基于單片機(jī)和觸控模塊的3D無(wú)線射頻鼠標(biāo)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引言

鼠標(biāo)作為電腦的一基本部件。扮演著重要的角色。隨著科技的進(jìn)步和市場(chǎng)的需求。鼠標(biāo)也經(jīng)歷著快速的發(fā)展。傳統(tǒng)的鼠標(biāo)無(wú)論是有線鼠標(biāo)還是無(wú)線鼠標(biāo)。由于采用控制原理的原因，或者受到線纜的約束，或者離不開對(duì)桌面等載體的依賴，適用場(chǎng)合和范圍受到限制。因此，市場(chǎng)上急需一種適用于多種場(chǎng)合。能滿足不同人群特殊功能需求的鼠標(biāo)，此時(shí)。3D無(wú)線鼠標(biāo)的概念應(yīng)運(yùn)而生。本文通過對(duì)運(yùn)用MEMS加速度傳感器。觸控模塊和凌陽(yáng)單片機(jī)完成鼠標(biāo)3D控制原理的闡述。以及對(duì)實(shí)驗(yàn)中實(shí)際操作的記錄為現(xiàn)階段多功能新型鼠標(biāo)的制作提供參考依據(jù)。

1 3D無(wú)線鼠標(biāo)的工作原理

無(wú)線射頻鼠標(biāo)總體分為發(fā)射模塊（見圖1）和接收模塊（見圖2）兩個(gè)部分。發(fā)射部分模塊集成在手持端，由使用者控制。接收模塊與PC、筆記本等儀器相連。

圖1 發(fā)射模塊系統(tǒng)框圖

圖2接收模塊系統(tǒng)框圖

發(fā)射模塊主要由電阻式觸摸屏、MEMS加速度傳感器、16位凌陽(yáng)單片機(jī)和nRF2401發(fā)射模塊組成，主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)手勢(shì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)信息的采集和發(fā)送。其中觸摸屏用于檢測(cè)使用時(shí)坐標(biāo)X、Y的變化，通過對(duì)X、Y變化趨勢(shì)的分析，完成對(duì)鼠標(biāo)移動(dòng)軌跡的模擬。MEMS加速度傳感器則用于感知使用者的動(dòng)作，通過將這些動(dòng)作定義為特殊指令。實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)的特殊功能鍵。同時(shí)發(fā)射模塊與接收模塊之間通過2.4GHz無(wú)線收發(fā)一體芯片完成兩者之問的無(wú)線通信。最終由接收端的USB驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)PC端的鼠標(biāo)控制功能。

其中在通過對(duì)X、Y坐標(biāo)變化，進(jìn)行算法處理時(shí)，需要對(duì)操作過程中誤差較大的坐標(biāo)進(jìn)行濾波，同時(shí)簡(jiǎn)化鼠標(biāo)的移動(dòng)方向。并通過固化匹配的方式，正確反映鼠標(biāo)的整體的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。從而更好的完成對(duì)手勢(shì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的分析，實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)的準(zhǔn)確定位。

2 觸屏檢測(cè)裝置與加速度傳感器的硬件電路設(shè)計(jì)

在動(dòng)作感應(yīng)模塊方面。采用鴨C2046作為四線電阻式觸摸屏控制器。TSC2046以其低功耗和高速率等特性廣泛應(yīng)用于電池供電的小型手持設(shè)備。它與觸摸屏連接的原理電路如圖3所示。另一方面。采用型號(hào)為MXR9550的MEMS加速度傳感器模塊。它的體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、易于集成和實(shí)現(xiàn)智能化，其原理電路如圖4所示，利用它來(lái)感知人的動(dòng)作，如揮手、擺臂等，然后可以將不同的動(dòng)作定義為特殊的功能，如實(shí)現(xiàn)演講時(shí)PPT、PDF的翻頁(yè)，關(guān)閉窗口，切換窗口等動(dòng)作。

圖3 TSC2046與觸摸屏連接的硬件原理圖

圖4 MEMS加速度傳感器原理電路

3系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

在發(fā)射端。當(dāng)系統(tǒng)上電后，控制芯片會(huì)一直檢測(cè)觸摸屏和MEMS加速度傳感器的狀態(tài)。當(dāng)滑動(dòng)觸摸屏或是搖動(dòng)鼠標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)收到數(shù)據(jù)，同時(shí)凌陽(yáng)單片機(jī)通過對(duì)這些數(shù)據(jù)的處理。就能判斷出手指在觸摸屏上移動(dòng)的軌跡和是否搖動(dòng)了鼠標(biāo)。然后將這些動(dòng)作定義為不同的指令。通過無(wú)線模塊發(fā)射出去。程序流程如圖5所示。

圖5手持端程序流程圖

在接收端，無(wú)線模塊始終等待捕捉發(fā)射信號(hào)。在接收成功后?？刂菩酒鶕?jù)接收到的不同指令，通過USB接口電路傳送給電腦。完成鼠標(biāo)動(dòng)作。從而實(shí)現(xiàn)無(wú)線鼠標(biāo)工作的整個(gè)過程。程序流程如圖6所示。

圖6接收端程序流程圖

4 鼠標(biāo)手勢(shì)算法設(shè)計(jì)

由于每次采集的數(shù)據(jù)很多，其中有一小部分?jǐn)?shù)據(jù)存在誤差，如果不將這些誤差數(shù)據(jù)過濾，肯定會(huì)影響鼠標(biāo)的移動(dòng)軌跡。如何得到準(zhǔn)確的觸摸屏數(shù)據(jù)。是優(yōu)化鼠標(biāo)移動(dòng)軌跡的關(guān)鍵。因此，在程序設(shè)計(jì)中。提出了一種優(yōu)化鼠標(biāo)移動(dòng)軌跡的算法。其大致思路如以下：①過濾鼠標(biāo)移動(dòng)動(dòng)作。如圖7（a）所示。這步將鼠標(biāo)一連串移動(dòng)動(dòng)作中的小幅度波動(dòng)動(dòng)作給去掉，這一步是十分必要的；②限制鼠標(biāo)移動(dòng)方向，如圖7（b）所示。對(duì)于簡(jiǎn)單的鼠標(biāo)手勢(shì)支持，只支持上下左右4個(gè)方向。就把其他方向的動(dòng)作都?xì)w并到這4個(gè)方向中。一般就是比較一下上下方向和左右方向的差值，取大的那個(gè)作為最后的方向；③簡(jiǎn)化移動(dòng)方向序列，如圖7（c）所示。這步非常簡(jiǎn)單，原本是右右上上右上上的方向序列，簡(jiǎn)化后變成右上右上了；（多匹配動(dòng)作序列，如圖7（d）所示。這步是最困難的，表面是把夾雜在長(zhǎng)距離移動(dòng)動(dòng)作中的短距離動(dòng)作過濾掉。實(shí)際的做法是先把整個(gè)動(dòng)作序列與一組預(yù)定義的動(dòng)作序列匹配比較，如果匹配失敗，就把這序列中最短幅度的動(dòng)作過濾掉，再進(jìn)行匹配，如此循環(huán)往復(fù)，直到最后匹配到為止。

圖7 手勢(shì)算法演示

5結(jié)束語(yǔ)

本文闡述了一種3D無(wú)線射頻鼠標(biāo)設(shè)汁的新思路，對(duì)傳統(tǒng)的鼠標(biāo)不但進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)原理的創(chuàng)新，同時(shí)對(duì)其操作方式進(jìn)行了補(bǔ)充，使鼠標(biāo)真正擺脫對(duì)線纜與載體的依賴成為可能。隨著互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的發(fā)展，移動(dòng)辦公的理念得到越來(lái)越多的支持，因此，本文設(shè)計(jì)的無(wú)線鼠標(biāo)也能順應(yīng)了移動(dòng)辦公的潮流。