基于微加速度计的无线惯性鼠标设计

摘要

本文阐述了一种基于MEMS微加速度计ADXL203、低功耗微处理器 MSP430、2.4GHz射频收发芯片nRF2401及USB控制芯片PDIUSBD12的无线惯性鼠标的设计制作。该鼠标利用双轴微加速度计检测移动的加速度，并通过数字积分转换为位移信息，使用时不需要专门的工作表面，不受工作空间和移动自由度的限制。 详细讨论了鼠标的硬件、软件设计和系统构成，并给出了信号调理算法及其Simulink仿真。针对加速度计输出信号的特点，详细介绍了加速度信号调理电路特别是有源低通滤波电路的设计、数字积分及FIR数字滤波算法的实现。阐述了nRF2401外围电路及收发程序的设计，给出了利用跳频协议抑制同频干扰算法的具体实现，并介绍了利用PDIUSBD12开发HID鼠标的流程。测试结果表明该鼠标在响应速度、定位精度、功耗、灵敏度方面完全能够满足使用需要。文中讨论的二维鼠标的设计技术，可为进一步研究多维多功能的MEMS输入设备打下良好的基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1课题背景及研究意义

1.2惯性鼠标研究现状

1.2.1微加速度计在惯性鼠标中的应用

1.2.2微加速度计用于数据控制输入

1.3本研究要完成的任务

1.4本文的结构

2系统总体方案设计及算法仿真

2.1系统的设计思路

2.2系统总体方案的设计

2.3系统软件流程及Matlab算法仿真

2.3.1系统的软件流程

2.3.2系统的Matlab算法仿真

2.4本章小结

3电源管理模块与中央控制模块的实现

3.1电源管理模块

3.2中央控制(微处理器)模块

3.2.1微处理器的选择

3.2.2 MSP430F449及MSP430F149的功能特点

3.2.3微处理器外围电路的设计

3.3 MSP430的低功耗策略

3.3.1 MSP430的低功耗结构

3.3.2 MSP430的工作模式

3.4本章小结

4无线惯性鼠标的信号采集及处理模块的设计

4.1无线惯性鼠标的信号采集

4.1.1微加速度计模块的设计

4.1.2鼠标按键检测模块的设计

4.2加速度信号调理电路的设计

4.2.1差分放大电路

4.2.2滤波电路

4.3加速度信号的数据处理

4.3.1 A/D转换接口的设计

4.3.2加速度信号的数字积分算法

4.3.3数字滤波器的设计

4.3.4鼠标信息的合并及编码

4.4本章小结

5无线收发模块的设计

5.1 nRF2401芯片简介

5.2 nRF2401的天线设计及其与微处理器的接口

5.2.1 nRF2401的天线设计

5.2.2 nRF2401与微处理器的接口

5.3 nRF2401的PCB布局

5.4 nRF2401的软件设计

5.4.1 nRF2401的工作模式

5.4.2 nRF2401在ShockBurstTM模式下的软件设计流程

5.5鼠标的同频干扰问题——nRF2401的跳频协议

5.6本章小结

6鼠标接收器的设计

6.1 USB控制器的选择

6.2 PDIUSBD12外围电路及其与单片机的连接设计

6.2.1 PDIUSBD12简介

6.2.2 PDIUSBD12的外围电路及其与单片机的连接

6.4 USB/HID类描述符

6.5鼠标接收器的软件设计

6.5.1固件编程的思想

6.5.2固件程序的结构及设计

6.6本章小结

7系统调试及性能测试

7.1微加速度计的误差分析

7.2微加速度计的标定

7.2.1标定的原理

7.2.2微加速度计的标定

7.3系统调试

7.3.1软件开发工具IAR C430简介

7.3.2信号调理电路的调试

7.3.3电源与接地电路的调试

7.3.4时钟电路的调试

7.3.5 ADC转换模块的调试

7.3.6按键模块的调试

7.3.7定时器模块的调试

7.3.8射频收发模块的调试

7.3.9 USB通信模块的调试

7.4系统性能测试

7.4.1鼠标的使用

7.4.2鼠标的性能指标

7.5本章小结

结 论

致 谢

参考文献

附 录

攻读学位期间发表的学术论文及研究成果