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3D无线鼠标的原理样机设计

发布时间: 2018-11-29 19:40文字数: 8217字

  摘要

河南快三   鼠标作为电脑的一个必要部件,在电脑的使用过程中扮演着重要角色。随着科技的进步和市场的需求,鼠标也经历着快速的发展。尤其是当多媒体系统不断在各个场合深入应用时,传统的有线鼠标或者无线鼠标在使用中都离不开对桌面等平台的依赖,此时传统鼠标的弊端骤显。而近些年来发展的适用于多媒体演示时的无线激光器在会场中也存在诸多弊端。因此,市面上急需一种适用于大型演讲现场的3D无线鼠标,用手部的三维运动来控制电脑或多媒体屏幕上的鼠标的二维运动。本文通过运用加速度传感器、陀螺仪、STM32微控制器以及2.4G无线传输模块来实现3D无线鼠标的功能。先后完成了对系统总体架构的分析、模块电路的设计、PCB电路的设计和制作等工作,最后配合软件对电路进行了测试,完成了一款可方便实际操作的3D无线鼠标样机制作。

  关键词: 无线鼠标,2.4G无线传输,加速度传感器,陀螺仪,USB接口

河南快三   1.1课题研究背景

  随着人们对多媒体系统不断深入应用,传统鼠标的一些缺点在多媒体环境下也慢慢显现出来,普遍存在如何将现代化设备和人的演讲习惯有机结合的问题。在多媒体系统中使用有线鼠标显然会造成一些问题,比如在演示过程中,需要一直守在电脑旁边,一边操作电脑一边进行讲解;在需要重点强调的地方,还需要站起身以便进行指点。尤其是在大会场的环境下,这种缺点将更加明显,甚至可能会因为会场内屏幕太大而用手或者教鞭指点不上,也更限制了演讲效率。这样,本来提供方便的先进的多媒体演示设备,不但没有达到效果,反而把演讲者束缚在了讲台上,限制了演讲者与听众间的互动和河南快三。基于以上问题,如何让使用者在演示时彻底解放出来,最大限度的发挥肢体语言的优势,自由的与听众河南快三互动,真正实现生动、完美的演示,成为一个重要的技术课题和市场商机。因此,无线激光笔或电子教鞭也应运而生。

  无线激光笔的产生解决了上述使用有线鼠标的一些问题。并且在用激光进行指示时,灵敏度高。但在使用过程中,尤其是在会场中,往往还存在一些问题,比如使用激光在屏幕上给演讲者进行指示时,往往由于激光点不够大、或者相较屏幕激光亮度不够而导致听众在偌大的投影屏幕上找不到激光光斑,达不到重点关注的效果。

河南快三   市面上也存在一些带有无线鼠标功能的激光笔。但是,在将无线激光笔产品中的鼠标功能用于多媒体时,很多低端产品会发生鼠标键定位不准、发飘、画不了直线、卡顿等一系列问题,导致使用不灵敏、不流畅。而高端产品价格又高达数百元,普及度不够。

河南快三   现在市面上还存在一些空中飞鼠,但其定位为:智能电视、机顶盒等设备的人机交互设备。使用思路为通过按键和鼠标来对智能电视和机顶盒等进行操作。其按键繁多且外形设计复杂凹凸,不利于用于PPT演示。

  1.2课题研究意义

  本课题致力于完成一款功能齐全、操作简便、低功耗、低成本的3D无线鼠标[1]的原理样机制作。此款无线鼠标定位为: 方便用于在会场内演示的电子教鞭。相较于市面上的空中飞鼠,河南快三将其定位为适用于演示的无线鼠标,功能键简洁。相较于市面上的无线激光笔,此款鼠标用电脑内自带的鼠标箭头而非激光来实现重点关注以及圈注等功能;也会提高无线鼠标的灵敏度,完善其智能性,使使用时更加流畅、舒服;在设计过程中,会注重低成本以及低功耗的设计。

河南快三   1.3 课题相关技术简述

河南快三   要完成一款无线鼠标的开发,综合了多项技术,包括传感技术,无线传输技术、微控制器编程、USB 数据接口等方面,需要硬件与软件的相互配合。在本课题中,着重于完成无线鼠标的硬件开发。现对本课题涉及的一些相关技术作一简述。

  1.3.1 微控制器

  微控制器是将微型计算机的主要部分集成在一个芯片上的单芯片微型计算机。微控制器诞生于20世纪70年代中期,经过20多年的发展,其成本越来越低,而性能越来越强大,这使其应用已经无处不在,遍及各个领域。例如电机控制、消费类电子、电话、楼宇安全与门禁控制、工业控制与自动化等。近年来微控制器正朝着 CMOS 化,低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等方向发展。现在市面上的微控制器种类繁多,发展迅速,让开发者们应接不暇。各个厂商们的产品也在速度、内存、功能上有着很大的差别。现在市面上具有代表性的微控制器有STM32、AVR、以及国内的STC等。

  但在这其中, STM32是一款性价比超高的系列单片机,具有专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计的ARM Cortex-M内核,片上集成8-512KB的Flash存储器,以及2.0-3.6V的电源供电和I/O接口的驱动电压。同时具有一流的外设: 4 Mbps的UART,18 Mbps的SPI等等,串行调试(SWD)和JTAG接口。在功耗和集成度方面也有不俗的表现。由于其简单的结构和易用的工具再配合其强大的功能在行业中赫赫有名。本课题基于成本和功能考虑,选用意法半导体公司的 STM32系列作为系统的控制芯片,并用 Keil C51软件开发平台完成对微控制器的编程。

  1.3.2 无线传输技术

河南快三   对于无线传输技术,现在市面上主流的的无线数据传输技术主要有: 红外技术、蓝牙技术、2.4G无线技术、WIFI技术等等[2]。

河南快三   红外技术是一种点对点的短距离传输技术,即传输方向具有很强的方向性,需要将发送端与接收端射器完全对准才可以实现数据的传输,并且要求发送端与接收端之间不能有阻挡物,这对于演讲者的演讲显然还是有一定局限性的,不适用与会场的情况。

河南快三   蓝牙技术工作在全球大多数国家均免授权免费使用的ISM无线频段(2.4-2.485GHz),可以全方位传送且具有穿透能力,由于采用自适应跳频技术使其具有超强的抗干扰能力。蓝牙还具有成本低、功耗低,芯片尺寸小等特点。

河南快三   2.4G无线技术也是工作在ISM频段,工作模式为全双工模式传输,采用了自适应跳频技术,传输距离更是可达10m以上。它理论上具有2Mbps的数据传输速率,比蓝牙的1Mbps整整提高了一倍,为应用层提供了可靠的技术保障。也具有低功耗,低成本的特点。目前市场上支持2.4G通信的底层芯片也有很多,比如TI的CC2500系列芯片和NORDIC公司的NRF24L01系列芯片等。一般芯片厂商会将2.4G模块和主控芯片封装在同一块芯片上,而数据通讯层协议则由用户自主制定和开发[3],因此其通讯安全性特别高;并且在2.4G无线开发技术中,可自行定义简单的上层协议而无需缴纳高额的协议费用,这也是该技术大行其道的主要原因。目前市面上的空中飞鼠、键盘、无线音频设备大多使用该项技术。。

河南快三   WIFI技术也是工作在2.4G的ISM频段,也有较强的抗干扰能力并且其传输速度可高达54Mbps,带宽可以自行调整为11Mbps,2Mbps,或1Mbps。且其传输距离可达100m。虽然其优点众多,但是现在市面上的WIFI模块也有价格贵,开发成本高,功耗大等缺点。显然不适用于本文的设计思路。

河南快三   1.3.3传感器技术

  关于传感技术,目前有鼠标上有多种传感技术可供选用,例如: 光电传感技术[4]、MEMS技术[5]、触摸屏[6]等等。触摸屏并不满足河南快三对此款3D无线鼠标的三维的使用方法,在实际中也不适用于演示时的操作;而光电传感芯片(例如ADNS-3080)成本较高,且由于是视频图像,传输数据较多。考虑到本课题只需要实现对三维手势运动趋势信息的采集和发送以及考虑到成本问题,于是采用了集成的MEMS加速度计和陀螺仪来对手部运动数据进行采集。

河南快三   第二章 系统总体架构

河南快三   本章将从整体上介绍系统结构,分析系统的需求并选择合适的器件,以此给出系统的工作原理。

  2.1 系统总方案设计

  本系统主要实现的功能是使鼠标的二维运动跟随手部的三维运动而运动,以及通过按键实现演示时普通鼠标具备的一系列功能。因此主要设计思路是: 首先用传感器采集手部的运动数据,再经过一系列必要的数据处理后,通过2.4G无线传输技术将数据传输到电脑内,使屏幕上的鼠标进行相应的运动。所以,以无线传发送模块和无线接收模块为分割,系统分为两个部分: 发送端部分和接收端部分,即手持部分和USB部分。在整个系统的设计中,要注重低功耗、低成本的设计。

河南快三   手持部分包括: 传感器模块,无线发送模块以及微控制器和按键。手部运动数据在经过传感器采集后传送到微控制器,同时按键的状态也可通过I/O口传送到微控制器,然后在微控制器内进行数据处理,将处理后的数据传送到2.4G无线发送模块。该部分计划通过两节干电池供电。

  USB部分包括: 无线接收模块,微控制器以及USB接口。通过2.4G无线接收模块接收2.4G无线发送模块的数据,然后将数据再通过微控制器传到USB接口,从而传入电脑以控制鼠标的运动。该部分通过USB接口由电脑供电

河南快三   图2-1 系统结构框图

河南快三   2.2 系统需求分析以及器件选择

  在器件的选择上,河南快三要尽量保持低成本,也注重器件的低功耗。

河南快三   在传感技术方面,选取了全球首例整合性6轴运动处理芯片MPU-6050[7]。它内置了一个三轴MEMS陀螺仪、一个三轴MEMS加速度计,MPU-6050对陀螺仪和加速度计分别用了三个16位的ADC,将其测量的模拟量转化为可输出的数字量。为了精确跟踪快速和慢速的运动,传感器的测量范围都是用户可控的,陀螺仪可测范围为±250、±500、±1000、±2000°/秒(dps),加速度计可测范围为±2、±4、±8、±16g。该芯片还内置了数字运动处理引擎(DMP),时钟,中断,I2C串行通信接口等功能。其中中断保证了系统的低功耗设计,I2C串行接口保证了与微控制器之间的数据传输。相较于其他加速度和陀螺仪多组件方案,该芯片不仅解决了陀螺仪与加速器时间轴之差的问题,同时还减少了大量的封装空间。它是一款经典的芯片,也具有很高的性价比。

  在2.4G无线传输技术方面,我选取了nRF24L01芯片。它是一款由Nordic公司开发的常用的低成本且性价比较高的2.4G无线传输芯片,是业内体积最小。功耗最小,外围器件最少的射频系统级芯片[8]。该芯片支持125个频段,可实现跳频,且同时具有两个物理通道,可以同时接收信号。芯片上有SPI 接口,最高传送速率可达1Mbps,可以与微控制器连接以进行数据传输。芯片内也带有数据时隙和数据时钟恢复功能,以及CRC纠错硬件电路使得数据出错时不会被接收。该芯片也提供了掉电以及待机模式,以及中断引脚,适用于低功耗电路的设计。

  在微控制器方面,为了满足较高的数据处理速率,我放弃了51而选择了STM32系列。在手持部分的微控制器的选型上[9],河南快三需要满足: 低功耗、一定的时钟频率、高于16K的FLASH、以及一个SPI接口和一个I2C接口。于是,选择了STM32L031F6P6(主频32MHZ)这一型号的芯片。在USB部分的微控制器的选择上,需要满足: 一定的时钟频率、一个SPI接口,一个USB接口,于是选择了STM32F042F4P6(主频48MHZ)这一型号。这两种型号,为了减少电路面积,都选择了封装尺寸最小的TOSSOP20封装。

河南快三   2.3 电路模块连接

河南快三   在选好各个模块的主体芯片后,即可对模块间的电路进行设计和连接。模块连接示意图如下:

  手持部分电路用两节5号干电池(输出电压在2.4V到3V之间)直接给其他各个模块供电。按键、微控制器模块、无线发送模块和微控制器之间分别用I/O、I2C、SPI接口进行数据传输。

河南快三   USB部分电路由电脑通过USB接口进行供电,但是USB接口对电路的输出电压为5V,而STM32、MPU6050、NRF24L01三个芯片均不能用5V的电源电压工作,故需要接一个稳压模块输出2-3.6V之间的电压对芯片进行供电。

  由上述分析可知,该系统电路的主要设计部分是每个电路中微控制器和MPU6050模块以及NRF24L01模块之间的连接。

  第三章 模块电路设计

河南快三   3.1 USB接口以及稳压模块的电路设计

  3.1.1 USB接口

河南快三   为了直接与电脑相连,我使用了USB-A型公头接口进行USB部分电路与电脑之间的数据传输。如图所示为USB接头的引脚示意图: 其中VCC与GND是电源脚,D+与D-是数据传输线。

  3.1.2 稳压模块电路设计

  由图3-1可得,在USB部分还需要添加一个LM1117-3.3稳压器以保证STM32的正常工作。稳压器和USB接口的连接示意图如图所

  3.2 微控制器模块电路设计和测试

  3.2.1开发工具

河南快三   两个STM32均提供了SWD接口,所以采用ST-LINK(如图3-2)进行调试和编程功能。

河南快三   ST- LINK/V2是STM8和STM32微控制器系列的在线调试器和编程器。主要功能有: 编程功能(可烧写FLASH ROM、EEPROM、AFR等),编程性能(采用USB2.0接口,进行SWIM / JTAG / SWD下载,下载速度快),仿真功能(支持全速运行、单步调试、断点调试等各种调试方法,可查看IO状态,变量数据等),仿真性能(采用USB2.0接口进行仿真调试,单步调试,断点调试,反应速度快)。其中的单线接口模块(SWIM)和串行线调试接口模块(SWD)分别用于与应用板上的STM8和STM32微控制器通讯。其中,STM32使用USB 全速接口与Keil等集成开发环境通讯。

  烧写程序时,STM32和ST-LINK的连接如图3-3所示(未标识出来的脚代表不连):

  3.2.2 微控制器模块电路设

河南快三   为了对微控制器模块进行电路设计,也为了对电路设计思路的可行性进行验证,我买了完整的MPU6050模块(有VDD,GND,SCL,SDA,XDA,XCL,AD0,INT八个引脚)和NRF24L01模块(有GND,VCC,CE,CSN,SCK,MOSI,MISO,IRQ八个引脚),两个模块的数据参数可以分别参考MPU6050模块和NRF24L01模块的数据手册[10][11],并且这两个现成模块内本身带有输入电压最高5V输出电压3.3V的LDO电路。将他们与STM32相连,检查这个系统是否可以工作。其中,STM32的连接如图所示。

  参考两款STM32的芯片手册[12][13],首先,STM32的复位引脚NRST内部有一个上拉电阻,故外部只需要连接一个0.1uf的电容即可实现复位功能,手持部分的STM32采用了按键复位,USB部分的STM32采用了上电复位。其次,为了使STM32从内部FLASH启动程序,故BOOT脚电平均置0。

  MPU6050模块中的SCL,SDA,INT与STM32的三个I/O口相连,其中SCL和SDA是I2C串行总线的时钟线和数据线,INT是MPU6050模块的中断引脚。

  NRF24L01模块中的CE,CSN,SCK,MOSI,MISO,IRQ与STM32的六个引脚相连。其中SCK,MOSI,MISO是SPI串行总线的时钟线和数据线,需要参考STM32的数据手册后与其固定的SPI功能接口相连。CSN是SPI片选信号, CE是模块无线接收/发送模式选择信号,IRQ是该模块的中断信号,三者均可以连接到STM32的I/O口。但是在手持部分,由于I/O接口数量有限,所以对PA13和PA14脚进行了复用,由于这两个脚还用于程序烧写,所以复用的时候,只能选I/O口的输出功能进行复用,所以将无线模块中的输入信号CSN和CE连接到了PA13和PA14。

  在手持部分,根据无线鼠标的按键功能需求,设计了六个按键,分别为: 模式键(MODE_KEY)、鼠标左键(LEFT)、鼠标右键(RIGHT)、上滑键(UP)、下滑键(DOWN)以及确定键(OK_KEY)。为了实现低功耗,在每个按键上都加了10K的电阻,以减小I/O口的电流。微控制器的电源引脚可以直接接到干电池上。

  在USB部分,加入一个LED灯,给予用户指示作用。在调试阶段,也可以通过软件控制PA0脚的高低电平来使LED灯闪烁,达到验证电路功能的作用。

河南快三   3.2.3 电路实物测试

河南快三   在设计好微控制器模块电路之后,对STM32、MPU6050模块、NRF24L01模块以及稳压模块、USB接口按照上述电路进行了焊接。具体焊接电路实物如图3-9所示。在经过一系列调试之后,该电路微控制器模块正常工作,整体无线鼠标功能可用。控制距离可达60m,且无可感受到延时。

  3.3 MPU6050模块电路设计

河南快三   在确定了微控制器模块的连接以及验证了电路设计思路之后,又对MPU6050模块和NRF24L01模块进行了电路设计。

  参照MPU6050芯片手册[7]上的参考电路图,对MPU6050芯片进行了以下连接:

河南快三   在进行软件编程时,可以直接使用MPU6050的内部时钟不必使用外部时钟;也不使用第三方的数字传感器以及帧同步数字输入;手持部分电路也只使用一个MPU6050芯片,即只有一个I2C总线与微控制器模块相连,所以可以直接通过硬件电路设置I2C从地址LSB为0。综上所述,外部参考时钟输入脚CLKIN以及FSYNC、AD0接地,连接第三方传感器的I2C总线接口AUX_DA、AUX_CL悬空。

  SDA和SCL引脚接口根据MPU6050芯片手册的要求,需要上拉电阻方可工作。VDD与GND直接与干电池电源相连。

河南快三   3.4 NRF24L01模块电路设计

  参照NRF24L01芯片手册[14]上的参考电路图,对NRF24L01芯片进行了以下连接:

  该电路可实现单端天线50Ω射频信号输出。手持部分,该芯片的VDD与GND与干电池直接相连,在USB部分,该芯片的VDD与GND与稳压模块的输出相连。

  对于天线的设计,采用了2.4G的PCB板载天线。

  第四章 PCB板的绘制

  4.1 PCB板封装尺寸设计

  在完成电路的设计之后,为了完成一个方便使用的3D无线鼠标产品,打算对PCB板进行必要的封装。根据测量市面上一款无线鼠标的封装盒的尺寸,用 AUTO CAD对手持部分的电路板的尺寸进行了绘制。如图所示。

  图中红色部分为锅仔片按键所在位置。最后的封装效果将会通过塑料软键来对锅仔片进行控制。

河南快三   4.2原电路在PCB板上的设计改动

河南快三   4.2.1 稳压器器件选择的改动

  在进行PCB板的绘制时,发现LM-1117稳压芯片的最小封装尺寸(SOT-223)对于计划使用的PCB封装尺寸而言仍旧过大,所以又另选了一款稳压芯片PT5108,该芯片最大输入电压为6.5V,可固定输出3.3V的电压,最小封装尺寸为SOT-23。电路连接如图所示:

河南快三   4.2.2 按键部分的改动

  根据封装尺寸的要求,不再使用机械按键,而是使用了5*3.7mm椭圆形金属弹片作为按键。

  金属弹片(又称锅仔片),采用超薄和超硬的不锈钢材料制成。主要应用于PCB板、印刷线路板、硬性板等产品中。具有接触平稳、导通性强、回弹稳定、手感佳等几大优点,更有高达100万次触压的超长寿命。在实际应用中,可以把若干个锅仔片按一定的位置,使用带胶的PET把它们贴合在一起,方便于快速组装,精确定位。

  金属弹片的PCB封装如图4-4所示,当未收到按压时,外围的环形电路金属线(金属线2)和中间的圆形电路金属线(金属线1)不导通;当受到按压时, 弹片的中心点下凹,弹片自身接触到金属1,此时通过金属弹片使得金属线1和金属线2形成回路,可使电流通过。按压之后由于锅仔片的稳定的回弹力(按下后自动回位),又会使得回路断开

  4.4系统电路的PCB板绘制

河南快三   最后,根据上述电路图以及封装尺寸,进行了四层PCB板的绘制和制作,完成了样机电路的总体制作。

  第五章 结果

河南快三   经过模块的设计与焊接,系统总电路的设计以及PCB板制作、测试和封装,完成了一款3D无线鼠标原理样机的制作。配合软件编程,该样机通过六个按键(模式键、鼠标左键、鼠标右键、上滑键、下滑键以及确定键)可实现基本的PPT以及WORD等演示功能,且数据传输无明显延时,灵敏度和舒适度相比市面上的无线激光笔的无线鼠标功能有明显进步。本样机电路最后器件成本大概十几元,手持部分的低功耗模式电流理论值为5.33uA,工作电流小于20mA。对于两节五号干电池(电池容量最少为3000mAh)的供电电源来说,手持部分至少可以使用150h后再更换电池。成品图如图所示:

  但是该成品的天线传输距离有些不理想,天线设计和匹配有待进一步优化

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