基于复合MEMS传感器的控制器指针定位方法及控制器

1.一种基于复合MEMS传感器的控制器指针定位方法，其特征是： 基于复合MEMS传感器的控制器，包括：USB接收器和控制器本体，所述的控制器本体包括有：单片机及与单片机连接的MEMS传感器、RF电路、EEPROM及按键，所述的MEMS传感器为复合MEMS传感器，包括有：加速度传感器和陀螺仪，所述的加速度传感器为三轴的加速度传感器；所述的陀螺仪为一个两轴的陀螺仪或两个相互垂直放置的单轴陀螺仪组合，所述的加速度传感器和陀螺仪通过A/D转换器与单片机连接，加速度传感器用来测量控制器本体的线性加速，陀螺仪用来测量控制器本体的角速度； 该指针定位方法包括以下步骤:
单片机读取预先存储在EEPROM中的陀螺仪和加速度传感器的参数，启动加速度传感器和陀螺仪；
单片机的软件采用循环结构，每一个循环周期采集一次加速度传感器和陀螺仪的数据，对采集到的加速度传感器和陀螺仪的数据进行过滤，去除毛刺，得出的数值存储在单片机的RAM中；
根据EEPROM中的加速度传感器和陀螺仪参数并结合当前环境温度，对加速度传感器和陀螺仪的数据进行温度补偿，并在控制器本体处于静止状态的时候更新陀螺仪的静态输出值；
将陀螺仪采集到的数据和陀螺仪的静态输出值相减并对结果进行平滑处理，得出当前指针相对于控制器本体在水平面的初步位移大小和方向值；
单片机根据加速度传感器的三轴输出值，计算出控制器本体相对于水平面的倾斜角度，并对陀螺仪计算出的初步位移大小和方向值进行修正，得出控制器本体相对于水平面的实际位移数值和方向值；
将得出控制器本体相对于水平面的实际位移数值和方向值的信息发送给USB接收器，USB接收器最后传递给计算机进行指针定位。
2.实现权利要求1所述方法的基于复合MEMS传感器的控制器，包括：USB接收器和控制器本体，所述的控制器本体包括有：单片机及与单片机连接的MEMS传感器、RF电路、EEPROM及按键，其特征是：所述的MEMS传感器为复合MEMS传感器，包括有：加速度传感器和陀螺仪，所述的加速度传感器为三轴的加速度传感器；所述的陀螺仪为一个两轴的陀螺仪或两个相互垂直放置的单轴陀螺仪组合，所述的加速度传感器和陀螺仪通过A/D转换器与单片机连接，加速度传感器用来测量控制器本体的线性加速，陀螺仪用来测量控制器本体的角速度。
3.根据权利要求2所述的基于复合MEMS传感器的控制器，其特征在于：所述的加速度传感器采用的是型号为：Freescale MMA7361L。
4.根据权利要求2所述的基于复合MEMS传感器的控制器，其特征在于：当所述的陀螺仪为两个相互垂直放置的单轴陀螺仪组合时，所述的陀螺仪采用的是两个型号为：EPSON XV-3500CB的单轴陀螺仪。
5.根据权利要求2所述的基于复合MEMS传感器的控制器，其特征在于：所述的控制器本体的单片机为NEC 16位单片机，型号为： UPD78F1146。

6.根据权利要求2所述的基于复合MEMS传感器的控制器，其特征在于：所述EEPROM型号为：93C46，负责存储MEMS传感器的初始化数据和RF电路中的RF芯片的无线通信的地址。
7.根据权利要求2所述的基于复合MEMS传感器的控制器，其特征在于：所述的USB接收器采用nRF24LU1单芯片射频芯片。
8.根据权利要求2所述的基于复合MEMS传感器的控制器，其特征在于：所述的RF电路的RF芯片采用24L01射频芯片，负责将建立USB接收器和控制器本体之间的通讯连接。
9.根据权利要求2所述的基于复合MEMS传感器的控制器，其特征在于：所述的控制器本体中还包括有一个激光发射器，所述的按键包括：左键、右键、上键、中键、下键、功能快捷键及激光发射键，左键代替传统鼠标的左功能键，右键代替传统鼠标右功能键，上键和下键代替传统鼠标的滚轮，中键代替传统鼠标的中功能键，控制器上还设有激光发射部件，激光发射键连接控制激光发射部件的开与关。
10.根据权利要求2所述的基于复合MEMS传感器的控制器，其特征在于：所述的控制器本体和USB接收器为自动对码方式。

基于复合MEMS传感器的控制器指针定位方法及控制器\n技术领域\n[0001] 本发明涉及到无线传感控制技术领域，特别是涉及到包含有MEMS传感器的控制器指针定位方法及控制器的改进方面。\n背景技术\n[0002] 目前，随着计算机周边设备的迅猛发展，以及人们不断追求的时尚元素，如今单一的鼠标和演示控制器以不能完全满足人们的工作需要和生活体验。目前的桌面鼠标和无线鼠标依赖于桌面的限制，或特殊质感物体的表面，才能正常的工作。也有一些轨迹球鼠标，但使用的时候要拨动轨迹球，指针移动不够灵活。MEMS传感器的发展和成熟，为控制器领域注入了新的活力，出现了一些传感器鼠标，使鼠标终于“飞”了起来。但这类鼠标或控制器是单加速度传感器或陀螺仪制作的，使用效果不令人满意，指针移动速度比较慢，操作不够灵活，没有被消费者接受和市场认可。\n[0003] 在办公用户中存在着有一类特殊群体，如教师、演讲人员、培训人员、职业经理等，他们往往都会随身配备着笔记本电脑，到达会议现场后将电脑连接到投影仪上，打开自己精心准备好的PowerPoint文档。当演讲开始后，需要点击鼠标或者键盘进行PowerPoint的翻页操作，同时还要滔滔不绝地进行讲解。演示控制器是必备的专业工具，但要操作演示控制器，有时又要控制计算机鼠标，确实是一件麻烦的事情。\n[0004] 对于数量庞大的计算机用户来说，还没有一种多功能控制器，既能实现鼠标的功能，又能实现演示控制器，还能玩游戏的的控制器。一机多用，将是未来的发展方向，也将为我们的工作和生活带来巨大便利。\n发明内容\n[0005] 综上所述，本发明的目是主要是针对传统鼠标使用介面要求高，传感器鼠标指针移动速度比较慢，操作不够灵活的问题，而提出基于复合MEMS传感器的控制器指针定位方法及控制器。\n[0006] 解决提出的问题采用的方法方案是：一种基于复合MEMS传感器的控制器指针定位方法，其特征是：该指针定位方法包括以下步骤：\n[0007] a)单片机读取预先存储在EEPROM中的陀螺仪和加速度传感器的参数，启动加速度传感器和陀螺仪；\n[0008] b)单片机的软件采用循环结构，每一个循环周期采集一次加速度传器和陀螺仪的数据，对采集到的加速度传器和陀螺仪的数据进行过滤，去除毛刺，得出的数值存储在单片机的RAM中；\n[0009] c)根据EEPROM中的加速度传器和陀螺仪参数并结合当前环境温度，对加速度传器和陀螺仪的数据进行温度补偿，并在控制器本体处于静止状态的时候更新陀螺仪的静态输出值；\n[0010] d)将陀螺仪采集到的数据和陀螺仪的静态输出值相减并对结果进行平滑处理，得出当前指针相对于控制器本体在水平面的初步位移大小和方向值；\n[0011] e)单片机根据加速度传感器的三轴输出值，计算出控制器本体相对与水平面的倾斜角度，并对陀螺仪计算出的初步位移大小和方向值进行修正，得出控制器本体相对与水平面的实际位移数值和方向值；\n[0012] f)将得出控制器本体相对与水平面的实际位移数值和方向值的信息发送给USB接收器，USB接收器最后传递给计算机进行指针定位。\n[0013] 解决提出的问题采用的装置为：基于复合MEMS传感器的控制器，包括：USB接收器和控制器本体，所述的控制器本体包括有：单片机及与单片机连接的MEMS传感器、RF电路、EEPROM及按键，其特征是：所述的MEMS传感器为复合MEMS传感器，包括有：加速度传感器和陀螺仪，所述的加速度传感器为三轴的加速度传感器；所述的陀螺仪为一个两轴的陀螺仪或两个相互垂直放置的单轴陀螺仪组合，所述的加速度传感器和陀螺仪通过A/D转换器与单片机连接，加速度传感器用来测量控制器本体的线性加速，陀螺仪用来测量控制器本体的角速度。\n[0014] 对该装置进一步改进的技术方案包括有：\n[0015] 所述的加速度传感器采用的是型号为：Freescale MMA7361L。\n[0016] 所述的陀螺仪采用的是两个型号为：EPSON XV-3500CB的单轴陀螺仪，其中一个水平放置，另一个竖直放置。\n[0017] 所述的控制器本体的单片机为NEC 16位单片机，型号为：UPD78F1146。\n[0018] 所述EEPROM型号为：93C46，负责存储MEMS传感器的初始化数据和RF电路中的RF芯片的无线通信的地址。\n[0019] 所述的USB接收器采用nRF24LU1单芯片射频芯片。\n[0020] 所述的RF电路的RF芯片采用24L01射频芯片，负责将单片机的控制信号和数据发送至USB接收器。\n[0021] 所述的按键包括：左键、右键、上键、中键、下键、功能快捷键及激光发射键，左键代替传统鼠标的左功能键，右键代替传统鼠标右功能键，上键和下键代替传统鼠标的滚轮，中键代替传统鼠标的中功能键，控制器上还设有激光发射部件，激光发射键连接控制激光发射部件的开与关。\n[0022] 所述的控制器本体和USB接收器为自动对码方式。\n[0023] 本发明的有益效果为：三轴的加速度传感器与两轴的陀螺仪或两个相互垂直放置的单轴陀螺仪组合的复合MEMS复合传感器与传统的只有单MEMS传感器相比，有了本质的提升，解决了单MEMS传感器无法全方位，任意角度控制，使用起来不够灵活，具有很大的局限性的问题，实现360度控制，使用流畅舒适，操作更加自由灵活。USB接收器采用nRF24LU1单芯片射频芯片，集MCU、USB、RF为一体，大大简化了电路，并缩小了接收器的体积。EEPROM选用93C46，用于存储MEMS传感器的初始化数据和RF芯片的无线通信的地址，实现自动对码，无需人工对码，可以省去对码按键。加速度传感器采用Freescale MMA7361L。该微型电容式加速传感器融合了信号调理、单极低通滤波器和温度补偿技术。陀螺仪采用EPSONXV-3500CB，基于EPSON独特的QMEMS技术，与市场上常见的基于硅技术的陀螺仪传感器不同，是采用石英晶体进行设计，SMD5.0*3.2mm小体积封装，所以，在稳定性，温漂方面都有优势。结合激光发射器和键盘功能快捷键的功能，可为用户在使用Word/Excel/Powerpoint/HTML等多种多媒体教学和演讲时提供更大的灵活、便捷性，在充分展现演讲者个人风采的同时，还可让您的演讲授课更加形象生动。\n附图说明\n[0024] 图1本发明的USB接收器部分的电路原理图；\n[0025] 图2本发明的电路控制器本体电路原理图；\n[0026] 图3本发明的结构方框图；\n[0027] 图4本发明USB接收器部分的原理示意图；\n[0028] 图5本发明控制器本体部分的结构示意图；\n[0029] 图6本发明所采用的加速度传感器内部结构示意图；\n[0030] 图7加速度传感器原理示意图；\n[0031] 图8本发明的控制器本体上的按键结构方框图；\n[0032] 图9本发明的控制器本体工作流程图；\n[0033] 图10本发明的控制器本体充电示意图；\n[0034] 图11本发明实现自动对码软件流程图。\n具体实施方式\n[0035] 以下结合附图和具体实施方式对本发明的具体结构作进一步地说明：\n[0036] 参照图3中所示，本发明主要包括两部分：USB接收器和控制器本体。使用时，将USB接收器插入计算机USB接口，与控制器本体间建立无线通线连接，其通讯采用2.4GHz频率，10米可操作范围，可360度接收，无方向性。\n[0037] 参照图1、图4中所示，USB接收器采用nRF24LU1单芯片射频芯片，集MCU、USB、\n2.4G无线收发于一体，大大简化了电路，可收纳于控制器本体内，方便携带，不易遗失。\n[0038] 参照图2、图5、图6、图7、图8中所示，控制器本体包括有：单片机、MEMS传感器、RF电路、EEPROM、按键及激光发射器。单片机选用NEC高性能16为单片机，型号为UPD78F1146，负责数据的采集和控制处理，其ROM为256KB，RAM为12KB。MEMS传感器是由一个三轴的加速度传感器和两个单轴的陀螺仪组成的。\n[0039] 加速度传感器用来测量物体的线性加速度，本实施例中加速度传感器采用Freescale MMA7361L。该微型电容式加速传感器融合了信号调理、单极低通滤波器和温度补偿技术，测量范围是正负1.5g～6g，1g＝9.8m/s。加速度传感器上有两个测量范围的档位选择。一个低加速度档位的加速度量程为1.5g，灵敏度为800mv/g；另一个高加速度档位的加速度量程为6g，灵敏度为206mv/g。在正常(非睡眠)情况下，3.0V供电，输出x、y、z的模拟电压。原理本质是两片弹性间距的平板电容，改变间距即改变电容，因而改变输出电压。加速度与电容平板上的电荷变化有关。或者说，加速度与输出电压的变化情况有关，而与输出电压的出示位置状态无关(与平板电容的初始电容量无关)。所以加速度的测量一定要用实时的输出电压与传感器位置固定后初始输出电压相减，才能得到正确的最终结果。\n[0040] 陀螺仪又名角速度传感器，用来测量物体的角速度。本实施例中采用EPSON XV-3500CB的陀螺仪，基于EPSON独特的QMEMS技术，与市场上常见的基于硅技术的陀螺仪传感器不同，是采用石英晶体进行设计，SMD5.0*3.2mm小体积封装。所以在稳定性，温漂方面都有优势。\n[0041] 因指针在显示器上的运动轨迹是一个二维的平面，即Y轴和X轴，所以需要双轴的陀螺仪，才能计算出这两个轴的数值。双轴陀螺仪已经将两个轴封装在一个芯片里，而单轴陀螺仪只能输出一个轴的数值。\n[0042] 型号为XV-3500CB的陀螺仪是一个单轴的陀螺仪，因此在本实施例中需要使用两个单轴陀螺仪组合使用，相对于控制器本体的水平面，需要一个芯片水平放置，另一个芯片垂直放置，才能得到指针的坐标，即X，Y的值。\n[0043] 加速度传感器和两个单轴的陀螺仪的信号输出端分别与A/D转换器的信号其中一个输入端连接，A/D转换器数据输出端与单片机的数据接口连接，A/D转换器的型号为：\nMAX147BE，A/D转换器用于将采集到的陀螺仪和加速度传感器所输出的模拟值转换成12位精度数字值，供单片机处理。\n[0044] 用户在使用控制器过程中手臂会产生一定的角速度，陀螺仪的输出值也会相应变化，单片机将A/D转换器采集到的数据转化成相应的位移变化量，加速度传感器根据空间的姿态，来校正陀螺仪的输出。陀螺仪只能测量相对于控制器所在平面的角度变化，而不是相对大地水平面的角度变化，所以控制器本体相对于大地水平面有一定的倾角使用时，将无法获得正确的坐标值。而加速度传感器的精度比较差，且不能区分静态加速度和动态加速度，所以也无法单用它来来实现精确的定位。只有两者结合使用，才能获得好的效果。传统的控制器只有单MEMS传感器，所以无法全方位，任意角度控制，使用起来不够灵活，具有很大的局限性。采用这种复合MEMS传感器后，可以给用户带来全新的感受和体验，具有桌面鼠标的精确性和空中鼠标的自由性。\n[0045] RF电路采用24L01射频芯片，RF电路连接单片机，负责将单片机的控制信号和数据发送出去，以便USB接收器接收数据。\n[0046] EEPROM型号为：93C46，EEPROM与单片机连接，负责存储MEMS传感器的初始化数据和RF电路中的RF芯片的无线通信的地址。\n[0047] 连接单片机的按键包括：左键、右键、上键、中键、下键、功能快捷键及激光发射键，左键代替传统鼠标的左功能键，右键代替传统鼠标右功能键，上键和下键代替传统鼠标的滚轮，中键代替传统鼠标的中功能键，可实现鼠标的所有按键功能。\n[0048] 由于USB接收器采用USB复合设备协议，可以同时实现鼠标和键盘的识别。根据实际需要可在控制器本体增加的功能快捷键，如Page Up、Page Down、ESC、F5、Media Center，使用户在通过指针控制计算机界面的同时，也可以选择功能快捷键，这样更加便捷实用。例如用户在会议演讲时，需要自动播放PowerPoint文档时，可以轻松的按一下F5，就能实现自动播放的目的。Esc为退出键。Page Up、Page Down为向上翻页、向下翻页按键。在Vista和windows7等操作系统下，可以使用Media这个按键，可以一键式进入Media Center这个界面，方便的看电影、听音乐、浏览图片等，轻松享受多媒体数字化生活。同时也可以按照客户的需求增加静音键、声音大小调节键、数字字符键等。\n[0049] 广泛用于计算机操作、产品演示、教学、商务演讲、商务培训、会议等众多场合，是计算机用户、教师、销售专员、市场专员、人力资源、职业经理人进行计算机操作、演讲、授课教学，必不可少的多功能控制器。使用者只需在距离计算机十米范围内，便可无线遥控计算机。结合激光发射器和键盘功能快捷键的功能，可为用户在使用Word/Excel/Powerpoint/HTML等多种多媒体教学和演讲时提供更大的灵活、便捷性，在演讲、演示的场合下，配合投影仪的使用，用户不必局限在计算机旁，可以融入到会场当中，四处走动。在充分展现演讲者个人风采的同时，还可让您的演讲授课更加形象生动。涵盖平时的PC使用，PC娱乐、多媒体、游戏、浏览照片、网上冲浪等功能。\n[0050] 激光发射器安装在控制器本体的前端，可选用红色或蓝色的激光发射模块，由一个激光发射键控制它的点亮/熄灭，在使用的时候要长按住控制开关，激光灯就亮；松开时，激光灯就熄灭。\n[0051] 使用前，开启控制器本体电源开关，指示灯亮，进入工作状态。\n[0052] 参照图9中所示，本发明的工作流程如下：\n[0053] 第一步，初始化(软硬件)。这一步骤读取预先存储在EEPROM中的传感器的参数，无线通信的地址，并对程序用到的参数给予初始的值以及单片机内部硬件的初始化。此外，还通过单片机的管脚控制，启动加速度传感器和陀螺仪，使他们进入工作状态。\n[0054] 第二步，启动A/D转换器采集加速度传感器和陀螺仪器的数值。这一步骤是通过启动A/D转换器，把陀螺仪和加速度传感器所输出的模拟值转换成12位精度数字值，供单片机处理。\n[0055] 第三步，滤波。单片机对A/D转换器采集的数值，进行过滤，去除毛刺，以得到最精确的数值。\n[0056] 第四步，对陀螺仪器和加速度传感器的基准值进行温度补偿。由于陀螺仪的输出值存在的个体差异和温度漂移的因素，因此需预先把标定好的参数存在EEPROM中，计算的时候根据当前温度，对陀螺仪和加速度传感器的输出值进行温度补偿，得出修正后的基准值做为后面运算的基准。\n[0057] 第五步，判断控制器是否静止，如果静止则进行陀螺仪基准值的更新。根据陀螺仪的输出数据的变化判断出控制器是否处于静止状态，如果静止则更新陀螺仪的基准值。如果判断是静止，则直接进入按键检测，当检测到有按键(除激光发射键)动作信息时，单片机通过RF电路上报USB接收器的接收模块，如果非静止时，则进入下一步。\n[0058] 第六步，陀螺仪器的输出数值和其静态输出值相减。先处理陀螺仪的数据，将采集到的数据和陀螺仪的静态输出值相减并对结果进行平滑处理，从而得出当前指针相对于控制器本体的水平面的位移大小和方向。\n[0059] 第七步，根据相减结果的大小，划分不同区间，对结果进行不同比率的缩放，以得出较平滑的位移数值。\n[0060] 第八步，根据A/D转换器采集的加速度的数据，算出控制器本体倾斜于水平面的角度。在对控制器本体的实际操作过程中，由于手握的姿势不定，因此产品的水平面并不和大地平行，而是倾斜不同的角度。为了使控制器不局限于水平条件使用，加入了加速度传感器，组成复合MEMS传感器结构。通过测量加速度传器的三轴输出值，可以计算出正常使用控制器的情况下，控制器相对与大地的倾斜角度。\n[0061] 第九步，根据产品倾斜的角度，进行坐标系的修正，把陀螺仪检测出的位移值投影到大地所在的平面上，从而得出控制器本体相对于水平面的准确位移数值。确保控制器无论是水平移动，侧向移动还是翻转着移动都能得出正确的运动方向和移动的数值。\n[0062] 第十步，按键检测。检测按键是否有被按下或松开，如果有则冻结位移数值(期间一直为报告位移值为零)一段时间，以过滤掉因为按键动作而引起控制器本体运动面产生的错误位移值。软件上采用了循环的结构，每一个循环周期采集一次加速度传感器和陀螺仪的数据。如果没有被按下或松开，则单片机把前面步骤得出的控制器本体位移值，通过串行接口，发送给RF芯片，通过RF电路上报USB接收器的接收模块，USB接收器通过USB接口，上传给电脑或与其连接的设备。\n[0063] 参照图10所示，计算机USB接口提供5V，500mA直流电源，其中两条为电源线，另两条为数据线。控制器采用3.7V可充电电池，带充电保护电路，所以可以用计算机提供的\n5V直流电源给它充电。这样该产品只需要配备一条USB数据线，不需要额外的充电器。\n[0064] 参照图11中所示，本发明采用自动对码方式，所以不需要人工对码。支持即插即用，无需驱动程序。常见的无线鼠标中或演示控制器，用户第一次使用前需要进行对码的操作，为了让用户使用的更方便，同时也为了生产方便，本产品设计了自动一次对码的功能。\n生产时，只需把USB接收器插上计算机USB接口，然后打开控制器主体的电源，就能自动对上码，使用方便同时也省去了对码按键。\n[0065] USB接收器插上主机，完成枚举操作后，会检测自己是否已经对码成功，如果没有，则进入对码模式，启用预留地址进行监听。控制器本体上电后也检测是否已经对码成功，如果没有，则启用预留地址，进入对码模式。在对码模式里，控制器本体发送对码命令，并把随机生成40位的地址一起发送出去。接收模块收到对码命令后，启用收到的40位地址，再进行监听。控制器本体成功发送对码命令和地址后，再通过自己生成40位地址再次发送对码确认命令。USB接收器收到对码确认命令后，正式保存并起用新地址。控制器本体成功发送对码确认命令后，也保存并起用新地址，由此完成自动对码。