基于微加速度计的无线惯性鼠标的设计方案

发表于:2022-08-10 03:35:47 来源:8亿彩最新版 作者:8亿彩app下载

  摘要: 提出了一种基于微加速度计的无线惯性鼠标的设计方案。该方案以微加速度计芯片nRF401进行信号处理与无线传输。按该方案设计的鼠标结构简单、密封性好,在降低鼠标功耗和提高鼠标使用灵活性等方面具有较大的应用前景。

  鼠标作为PC机的输入工具,其重要性不言而喻。但是,随着计算机外围设备的越来越多,各种连线也越来越多,给用户带来了许多的不便。于是,人们便有了无线接口的想法,迫切希望有一种鼠标,它能够克服诸如有线的距离限制、有线鼠标的线材损耗、连线多且错综复杂等问题。在这种情况下,无线鼠标应运而生。目前市场上的无线鼠标几乎都是光电射频鼠标,它虽然克服了有线的缺点,但在功耗、使用场合等方面仍然存在一些不足。

  采用微加速度计设计的无线鼠标,既可以独立使用,作为桌面PC 的鼠标;同时也可以作为单独的模块嵌入到现有的机械鼠标和光电鼠标中,实现鼠标的悬空使用,方便用户的操作。该设计兼顾了设计成本与鼠标使用寿命,使得惯性鼠标具有相当大的竞争力。

  ADXL213是一种低成本、低功耗、集成了信号调理电路和占空比调制器的微加速度计芯片。输出为PWM数字信号,因此可与计数电路或单片机直接接口,无须放大和A/D电路。用户只需外接三个无源器件就可以设置滤波器输出带宽和输出PWM波的周期。

  可见,带宽主要由C(x,y)确定。C(x,y)越小,信号带宽越宽,分辨率越高,响应速度越快。设计时,首先要确定被测加速度的频率范围,然后再设计滤波器的参数。尽量使滤波器的带宽略高于信号的最高频率,这样做不仅有利于滤除高频干扰,也利于降低系统噪声干扰。

  对于占空比的设计,占空比调制器(DCM)的周期就是芯片输出方波的周期T2。该周期是由RSEL确定的,其关系式为T2=RSEL/125MΩ(RSEL是用来设置输出信号循环周期的电阻)。当DCM输出方波频率大于模拟带宽10倍以上,测量准确度就很理想。从这一点来看,T2越小越好,但是T2的减小会提高对计数器以及微控制器的处理速度要求。另一方面,要提高测量的分辨率就应该尽量提高T2时间内的计数次数,这就要求计数器和控制器有更高的处理速度,而实际中硬件的处理速度是受到器件性能限制的。综上所述,T2是根据模拟带宽、计数器和处理器速度以及测量分辨率的要求共同确定的。在设计时要明确测量的指标要求,综合考虑各种因素。

  本设计中要求被测带宽为20~50Hz,则选择滤波器的带宽为60Hz,选定T2为1.25ms,即DCM输出方波频率为800 Hz,该频率是测量最大频率的16倍,因此可以很好地反映加速度的变化。根据上述选择,可以计算出电阻RSEL为156KΩ,两个电容选用0.08μF。

  对于鼠标的按键设计,主要是要考虑消抖。考虑到鼠标体积、功耗等要求,设计中采用软件延时方式来消抖。加速度计及鼠标的按键信号的处理由MSP430F135单片机来完成。

  设计时应将鼠标响应的实时性放在第一位,而将鼠标的功耗放在第二位。加速度计需设置一个控制开关,以解决其一直有信号输出的问题(加速度计有零漂,鼠标倾斜等原因)。按键及加速度计与单片机的连接如图1:

  的nRF401芯片。nRF401在工作时,只需要外接一个晶振和几个阻容、电感元件,基本无需测试。设计中,单片机通过异步串口与nRF401通信,然后再分别使用三个引脚作为nRF401的通信控制即可。外接晶体及阻容、电感等元件均按照nRF401推荐的典型参数值选取。发送端的硬件电路如图2。接收端的nRF401接收到数据后通过USB接口与PC机相连,接收端的处理器采用AT89C51,具体连接见图3。为了获得较好的RF性能,PCB设计至少需要两层板来实现,分成射频电路和控制电路两部分来布置。nRF401采用

  天线,在天线的下面没有接地面。为了减少分布参数的影响,PCB上应该避免长的电源走线,所有元件地线,VDD连接线,VDD去耦电容必须离nRF401尽可能地近。nRF401的电源必须经过很好的滤波,并且与数字电路的电源分离,在离电源脚VDD尽可能近的地方用高性能的电容去耦,最好是一个小电容和一个大电容相并联。PCB板顶层和底层最好敷铜接地,把这两层的敷铜用较多的过孔紧密相连,再将VSS脚连接到敷铜面。所有开关信号和控制信号都不能经过PLL环路滤波器元件和VCO电感附近。2.3 USB接口硬件设计鼠标与计算机的通信采用USB通信方式。USB控制芯片选择了PHILIPS公司的PDIUSBD12。PDIUSBD12与89C51的连接如图3,PDIUSBD12的8位并行数据接入89C51的P0口,地址线的片选,地址线的命令或数据的选择线的数据交换采用中断方式(外中断INT0)。PDIUSBD12从USB口得到信息后向89C51发出中断信号,89C51进入中断处理程序进行响应。

  信号检测部分软件设计的关键是计算加速度计输出信号的占空比,从而计算出加速度值。待机时,处理器工作在低功耗模式LPM3,从而降低整个系统的功耗。加速度计的输出信号接MSP430F135的比较/捕获模块的输入端,为了能精确测出输出信号的占空比,可利用MSP430F135中

  mer_A的比较/捕获模块,令其工作在捕获模式,且让其在上升沿和下降沿都捕获。在上升沿时,捕获一个

  数据,这个数据在捕获寄存器器中读出;再等下降沿到来,在下降沿时又捕获一个定时器数据;两次捕获的定时器数据差就是脉冲的宽度也即输出信号中高电平的宽度。限于篇幅,这里仅给出X轴的信号检测部分的程序,分别用start和end记录上升沿和下降沿捕获时计数单元的值:#include 《msp430x13x.h》

  为了节能,nRF401大多数情况下应处于关闭状态。由于无线部分硬件不具备自动唤醒功能,nRF401由MSPF135根据加速度信号来唤醒。在通信模块的设计中,鼠标的功耗、响应的及时性和指针定位的准确性是要考虑的主要问题。鼠标的通信是一种非对称的单工通信,系统的功耗主要产生在鼠标主体部分即发送端。接收端由USB接口供电,可以一直处于接收监听状态,不影响系统的功耗,因此不需要设置同步码来唤醒接收端,可以在帧尾加上2字节的CRC校验来校验数据传输的正确性,提高抗干扰能力。

  综上所述,通信帧格式采用了1字节地址加4字节有效数据信息再加2字节CRC校验的短帧格式。当CRC校验错误时,直接丢弃该帧。这样做虽然牺牲了数据传输的可靠性(数据传输的可靠性对鼠标来说并不太重要),却换来了整个系统功耗的降低和响应时间的加快。

  程序设计时应注意:nRF401的通信速率最高为20kbit/s;发送数据之前需将发送端置于发射模式(TXEN = l),接收端一直打开。在待机模式,电路不接收和发射数据。待机模式转换为发射模式的转换时间至少2ms;待机模式转换为接收模式的转换时间至少3ms。

  USB接口的软件设计部分包括接口外设端的固件程序、PC操作系统上的USB设备驱动程序和串行通信程序。固件设计的目标是使PDIUSBD12在USB上达到最大的传输速率。本方案的固件设计采用完全的中断驱动方式。当CPU处理前台任务时,USB的传输在后台进行,中断和主循环的数据交换通过事件标志和数据缓冲区进行。这样既保证了最佳的传输速率,又简化了编程和调试。固件结构如图4所示,图中箭头表示数据传输方向。

  PDIUSBD12命令接口包括了对PDIUSBD12读写操作的所有命令,通过定义若干个子程序对应于各自不同的命令。当固件中其它程序需要对PDIUSBD12进行读写时,只须调用其中相应的子程序。

  本设计的驱动程序直接采用了通用的USB鼠标的驱动程序,因而可以在很大程度上简化软件设计。

  创新点:本设计按照低功耗系统的设计原则,利用加速度计和用户操作的灵活性来判断和检测鼠标的移动,设计了一种没有活动部件、机械传动机构和光电器件的密封性好的低功耗无线惯性鼠标。测试结果表明该无线惯性鼠标灵敏度达到了使用要求,很好地解决了现有无线鼠标存在的

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  系列降压开关稳压器是单片集成电路,非常适合简单方便地设计降压型开关稳压器(降压转换器)。该系列的所有电路均能够以极佳的线 A负载。这些器件提供3.3 V,5.0 V,12 V,15 V的固定输出电压和可调输出版本。 此降压开关稳压器旨在最大限度地减少外部元件的数量,从而简化电源设计。标准系列电感器针对LM2575进行了优化,由多家不同的电感器制造商提供。 由于LM2575转换器是一种开关电源,与传统的三端线性稳压器相比,其效率要高得多,特别是在输入电压较高的情况下。在许多情况下,LM2575稳压器消耗的功率非常低,不需要散热器,也不会大幅降低其尺寸。 LM2575的特性包括在指定的输入电压和输出负载条件下保证4%的输出电压容差,以及振荡器频率的+/- 10%(0C至125C的+/- 2%)。包括外部关断,具有80 uA典型待机电流。输出开关包括逐周期电流限制,以及在故障条件下进行全保护的热关断。 特性 3.3 V,5.0 V,12 V ,15 V和可调输出版本 可调版本输出电压范围为1.23 V至37 V +/- 4%最大线 A输出电流 宽输入电压范围:4.75 V至40 V 仅需要4个外部元件 ...

  1PVD是一款适用于汽车音响系统CD接收系统的电源IC。该IC集成了5个线个高端功率开关系统,过流保护器,过压保护器和过热保护器。 SW33V输出的电源是低电压规格,与现有型号相比,可大幅降低功耗。 (包是HZIP15)。 特性 低功耗电流:50μA(典型值,只有VDD输出正在运行) 稳压器输出1 - 微控制器的VDD:输出电压:3.3V,最大输出电流:350mA 实施反向电流保护。 稳压器输出2 - 系统:输出电压:3.3V,最大输出电流:350mA 稳压器输出3 - 用于音频:输出电压:5至12V(由外部电阻设置),最大输出电流:300mA 稳压器输出4 - 用于照明:输出电压:5至12V(由外部电阻设置),最大输出电流:300mA 调节器输出5 - 对于CD:输出电压:6V,最大输出电流:1500mA 高侧开关in terlock VCC 1 - EXT:最大输出电流:500mA,输入和输出之间的电压差:0.75V 高带互锁的侧开关VCC 2 - ANT:最大输出电流:300mA,输入和输出之间的电压差:0.5V V6IN:6V用于系统(SW33V) VCC1:用于内部参考电压,控制电路和VDD输出。 ...

  NPVD是一款多输出线性稳压器IC,可降低静态电流。 LV5684NPVD专为满足汽车信息娱乐系统的电源要求而设计。 LV5684NPVD集成了5个线​​个高端电源开关,过流限制器,过压保护和热关断功能。 VDD和SW33V输出的电源是低电压规格,与现有型号相比,可大幅降低功耗。 特性 低消耗电流:50uA(典型值,只有VDD输出正在运行) 微控制器的VDD:输出电压:3.3V,最大输出电流:350mA 对于系统:输出电压:3.3V,最大输出电流:450mA 音频:输出电压:5到12V(由外部电阻设置),最大输出电流:250mA 用于照明:输出电压:5至12V(由外部电阻设置),最大输出电流:300mA 对于CD:输出电压:5V / 8V,最大输出电流:1300mA 带电流保护的高侧开关 - EXT:最大输出电流:350mA,输入和输出之间的电压差:0.5V 带电流保护的高侧开关 - ANT:最大输出电流:300mA,输入和输出之间的电压差:0.5V 电源输入 - V6IN: VDD为6V,系统(SW33V) 电源输入 - VCC1:对于内部参考电压,控制电路如果V6IN电压下降,VCC1将提供...

  FAN53526 3.0 A 2.4 MHz 数字可编程TinyBuck®调节器

  26是一款降压型开关稳压器,可从2.5V至5.5V的输入电压电源提供数字可编程输出。输出电压通过一个能够工作在3.4MHz的I2C接口进行编程。采用具有同步整流功能的专有架构,FAN53526能够以超过80%的效率提供3.0A连续性,在负载电流低至10mA时保持效率。稳压器工作在2.4MHz的标称固定频率,这降低了外部元件的价值。可以添加额外的输出电容,以改善负载瞬变期间的调节,而不会影响稳定性。在中等负载和轻负载条件下,脉冲频率调制(PFM)用于在省电模式下工作,典型静态电流为50μA(室温)。即使具有如此低的静态电流,该器件在大负载摆动期间也表现出优异的瞬态响应。在较高负载时,系统自动切换到固定频率控制,工作频率为2.4MHz。在关断模式下,电源电流降至1μA以下,从而降低功耗。如果需要固定频率,可以禁用PFM模式。 FAN53526采用15焊球,1.310mmx 2.015mm,0.4mm球间距WLCSP封装。电路图、引脚图和封装图...

  P是一款多线性稳压器,适用于USB硅调谐器汽车音响系统。该IC具有4个输出,VDD5V(3.3V),AUDIO(8.5V),SWU(3.3V)和USB5V(CD 8V:可用)。关于保护电路,它具有过流保护,过压保护和热关断功能。 VCC1(SWU和USB电源)是VCC的独立端子,接受较低的电压(例如来自DC / DC转换器),可以降低功耗。 特性 4系统稳压器 VDD5V(3.3V),AUDIO(8.5V),SWU(3.3V)和USB5V(CD 8V:可用) 过电流保护 过电压保护:典型21(除VDD外) 热关断Typ 175°C 应用Pch-LDMOS用于输出阶段 应用 汽车音响和信息娱乐系统 电路图、引脚图和封装图...

  是1.2 A LDO线性稳压器,具有低静态电流消耗(在整个温度范围内典型值为30μA),低压差,低输出噪声和非常好的PSRR。该稳压器具有多种保护功能,如热关断,软启动,限流和电源良好输出信号,便于MCU接口 特性 优势 低Vin 1.5 V 低输出电压下的低功耗 超低噪声15μV rms 非常适合噪音敏感应用 1 kHz时的良好PSRR 75 dB 非常适合功率敏感设备 低V out 从0.8 V 适用于低压应用 低静态电流30μA 适合击球应用程序 小型DFN6 2 x 2 mm包装 适用于空间受限的应用程序 高输出电流1.2 A 适用于功率要求高的应用 应用 终端产品 电池供电设备 无线和LAN设备 智能手机,平板电脑,数码相机 RF,PLL,VCO和时钟电源 无线充电器 通讯系统 便携式设备 数码相机 平板电脑,智能手机 RF电源 图像传感器供应 消费类电子产品 电信应用 电路图、引脚图和封装图...

  NCV8165 LDO稳压器 500 mA 低压差 超低Iq 超高PSRR 超低噪声

  5是一款LDO(低压降稳压器),能够提供500 mA输出电流。 NCV8165器件旨在满足RF和模拟电路的要求,具有低噪声,高PSRR,低静态电流和非常好的负载/线路瞬态。该器件设计用于1μF输入和1μF输出陶瓷电容。提供DFNW8 0.65P,3 mm x 3 mm x 0.9 mm封装。 类似产品: NCV8160 NCV8161 NCV8163 NCV8165 输出电流(A) 0.25 0.45 0.25 0.50 PSRR f = 1 kHz(dB) 98 98 92 85 噪音(μV RMS ) 10 10 6.5 8.5 特性 优势 超高PSRR在1 kHz时为85dB,在100 kHz时为63dB 非常适用于Wi-Fi模块等功耗敏感设备 超低输出噪声8.5μV RMS 非常好适用于噪声敏感应用 超低静态电流12μA 在轻载条件下提高效率 工作输入电压范围1.9V至5.5V 适用于电池供电设备 极低压差200mV,500mA 满载时的低功耗 应用 终端产品 A / D和D / A转换器电源 音频编解码器 电池供电设备 相机模块 RF模块 WiGig电源 LP5907或LP5912升级 汽车设备点负载调节 信息娱乐,车身控制和导航 远...

  是150 mA LDO,可提供非常稳定,准确的电压和低噪声,适用于空间受限,噪声敏感的应用。为了优化电池供电的便携式应用的性能,NCP105采用动态静态电流调节,在空载时实现极低的IQ消耗。 NCP105采用小型XDFN-4 1 mmx1 mm,0.4 mm薄型封装以及标准TSOP5封装。 特性 优势 工作输入电压范围:1.7 V至5.5 V 非常适合电池供电的应用程序 低压差:125 mV典型值150 mA @ 2.8 V 支持输入输出电压要求非常低的应用 1kHz时高PSRR 70dB 非常适合噪音敏感的应用程序 热关断和电流限制保护 稳健的设计和高可靠性 Typ的非常低的静态电流。 50μA 适用于电池供电的应用 XDFN4 1.0 x 1.0 mm包中提供 非常非常适合空间受限的应用 +/- 1%典型Vout准确度@ 25°C 功率敏感设备的精确Vout TSOP5包中提供 非常适合首选含铅包的应用 应用 终端产品 触摸屏控制器电源 无线模块 相机供应模块 MCU和低功耗FPGA电源 物联网电池供电的无线传感器节点 智能手机 平板电脑 便携式设备 无线手机 IP摄像机 智能家居,智...

  是双模式LDO,在ActiveMode中提供高达80 mA的电流,在低功耗模式下低至50 nA的Iq。双模式功能可通过ECO引脚选择,允许动态和低功耗模式之间的动态切换,非常适用于长寿命电池供电的无线应用。低功耗模式下的输出电压可降低50 mV,100 mV,150的内部工厂编程值相对于活动模式下的标称输出电压,mVor为200 mV。此功能进一步降低了睡眠模式下的应用消耗.NCP171采用SLIQ(超低Iq)LDO系列,具有50nA的超低静态电流,可用于小XDFN4 1.2 x 1.2包。 特性 优势 超低水平50nA 非常适合电池供电的应用 双模式功能针对主动模式和待机模式操作进行了优化 系统灵活地在两种不同的操作模式之间切换,优化性能和延长电池寿命 工作模式,高达80mA,具有出色的PSRR和噪声性能 非常适用于射频电源和高精度传感器 低功耗模式(SLIQ),50nA Iq 当系统处于扩展待机(低功耗)模式时延长电池寿命 模式选择,ECO Pin 灵活选择主动和低功率模式 XDFN 1.2x1.2包 空间受限应用程序的小尺寸 应用 终端产品 无线电池供电的物联网传感器 电池供电的医疗...

  是300 mA LDO,可提供非常稳定,准确的电压和低噪声,适用于空间受限,噪声敏感的应用。为了优化电池供电的便携式应用的性能,NCP115采用动态静态电流调节,在空载时实现极低的IQ消耗。 NCP115采用小型XDFN-4 1 mmx1 mm,0.4 mm薄型封装以及标准TSOP5封装。 特性 优势 工作输入电压范围:1.7 V至5.5 V 非常适合电池供电的应用程序 固定电压选项:0.8 V至3.6 V 满足各种电源需求的灵活性 低压降:250 mV典型值300 mA @ 2.8 V 支持输入电压要求非常低的应用 1kHz时PSRR为70dB 非常适合噪音敏感应用 热关断和限流保护离子 稳健的设计和高可靠性 典型的非常低的静态电流。 50μA 适用于电池供电的应用 XDFN4 1.0 x 1.0 mm包中提供 非常非常适合空间受限的应用 +/- 1%典型Vout准确度@ 25°C 功率敏感设备的精确Vout TSOP5包中提供 非常适合首选含铅包的应用 应用 终端产品 触摸屏控制器电源 无线模块 相机供应模块 MCU和低功耗FPGA电源 物联网电池供电的无线传感器节点 智能手机...