基于MEMS技术的无线USB鼠标研究

1、基于MEMS技术的无线USB鼠标研究摘 要微机电系统(Micro-Electronic Mechanical System-MEMS),是在微电子技术基础上结合精密机械技术发展起来的一个新的科学技术领域。一般来说，MEMS是指可以采用微电子批量加工工艺制造的，集微型机构、微型传感器、微型致动器（执行器）以及信号处理和控制电路,直至接口、通讯和电源等部件於一体的微型系统。通常，MEMS主要包含微型传感器、执行器和相应的处理电路三部分。无线鼠标可广泛用于计算机输入和虚拟技术中，具有使用灵活、性能可靠等优点叙述了采用低g高灵敏度双轴加速度传感器ADXI,202E采集加速度信息，8位精简指铖RISC)

2、单片机ATmegal6完成数据转换、编码处理，并兼作蓝牙芯片的主机，24GHz射频芯片nRF2402和nRF?_A01实现无线收发以及采用带USB接gt的单片机CY7C637xx搭建无线鼠标的原理和实现方案。关键词：MEMS；加速度传感器；单片机；蓝牙；USB；鼠标前 言从1968年全世界第一个鼠标诞生到现在，已经经历了37年的历史。设计鼠标的初衷就是为了使计算机的操作更加简便因此鼠标也经历了一代又一代的发展和变革。早期的机械式鼠标由于精度有限、传输速度慢及寿命短的原因，基本上已经被淘汰。而光机式鼠标又无法避免机械磨损造成的损害。现在，光电鼠标已经普及到我们生活的大多电脑上，但是由于鼠标CMO

3、S扫描频率的限制，当鼠标快速移动时会导致前后两帧没有相似点，出现掉帧现象并使图像比较的算法复杂且对DSP运算能力要求高。当前常见的蓝牙鼠标控制器多是用嵌人蓝牙核的ASIC芯片实现，所以实现复杂且价格昂贵。无线鼠标是比较新颖的鼠标。用无线发射器把鼠标在X或Y轴上的移动，按键按下或抬起的信息转换成无线信号并发送出去，无线接收器收到信号后经过解码传递给主机，靠的是无线电传输，采用高频无线电（射频）技术(3) 具有振动功能，即触觉回馈功能。玩某些游戏时，当你被敌人击中时，你会感觉到你的鼠标也振动了。无线鼠标器是为了适应大屏幕显示器而生产的。所谓“无线”，即没有电线连接，而是采用二节七号电池无线摇控，鼠

4、标器有自动休眠功能，电池可用上一年，接收范围在1.8米以内。3D振动鼠标是一种新型的鼠标器，它不仅可以当作普通的鼠标器使用，而且具有以下几个特点：(1) 具有全方位立体控制能力。它具有前、后、左、右、上、下六个移动方向，而且可以组合出前右，左下等等的移动方向。(2) 外形和普通鼠标不同。一般由一个扇形的底座和一个能够活动的控制器构成。微机电的概念最早可追溯到1959年R.Fe ym.在加州理工大学的演讲。 1982年,K.E .Pe terson发表了一篇题为“Silicon as a Mechanical Material”的综述文章，对硅微机械加工技术的发展起到了奠基的作用。微机电研究的真

5、正兴起则始於1987年，其标志是直径为10um的硅微马达在加州大学伯克利分校的研制成功。自此以后,微电子机械系统技术开始引起世界各国科学家的极大兴趣。为了进一步完善这一学科,使其更多更快地为人类服务，除探索新技术，新工艺以外，各国科学家们还在积极努力从事MEMS基础理论研究，包括对微流体力学，微机械磨擦和其他相关理论的研究，并建立一套方便，快捷的分析与设计系统。相信在不久的将来，MEMS将广泛渗透到医疗、生物技术、空间技术等领域。我国MEMS的研究始于20世纪80年代末，起步并不晚，在“八五”、“九五”期间得到国家科技部、教育部、中国科学院、国家自然科学基金委和原国防科工委的支持。开展了包括微

6、型直升机、力平衡加速度传感器、力平衡真空传感器、微泵、微喷嘴、微马达、微电泳芯片、微流量计、硅电容式麦克风、分裂漏磁场传感器、集成压力传感器、微谐振器和微陀螺等许多微机械器件的研究和开发工作。这里值得一提的是：历史长达53年的IEDM（International Electron Devices Meeting）是IEEE旗下的王牌会议之一。直到2004年，50岁的IEDM才第一次听到来自中国大陆的声音：中科院微系统所的研究人员将STI（浅槽隔离）技术加以变化后运用到单晶圈MEMS的制作上，发展出一种沟槽侧墙（Trench-Sidewall）技术。清华大学的研究思路与微系统所有异曲同工之妙，他

7、们将铁电薄膜与Si基MEMS巧妙结合，利用压电效应设计并制备出性能优良、高可靠性的超声波微话筒。将IC技术巧妙地运用到MEMS中，中科院和清华大学的这两个研究小组以其新颖的创意引起关注，向全球的同行们展示了国内在半导体技术上的长足进步。基于MEMS工艺制造的低g高灵敏度微加速度传感器无线鼠标最大程度的克服了以上缺点，发射端采用一片ATmegal6单片机作鼠标的微控制器，兼作控制蓝牙模块的主机，充分发挥单片机的性能，实现低成本设计，具有一定的实用性和创新性；接收端的接收电路对RF信号进行接收、解码、转换为盯L电平的数据流送给带USB接口的单片机CYTC637xx处理，单片机把数据转化为符合鼠标U

8、SB协议的数据格式发送给PC。第一章 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)有一定的频率、尺寸和分辨力，而光电鼠标的核心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，来控制光标的移动，从而实现鼠标的功能。1.2硬件设计如图1

9、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。微加速度传感器差分放大模数转换二重积分编码nRF2401发射nRF2401接收微控制器接口芯片计算机图1无线鼠标系统结构框图远端子系统由微加速度传感器、微控制器和nRF2401射频收发器组成。微加速度传感器采用美国AD公司生产的ADXL203微传感器，微控制器采用Atmel公司生产的ATmega 16L微控制器，该微控制器附带有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

10、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。系统供电采用电器中常见的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微控制器组成，其中，RS232串行通信接口芯片采用的是Maxim2IC公司的MAX233芯片，作用是将微控制器输出的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

11、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，通过微控制器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发射出去。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，V。ATmega 16L单片机最大采样速率可以达到15000次/秒，本文采用1000次/秒；即每1ms采样一次，每25ms便向电脑报告一次相对的位移改变量，以保证屏

12、幕上鼠标指针运动的精确和平滑，则每一次报告的位移改变量包含25次对加速度采样的数据。可以采用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

13、取-127+127，再大的位移改变量会自动溢出。表1-1Microsoft标准鼠标协议数据包格式字节各字位数据所表示的物理意义NoD7D6D5D4D3D2D1D011LBRBY7Y6X7X610X5X4X3X2X1X010Y5Y4Y3Y2Y1Y0第二章 具体设计方案2.1鼠标原理光学鼠标的核心是一个低分辨率迷你摄像机， 称为传感器。浏览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用可视的红色LED，有些制造商还生产采用红外线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，以决定移动的距离和方向。产生的结果会传回计算机，而屏幕上的光标

14、会根据这些结果来移动。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浏览的，例如镜面、玻璃表面、光滑表面、杂志及全像摄影表面。根据图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) 蓝牙发射芯片；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具体的工作原理为：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及时得到当前X/Y坐标移动的位置；接着单片机就将变化的

15、数据按照约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控制过程。2.2发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,经编码处理至蓝牙发射芯片,通过天线将数据发射出去。2.2.1加速度传感器电路采用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

16、一定的线性关系,并且可以直接被单片机（MCU）采样而不需模数转换（ADC）。工作周期则可以简单地通过RSET来调节 ,范围在0. 5m s到10m s之间。带宽可以通过调节XFLT和管脚上的电容和来确定, 本方案中选用= 0.10F, 故，需要注意的是,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

17、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输出和灵敏性会因为温度、噪声等原因而不同,为实现高精度测量,0g的偏移量和比例因子必须按照实际测量所得。本方案在，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,必须周期性地更新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

18、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 2X轴和 Y轴的占空比输出单片机软件编程实现获取加速度信息的流程图如图 3所示。计时器在开始计时记录时刻记录时刻记录时刻结束图 3ADXL202E高速解码技术流程图2.2.3软件实现获取位移信号如何实现高精确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

19、标的 simulink模型对实际位移和软件实现的位移信号进行比较，误差控制在在0.5%以内,满足鼠标设计要求。2.2.4无线鼠标按键鼠标按键采用标准开关，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,然后通过蓝牙芯片发射出按键信息。2.2.5蓝牙模块发射芯片nRF2402是单片2.4 2.5GHz射频发射芯片, 发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容易通过3-线接口编程实现， 在输 出功率为-5dBm时电流消耗仅10mA ,

20、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。其中固件必须完成下列任务: l 装载地址（ADDR）和有效载荷（PAYLOAD）；l 计算循环冗余检查（CRC）；l 添加信息位（PRE）；l 使用ShockBurst技术发送数据包；l 数据包发

21、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），其性能类似发射芯片,但该芯片采用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控制（在此我们仅考虑鼠标的使用）。误差控制其固件必须完成下列任务:l 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;l 激活RX,并设CE为高;l 等待200s后，nRF2401处于等待接收数据状态;l 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;l nRF2401通

22、知MCU使DR1设置为高;l MCU设置CE为低也可能不设置为低 使芯片处于低电流模式;l MCU以一定的速率记录有效载荷信息;l 当得到有效载荷后nRF2402设置DR1为低。如果CE为高则准备接收新的数据包 ,如果CE为低,则重新开始起始序列。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理想的解决方案。但是如同其他天线一样 , 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改变而发生变化,因此单极P

23、CB天线的长度必须的改变而发生变化,因此单极PCB天线的长度必须优化。在本方案中,天线采用标准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周围物质的介电常数为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波长单极天线的长度L=17.2 mm ,为了使得天线在 2.4GHz更容易谐振，天线的长度可适当延长，本方案中选天线长度L =22mm的类“”型设计,是PCB天线制作较为合理的一种方法,大大节省了PCB板的面积,同时在规定PCB板面积的条件下应保证天线的开口端和接地面之间的距离d尽可能大,实现信号高精度、高增益的准确发射

24、和接收。2.3.3带USB接口的单片机USB设备具有即插即用、热插拔等优势 ,鼠标采用USB接口必将成为一种趋势，因此我们采用带USB收发器的单片机CY7C637xx系列。该系列是采用高性能8位精简指令（RISC）结构，集成了USB串行接口引擎（SIE）的单片机 ,其内置了时钟振荡器、计时器、可编程电流驱动以及在每个I/O口线上的上拉电阻,可以用极少量的外部元件和简单的固件编程实现高性能低成本的人机交互设备（HID）。软件部分对接收的RF数据包进行译码，并经过处理转换为符合鼠标USB协议的数据包格式送到PC机，以及完成为实现鼠标功能所需的固件的编写。当USB器件第一次连到总线，总线供电，D-的上拉电阻报告集线器连接一低速（1.5Mbps）USB器件，主机识别这个USB器件，总线重启。主机接收到器件的描述符后赋予器件一个新的地址，这样器件和主机通过这个新的地址进行数据通信。2.4节能考虑单片机可通过软件选择省电方式:闲置方式停止CPU的工作 ,而SRAM、定时 /计数器、SPI口及中断系统继续工作；掉电方式保留寄存器的内容,但停止晶振,终止芯片的其他功能,直至下一次外部中断或硬件复位。蓝牙芯片则通过配置特殊寄存器,可使芯片工作在ShockBurst无线方式，并支持休眠模式和掉电模式，可实现