多功能三維鼠標的研究與設計

劉嘉敏 李凌霄 權佳敏 眭佳銳 潘銀松

【摘 要】鼠標是一種重要的人際交互設備，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，有效提升了系統的功能。本文主要研究了一種新型的多功能三維鼠標的設計。

【關鍵詞】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設備就是鍵盤和鼠標，伴隨無線通信技術的進一步發展，無線鼠標已經得到了廣泛的應用，成為了主流產品，目前鼠標大部分已經采用了USB通信方式。本次研究的鼠標設計控制芯片采用的是STM32，利用加速度計采集數據，獲得X、Y、Z軸方向上的加速度值，并將其轉化成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、多功能三維鼠標設計總體框架

主要分為硬件設計和軟件設計兩部分。硬件部分的設計主要包括：單片機，采用STM32控制芯片，采集數據、處理數據并存儲電路。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。軟件系統利用驅動程序連接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把最終處理好的數據信息傳送給PC機，實現屏幕光標移動控制【2】。圖1為三維鼠標設計過程結構框圖。圖1 三維鼠標設計過程結構框圖

通過觀察圖1可發現，本次研究的多功能三維鼠標系統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據信號進行實時正確采集。此部分主要利用控制芯片STM32實現，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接口傳輸到PC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STM32進行連接，實現兩部分的數據傳輸；I2C接口主要作用是將加速度計ADXL345和單機片STM32進行連接，實現兩部分的數據采集和傳送。

3、加速度計功能電路模塊

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

二、加速度計模塊的設計

整個系統主要包括信號的采集、處理和發送三部分，各模塊的設計均會對系統功能的實現產生直接的影響，因此需要做好加速度計模塊的設計和選型。

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，而且還能實現伴隨寬帶自動調整功耗的功能；（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的數據傳輸速度；（4）適用于動態加速測量和靜態傾角測量；（5）利用寄存器實現多種功能，可以采用寄存器完成數據格式、數字通信模式、中斷使能、FIFO工作模式等選擇。

2、加速度計的內部功能結構

ADXL345是一款利用MEMS技術制作的，具備SPI和I2C數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構成，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將感應到的物理量進行模擬化；③利用A/D采樣進行轉換，成為數字信號，濾波后傳送到中斷邏輯和控制，利用串行I/O實現和主設備的交互。ADXL345內部結構功能如圖2所示。

三、電源模塊設計

電源模塊的主要功能是提供整個系統的用電，本次設計的電源供給實現通過USB接口實現，因USB提供5V電壓，需要的是3.3V電壓，所以利用1117LD電壓轉換芯片實現電壓供給。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定，具有功耗低、較高的穩定性能和精度、大輸出電流的特點。原理圖如圖3。