基于MEMS加速度计的电脑输入系统研究

摘要

由于集成度高、体积小、成本低、重量轻、能耗低、惯性小等优点，MEMS(MicroElectroMechanicalSystem微机电系统)惯性器件在通信、军事、汽车电子等领域得到了广泛的推广与应用。目前，微加速度传感器作为一种重要的MEMS惯性器件，将其应用于电脑输入系统已成为一个新的研究方向。这不仅可以使输入控制设备的功能更加丰富，使用更舒适人性化，而且可以进一步扩大MEMS加速度计的市场，推动MEMS技术的发展，因此具有重大的意义。
　　 本文通过对现有输入设备利弊的分析，提出了一个基于MEMS加速度计的电脑输入系统的设计方案。采用MEMS加速度计来敏感物体的静态、动态加速度，通过对加速度的算法解析获得物体运动的角度、速度和位移等参数信息，完成鼠标的光标移动控制和三维加速度计运动模型的设计，并通过射频无线数据传输技术和相关接口实现与主机的通信，从而获得操作者的意图来控制电脑。
　　 本文主要完成了如下几方面的工作:
　　 第一，对基于MEMS加速度计的输入系统进行总体框架构思和集成设计。在对目前国内外现有的输入设备，包括鼠标、键盘和游戏棒等进行调研，总结了这些设备的优缺点，提出了一种新型的基于MEMS加速度计的输入系统的设计思路，即单独采用加速度计作为敏感测量元件，分别实现二维鼠标和三维实时跟踪空间旋转运动的功能。
　　 第二，根据以上设计思路，给出了基于MEMS加速度计的输入系统的总体构成方案和具体的结构组成，即二维鼠标分为两个子系统:主机端子系统和远端子系统，采用加速度计敏感信号，通过射频无线收发完成传输任务，并使用即插即用的USB(UniversalSerialBus通用串行总线)方式与主机进行交互，完成最终的输入实现。三维输入则采用加速度计组合配置模型来获得运动参数，通过RS232串口与主机进行3D的人机交互模拟。
　　 第三，由于MEMS加速度计本身和数据采集电路受环境干扰等因素的影响，采集到的加速度计信号中含有大量的噪声，直接影响MEMS加速度计输入系统的工作性能。本文通过对加速度计信号进行滤波处理来抑制噪声。文中重点研究了EMD(EmpiricalModeDecomposition经验模态分解)方法的一些基本概念，并针对EMD分析方法自身的缺陷——边界效应和高频分辨率低，分别将RBF（Radialbasisfunction径向基函数）神经网络和小波包分解技术引入到EMD分析方法中，提出了一种改进EMD方法的混合信号滤波方法。利用该混合EMD滤波方法对加速度计的含噪信号进行了滤波处理，并通过与单(一)EMD滤波方法的比较和Allan方差分析，验证了该混合EMD方法对加速度计信号滤波的有效性。
　　 第四，对二维鼠标的软硬件实现。搭建一个基于ARM的软件平台，利用嵌入式系统，设计MEMS加速度计输入系统的加速度计信号采集和处理、无线收发和USB功能实现等固件程序。
　　 在软件程序调试顺利后，对鼠标各个模块器件之间的电气构成与连接进行研究，完成了二维鼠标的硬件连接，并制作成PCB电路板，制作完成了一个完整的MEMS鼠标演示原型。
　　 第五，对基于MEMS加速度计的三维运动模型进行设计。在对加速度计性能和MEMS加速度计输入系统的运动特点进行分析的基础上，建立了多加速度计组合的三维运动模型，即使用一个单轴加速度计和一个双轴加速度计构成三维加速度计配置模型，并根据加速度计输出与重力加速度的位置耦合关系和齐次矩阵变换算法得到三维模型的运动系数。同时还采用了试验对三维加速度计模型进行了验证。此外，通过RS232串口通信，实现PC主机上的三维物体运动模拟窗口对加速度计实物模型的运动跟踪。
　　 本文中，二维鼠标的设计采用了MEMS加速度计的旋转来敏感动作，同时集成带有AD转换和丰富编程资源的ARM微控制器、先进的无线传输模块和USB接口;三维加速度计模型中通过多加速度计配置建立旋转运动模型，并通过串口在主机三维环境下进行运动模型的实时模拟仿真。因此，基于MEMS加速度计的输入系统能够在不同场合实现多功能输入，有着美好的应用前景。

目录

声明

摘要

缩略语说明

第一章 绪论

1．1 MEMS惯性器件

1．1．1 MEMS技术简介

1．1．2 基于MEMS技术的陀螺仪

1．1．3 基于MEMS技术的加速度传感器

1．2 基于MEMS的输入系统及其研究现状

1．2．1 输入系统概述

1．2．2 基于MEMS的输入系统

1．2．3 基于MEMS的输入系统国内外研究现状

1．3 本文的主要研究意义与内容

1．3．1 研究意义

1．3．2 主要研究内容

1．4 本文的主要结构

参考文献

第二章 基于MEMS加速度计的输入系统总体设计方案

2．1 基于MEMS加速度计输入系统的设计思路

2．1．1 常用鼠标原理

2．1．2 MEMS器件的输入系统研究

2．2 基于MEMS加速度计输入系统的总体设计方案

2．2．1 加速度计工作方式设计

2．2．2 加速度计鼠标的总体设计方案

2．2．3 三维加速度计模型总体设计方案

2．2．4 辅助按键设计

2．3 加速度传感器ADXL

2．4 本章小结

参考文献

第三章 基于EMD方法的加速度计信号去噪研究

3．1 概述

3．1．1 加速度计输入系统的加速度信号分析

3．1．2 常用滤波去噪方法

3．2 经验模态分解(EMD)方法

3．2．1 EMD方法的基本概念

3．2．2 经验模态分解(EMD)方法的基本原理

3．3 改进的EMD分析滤波方法

3．3．1 RBF神经网络

3．3．2 小波包变换技术

3．3．3 Savitzky-Golar(S-G)滤波器

3．3．4 改进EMD滤波分析策略的拓扑结构

3．4 基于改进EMD方法的加速度信号滤波处理与分析

3．4．1 概述

3．4．2 静止状态加速度信号滤波处理与分析

3．4．3 小幅度转动状态加速度信号滤波处理与分析

3．4．4 大角度转动状态加速度信号滤波处理与分析

3．5 本章小结

参考文献

第四章 基于MEMS加速度计的二维鼠标数据处理、传输设计与分析

4．1 鼠标协议

4．2 无线射频传输

4．2．1 常用近距离无线数传技术

4．2．2 射频芯片nRF2401概述

4．2．3 基于nRF2401的无线模块设计

4．3 USB接口传输

4．3．1 常用PC外设接口

4．3．2 PDIUSBD12 USB接口芯片概述

4．3．3 PDIUSBD12的硬件设计

4．3．4 PDIUSBD12的软件设计

4．4 本章小结

参考文献

第五章 基于MEMS加速度计的二维鼠标软、硬件设计

5．1 基于嵌入式系统的二维鼠标软件设计

5．1．1 概述

5．1．2 鼠标软件详细设计

5．2 二维鼠标的硬件设计与实现

5．2．1 二维鼠标各模块电路设计

5．2．2 基于MEMS加速度计的二维鼠标演示原型制作

5．3 鼠标演示原型的性能演示

5．4 本章小结

参考文献

第六章 基于MEMS加速度计的三维旋转模型设计

6．1 概述

6．1．1 三维加速度计模型的设计背景

6．1．2 三维加速度计模型的设计思路

6．2 基于MEMS加速度计的三维旋转模型设计

6．2．1 齐次矩阵变换方法

6．2．2 三维加速度计旋转模型的详细设计

6．2．3 三维加速度计旋转模型的约束条件

6．2．4 三维加速度计旋转模型的局限性

6．3 基于MEMS加速度计的三维模型的试验验证与分析

6．3．1 试验准备

6．3．2 任意转动试验

6．3．3 二维转台试验

6．4 三维加速度计旋转模型与PC机人机交互的模拟实现

6．4．1 三维加速度计模型的实物模型

6．4．2 主机端的三维模拟窗口

6．4．3 微控制器ATmega32的设计

6．4．4 RS232串口通信

6．4．5 三维加速度计模型的演示平台

6．5 本章小结

参考文献

第七章 总结与展望

7．1 研究工作总结及创新点

7．2 研究展望

致谢

攻读博士学位期间发表的论文