擎的重 新设计将引擎的分辨率提升到8 0 0 d p i ，同时将刷新率提升到2 0 0 0 2 5 0 0 次秒。但是由 于这一次的技术改良并没有增大c m o s 的尺寸，所以相较第一代光学引擎性能提升并 不明显。正是因为这样安捷伦公司并没有对第二代产品大肆宣传，只是无声无息的取代 了第一代产品。 2 0 0 1 年底微软结束了与安捷伦的合作以后，独立推出了第二代i n t e l l i e y e 引擎，与 前一代相比它的改变极为重大一微软重新设计了c m o s 和d s p 算法，将刷新率提升到 前所未有的6 0 0 0 次秒，同时将c m o s 尺寸提升到2 2 x 2 2 ，同时一举解决了光电鼠标的 丢帧和表面适应性问题，同时全部控制电路整合到同一块芯片上，大大提高了系统的整 合度。不过第二代i n t e l l i e y e 引擎光学部分并没有重新设计，所以其分辨率仍为4 0 0 d p i 。 2 0 0 2 年初罗技推出了光电鼠标历史上独一无二的双光头极光飞貂来与i e 3 0 竞争 川，它使用了和其它安捷伦引擎所不同的 a s 芯片和两个第二代的安捷伦d s p 处理器， 通过将两个s p i 芯片交替运行来获得更高的处理速度，尽管c m o s 的面积没有变化，但 由于两个光头在不同的位置上采样，所以表面的适应性要比同期罗技单光头的鼠标来得 好些。 璀 z 】g b e e 技术的无线州触，鼠怀的研制 图12l o g ic 光f “鼠标 f i g1 2p h o t c e l e c t f i c a l o f l o g i cc o m p a n y 2 0 0 2 年f 半年，罗技推出了和安捷伦合作一年的成果一新一代m x 光学引荤，新 的光学引擎在保留8 0 0 d p i 的6 i 提下，将像素处理能力提升到令人诈舌的4 7 0 万像素秒， 同时将c m o s 尺寸加大到3 0 x 3 0 。这使得它在性能上超过了。切原有的光学引擎，同 时在光学性能上已经不亚于传统的光机鼠标，成为历史上第一款近乎完美的光学引擎。 2 0 0 3 年9 月，微软推出r 全新系列的鼠杯产品。它们全部采用“t i l t w h e e l ”滚轮， 这种滚轮最大的特点是通过左右倾斜可以实现对水平方向移动的控制。 从光电鼠标的出现，到主导市场仅用了短短的4 年时间。而且就现代光电技术来看， 新代的光电鼠标从性能上取代老式的光机鼠标已成定局。看来不久的将来，我们将只 能在博物馆里面才能看到机械鼠标了。 在机械鼠标走入生命的末期，光电鼠标发展到技术的极致的时候，。种新型的鼠标 非接触式鼠标诞生了，非接触式鼠标是m e m s 加速度传感器在姿态检测及动作识 别方面的一个典型应用p j i “。国内外与港台地区在这方面的研究已经取得r 一定的成果。 低g 值 a e m 8 加速度传感器的出现将使鼠标的发展进入一个新的阶段无线非接 触式鼠标。它采用了加速度传感器芯片作为定位信息的检测元件，根据感受力的变化束 检测本身移动的加速度值的变化，通过适当算法即可得到位移量的变化，这样就摆脱了 传统鼠标对平面参照物的依赖，可以实现悬空不接触任何平面的情况下操纵光标的变 化。同时由于它尺寸小、重量轻，而且结构是否封闭、遮光对性能没有影响，因而外形 可以做成适合转动和倾斜的笔彤或其它任意形状”】。 1 9 8 8 年，美国的l y n nto l s o n 就申请了名为“i n e r t i a lm o u s es y s t e m ”的手持式加 速度鼠标专利，它使用两只加速度计榆测鼠标三个方向的加速度信号i5 i 。斯坦福大学的 c h r i s t o p h e r wk u n g 和p e t e r w a n g 在其名为“e c e 4 7 6f i n a lp r o j e c t ”课题中设计了一款 名为“g m o u s e ”的加速度鼠标，通过r s 2 3 2 与p c 机通信，使用效果非常好。y i n g - z o e 鳖 止迁理f 人学硕十毕1 、z 论文 h u a n g 在其名为“e e 2 8 ip r o j e c l ”中设计了款基丁a d x l 2 0 2 j e 加速度。i 可】作 4 3 3 m h z 的无线鼠标。康奈尔人学的a s e e mk o h l i 发表了题为“m i n o r i t yr c p o r lm o u s e t h e a c c e l e r o m e t e r b a s e d m o u s e ”的报告，报告中详细弱述了种利用4 只m m a l 2 6 0 d 加速度计并通过p s 2 西议1 0p c 机通信的倾角鼠标。 美国w a s h i n g t o n 大学t o d dm o r t o n 教授利用a d x 2 0 2 加速度传感器成功实现了无 线倾角加速度鼠标，泼鼠枷；通过u s bu 与p c 机进行通讯。麻乍理i ：学院的s h i r l e v l i 等人成功研制集于加速度传感器的二维无线鼠标，该鼠标采用l t s 3 0 l 0 2 三轴加速度传 感器和c c l 0 1 0 射频收发芯片处理单元采用f p g a ，它也是通过倾角使用来挖制鼠杯 吼 p r i n c e 在他的专利中提m 了。种输入设备的方案，用连在手指上的压力f 0 嬉嚣束感 测手指的动作，从而控制电脑输入。 萸闰怕明翰大学h u m p h r e y s 等人研制了种维鼠标，利用川转仪可以控制电脑屏 幕上三维立体的旋转。 微软公司中请了可穿戴式鼠标的专利，根据这个专利，微软公司将| 殳计卒l 】无线技 术的鼠标市场。町穿戴鼠标的示意图如图1 3 。 图13 微软町穿戴式飙标小意图 f i g 1 3 s k e t c h m a p o f m i c r o s o f t w e a r a b l e 在国内，2 0 0 2 年，东南人学的李宏升申请了名为“移动式全电子惯性鼠标”的实用 新型专利，专利号为0 1 2 3 8 1 5 35 t 它利用加速度信号积分后并进行分频产生速度脉冲， 再配合专用的鼠标i ( 2 芯片实现1 1 。2 0 0 5 年，山东济南杨永泉申请了名为“无线鼠标” 的发明专利，专利号为0 3 0 3 8 8 6 98 【“i 。同时，北京大学张乐平，r 海交通大学黄得志等 都进行了基于加速度传感器鼠标方面的研究i ”1 7 1 。 在台湾地区，台湾的a l p h 8p l u s 半导体公司在2 0 0 2 年成功丌发了具有3 轴加速度 传感器和无线功能的鼠标。作为个人电脑等产品的输入设备来使用的时候，可以利用鼠 誉一 基rz i g b e e 技术的无线1 f 接触式鼠标的研制 标在x 、y 轴f = 的移动来检测用户的操作。缓产品没有使用鼠标球和光( 如红外线) 等 定位方式。通过2 4 g h z 频带的无线方式向个人电脑发送数据。该产品由基于m e m s 技 术的加速度传感器芯片、无线收发芯片以及控制器等= 牧芯片构成。同时还初步拟定将 其应用于游戏机控制杆等领域i “i 。产品图片如图1 4 所不。 图14 台湾a l p h ap l u s 三轴m 6 鼠标 f i g1 43 - a x i s m e m s o f t a i w a n a l p h a m u 5c o m p a n y 122 短距离无线传输技术发展概况 近十几年米，无线与移动通信以前所未有的速度迅猛发展。随着各种便携式个人通 信设备与家用电器设备韵增加，人们享受蜂窝移动通信系统带来的便利的同时，对短距 离的无线与移动通信又提出了新的需求，使得短距离无线通信异军突起，包括无线局域 网、蓝牙技术、红外线技术、无线高保真以及z i g , b e e 技术等各种热点技术相继出现， 均展现出并自巨人的席用潜力1 1 2 1 。 ( 1 ) 蓝牙( b l u e t o o t h ) ，最早是爱立信在1 9 9 4 年开始研究的一种能使手机与其附件( 如 耳机1 之间互相通信的无线模块。1 9 9 8 年，爱立信、诺基亚、i b m 等公司共同推出了监 牙技术，主要用于通信和信息设备的无线连接。它的工作频率为24 g h z ，有效范围大约 在1 0 m 半径内。b l u e t o o t h 列入了i e e e 8 0 21 51 1 ，规定了包括p h y 、m a c 、网络和应 用层等集成协议栈。为对语音和特定网络提供支持，需要协议栈提供2 5 0 k b 系统开销， 从而增加了系统成本和集成复杂性。另外，b l u e t o o t h 对每个“p i c o n e t ”f 微微网1 有只能配 置7 个节点的限制，制约了其在大型传感器网络开发中的应用。 ( 2 ) w i f i ( w i r e l e s sf i d e l i t y ，无线高保真) 也是一种无线通信协议。1 e e e 8 0 2 ：1 1 的最 初规范是在1 9 9 7 年提出的。主要目的是提供w l a n 接入，也是目前w l a n 的主要技 术标准，其工作频率也是24 g h z 。日前，i e e e s 0 21 1 标准还没有被工业界广泛接受 i e e e 8 0 21 1 流行的几个版本包括a ( 波段5 1 8 g h z ，带宽为5 4 m b p s ) 、b ( 波段 24 g h z ，带宽为i 1 m b p s ) 、“g ”r 波段24 g h z , 带宽为2 2 m b p s ) 。这种复杂性为用户选 人连理e 大学硕t 学位论文 择标准化无线平台增加了困难。w i f i 规定了协议的物理( p h y ) 层和媒体接入控sj j ( m a c ) 层，并依赖t c p i p 作为网络层。由于其优异的带宽是以大的功耗为代价的，因此大多 数便携w i f i 装置都需要常规充电。这些特点限铡了它在工业场合的推广和应雳。 ( 3 ) 红夕 线数据协会i r d a ( 1 n f r a r e dd a t a a s s o c i a t i o n ) 成立于1 9 9 3 年。i r d a 是种利 用红外线进行点对点通信的技术。i r d a 标准的无线设备传输速率已从1 1 5 2 k b p s 逐步发 震到4 m b p s 、1 6 m b p s 。露前，支持它的软硬件技术都很成熟，在小型移动设备( 如p d a 、 手机) 上被广泛使用。它具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用成 本低廉的特点。i r d a 用于工业网络上的最大问题在于只能在2 台设备之间连接，并且 存在有视距角度等问题。 ( 4 ) z i g b e e ( i e e e 8 0 2 1 5 4 ) 技术是最近发展起来的一种短距离无线透信技术，功耗 低，被业界认为是最有可能应用在工控场合的无线方式。它同样使用2 ，4 g h z 波段，采 用跳频技术和扩频技术。另外，它可与2 5 4 个节点联网。节点可以包括仪器和家庭自动 化应用设备。它本身的特点使得其在工业监控、传感器网络、家庭监控、安全系统等领 域有很大的发展空间l l 引。 几种常用无线传输方式的主要性能比较如表1 1 所示： 表1 。l 强种无线传输方式的比较 t a b 1 1 c o m p a r i s o no fs o m ew i r e l e s st e c h n o l o g y 1 3 本文的主要工作 本文研究一款以加速度传感器作鼠标移动检测元件，采用z i g b e e 无线通信技术的 无线非接触式鼠标。 鼠标由鼠标主体部分与鼠标信号接收器组成。本文主要工作如下： 整丁z i g b e e 技术的无线1 卜接触式鼠标的研制 ( 1 ) 设计鼠标硬件系统，连接各个模块，包括电源管理模块，信号采集模块，中央 控制模块，无线收发模块等。鼠标的硬件设计为鼠标采集加速度信号并最终获玻鼠标位 置信息搭建了平台。 ( ) 为鼠标设计合理的系统软件，将采样得到的加速度信号数字积分，获取鼠标位 移量变化信息，并实现鼠标的按键功能，同时受责将鼠标的位移与按键信息合并后无线 发送给插在电脑上的鼠标接收器，实现鼠标与电脑的无线通信。 ( 3 ) 设计合理的二次积分算法，使加速度传感器检测到的加速度信号转变为位移信 r - 1 丐。 f 4 ) 基于8 0 2 1 5 。4 无线通信协议，采用z i g b e e 技术，实现鼠标主体与鼠标接收器之 间数据的无线通信。基于p s 2 通信协议，使鼠标接收器与电脑的通信，最终实现了鼠 标的无线操纵。 本文共分六章，分别如下： 第一章绪论：简要介绍了选题的背景，课题所研究对象的发展历史和国内外相关 研究现状，接着给出了课题要完成的任务及本文的基本结构。 第二章z i g b e e 无线传输技术：介绍了z i g b e e 无线传输技术的特点及z i g b e e 无线 传输协议，为本文工作做理论铺垫。 第三章系统总体方案设计：给出了本设计中鼠标的总体设计思想和总体设计框图。 第四章无线菲接触式鼠标的硬件系统设计；介绍了鼠标内部硬件器件的选择和电 路的构建，分模块详细给出器馋介绍和连接电路圈。 第五章无线非接触式鼠标的软件设计：给出了鼠标的功能软件流程，二次积分数 字处理算法的实现；z i g b e e 通信协议及通信软件编制；给出了无线鼠标设计中z i g b e e 无线透信的具体实现和编码的传送。 第六章无线非接触式鼠标系统调试：对数字积分算法进行了验证，同时给出了设 计过程中软硬件的调试过程。最后对鼠标进行了性能测试。 大连理l ：大学硕+ 学 寺论文 2zlg b e e 无线传输技术 z i g b e e 技术是一种应用子短距离范围内，低传输数据速率下的各种电子设备之闻的 无线逶信技术。z i g b e e 名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳 z i g z a g 形状的舞蹈来通知发现的新食物源的位置、距离和方向等信息，以此作为新一代 无线通讯技术的名称。z i g b e e 过去又称为“h o m e r fl i t e ”、“r f e a s y l i n k ”或“f i r e f l y ”无 线电技术，譬静统一称为z i g b e e 技术。 2 。1z ig b e e 无线传输技术的特点 逸扶马可尼发明无线电以来，无线透信技术一宣向着不断提高数据速率和传输距离 的方向发展。例如：广域网范围内的第三代移动通信网络( 3 g ) 目的在于提供多媒体无线服 务，局域网范围内的标准从i e e e 8 0 2 1 1 的1 m b i t s 到i e e e 8 0 2 1 l g 的5 4 m b i t s 的数据速 率。两当 | ； f 褥到广泛研究的z i g b e e + 技术别致力于提供一耱纛价的匿定、便携或者移动 设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线通信技术。这种无线通信技术具有如 下特点f 1 4 l ： 功耗低：工作模式情况下，z i g b e e 技术传输速率低，传输数据量镊奎，医此信号的 收发时间很短，其次在非工作模式时，z i g b e e 节点处于体眠模式。设备搜索时延一般为 3 0 m s ，休眠激活时延为1 5 m s ，活动设备信道接入时延为1 5 m s 。由于工作时间较短，收 发信息功耗较低且采角了体眠模式，使得z i g b e e 节点非常省电，z i g b e e 节点的电池工 作时闻可以长达6 个月到2 年左右。同时，由于电池时间取决予很多因素，例如：电池种 类、容量和应用场合，z i g b e e 技术在协议上对电池使用也作了优化。对于典型应用，碱 性电池可以使用数年，对于某些工作时间和总时间( - r 作时间+ 体眠时间) 之比小于l 的 情况，电池的寿命甚至可以超过董0 年。 数据传输可靠：z i g b e e 的媒体接入控制层( m a c 层) 采用t a l k - w h e n r e a d y 的碰撞避 免机制。在这种完全确认的数据传输机制下，当有数据传送需求时则立刻传送，发送的 每个数据包都必须等待接收方的确认信息，并进行确认信息回复，若没有得到确认信怠 的匿复就表示发生了碰撞，将再传一次，采用这张方法可以提高系统信息传输的可靠性， 同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。同 时z i g b e e 针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和体眠状态激活的时延都菲常短。 网络容量大：z i g b e e 低速率、低功耗和短距离传输的特点使它j 鬻适宣支持简单器 件。z i g b e e 定义了两种器件：全功能器件( f f d ) $ 1 1 简化功能器件( r f d ) 。对全功能器件， 要求它支持所有的4 9 个基本参数。丽对简化功能器件，在最小配置时只要求它支持3 8 基丁z i g b e e 技术的无线_ 卜接触式鼠标的研制 个基本参数。个全功能器件可以与简化功能器件和其他全功能器件通话，可以按3 种 方式工作，分别为：个域网协调器、协调器或器件。藤简化功能器件只能与全功能器件逶 话，仅用予非常简单的应用。一个z i g b e e 的网络最多包括有2 5 5 个z i g b e e 网路节点，其 中一个是主控( m a s t e r ) 设备，其余则是从属( s l a v e ) 设备。若是通过网络协调器( n e m o r k c o o r d i n a t o r ) ，整个网络最多可以支持超过6 4 0 0 0 个z i g b e e 网路节点，再加上各个n e t w o r k c o o r d i n a t o r 可互相连接，整个z i g b e e 网络节点的数目将十分可观。 兼容性：z i g b e e 技术与现有的控制网络标准无缝集成。通过网络协调器( c o o r d i n a t o r ) 自动建立两络，采用载波债听冲突检狈, f f c s m a - c a ) 方式进行信道接入。为了可靠传递， 还提供全握手协议。 安全性：z i g b e e 提供了数据完整性检查和鉴权功能，在数据传输中提供了三级安全 性。第一级实际是无安全方式，对于某种应用，如果安全并不重要或者上层已经提供足 够的安全傈护，器件就可以选择这种方式来转移数据。对于第二级安全级别，器件可以 使用接入控制清单( a c l ) 来防止非法器件获取数据，在这一级不采取加密措旌。第三级 安全级别在数据转移中采用属于高级加密标准( a e s ) 的对称密码。a e s 可以用来保护数 据净荷和防止攻击者冒充合法器件。 实现成本低：模块的初始成本估计在6 美元左右，很快就能降到王5 2 5 美元，且 z i g b e e 协议免专利费用。目前低速低功率的u w b 芯片组的价格至少为2 0 美元。而 z i g b e e 的价格疆标仅为凡美分。 2 2ie e e8 0 2 15 4 标准与z ig b e e 技术 2 2 1 l e e e8 0 2 1 5 4 协议架构及其技术特点 i e e e8 0 2 1 5 4 满足i s o ( 国际标准化组织) o s i ( 开放系统互连) 参考模式。它定义了单 一的m a c ( 媒体访闯控制) 层和多样的物理层。 i e e e8 0 2 1 5 4 的m a c 层能支持多种l l c 标准，通过s s c s ( 业务相关的会聚孑层) 协议承载i e e e 8 0 2 2 类型1 的l l c 标准，同时允许其他l l c 标准直接使用i e e e8 0 2 1 5 4 的m a c 层服务。 i e e e8 0 2 1 5 。4 定义了2 4g h z 物理层和8 6 8 9 1 5m 跑物理层2 个标准，它们都基于 d s s s ( 直接序列扩频) ，使用相同的物理层数据包格式，区别在于工作频率、调制技术、 扩频码片长度和传输速率。9 1 5 8 6 8m h z 频段是基于差分编码的b p s k ( 二迸制相移键 控1 ，2 。4g 频段采用十六进制正交调制。2 4g h z 频段共有董6 个不同的信道力全球统 一的无需审请的i s m ( i 业、科学、医疗1 频段，采用高阶调制技术能提供2 5 0k b i t s 的传 输速率，有助于获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期，从而更省电。 人连理r 人学硕十学何论文 8 6 8m h z 是欧洲的i s m 频段，只有1 个信道，9 1 5m h z 是美国的i s m 频段，有1 0 个信 道，引入这2 个频段避免了2 4g h z 附近各种无线通信设备的相互干扰。8 6 8m h z 传输 速率为2 0k b i t s ，9 1 6m h z 传输速率为4 0k b i t s 。这2 个频段上无线信号传播损耗较小， 因此可降低对接收机灵敏度的要求，获得较远的有效通信距离，从而可以用较少的设备 覆盖给定的区域i l 引。 2 2 2zig b e e 技术 z i g b e e 技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通 信技术，主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定 位功能。相对于现有的各种无线通信技术，z i g b e e 技术将是最低功耗和成本的技术。 z i g b e e 协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。 ( 1 ) 物理层：遵循i e e e8 0 2 1 5 4 协议，是协议的最底层，承担着与外界直接作用的 任务，控制r f 收发器工作，采用扩频通信，信号传输距离为室内5 0m ，室外1 5 0m 。 ( 2 ) m a c 层：遵循i e e e8 0 2 1 5 4 协议，负责设备间无线数据链路的建立、维护和 结束，确认模式的数据传送和接收，可选时隙，实现低延迟传输，支持各种网络拓扑结 构，网络中每个设备为1 6 位地址寻址。 ( 3 ) 网络层：建立新的网络，处理节点的进入和离开网络，根据网络类型设置节点 的协议堆栈，使网络协调器对节点分配地址，保证节点之问的同步，提供网络的路由， 保证数据的完整性，使用可选的a e s 1 2 8 对通信加密。 ( 4 ) 应用层：应用支持层维持器件的功能属性，发现该器件工作空间中其他器件的 工作，根据服务和需求使多个器件之间进行通信，根据具体应用由用户开发。 z i g b e e 协议栈由一组子层构成，基于标准的七层开放式系统互联( o s d 模型。每层 为其上层提供一组特定的服务：一个数据实体提供数据传输服务，一个管理实体提供全部 其他服务。每个服务实体通过一个服务接入点( s a p ) 为其上层提供服务接1 3 ，并且每个 s a p 提供了一系列的基本服务指令来完成相应的功能。 z i g b e e 协议栈虽然是基于标准的七层开放式系统互联( o s i ) 模型，但仅对那些涉及 z i g b e e 的层予以定义。i e e e 8 0 2 1 5 4 2 0 0 3 标准定义了最下面的两层：物理层( p h y ) 和介 质接入控制子层( m a c ) 。z i g b e e 联盟提供了网络层和应用层( a p l ) 框架的设计。其中应 用层的框架包括了应用支持( a p s ) ，z i g b e e 设备对象( z d o ) 和由制造商制订的应用对象。 z i g b e e