基于单片机和触控模块的3D无线射频鼠标的设计与实现

引言

鼠标作为电脑的一基本部件。扮演着重要的角色。随着科技的进步和市场的需求。鼠标也经历着快速的发展。传统的鼠标无论是有线鼠标还是无线鼠标。由于采用控制原理的原因，或者受到线缆的约束，或者离不开对桌面等载体的依赖，适用场合和范围受到限制。因此，市场上急需一种适用于多种场合。能满足不同人群特殊功能需求的鼠标，此时。3D无线鼠标的概念应运而生。本文通过对运用MEMS加速度传感器。触控模块和凌阳单片机完成鼠标3D控制原理的阐述。以及对实验中实际操作的记录为现阶段多功能新型鼠标的制作提供参考依据。

1 3D无线鼠标的工作原理

无线射频鼠标总体分为发射模块（见图1）和接收模块（见图2）两个部分。发射部分模块集成在手持端，由使用者控制。接收模块与PC、笔记本等仪器相连。

图1 发射模块系统框图

图2接收模块系统框图

发射模块主要由电阻式触摸屏、MEMS加速度传感器、16位凌阳单片机和nRF2401发射模块组成，主要功能是实现对手势运动趋势信息的采集和发送。其中触摸屏用于检测使用时坐标X、Y的变化，通过对X、Y变化趋势的分析，完成对鼠标移动轨迹的模拟。MEMS加速度传感器则用于感知使用者的动作，通过将这些动作定义为特殊指令。实现鼠标的特殊功能键。同时发射模块与接收模块之间通过2.4GHz无线收发一体芯片完成两者之问的无线通信。最终由接收端的USB驱动电路实现PC端的鼠标控制功能。

其中在通过对X、Y坐标变化，进行算法处理时，需要对操作过程中误差较大的坐标进行滤波，同时简化鼠标的移动方向。并通过固化匹配的方式，正确反映鼠标的整体的运动趋势。从而更好的完成对手势运动趋势的分析，实现鼠标的准确定位。

2 触屏检测装置与加速度传感器的硬件电路设计

在动作感应模块方面。采用鸭C2046作为四线电阻式触摸屏控制器。TSC2046以其低功耗和高速率等特性广泛应用于电池供电的小型手持设备。它与触摸屏连接的原理电路如图3所示。另一方面。采用型号为MXR9550的MEMS加速度传感器模块。它的体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、易于集成和实现智能化，其原理电路如图4所示，利用它来感知人的动作，如挥手、摆臂等，然后可以将不同的动作定义为特殊的功能，如实现演讲时PPT、PDF的翻页，关闭窗口，切换窗口等动作。

图3 TSC2046与触摸屏连接的硬件原理图

图4 MEMS加速度传感器原理电路

3系统流程设计

在发射端。当系统上电后，控制芯片会一直检测触摸屏和MEMS加速度传感器的状态。当滑动触摸屏或是摇动鼠标时，系统就会收到数据，同时凌阳单片机通过对这些数据的处理。就能判断出手指在触摸屏上移动的轨迹和是否摇动了鼠标。然后将这些动作定义为不同的指令。通过无线模块发射出去。程序流程如图5所示。

图5手持端程序流程图

在接收端，无线模块始终等待捕捉发射信号。在接收成功后。控制芯片根据接收到的不同指令，通过USB接口电路传送给电脑。完成鼠标动作。从而实现无线鼠标工作的整个过程。程序流程如图6所示。

图6接收端程序流程图

4 鼠标手势算法设计

由于每次采集的数据很多，其中有一小部分数据存在误差，如果不将这些误差数据过滤，肯定会影响鼠标的移动轨迹。如何得到准确的触摸屏数据。是优化鼠标移动轨迹的关键。因此，在程序设计中。提出了一种优化鼠标移动轨迹的算法。其大致思路如以下：①过滤鼠标移动动作。如图7（a）所示。这步将鼠标一连串移动动作中的小幅度波动动作给去掉，这一步是十分必要的；②限制鼠标移动方向，如图7（b）所示。对于简单的鼠标手势支持，只支持上下左右4个方向。就把其他方向的动作都归并到这4个方向中。一般就是比较一下上下方向和左右方向的差值，取大的那个作为最后的方向；③简化移动方向序列，如图7（c）所示。这步非常简单，原本是右右上上右上上的方向序列，简化后变成右上右上了；（多匹配动作序列，如图7（d）所示。这步是最困难的，表面是把夹杂在长距离移动动作中的短距离动作过滤掉。实际的做法是先把整个动作序列与一组预定义的动作序列匹配比较，如果匹配失败，就把这序列中最短幅度的动作过滤掉，再进行匹配，如此循环往复，直到最后匹配到为止。

图7 手势算法演示

5结束语

本文阐述了一种3D无线射频鼠标设汁的新思路，对传统的鼠标不但进行了实现原理的创新，同时对其操作方式进行了补充，使鼠标真正摆脱对线缆与载体的依赖成为可能。随着互联网应用的发展，移动办公的理念得到越来越多的支持，因此，本文设计的无线鼠标也能顺应了移动办公的潮流。