利用ROHM傳感器評(píng)估套件實(shí)現(xiàn)UCLA AirMouse–第1部分

這篇文章來(lái)源于DevicePlus.com英語(yǔ)網(wǎng)站的翻譯稿。

今天，我們介紹一款由洛加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）學(xué)生分會(huì)一群聰明的工程師研發(fā)的3D AirMouse。AirMouse的功能與傳統(tǒng)電腦鼠標(biāo)非常類(lèi)似，但是能夠檢測(cè)三維運(yùn)動(dòng)。

Device Plus已經(jīng)與100多所美國(guó)頂尖大學(xué)展開(kāi)合作，希望通過(guò)資助一些缺乏資金或資源的項(xiàng)目來(lái)促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新。目前，Device Plus正在提供硬件贊助計(jì)劃，并希望與活躍的學(xué)生工程組織合作，以構(gòu)建我們的“連接”部分。

加州大學(xué)洛杉磯分校IEEE

加州大學(xué)洛杉磯分校IEEE（UCLA IEEE）是一個(gè)IEEE學(xué)生分會(huì)，致力于“為全校工程學(xué)生帶來(lái)親身實(shí)踐體驗(yàn)”。該項(xiàng)目完全由學(xué)生們自己開(kāi)展，高年級(jí)學(xué)生負(fù)責(zé)指導(dǎo)參與項(xiàng)目計(jì)劃的新成員。高級(jí)項(xiàng)目（Advanced Projects）是UCLA IEEE為期四年的項(xiàng)目之一，旨在讓具有中等硬件和軟件經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生學(xué)習(xí)微控制器硬件、通信協(xié)議、原理圖和電路板設(shè)計(jì)等高級(jí)主題。

參與高級(jí)項(xiàng)目（Advanced Projects）的學(xué)生組成多個(gè)2-4人的團(tuán)隊(duì)，在學(xué)年的三個(gè)季度中研發(fā)兩個(gè)項(xiàng)目。通過(guò)第一個(gè)項(xiàng)目——AirMouse，學(xué)生將學(xué)習(xí)不同的通信協(xié)議、硬件寄存器和寄存器使用等概念。有了這些知識(shí)，學(xué)生們將在接下來(lái)的兩個(gè)季度中繼續(xù)構(gòu)建自己的四軸飛行器，同時(shí)還會(huì)學(xué)習(xí)其他概念，比如使用MOSFET作為開(kāi)關(guān)以及PWM速度控制等。

作為UCLA IEEE高級(jí)項(xiàng)目（Advanced Projects）計(jì)劃的一部分，最初的AirMouse由Rahul Iyer、Aaron和Andrew Wilhelm研發(fā)。

AirMouse概述

我們都用過(guò)電腦鼠標(biāo)，但是它們只能在桌面之類(lèi)的平面上工作。在本教程中，我們將制作一個(gè)“AirMouse”——一個(gè)能夠在3D空間中運(yùn)行的計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)！用戶(hù)通過(guò)傾斜鼠標(biāo)就可以讓屏幕上的光標(biāo)移動(dòng)，從而可以進(jìn)行大范圍自定義動(dòng)作。我們首先展示構(gòu)建AirMouse的基礎(chǔ)知識(shí)，然后介紹如何擴(kuò)展其功能！

AirMouse主要由兩個(gè)部分組成：戴在手上的鼠標(biāo)發(fā)射器和連接用戶(hù)計(jì)算機(jī)的接收器。發(fā)射器收集鼠標(biāo)的方向和按鈕狀態(tài)信息；而接收器轉(zhuǎn)換這些信息，從而在計(jì)算機(jī)屏幕上執(zhí)行相應(yīng)操作。

為了易用性和簡(jiǎn)潔性，我們最初利用Arduino Pro Mini和Teensy 3.2微控制器——市場(chǎng)上深受業(yè)余愛(ài)好者歡迎的兩種最小的微控制器——構(gòu)建AirMouse。兩個(gè)微控制器通過(guò)一對(duì)nRF24L01 RF模塊進(jìn)行無(wú)線通信，AirMouse使用MPU6050加速度計(jì)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)。

然而，在本教程中，我們將向您展示一種更簡(jiǎn)單的AirMouse構(gòu)建方法：Arduino Uno結(jié)合ROHM傳感器開(kāi)發(fā)板上的加速度計(jì)。由于該ROHM傳感器開(kāi)發(fā)板結(jié)構(gòu)緊湊，而且附帶的庫(kù)可以處理I2C 通信，因此大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。

硬件：

發(fā)射器：

1 x Arduino Uno微控制器

1 x ROHM傳感器評(píng)估套件

1 x ROHM加速度計(jì) (KX022-1020)

1 x nRF24L01+ RF模塊

排母

滑動(dòng)開(kāi)關(guān)

1 x 可焊接試驗(yàn)電路板，足夠大，能焊接微控制器和所有電子器件

2 x 按鍵

1 x 1s LiPo電池

1 x 1k?電阻

1 x 3.3k?電阻

接收器：

1 x Teensy 3.2微控制器

1 x NRF24L01+ RF模塊

排母

1 x 可焊接試驗(yàn)電路板，足夠大，能焊接微控制器和所有電子器件

1 x 紅、黃、綠LED燈

1 x 150?電阻

硬件組裝

這一步您可以發(fā)揮自己的創(chuàng)造力！只要按照下圖所示的接線圖進(jìn)行接線即可，各個(gè)組件的實(shí)際位置并不重要。但是請(qǐng)確保AirMouse使用起來(lái)非常舒適！比如，您可能需要按照姿勢(shì)舒服、暢通無(wú)阻的方式安裝左鍵和右鍵單擊按鈕。

然而，組裝這些設(shè)備之前，讓我們來(lái)看一下必須建立的不同連接。

發(fā)射器

圖1 發(fā)射器原理圖（請(qǐng)注意RF模塊的Vcc連至3.3V?。?/p>

圖2 Arduino Uno的面包板“蓋板” 由于Uno的接頭與面包板的孔間距（0.1〞）并不完全吻合，因此按鈕數(shù)字輸入線需要使用跳線（藍(lán)色）。

兩個(gè)RF模塊通過(guò)SPI總線分別連至各自的微控制器。要了解有關(guān)不同通信協(xié)議和SPI的更多信息，請(qǐng)查看我們的此處鏈接轉(zhuǎn)移至DevicePlus.com英語(yǔ)網(wǎng)站Arduino通信協(xié)議教程!SPI在RF通信等應(yīng)用中非常有用，因?yàn)槠鋽?shù)據(jù)傳輸速度快，允許兩個(gè)器件以高數(shù)據(jù)速率、低延遲和高可靠性相互傳輸大量數(shù)據(jù)。正如我們?cè)诒窘坛讨杏懻摰哪菢樱琒PI通信是同步的、雙向的，這兩個(gè)特性顯著提高了數(shù)據(jù)發(fā)送和接收速度。

RF模塊的 MOSI, MISO, and SCK 線路必須連接 Arduino上的特定引腳。這些引腳的介紹如下：

RF模塊的CE腳表示Chip Enable（芯片使能）, 可以用來(lái)讓RF模塊進(jìn)入待機(jī)/睡眠模式。RF模塊的CS腳是SPI從機(jī)選擇引腳。這兩個(gè)引腳必須連至Arduino上的兩個(gè)單獨(dú)GPIO引腳，但是不需要連至任何具體引腳。

圖3 Arduino Uno和RF模塊的接線圖

Arduino Uno工作電壓為5V，而nRF24L01+工作電壓為3.3V。兩者工作電壓存在差異，但是我們可以利用Arduino的輸出引腳為RF模塊供電，并且不會(huì)損壞RF模塊。nRF24L01+模塊的電源（Vcc）引腳應(yīng)連至Uno上的Arduino穩(wěn)壓3.3V輸出。切勿將Vcc引腳連至5V，否則可能會(huì)損壞模塊！在這個(gè)項(xiàng)目中，使用Arduino上的穩(wěn)壓輸出為RF模塊供電是可行的，因?yàn)椋?）RF模塊的電流消耗非常低；（2）在軟件中，我們將配置無(wú)線電的功率放大器，讓其處于較低功率模式。

無(wú)線模塊中間的nRF24L01+芯片的Nordic Semiconductor 數(shù)據(jù)表 表明，該模塊的發(fā)射和接收電流分別為11.3mA和13.5mA。而Arduino的核心Atmel芯片能夠在每個(gè)數(shù)字引腳上提供高達(dá)40mA的電流，因此在最低發(fā)射和接收功率設(shè)置下（對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠），Arduino能夠成功地為RF模塊供電。在Arduino代碼中，我們會(huì)通過(guò)命令setPALevel(RF24_PA_LOW)指定LOW（低）功耗模式，告訴RF模塊其功耗不能超過(guò)它的次低功率等級(jí)（設(shè)置選項(xiàng)包括MIN、LOW、HIGH和MAX）。

現(xiàn)在我們來(lái)看一下這些引腳在RF模塊上的實(shí)際位置。具體引腳位置請(qǐng)參見(jiàn)下方的引腳說(shuō)明。

圖4 nRF24L01+ RF模塊的引腳排列
模塊的引腳1用正方形表示。請(qǐng)注意，模塊與插頭引腳并不對(duì)稱(chēng)。/ ?Addicore

連接RF模塊時(shí)，您可能需要在試驗(yàn)電路板上使用排母。這樣，如有必要，您可以從試驗(yàn)板上拆下模塊。

此外，在焊接4×2排針的連接時(shí)要特別小心——引腳之間的距離非常小
，任何不必要的短路都會(huì)損壞模塊！請(qǐng)確保排針接頭周?chē)粲凶銐蚩臻g
，以便可以輕松進(jìn)行焊接工作。

鼠標(biāo)左鍵和右鍵的功能按鈕連至設(shè)置為輸入的Arduino數(shù)字引腳。我們通過(guò)布置每個(gè)按鈕，使得數(shù)字引腳在單擊按鈕時(shí)讀取邏輯高電平，否則為邏輯低電平。按鈕連接的放大圖如下所示：

圖5 本項(xiàng)目使用的按鈕布局
按下此按鈕時(shí)，GPIO腳接通Vcc。

從上圖可以看出，單擊按鈕時(shí)，GPIO引腳直接連至Vcc。沒(méi)有按下按鈕時(shí)，GPIO引腳和地之間的電阻將GPIO引腳“拉低”到地，因此稱(chēng)為下拉電阻。這種做法是為了避免數(shù)字輸入引腳的懸空邏輯電平問(wèn)題。當(dāng)數(shù)字輸入不確定（或者連接邏輯高或者連接邏輯低）時(shí)，會(huì)出現(xiàn)這種情況，即使沒(méi)有連接也會(huì)由于系統(tǒng)噪聲導(dǎo)致不可預(yù)知的行為，比如高讀數(shù)或低讀數(shù)。我們需要一個(gè)高阻值電阻（在這種情況下，10k電阻即可），因?yàn)橹灰c(diǎn)擊按鈕，將GPIO引腳接地就會(huì)導(dǎo)致Vcc和地之間短路。按下按鈕電路形成閉環(huán)時(shí)，電阻會(huì)降低Vcc和地之間的電流，從而防止出現(xiàn)危險(xiǎn)的短路情況。

圖6 ROHM傳感器開(kāi)發(fā)板上方的面包板
傳感器開(kāi)發(fā)板隨附的KX022加速度計(jì)模塊可完美安裝在I2C接頭頂部和面包板下方。

幸運(yùn)的是，對(duì)于我們來(lái)說(shuō)，ROHM傳感器開(kāi)發(fā)板已經(jīng)完成了所有的I2C 硬件連接，這大大簡(jiǎn)化了I2C硬件設(shè)置，用戶(hù)只需將加速度模塊連至I2C的一個(gè)接頭即可！要了解有關(guān)I2C工作的更多信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)我們的 Arduino通信協(xié)議教程！!

接收器

圖7 接收器原理圖（如上所示，RF模塊的Vcc連至3.3V?。?/p>

圖8 接收器模塊
GPIO引腳連接了兩個(gè)LED，以便進(jìn)行調(diào)試

接收端的連接與發(fā)送端非常相似。RF模塊的不同SPI引腳連至Teensy微控制器上的匹配引腳（與Arduino相同的引腳）。您還可以添加LED，以便進(jìn)行調(diào)試和信息顯示。

組裝AirMouse是構(gòu)建過(guò)程中最乏味的地方，但是，您可以充分發(fā)揮您的創(chuàng)意！請(qǐng)嘗試把模塊做得更小、更符合人體工程學(xué)，并與我們分享您的想法和作品吧！

請(qǐng)確保在通風(fēng)良好的區(qū)域進(jìn)行焊接并使用高質(zhì)量設(shè)備，并經(jīng)常休息。您完成硬件構(gòu)建之后，請(qǐng)參閱本文的第2部分 – 軟件部分！

審核編輯：湯梓紅