【導(dǎo)讀】傳輸動作信息的手套式鼠標(biāo)系統(tǒng)。檢測；并對手套式鼠標(biāo)系統(tǒng)由平面轉(zhuǎn)向三維空間的自由靈活性等進(jìn)行了實(shí)測。

　　

【正文】 USB 的 HID 類是比較大的一個類， HID 類設(shè)備屬于人機(jī)交互操作的設(shè)備。用于控制計算機(jī)操作的一些方面，如 USB 鼠標(biāo)， USB 鍵盤， USB 游戲操縱桿， USB 觸摸板， USB 軌跡球、電話撥號設(shè)備、 VCR 遙控等等設(shè)備。另外，使用 HID 設(shè)備東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 的一個好處就是，操作系統(tǒng)自帶了 HID 類的驅(qū)動程序，而無需去開發(fā)很麻煩的驅(qū)動程序，只要直接使用 API 調(diào)用即可完成通信。所以很多簡單的 USB 設(shè)備被枚舉成 HID 設(shè)備，這樣就可以不用安裝驅(qū)動而直接使用。 (5)HID 協(xié)議特點(diǎn)： ①交換的數(shù)據(jù)存儲在報告的結(jié)構(gòu)內(nèi)，設(shè)備必須支持 HID 報告格式。 ②每筆事務(wù)可以攜帶小量或中量的數(shù)據(jù)。低速設(shè)備每筆事務(wù)最大為 8 字節(jié)，全速設(shè)備每筆最大為 64 字節(jié)，高速設(shè)備最大為 1 024 字節(jié) 。 ③有最大傳輸速度的限制。低 速設(shè)備最快 10ms 一筆事務(wù)，最高速度為 800 B/s； 全速設(shè)備最快 1 ms 一筆事務(wù)，最高速度為 64 KB/s； 高速設(shè)備最快 125 μ s一筆事務(wù)，最高速度為 MB/s。 ④沒有傳輸速度的保證。 當(dāng)插入 USB 設(shè)備后，主機(jī)會向設(shè)備請求各種描述符來識別設(shè)備。為了把一個設(shè)備識別為 HID 類別，設(shè)備在定義描述符的時候必須遵守 HID 規(guī)范。 本章小結(jié) 對系統(tǒng)硬件各部分電路進(jìn)行了方案選擇與設(shè)計，具體包括： (1)手套部分的各模塊方案選擇及設(shè)計，包括主控制器、加速度采集模塊、無線模塊以及電源模塊的具體方案設(shè)計及相關(guān)知識的介紹。 (2)主機(jī)部分的各模塊方案選擇及設(shè)計。主要包括通信接口的選擇、 USB接口介紹以及 HID協(xié)議相關(guān)介紹。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 第 4章 軟件設(shè)計 光標(biāo)移動算法 手套式鼠標(biāo)是利用 HID 協(xié)議將動作信息轉(zhuǎn)換成電腦光標(biāo)相應(yīng)的動作，從而實(shí)現(xiàn)手套式無線鼠標(biāo)的功能。因此，需要設(shè)計一種簡單且精確可控的光標(biāo)移動算法。 方案選 擇 方案一、采用雙積分算法來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。即用微加速度傳感器實(shí)時測量鼠標(biāo)運(yùn)動的加速度 ， 經(jīng)過兩次積分轉(zhuǎn)換為位移信號傳輸給主機(jī) ,來控制光標(biāo)的移動 ，從而實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)的功能。 STM32 最大采樣速率可以達(dá)到 1000000 次 /秒 ,但每次判斷動作時需要加 2ms 延時，即每 2ms 便向電腦報告一次相對的位移改變量 ， 以保證屏幕上鼠標(biāo)指針運(yùn)動的精確和平滑 ， 可以采用近似算法來對加速度信號進(jìn)行二次積分 ， 得到位移信號。但這種算法在積分時對噪音信號也進(jìn)行了兩次積分，獲得的位移信號與實(shí)際的位移有極大誤差。 方案二、采用靜態(tài)傾角姿勢算法來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng) 功能。鼠標(biāo)系統(tǒng)對靜態(tài)（重力）加速度而非動態(tài)加速度進(jìn)行檢測（即傾角檢測）產(chǎn)生鼠標(biāo)指針移動指令 ， 調(diào)整鼠標(biāo)手套與豎直方向的夾角并配合手指上的按鍵加速度傳感器 ， 實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)的全部功能。通過對采樣的重力加速度使用分級量化的思想 ， 能夠?qū)崿F(xiàn)鼠標(biāo)指針的精確定位。 為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的精確可控，采用方案二。 在具體實(shí)現(xiàn)上，靜態(tài)傾角姿勢算法以重力加速度對微加速度計傾斜 [10]時兩個探測軸的影響作為鼠標(biāo)移動的判斷?；驹硎牵@軸向旋轉(zhuǎn)，然后將微加速度計兩軸的輸出信號轉(zhuǎn)化為控制屏幕光標(biāo)移動的信號。 傾角算法優(yōu)化 手套式鼠標(biāo)系統(tǒng)的難點(diǎn)在于如 何正確識別 MEMS 加速度傳感器中得到的加速東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 度數(shù)據(jù)?？紤]到應(yīng)用的特殊性以及硬件計算能力的限制 ,該系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)時將待識別的動作歸結(jié)簡化為向左、向右、向上、向下運(yùn)動 ,以及順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)六個動作的識別。 為了進(jìn)一步減少 I2C 總線的噪音，在加速度芯片中我們采用了信號處理程序來濾波；為了實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對三次采樣的數(shù)值取平均值處理；并且通過對采樣的重力加速度使用分級量化的思想 ， 來實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)指針的精確定位。其 左右移動 程序框圖如圖 41 所示 ，光標(biāo)上下移動判斷方法與之相同 。 圖 41 移動 算法框圖 按鍵敲擊算法 手套式鼠標(biāo)系統(tǒng)利用美新公司的 MXC6202 微加速度傳感器來采集手指敲擊動作，從而判別左鍵、右鍵是否被按下，以及滾輪功能是否被啟用。在算法確定取平均值 右傾大于 60度 右傾大于 45 度 慢速左移 光標(biāo)動作 慢速右移 光標(biāo)動作 采集三次數(shù)據(jù) 判斷手掌動作 判斷是否有動作 是 左傾大于 45 度 左傾大于 60 度1 快速左移 光標(biāo)動作 快速右移 光標(biāo)動作 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 24 之前，進(jìn)行了大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計工作。部分?jǐn)?shù)據(jù)及動作判斷如圖 42 所示。 圖 42 數(shù)據(jù)接收界面 美新公司的 MXC6202 微加速度傳感器既可以測靜態(tài)加速度（重力加速度），也可以測動態(tài)加速度。通過對數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，在手套式鼠標(biāo)系統(tǒng)中，使用了靜態(tài)、動態(tài)加速度相結(jié)合的算法來對手指動作進(jìn)行判斷：靜態(tài)加速度可指示出手指傳感器相對于手背傳感器的角 度，從而可以分析出手指的狀態(tài)（平放、垂直向上、垂直向下或斜香放置），利用加速度傳感器的動態(tài)加速度測量特性來采集手指運(yùn)動的方向和運(yùn)動的軌跡及形成大小。將這兩個測量結(jié)果結(jié)合起來，由 STM32 分析出手勢語所表達(dá)的意義。 在具體實(shí)現(xiàn)上，我們在手背安裝一個加速度模塊，作為手套鼠標(biāo)系統(tǒng)光標(biāo)移動判定的依據(jù)。為了減少系統(tǒng)所需傳感器的數(shù)量，降低系統(tǒng)成本，手套式鼠標(biāo)系統(tǒng)在食指和中指分別安裝一枚加速度傳感器，通過對手指狀態(tài)進(jìn)行編碼，作為按鍵按下的判定依據(jù)。當(dāng)食指加速度模塊相對手背傳感器大于一定角度且具有一定速度時，判斷為左鍵按下 ；當(dāng)中指加速度模塊相對手背傳感器角度大于一定角度且具有一定速度時，判斷為右鍵按下；當(dāng)食指和中指相對手背傳感器角度都大于一定角度且都處于一定速度的運(yùn)動狀態(tài)時，判斷為滾輪操作。 其程序框圖如圖 43所示。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 圖 43 敲擊算法框圖 通過測試和分析，將靜態(tài)、動態(tài)加速度相結(jié)合，對手指動作進(jìn)行判斷的方法簡便、可行。 HID 協(xié)議軟件實(shí)現(xiàn) (1)USB 設(shè)備有 4 種傳輸方式與主機(jī)進(jìn)行通信： 控制方式、中斷方式、批量方式和同步方式。每種方式都有它的應(yīng)用領(lǐng)域。 HID 只支持控制和中斷傳輸方式。HID 設(shè) 備必須要有默認(rèn)的控制管道和一個中斷輸入端點(diǎn) ； 中斷輸出端點(diǎn)是可選的。 當(dāng)插入 USB 設(shè)備后，主機(jī)會向設(shè)備請求各種描述符來識別設(shè)備。為了把一個設(shè)備識別為 HID 類別，設(shè)備在定義描述符的時候必須遵守 HID 規(guī)范。事實(shí)上，每個設(shè)備可以有多個接口描述符來實(shí)現(xiàn)多接口設(shè)備，而且每個接口描述符下應(yīng)該有多個端點(diǎn)描述符。 (2)USB 協(xié)議定義了 11 種請求命令，通過這些請求來獲得設(shè)備的信息及對設(shè)備進(jìn)行設(shè)置。 HID 類設(shè)備除了要支持這 11 種標(biāo)準(zhǔn)的請求外，還要實(shí)現(xiàn)以下 6 種特定請求： ① Get_Report—— 主機(jī)用控制傳輸從設(shè)備接收數(shù)據(jù) ，所有 HID 類設(shè)備都要支持這個請求 ； 左鍵 超過閾值 右鍵 超過閾值 滑輪 超過閾值 判斷手指動作 食指按下 中指按下 同時按下 循環(huán)判斷是否有手指按下 是 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 26 ② Set_Report—— 設(shè)備用控制傳輸接收主機(jī)的數(shù)據(jù)，設(shè)備可以不支持此請求 ； ③ Get_Idle—— 主機(jī)讀取設(shè)備當(dāng)前的空閑速率，設(shè)備可以不支持此請求 ； ④ Set_Idle—— 設(shè)置閑置狀態(tài)，設(shè)備可不支持此請求 ； ⑤ Get_Protocol—— 主機(jī)獲得設(shè)備的當(dāng)前活動是引導(dǎo)協(xié)議還是報告協(xié)議 ； ⑥ Set_Protocol—— 在引導(dǎo)協(xié)議和報告協(xié)議間切換，設(shè)備如果支持系統(tǒng)引導(dǎo) (如鍵盤和鼠標(biāo) )，就必須支持 Get_Protocol 和 Set_Protocol 請求。 手套式鼠標(biāo)系統(tǒng)采用的 USB 協(xié)議版本是 ，所以能夠支持中斷輸出傳輸。為了讓主機(jī)把設(shè)備識別為 HID 類別，定義設(shè)備接口描述符時類別這一字段的值被設(shè)置為 0x03(HID 類別 )，這樣主機(jī)就會繼續(xù)請求獲得設(shè)備的 HID 描述符和報告描述符。在主機(jī) Get_Descriptor 請求中，當(dāng)值字段的高位字節(jié)為 0x21 時，表示主機(jī)要求獲得 HID 描述符 。當(dāng)值字段高字節(jié)為 0x22 時，就是主機(jī)要求獲得報告描述符。 USB 手套式鼠標(biāo)系統(tǒng)的部分描述符定義如下： 0x09, /*bLength: Interface Descriptor size*/ USB_INTERFACE_DESCRIPTOR_TYPE,/*bDescriptorType: Interface descriptor type*/ 0x00, /*bInterfaceNumber: Number of Interface*/ 0x00, /*bAlternateSetting: Alternate setting*/ 0x01, /*bNumEndpoints*/ 0x03, /*bInterfaceClass: HID*/ 0x01, /*bInterfaceSubClass : 1=BOOT, 0=no boot*/ 0x02, /*nInterfaceProtocol : 0=none, 1=keyboard, 2=mouse*/ 0, /*iInterface: Index of string descriptor*/ 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 27 軟件框圖如圖 44 所示 。 圖 44 軟件框圖 本章小結(jié) 對軟件軟件算法的具體方案進(jìn)行了選擇，并對軟件各部分進(jìn)行了具體設(shè)計。包括移動算法、敲擊算法的實(shí)現(xiàn)以及傾角算法的優(yōu)化，并對 HID 類設(shè)備協(xié)議進(jìn)行相關(guān)介紹。 USB 中斷配置 USB 時鐘配置 USB 初始化 MEMS 初始化 時鐘配置 引腳配置 主函數(shù) 循環(huán)等待 HID 發(fā)送數(shù)據(jù) 有動作發(fā)生 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 28 第 5章 系統(tǒng)測試 測試方法 (1)測試儀器及工具：筆記本電腦（含 USB 接口）、手套式鼠標(biāo)系統(tǒng)一套、串口調(diào)試工具。 (2)測試方法：由于不同群體對本系統(tǒng)的適應(yīng)性是不同的，因此，我們利用不同群體對手套式鼠標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行多次測量，取綜合后的結(jié)果分析。具體測試內(nèi)容 為敲擊動作準(zhǔn)確性測試。 測試結(jié)果 (1)敲擊動作測試（一米距離， 零角度）結(jié)果如表 51 所示 。 表 51 敲擊動作測試結(jié)果 相應(yīng)敲擊動作 實(shí)際按下次數(shù)（次） 準(zhǔn)確檢測次數(shù)（次） 誤差 (百分比 ) 左鍵單擊 100 100 % 左鍵雙擊 100 98 % 右鍵單擊 100 99 % 滾輪啟用 100 96 % 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 29 測試結(jié)果及分析 通過不同方式的測試，結(jié)果表明，手套式鼠標(biāo)系統(tǒng)敲擊誤差可以控制在 5%以內(nèi)，基本可以滿足鼠標(biāo)系統(tǒng)對穩(wěn)定性的要求。 本章小結(jié) 本章通過相關(guān)儀器及方法對手套式鼠標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)的測試 ， 并對測試結(jié)果 進(jìn)行了簡要的分析。 測試結(jié)果表明，手套式鼠標(biāo)系統(tǒng)具有較好的可控性及操作準(zhǔn)確度。雖然某些算法還不夠優(yōu)化，在操作上還不夠靈活，但手套式鼠標(biāo)系統(tǒng)已經(jīng)能夠擺脫傳統(tǒng)鼠標(biāo)對光滑平面的依賴，從而可以在三維空間內(nèi)由手勢來控制電腦操作。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 30 結(jié)論 針對傳統(tǒng)鼠標(biāo)定位必須依靠其所在工作平面的特點(diǎn)，以 STM32 主控制器為依托，提出并開發(fā)了一種利用 MEMS微加速度傳感器作為檢測器件的手套式鼠標(biāo)系統(tǒng)。 手套式鼠標(biāo)系統(tǒng)使用加速度傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)光電傳感器作為鼠標(biāo)移動信息的采集源 ， 克服了傳統(tǒng)鼠標(biāo)必須工作在平面 上的缺陷，使鼠標(biāo)能在三維空間內(nèi)自由操作。 可以進(jìn)一步集成其他類型的傳感器 ， 并通過外形和附加功能設(shè)計 ， 開發(fā)使用于更多領(lǐng)域和場合的輸入和控制設(shè)備 。 例如 ， 供殘疾人使用的頭戴式鼠標(biāo)、供大屏幕演講時使用的遙控式鼠標(biāo)、機(jī)器人動作控制器等等。 如果在算法上進(jìn)行優(yōu)化， 這種智能化更高的三維人機(jī)交互方式極有可能替代現(xiàn)有的二維鼠標(biāo)，引發(fā)一次新的“鼠標(biāo)革命”。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 31 參考