【正文】 第二章 系統(tǒng)概述 系統(tǒng)要求與條件 該系統(tǒng) 需要考慮兩個 重要 的因素：精確性 和靈敏度 。通常人的生理反應(yīng)速度 比 微控制器 的處理速度 慢很多，為了 滿足精確性的要求 ，來自人手的加速度值 應(yīng)該達(dá)到一定的值 。靈敏度是微加速度計最重要的性能系數(shù)之一，其定義為每單位加速度變化的大小。綜合考慮加速度計的靈敏度、增益和噪聲等因素便可確定加速度計能確定的最小加速度值。為了實現(xiàn)鼠標(biāo)的功能，需選擇一個靈敏度較高的加速度傳感器。 系統(tǒng)設(shè)計思想 傳統(tǒng)的機(jī)械 鼠標(biāo)器底部有 1 個露出一部分的塑膠小球 ， 當(dāng)鼠標(biāo)器在操作桌面上移動時 ， 小球隨之轉(zhuǎn)動 ， 在鼠標(biāo)器內(nèi)部 裝有 3 個滾軸與小球接觸 ， 其中有 2 個分別是 X 軸方向和 Y 軸方向滾軸 ， 用來分別測量 X 軸方向和 Y 軸方向的移動量 ， 另 1 個是空軸 ，僅起支撐作用 。 拖動鼠標(biāo)器時 ， 由于小球帶動 3 個滾軸轉(zhuǎn)動 ， X 軸方向和 Y 軸方向滾軸又各帶動一個轉(zhuǎn)軸 (稱為譯碼輪 ) 轉(zhuǎn)動 。 譯碼輪 (見圖 21) 的兩側(cè)分別裝有紅外發(fā)光二極管和光敏傳感器 ， 組成光電耦合器 。 光敏傳感器內(nèi)部沿垂直方向排列有 2 個光敏晶體管 A 和 B。 由于譯碼輪有間隙 。 故當(dāng)譯碼輪轉(zhuǎn)動時 ， 紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線時而照在光敏傳感器上 ， 時而被阻斷 ， 從而使光敏傳感器輸出脈沖信號 。 光敏晶體管 A 和 B被安放的位置使得其光照和阻斷的時間有差異 。 從而產(chǎn)生的脈沖 A 和脈沖 B 有一定的 8 相位差 。 利用這種方法 , 就能測出鼠標(biāo)器的拖動方向 。 [11] 圖 21 譯碼論和光敏傳感器工作原理 本文設(shè)計的為一個基于加速度傳感器的空間鼠標(biāo)，是在傳統(tǒng)的機(jī)械鼠標(biāo)的基礎(chǔ)上經(jīng)過改造成的。通過加速度傳感器來獲取方向信息，經(jīng)單片機(jī)處理后生成具有一定相位差的脈沖信號以控制光標(biāo)的移動，即可省略上述機(jī)械鼠標(biāo)的譯碼輪和光敏傳感器部分，以加速度傳感器取代之。由于不需要滾輪，所以該鼠標(biāo)可實現(xiàn)空中操作。 第三章 鼠標(biāo)系統(tǒng)硬件設(shè)計 鼠標(biāo) 硬件 系統(tǒng)概述 本設(shè)計中的鼠標(biāo)硬件系統(tǒng)有以下三個主要模塊組成： 1）加速度信號采集模塊， 2）加速度信號處理模塊， 3）鼠標(biāo)電路模塊。如圖 31 所示 圖 31 鼠標(biāo)硬件系統(tǒng)模塊 其中加速度采集模塊包括加速度傳感器和 A/D轉(zhuǎn)換芯片兩部分，加速度處理模塊為微處理器部分，通過加速度信號采集模塊采集到加速度信號后送入加速度處理模塊 ，經(jīng)微處理器處理后產(chǎn)生相應(yīng)的方波脈沖以控制鼠標(biāo)電路。 各模塊的介紹如下。 信號采集模塊 該模塊通過加速度傳感器檢測加速度信息并以模擬量輸出，通過 A/D 轉(zhuǎn)換，讀入到 9 單片機(jī)中，經(jīng)處理 后即可送入鼠標(biāo)模塊控制光標(biāo)的運動。 MEMS 加速度計 MMA7260QT 的選擇 加速度傳感器是本設(shè)計中的核心器件，本設(shè)計中選用 Freescale 公司的 MMA7260QT三軸小量程加速度傳感器。 MMA7260QT 低成本微型電容式加速計采用了信號調(diào)理、單極低通濾波器和溫度補(bǔ)償技術(shù)，并且提供重力加速度選擇功能，從而實現(xiàn)了在 4 個靈敏度中的選擇。在出廠時就設(shè)置了零重力加速度補(bǔ)償?shù)娜砍毯蜑V波器截止，不需要外部設(shè)備。產(chǎn)品還提供休眠模式，因而是電池充電的手持設(shè)備產(chǎn)品的理想之選 。 MMA7260QT 的特性如下： 1）可選靈敏度（ ） 2）低電流消耗： 500μ A 3） 休 眠模式： 3μ A 4）低操作電壓： — 5） 6mm 6mm QFN 封裝 6）高靈敏度（ ） 7）集成信號調(diào)理和低通濾波器 8）設(shè)計穩(wěn)定，防震能力強(qiáng) 9）無鉛焊錫 10）環(huán)保封裝 11）成本低 產(chǎn)品的頂視圖和底視圖如下 （圖 32） ： 圖 32 MMA7260QT 頂視圖和底視圖 由圖 32 左圖即可看出 MMA7260QT 的引腳定義，各引腳定義功能如下 （圖 33） ： 10 圖 33 MMA7260QT 引腳功能表 MMA7260QT 提供了四種可供選擇的靈敏度（ ） （圖 34） 圖 34 gSelect 引腳描述 在本設(shè)計中，為了達(dá)到要求的靈敏度，將 MMA7260QT 的 gSelect1 和 gSelect2 引腳接低電平，以選擇 ，即加速度傳感器能檢測到的最小加速度值為 g，對應(yīng)的靈敏度是 800mV/g，可以測出人手的加速度變化。 為抑制噪聲對輸出的影響， MMA7260QT 通常需外接濾波電路。 本文采用 RC 低通濾波。取 R=1KΩ， C= F，則可以計算出截至頻率為 f=1/2π RC=,由于加速度芯片的工作頻率遠(yuǎn)小于此，所以可以達(dá)到濾除高頻噪聲的目的。 MMA7260QT 典型的連接方式如下（圖 35）： 圖 35 MMA7260QT 連接圖 11 A/D 轉(zhuǎn)換芯片 TLC549 的選擇 MMA7260QT 的輸出為與加速度值成比例的模擬電壓值，因此必須經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換后才可以用微處理器處理。 本文采用 Texas Instruments 公司的 CMOS 工藝 8 位 串行逐次逼近型的 A/D 轉(zhuǎn)換器TLC549。它具有成本低、功耗小、接線少和封裝小的特點，并且具有較高的數(shù)據(jù)傳送速率和較高的轉(zhuǎn)換精度。 TLC549 的特性如下 [3]： 1） 8 位分辨率 A/D 轉(zhuǎn)換器，串行輸出 。 2）采用開關(guān)電容設(shè)計，可在整個工作溫度范圍內(nèi)（自然通風(fēng)）實現(xiàn)低誤差傳送，總不可調(diào)整誤差為 +/1LSB MAX。 3） 片內(nèi)有系統(tǒng)時鐘。 4） CMOS 工藝，可使用 到 的工作電壓，工作電流僅為 ～ 。 5） 提供 8 腳 DIP， 20 腳 FK 封裝。 TLC549 引腳圖如下 （ 圖 36） ： 圖 36 引腳圖 TLC549 引腳定義 [3]： CS 芯片使能端。其電平的高低及其邊沿信號，使能芯片的內(nèi)部操作。 ANALOG IN 模擬信號輸入端。 REF+,REF為正負(fù)基準(zhǔn)電壓。最大輸入電壓的范圍由 REF+和 REF之間的電壓差值決定。當(dāng)輸入電壓大于 REF+時 ，數(shù)字 輸出為滿刻度，當(dāng)輸出小于 REF時，數(shù)字 輸出為零。 I/O CLOLK 輸入 /輸出時鐘。 I/O CLOLK 接受串行時鐘并實現(xiàn)下列兩個功能： ①在 I/O CLOLK 的第 4 個下降沿，模擬輸入電壓開始對電容陣列充電直到 I/O CLOLK 的 第 8 個下降沿，以便在片內(nèi)形成模擬轉(zhuǎn)換電壓。 ②把前次轉(zhuǎn)換結(jié)果的低 7 位串行從 DATA OUT 輸出。 DATA OUT 數(shù)據(jù)輸出端。 該端口為三態(tài)輸出端口。當(dāng) CS 為高電平時，該端口處于高阻狀態(tài)；當(dāng) CS 為低電平時，該端口有效，輸出 A/D 轉(zhuǎn)換值。 Vcc,Gnd 電源和地。 TLC549 與單片機(jī) 89C51 的典型的接口電路如下（圖 37） ： 12 圖 37 典型接口電路 TLC549 的工作時序圖如下（圖 38）： 圖 38 TLC549 時序圖 在 I/O CLOLK 的第 4 個下降沿開始系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行采樣，在 I/O CLOLK 的第 8 個下降沿后進(jìn)行轉(zhuǎn)換。當(dāng) CS 為低電平時，前次轉(zhuǎn)換結(jié)果的最高位出現(xiàn)在 DATA OUT 端口上，并且其它位分別在 I/O CLOLK 的下降沿從該端口逐位移出。 加速度信號處理 MMA7260QT 測得的加速度信息為模擬量，經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后方可為微處理器識別，其處理流程如下所示（圖 39）： 13 圖 39 處理流程框圖 微處理器模塊 模擬加速度值的采集和鼠標(biāo)電路模塊的控制都是由微處理器完成的。本節(jié)主要介紹微處理器模塊部分。 單片機(jī) STC89C51 的選擇 本文采用的是宏晶科技 推出的 STC89C51RC/RD+系列單片機(jī) ，該系列單品機(jī)具有超強(qiáng)的抗干擾 /高速 /低功耗的優(yōu)點，指令完全兼容傳統(tǒng)的 8051 單片機(jī)。 STC89C51RC 具有如下特點： 1）增強(qiáng)型 6 時鐘 /機(jī)器周期， 12 時鐘 /機(jī)器周期 8051CPU。 2）工作電壓。 。 3）工作頻率范圍： 040MHz。 4） ROM 4K， RAM 512 字節(jié) ，看門狗， 32 個通用 I/O 口， 3 個 16 位定時器 /計數(shù)器。 5）支持 ISP 功能。 STC89C51RC 引腳圖如下 （圖 310） ： 14 圖 310 STC89C51 引腳圖 單片機(jī)程序下載接口 由于本設(shè)計中選用的 STC89C51RC 單片機(jī)支持 ISP 功能， ISP 功能的優(yōu)點是無需編程器即可在用戶系統(tǒng)上下載 /燒錄用戶程序，因此可通過串口配合 PC 端的控制程序即可下載程序。 程序下載接口如下（圖 311） 所示： 圖 311 程序下載接口 STC89C51RC 單片機(jī)程序下載 時可通過 STC 提供的下載軟件 下載程序。 鼠標(biāo)電路模塊 鼠標(biāo) 電路 控制芯片 HT6523 由于該設(shè)計是在機(jī)械鼠標(biāo)的基礎(chǔ)上改造而成的，所以對原鼠標(biāo)電路部分介紹如下 。 該電路中使用鼠標(biāo) 電路 控制芯片 HT6523。其特性如下： 1）與 IBM 的 PS/2 鼠標(biāo)兼容 2） 集成晶振電路 3） 6MHz的時鐘頻率 4） 支持測試模式 HT6523 的引腳圖（圖 312）： 15 圖 312 HT6523 引腳圖 HT6523 引腳定義如下 （圖 313） ： 圖 313 HT6523 引腳定義 HT6523 典型應(yīng)用如下圖（圖 314） 16 圖 314 鼠標(biāo)電路模塊 鼠標(biāo)的接口方法 鼠標(biāo)器較早使用的是串行口 RS232，亦即 AT 口，現(xiàn)在較多使用的是串行口 PS/2和 USB 口，使用 PS/2 口和 USB 口不占用常規(guī)的串行口，還可以使鼠標(biāo)的響應(yīng)速度更快。 本文中使用的鼠標(biāo)電路的接口為 PS/2 口， PS/2 鼠標(biāo)接口為 6 針母插 ，其引腳圖如下： 圖 315 PS/2 口 PS/2 鼠標(biāo)接口 引腳定義如下： 圖 316 PS/2 引腳定義 整個硬件部分的設(shè)計電路圖見附錄 1。 17 第四章 鼠標(biāo)系統(tǒng)軟件設(shè)計 硬件部分設(shè)計完成后整個設(shè)計差不多才完成了一半，軟件部分的設(shè)計對整個系統(tǒng)的完善起到至關(guān)重要的作用。 軟件開發(fā)環(huán)境介紹 硬件電路設(shè)計完成后， 系統(tǒng)的主要功能將依賴于系統(tǒng)軟件來實現(xiàn)。系統(tǒng)能否正?？煽康毓ぷ?，除了硬件的合理設(shè)計外，很大程度上取決于功能完善 、算法先進(jìn)的軟件設(shè)計 。本文中所有程序均采用 C 語言， 由于 C 語言是一種編譯性程序設(shè)計語言，它兼顧了多種高級語言的特點，并具備匯編語言的功能。 C 語言有功能豐富的庫函數(shù)、運算速度快、編譯效率高、有良好的移植性，而且可以直接實現(xiàn)對系統(tǒng)硬件的控制。 一個 C51 源程序編寫完后并不能直接投入到項目和工程中去，必須經(jīng)過編譯，鏈接生成 絕對目標(biāo)文件，然后才能固化到 EEPROM 中去或下載。 C51 開發(fā)流程圖如下（圖 41） [3]： 圖 41 C51 開發(fā)流程 對上圖描述如下： ①規(guī)劃整個項目，包括硬件的設(shè)計和軟件的分工。 ②編寫 源程序，并把它輸入到文件保存以便編譯。 ③用編譯器編譯源程序，生成目標(biāo)文件，如有必要，可把生成的目標(biāo)模塊放入庫中。 ④連接和定位，讓目標(biāo)文件分配到特定的存儲位置。整個程序通常有幾個源程序，它們分別編寫，或許也有庫包含在內(nèi)。 ⑤利用目標(biāo) 十六進(jìn)制 符號轉(zhuǎn)換器 OHS51 將目標(biāo)文件轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制（ HEX）文件，HEX文件可以寫入到 到 EEPROM 中進(jìn)行程序的固化。 ⑥ 結(jié)合硬件運行程序。如需修改，可調(diào)整源程序，并重復(fù)以下過程。 ⑦ 通過調(diào)試，項目完成。 本文在程序設(shè)計中使用的是 Keil C51 集成開發(fā)環(huán)境， Keil C51 是美國 Keil Software公司出品的 51 系列兼容單片機(jī) C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比， C 語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。用過匯編語言后再使用 C來開發(fā)，體會更加深刻。 Keil C51 軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全 Windows 界面。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到 Keil C51 生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。 18 鼠標(biāo)軟件系統(tǒng)概述 軟件設(shè)計 中 ， 由于鼠標(biāo)靜止時加速度傳感器仍然是有一定的數(shù)值輸出，所以鼠標(biāo)一開始時需提供一個基準(zhǔn)加速度值，用來作為控制光標(biāo)移動的加速度值的參考標(biāo)準(zhǔn)。 因此在本設(shè)計中使用一個按鍵，系統(tǒng)上電后在按鍵按下之前，鼠標(biāo)是不工作的，按鍵按下后開始采樣。通過微處理器處理加速度信號來判斷鼠標(biāo)運動方向，以產(chǎn)生控制信號來控制光標(biāo)的移動。軟件設(shè)計處理