本實(shí)用新型屬于人機(jī)交互設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及一種基于STM32微控制器的無(wú)線空中鼠標(biāo)。

背景技術(shù)：

鼠標(biāo)是最常用和最頻繁操作的計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備之一，其以快捷、準(zhǔn)確、直觀的屏幕定位和控制能力，方便了用戶與計(jì)算機(jī)之間的交互，增強(qiáng)了系統(tǒng)的功能。但是，隨著平板電腦、筆記本、智能化數(shù)字機(jī)頂盒、智能游戲機(jī)等便攜式設(shè)備的流行，傳統(tǒng)的平面式鼠標(biāo)已經(jīng)滿足不了移動(dòng)辦公、移動(dòng)娛樂(lè)和生活對(duì)3D空間操控的需要。傳統(tǒng)鼠標(biāo)需要在固定平面上進(jìn)行操作，不能擺脫二維平面的限制，而且鼠標(biāo)的正常工作對(duì)所在平面還有比較高的要求。隨著交互新技術(shù)的發(fā)展和用戶對(duì)鼠標(biāo)操作要求的提高，改進(jìn)人機(jī)交互方式的空中鼠標(biāo)受到越來(lái)越多的關(guān)注?？罩惺髽?biāo)是一種可以通過(guò)在三維空間中自由移動(dòng)來(lái)完成鼠標(biāo)指針定位功能的計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備，它在實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)鼠標(biāo)功能的同時(shí)擺脫了對(duì)平面操作的依賴，因此空中鼠標(biāo)有著很好的應(yīng)用及市場(chǎng)前景。

自由、方便是空中鼠標(biāo)的最基本特性，例如在辦公領(lǐng)域，其可以替代激光筆更好的完成PPT演示,它還可以讓做PPT演示的人員不需要坐在會(huì)議桌上操作電腦，通過(guò)直接晃動(dòng)鼠標(biāo)就可以實(shí)現(xiàn)操作。同時(shí)它自由方便的特性也能夠有效的解決傳統(tǒng)鼠標(biāo)給人們身體上帶來(lái)的損傷，比如鼠標(biāo)手、頸椎病等。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于克服上述不足，提供一種基于STM32微控制器的無(wú)線空中鼠標(biāo)，通過(guò)對(duì)指針定位信號(hào)的采集與處理、按鍵信號(hào)的掃描與識(shí)別處理、無(wú)線信號(hào)傳輸與提取，使其具有較高的定位精度和平滑性。

為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型包括主控信號(hào)采集與無(wú)線發(fā)射部分以及無(wú)線接收部分；

所述主控信號(hào)采集與無(wú)線發(fā)射部分包括三軸磁阻傳感器，三軸磁阻傳感器連接六軸陀螺儀和加速度傳感器，六軸陀螺儀和加速度傳感器連接STM32微控制器，STM32微控制器連接無(wú)線發(fā)射電路；

所述三軸的磁阻傳感器以及六軸陀螺儀和加速度傳感器用于采集鼠標(biāo)在空中運(yùn)動(dòng)的姿態(tài)參數(shù)；

所述STM32微控制器用于獲取鼠標(biāo)的姿態(tài)參數(shù)，并濾波轉(zhuǎn)換為與光標(biāo)相應(yīng)的位移信息，發(fā)送至無(wú)線發(fā)射電路；

所述無(wú)線接收部分包括無(wú)線接收模塊，無(wú)線接收模塊連接微控制器，微控制器與電腦連接；

所述微控制器將主控信號(hào)采集與無(wú)線發(fā)射部分發(fā)射過(guò)來(lái)的信息流解析處理為光標(biāo)位移信息和按鍵信息，再發(fā)送至電腦。

所述三軸磁阻傳感器、六軸陀螺儀和加速度傳感器、STM32微控制器和無(wú)線發(fā)射電路通過(guò)連接有電源管理芯片的可充電電池供電，可充電電池通過(guò)USB接口供電；

所述無(wú)線接收模塊和微控制器通過(guò)連接有電池管理芯片的USB接口芯片供電，USB接口芯片連接電腦。

所述六軸陀螺儀和加速度傳感器采用MPU-6050。

所述磁阻傳感器采用HMC-5983。

所述無(wú)線發(fā)射電路采用ARM Cortex_M3體系架構(gòu)的STM32F103ZET6芯片作為系統(tǒng)核心處理器，外部擴(kuò)展8M字節(jié)SPI總線Flash存儲(chǔ)器和1M字節(jié)SRAM存儲(chǔ)器，并配置處理器最小系統(tǒng)工作電路及JTAG調(diào)試口。

所述微控制器采用51單片機(jī)的AT89S52。

所述三軸的磁阻傳感器與六軸陀螺儀和加速度傳感器間以及六軸陀螺儀和加速度傳感器與STM32微控制器間均通過(guò)I²C總線連接，STM32微控制器與無(wú)線發(fā)射模塊間通過(guò)SPI總線連接。

所述無(wú)線接收模塊與微控制器間通過(guò)SPI總線連接。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型通過(guò)三軸的磁阻傳感器以及六軸陀螺儀和加速度傳感器采集鼠標(biāo)在空中運(yùn)動(dòng)的姿態(tài)參數(shù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)STM32控制器的濾波和計(jì)算，被處理為與光標(biāo)相應(yīng)的位移信息，按照定義好的通信協(xié)議規(guī)則，將其與控制信息整合在一起后經(jīng)無(wú)線模塊發(fā)射出去，無(wú)線接收模塊接收到信息流后盡快微控制器解析處理為光標(biāo)位移信息和按鍵信息，完成和電腦的交互通信，最終實(shí)現(xiàn)無(wú)線空中鼠標(biāo)控制終端電腦的功能；本實(shí)用新型利用加速度傳感器和磁阻傳感器的靜態(tài)特性和長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性補(bǔ)償陀螺儀的誤差，使系統(tǒng)誤差迅速收斂，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，其中加速度傳感器主要補(bǔ)償俯仰角和橫滾角的誤差，磁阻傳感器主要補(bǔ)償航向角的誤差，該系統(tǒng)從各個(gè)器件的選型到軟件設(shè)計(jì)均充分考慮到鼠標(biāo)易操作、高精度和高平滑性的問(wèn)題，在保證鼠標(biāo)小體積、低成本和實(shí)時(shí)性的前提下，實(shí)現(xiàn)了鼠標(biāo)系統(tǒng)從運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的采集、處理、解算、映射、編碼、無(wú)線收發(fā)和控制電腦整個(gè)鼠標(biāo)工作過(guò)程。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型信號(hào)采集與無(wú)線發(fā)射部分結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為本實(shí)用新型無(wú)線信號(hào)接收部分結(jié)構(gòu)框圖；

圖3為本實(shí)用新型中MPU-6050電路接線圖；

圖4為本實(shí)用新型中HMC5983傳感器芯片應(yīng)用電路圖；

圖5為本實(shí)用新型中nRF24L01與MCU通信電路圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說(shuō)明。

包括主控信號(hào)采集與無(wú)線發(fā)射部分以及無(wú)線接收部分；

所述主控信號(hào)采集與無(wú)線發(fā)射部分包括三軸磁阻傳感器，三軸磁阻傳感器連接六軸陀螺儀和加速度傳感器，六軸陀螺儀和加速度傳感器連接STM32微控制器，STM32微控制器連接無(wú)線發(fā)射電路，三軸磁阻傳感器、六軸陀螺儀和加速度傳感器、STM32微控制器和無(wú)線發(fā)射電路通過(guò)連接有電源管理芯片的可充電電池供電，可充電電池通過(guò)USB接口供電，三軸的磁阻傳感器與六軸陀螺儀和加速度傳感器間以及六軸陀螺儀和加速度傳感器與STM32微控制器間均通過(guò)I²C總線連接，STM32微控制器與無(wú)線發(fā)射模塊間通過(guò)SPI總線連接；

所述三軸的磁阻傳感器以及六軸陀螺儀和加速度傳感器用于采集鼠標(biāo)在空中運(yùn)動(dòng)的姿態(tài)參數(shù)；

所述STM32微控制器用于獲取鼠標(biāo)的姿態(tài)參數(shù)，并濾波轉(zhuǎn)換為與光標(biāo)相應(yīng)的位移信息，發(fā)送至無(wú)線發(fā)射電路；

所述無(wú)線接收部分包括無(wú)線接收模塊，無(wú)線接收模塊連接微控制器，微控制器與電腦連接，無(wú)線接收模塊和微控制器通過(guò)連接有電池管理芯片的USB接口芯片供電，USB接口芯片連接電腦，無(wú)線接收模塊與微控制器間通過(guò)SPI總線連接；

所述微控制器將主控信號(hào)采集與無(wú)線發(fā)射部分發(fā)射過(guò)來(lái)的信息流解析處理為光標(biāo)位移信息和按鍵信息，再發(fā)送至電腦。

鼠標(biāo)系統(tǒng)的主要傳感器件是陀螺儀和加速度傳感器、磁阻傳感器。陀螺儀采集的是鼠標(biāo)運(yùn)動(dòng)的三維角速度；加速度傳感器采集的是鼠標(biāo)運(yùn)動(dòng)的三維線性加速度；磁阻傳感器主要是用來(lái)測(cè)量地球磁場(chǎng)的大小和方向。空中鼠標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)就是使用前述三組數(shù)據(jù)來(lái)定位及控制鼠標(biāo)指針的運(yùn)動(dòng)，涉及的具體內(nèi)容就是多傳感器的數(shù)據(jù)融合，數(shù)據(jù)融合的精度直接關(guān)系到鼠標(biāo)的靈敏度和準(zhǔn)確度。陀螺儀是對(duì)溫度敏感的器件，溫度的變化會(huì)引起陀螺儀零速率值的偏移，從而影響空中鼠標(biāo)的靈敏度?？紤]到環(huán)境溫度對(duì)鼠標(biāo)的可能影響，需要對(duì)陀螺儀進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

陀螺儀傳感器是一個(gè)間接測(cè)量器件，輸出數(shù)據(jù)為陀螺儀的三個(gè)軸方向運(yùn)動(dòng)的角速度值。它只輸出載體的旋轉(zhuǎn)角速度，需要進(jìn)一步將角速度對(duì)時(shí)間積分計(jì)算出相應(yīng)的角度。由于陀螺儀存在嚴(yán)重的零點(diǎn)漂移和隨機(jī)誤差的影響，在解算過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生積分誤差。短時(shí)間內(nèi)，積分誤差很小，可以忽略不計(jì)，但是長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，這種積分誤差會(huì)嚴(yán)重影響姿態(tài)解算的精確性和可靠性，使得陀螺儀難以達(dá)到應(yīng)用的精度。

加速度傳感器對(duì)于與重力作用方向垂直的運(yùn)動(dòng)不敏感，檢測(cè)不到載體垂直于重力作用方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。而且加速度傳感器動(dòng)態(tài)特性不高，對(duì)于運(yùn)動(dòng)變化較快的載體不能實(shí)現(xiàn)快速的跟蹤從而得到精準(zhǔn)的輸出，所以加速度傳感器輸出測(cè)量值在短時(shí)間內(nèi)參考價(jià)值不大，但是在長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)，其測(cè)量值卻隨時(shí)間變化較小，比較精確。因此，本專利將加速度傳感器測(cè)量的重力加速度這個(gè)三維參考矢量，作為鼠標(biāo)平臺(tái)的一個(gè)觀測(cè)量用來(lái)輔助校正陀螺儀。

磁阻傳感器主要用來(lái)測(cè)量地球磁場(chǎng)的大小和方向?？紤]到加速度傳感器對(duì)與重力作用方向垂直的運(yùn)動(dòng)不敏感，檢測(cè)不到載體垂直于重力作用方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)即載體航向角的變化。而且陀螺儀在測(cè)量和計(jì)算過(guò)程中，存在零點(diǎn)漂移和隨機(jī)誤差，為了系統(tǒng)的精確性和平滑性，就需要額外引入一種不隨時(shí)間積累而變化的參考信號(hào)，通過(guò)它來(lái)進(jìn)一步校正鼠標(biāo)姿態(tài)系統(tǒng)，抑制測(cè)量組合的誤差，從而達(dá)到修正航向角的目的。因?yàn)榈卮攀且粋€(gè)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的量，所以本文采用磁阻傳感器來(lái)對(duì)航向角進(jìn)行修正，使得陀螺儀計(jì)算出的航向角更精確可靠，提高姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的精確性。

在該系統(tǒng)中，利用加速度傳感器和磁阻傳感器的靜態(tài)特性和長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性補(bǔ)償陀螺儀的誤差，使系統(tǒng)誤差迅速收斂，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，其中加速度傳感器主要補(bǔ)償俯仰角和橫滾角的誤差，磁阻傳感器主要補(bǔ)償航向角的誤差。該系統(tǒng)從各個(gè)器件的選型到軟件設(shè)計(jì)均充分考慮到鼠標(biāo)易操作、高精度和高平滑性的問(wèn)題，在保證鼠標(biāo)小體積、低成本和實(shí)時(shí)性的前提下，實(shí)現(xiàn)了鼠標(biāo)系統(tǒng)從運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的采集、處理、解算、映射、編碼、無(wú)線收發(fā)和控制電腦整個(gè)鼠標(biāo)工作過(guò)程。

綜上所述，本專利無(wú)線空中鼠標(biāo)系統(tǒng)的信號(hào)采集傳感器選取MPU-6050六軸陀螺儀及加速度傳感器和三軸數(shù)字羅盤(pán)HMC-5983磁阻傳感器。MPU-6050陀螺儀加速度傳感器整合了三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)，免除了人為組合陀螺儀與加速度傳感器時(shí)的軸間非正交的問(wèn)題，并降低了兩個(gè)傳感器信號(hào)相互校正的難度。MPU-6050提供了第三方的I²C接口，可用于連接其外部的基于I²C接口的磁阻傳感器等各類(lèi)傳感器，十分便捷。HMC-5983磁阻傳感器具有高靈敏度和高線性精度等特點(diǎn)，適合用于測(cè)量地球磁場(chǎng)的大小和方向。

無(wú)線空中鼠標(biāo)系統(tǒng)主要分為兩部分：主控信號(hào)采集與無(wú)線發(fā)射部分以及無(wú)線接收部分，如圖1、圖2所示?？罩惺髽?biāo)系統(tǒng)主控運(yùn)動(dòng)信號(hào)采集與無(wú)線發(fā)射部分(圖1)主要包括數(shù)據(jù)采集電路、STM32控制處理電路和無(wú)線發(fā)射電路，其中電源管理芯片為整個(gè)系統(tǒng)模塊提供電源支持，USB口既能為充電電池充電，也能直接為電源管理芯片供電。數(shù)據(jù)采集模塊的傳感器主要包括六軸陀螺儀加速度傳感器和三軸的磁阻傳感器，負(fù)責(zé)采集鼠標(biāo)在空中運(yùn)動(dòng)的姿態(tài)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)STM32控制器的濾波和計(jì)算，被處理為與光標(biāo)相應(yīng)的位移信息，按照定義好的通信協(xié)議規(guī)則，將其與控制信息整合在一起后經(jīng)無(wú)線模塊發(fā)射出去。

無(wú)線接收部分(圖2)主要包括無(wú)線接收模塊、微控制器和USB接口電路。無(wú)線USB接收端接收到主控?zé)o線發(fā)射部分發(fā)射的信息流后，經(jīng)過(guò)單片機(jī)系統(tǒng)解析處理為光標(biāo)位移信息和按鍵信息，再按照USB2.0協(xié)議進(jìn)行編碼，通過(guò)USB接口完成和電腦的交互通信，最終實(shí)現(xiàn)無(wú)線空中鼠標(biāo)控制終端電腦的功能。

鼠標(biāo)系統(tǒng)發(fā)射部分采用意法半導(dǎo)體公司的基于ARM Cortex_M3體系架構(gòu)的STM32F103ZET6芯片作為系統(tǒng)核心處理器，外部擴(kuò)展8M字節(jié)SPI總線Flash存儲(chǔ)器和1M字節(jié)SRAM存儲(chǔ)器，并配置處理器最小系統(tǒng)工作電路及JTAG調(diào)試口。系統(tǒng)接收部分通過(guò)SPI總線讀取無(wú)線接收模塊的信息，并將接收到的信息流按照USB2.0協(xié)議編碼，進(jìn)而傳輸給USB接口，實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)和電腦的交互通信。由于接收部分不需要進(jìn)行很復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和計(jì)算，只需要進(jìn)行信號(hào)的傳輸，因此這里直接使用51單片機(jī)AT89S52作為主控制器即可。

陀螺儀和加速度傳感器電路：

MPU-6050芯片直接輸出數(shù)字信號(hào)，可以減少運(yùn)放和A/D芯片的使用，降低成本；另外，考慮到實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合要求的不同，MPU-6050允許用戶自定義編程控制陀螺儀和加速度傳感器的運(yùn)動(dòng)滿格檢測(cè)范圍，從而準(zhǔn)確跟蹤物體的快速與慢速動(dòng)作。陀螺儀全格感測(cè)范圍為±250、±500、±1000和±2000o/sec(dps)，用戶可編程控制的加速度傳感器滿格檢測(cè)范圍為±2g、±4g、±8g和±16g。MPU-6050電路連接如圖3所示。

磁阻傳感器模塊：

三軸磁阻傳感器作為磁場(chǎng)的測(cè)量元件，是系統(tǒng)的主要組成部分，它的性能好壞影響著系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。本專利選用HMC-5983L三軸磁阻傳感器。其主要特點(diǎn)如下：

與控制器接線方式簡(jiǎn)單，占用體積?。辉诟咚勾艌?chǎng)中，能達(dá)到2毫高斯的分辨率。在測(cè)量磁場(chǎng)范圍內(nèi)，最大輸出頻率可達(dá)160Hz；內(nèi)置自檢功能和驅(qū)動(dòng)電路，采用簡(jiǎn)易的I2C數(shù)字總線接口，工作電壓低(2.16V～3.6V)，超低功耗(100uA)；自帶置位/復(fù)位和偏置驅(qū)動(dòng)器，使得羅盤(pán)的航向角精確達(dá)到1～2°。HMC5983芯片應(yīng)用電路圖如圖4所示。

無(wú)線通信模塊電路：

系統(tǒng)采用nRF24L01射頻收發(fā)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)位移和控制信息的無(wú)線通信。它是工作在2.4G～2.5G的ISM頻段的單片無(wú)線收發(fā)器芯片，包括頻率發(fā)生器、增強(qiáng)型Shock-Burst模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器和解調(diào)器。

在nRF24L01中，收發(fā)模式分為三種，分別是Shock-Burst TM收發(fā)模式、Enhanced Shock-Burst TM收發(fā)模式和直接收發(fā)模式，通過(guò)修改配置字來(lái)實(shí)現(xiàn)不同模式的選擇。本專利將nRF24L01配置工作在Enhanced Shock-Burst TM收發(fā)模式，這樣不但可以降低器件的功耗，還能讓低速的MCU得到很高的射頻數(shù)據(jù)發(fā)射速率；數(shù)據(jù)在空間中停留的時(shí)間較短，抗干擾性強(qiáng)，穩(wěn)定性高；使整個(gè)系統(tǒng)的平均工作電流減小。nRF24L01通過(guò)SPI串口來(lái)實(shí)現(xiàn)30字節(jié)配置字的配置任務(wù)。

Shock-Burst TM的配置工作完成后，在nRF24L01工作過(guò)程中，只需要改變最低一個(gè)字節(jié)中的內(nèi)容，就能實(shí)現(xiàn)收發(fā)模式之間的切換。nRF24L01與MCU的通信選擇直接采用硬件SPI接口方式實(shí)現(xiàn)。這種SPI連接方式能夠充分發(fā)揮SPI接口的高效特性和高速無(wú)線傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)，具有較大數(shù)據(jù)吞吐量。其電路如圖5所示。