李志軍，時(shí)繼潮，石磊

（黑龍江科技大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，哈爾濱150022）

LPC1227的智能無線體感鼠標(biāo)設(shè)計(jì)*

李志軍，時(shí)繼潮，石磊

（黑龍江科技大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，哈爾濱150022）

系統(tǒng)采用LPC1227處理器對陀螺儀、加速度計(jì)的六軸數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，將采集到的數(shù)據(jù)通過FIFO濾波器進(jìn)行低通濾波，然后利用三軸擴(kuò)展卡爾曼濾波算法對六軸的數(shù)據(jù)噪聲進(jìn)行濾波和實(shí)時(shí)估計(jì)，并且利用四元數(shù)的解算得到人體手部的最優(yōu)姿態(tài)。最后通過無線的方式發(fā)送到接收端，再通過USB協(xié)議發(fā)送到電腦端，使光標(biāo)隨著人手部的移動(dòng)而移動(dòng)，從而電腦執(zhí)行相應(yīng)的操作。

三軸陀螺儀；四元數(shù)；AHRS姿態(tài)解算；擴(kuò)展卡爾曼濾波

引言

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及電子技術(shù)的發(fā)展，新技術(shù)的應(yīng)用逐漸進(jìn)入生活中的方方面面。一直以來，電腦鼠標(biāo)都比較大眾化，使用最多的有線鼠標(biāo)脫離不了空間和感應(yīng)底板的限制，這就在一定程度上限制了人們對電腦的操縱范圍，不能給更多電腦用戶提供更方便的服務(wù)。即便現(xiàn)在比較流行的無線鼠標(biāo)也存在一定弊端，雖然能擺脫有線鼠標(biāo)移動(dòng)范圍的束縛，但是離開感應(yīng)底板還是不能方便操縱。

更遠(yuǎn)的使用距離在早期并不被重視，隨著電腦的多元化發(fā)展，更多的人意識(shí)到電腦的別樣功能，電腦的使用距離也成為眾多用戶關(guān)注的一個(gè)點(diǎn)［1］。隨著大批優(yōu)秀多媒體課件的涌現(xiàn)以及大量教學(xué)軟件的開發(fā)，利用多媒體教室開展教學(xué)越來越受到人們的重視。但是，人們在肯定多媒體教室教學(xué)作用的同時(shí)，也注意到它的一個(gè)重要缺陷：教師在講課時(shí)往往被禁錮在計(jì)算機(jī)前，教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)形式受到教學(xué)軟件和設(shè)備的制約［2］。

本設(shè)計(jì)采用LPC1227處理器完成姿態(tài)解算、無線通信、USB接口等，經(jīng)過算法處理后實(shí)現(xiàn)了通過人手部動(dòng)作或者按鍵，方便地與電腦進(jìn)行交互，解決了有線鼠標(biāo)空間活動(dòng)范圍有限的問題。

1 基于LPC1227的軟硬件總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)分為發(fā)射與接收兩部分，發(fā)射部分采用LPC1227芯片負(fù)責(zé)手部姿態(tài)解算，通過無線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到接收端，接收端向電腦發(fā)送操作指令功能，負(fù)責(zé)與電腦的USB進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)對電腦的各種操作。圖1給出了總體設(shè)計(jì)方案流程圖。

1.1 加速度計(jì)及陀螺儀

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

選用飛思卡爾公司生產(chǎn)的MMA7260三軸加速度計(jì)，使用模擬輸出方式，結(jié)合 LPC1227的DMA外設(shè)，可以高速訪問陀螺儀輸出值［3］。陀螺儀選用MPU6050，因?yàn)镸PU6050可以使用I2C總線進(jìn)行通信，而LPC1227內(nèi)部集成高速的 I2C總線規(guī)劃和數(shù)據(jù)速率為1 M/s的超快速模式；具有多地址識(shí)別和監(jiān)控模式，且I2C總線引腳具有可編程干擾濾波器FIFO，可以繞過CPU，直接讓主機(jī)和設(shè)備交換數(shù)據(jù)，極大程度地提高了轉(zhuǎn)換速率；并且MPU6050是內(nèi)部集成陀螺儀和加速度的六軸傳感器，成本較低，市場應(yīng)用廣泛。

1.2 無線收發(fā)模塊

選擇NORDIC公司生產(chǎn)的無線通信芯片nRF24L01。其采用 FSK調(diào)制，內(nèi)部集成 NORDIC自己的 Enhanced Short Burst協(xié)議，并且可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)或是1對6的無線通信，無線通信速度可以達(dá)到2 Mb/s，非常適合用來為MCU系統(tǒng)構(gòu)建無線通信功能［4］。

2 實(shí)現(xiàn)原理

2.1 系統(tǒng)工作原理

本設(shè)計(jì)采用LPC1227芯片負(fù)責(zé)手部姿態(tài)解算，通過無線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到接收端，接收端向電腦發(fā)送操作指令等功能，負(fù)責(zé)與電腦的USB進(jìn)行通信。在LPC1227芯片實(shí)時(shí)采集MPU6050的數(shù)據(jù)并且經(jīng)過算法處理得到最優(yōu)姿態(tài)之后，通過nRF24L01無線模塊發(fā)送到接收端。

接收端接收到信息之后進(jìn)行處理，通過三軸擴(kuò)展卡爾曼濾波算法對六軸的數(shù)據(jù)噪聲進(jìn)行濾波和實(shí)時(shí)估計(jì)，得到最優(yōu)估計(jì)之后，采用基于（互補(bǔ)濾波）四元數(shù)的AHRS航姿參考系統(tǒng)姿態(tài)解算算法，得到人體的最優(yōu)姿態(tài)。

通過最優(yōu)姿態(tài)的實(shí)時(shí)更新，這個(gè)值會(huì)被實(shí)時(shí)更新到電腦的屏幕上，光標(biāo)會(huì)跟隨人體移動(dòng)而移動(dòng)。在此基礎(chǔ)之上可以方便對人體的動(dòng)作進(jìn)行識(shí)別，實(shí)時(shí)掃描是否有體感動(dòng)作指令輸入，最后經(jīng)過USB協(xié)議來控制電腦光標(biāo)的移動(dòng)。接收端直接通過USB口接到電腦上就可以方便使用，無需提前安裝任何驅(qū)動(dòng)。接收端接收到信息后進(jìn)行處理，并通過USB協(xié)議傳輸?shù)诫娔X上，從而控制光標(biāo)移動(dòng)。

2.2 姿態(tài)解算與控制方法

使用MPU6050對人的手部動(dòng)作進(jìn)行解算，經(jīng)芯片的處理分析，得到人體手部的最優(yōu)姿態(tài)。使用手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)，并結(jié)合設(shè)置在鼠標(biāo)上的按鍵控制電腦，根據(jù)不同的需求，在電腦上實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)指針的上下左右自由移動(dòng)，同時(shí)鼠標(biāo)上的按鍵還可以實(shí)現(xiàn)一鍵打開、一鍵播放、一鍵畫筆等功能。

針對現(xiàn)在大部分高校老師上課采用PPT教學(xué)存在的一些弊端，比如每次想翻頁P(yáng)PT都要走到電腦前、無法輕易向同學(xué)指示現(xiàn)在所講知識(shí)的位置等。本設(shè)計(jì)的智能無線體感鼠標(biāo)可以解決這一系列問題。

2.3 四元數(shù)姿態(tài)解算算法原理

2.3.1 四元數(shù)簡介

為什么使用四元數(shù)，先來看看一般關(guān)于旋轉(zhuǎn)（面向）的描述方法——?dú)W拉描述法。它使用最簡單的x，y，z值分別表示在x，y，z軸上的旋轉(zhuǎn)角度，其取值為0～360（或者0～2 π），一般使用roll，pitch，yaw來表示這些分量的旋轉(zhuǎn)值。

需要注意的是，這里的旋轉(zhuǎn)是針對世界坐標(biāo)系的，這意味著第一次旋轉(zhuǎn)不會(huì)影響第二、三次的轉(zhuǎn)軸。簡單地說，三角度系統(tǒng)無法表現(xiàn)任意軸的旋轉(zhuǎn)，只要一開始旋轉(zhuǎn)，物體本身就失去了任意軸的自主性，這也就導(dǎo)致了萬向軸鎖（Gimbal Lock）的問題。因?yàn)闅W拉描述中針對x，y，z的旋轉(zhuǎn)描述是世界坐標(biāo)系下的值，所以當(dāng)任意一軸旋轉(zhuǎn)90°的時(shí)候會(huì)導(dǎo)致該軸同其他軸重合，此時(shí)旋轉(zhuǎn)被重合的軸可能沒有任何效果，這就是Gimbal Lock。利用四元數(shù)可以很好地解決這個(gè)問題。

2.3.2 如何利用四元數(shù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換

如果矢量R相對固定坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)，并且該旋轉(zhuǎn)可以用四元數(shù)q描述，新矢量記為R'，則R和R'之間的變換可以表示成下述四元數(shù)運(yùn)算：

R'=q×R×q-1

矢量R相對固定坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的角度和軸向由q決定，在上述運(yùn)算中，R被當(dāng)成一個(gè)標(biāo)量部分為0的四元數(shù)，即：

R=0+Rxi+Ryj+Rzk

一個(gè)矢量V相對于坐標(biāo)系OXYZ固定：

V=xi+yj+zk

從坐標(biāo)系OXYZ轉(zhuǎn)動(dòng)了q，得到一個(gè)新坐標(biāo)系OX'Y'Z'，V分解在新坐標(biāo)系OX'Y'Z'中：

V=x'i'+y'j'+z'k'

矢量V在兩個(gè)坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)變換：

V'e=x'i+y'i+z'k

Ve=xi+yi+zk

所以

V'e=q-1×Ve×q

表示坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)，其中：

Ve=xi+yi+zk

V'e=x'i+y'i+z'k

如果一個(gè)矢量V固定，坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)按照四元數(shù)q進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)，得到了一個(gè)新坐標(biāo)系，則該矢量分別在新舊坐標(biāo)系中投影表達(dá)式間的關(guān)系，借助映像方式可以表示為：

V'e=q-1×Ve×q

如果一個(gè)坐標(biāo)系固定，一個(gè)矢量VE按照四元數(shù)q相對該坐標(biāo)系進(jìn)行了轉(zhuǎn)動(dòng)，得到一個(gè)新的矢量VE'，則新舊矢量之間的關(guān)系為：

VE'=q×VE×q-1

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 發(fā)射模塊與接收模塊

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)相對簡單，只有LPC1227和STM32兩個(gè)主控芯片分別控制電腦鼠標(biāo)的發(fā)射部分和接收部分，人的手部姿態(tài)經(jīng)內(nèi)部陀螺儀對歐拉角度的采集。

發(fā)射部分通過LPC1227芯片對手部姿態(tài)解算，最后經(jīng)nRF24L01無線收發(fā)器將數(shù)據(jù)發(fā)送到接收端。具體的連接如圖2所示。

接收端收到無線發(fā)送的指令信號(hào)后，隨即通過STM32主控芯片與USB協(xié)議將信號(hào)發(fā)送到電腦端，電腦識(shí)別指令信號(hào)后，實(shí)現(xiàn)各種操作功能。具體的連接如圖3所示。

3.2 無線傳輸控制芯片

STM32為本次制作的無線控制芯片，它主要負(fù)責(zé)無線傳輸部分，接收陀螺儀的姿態(tài)解算數(shù)據(jù)，通過與LPC1227主控芯片的完美結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)操作者想實(shí)現(xiàn)的功能。其原理圖如圖4所示。

主控部分為STM32最小系統(tǒng)電路圖，直接用 USB數(shù)據(jù)線接電腦，通過XC6206穩(wěn)壓芯片轉(zhuǎn)為3.3 V給系統(tǒng)供電。上電后，發(fā)光二極管會(huì)變亮，在此起指示燈的作用。

圖2 系統(tǒng)硬件發(fā)射部分框圖

圖3 系統(tǒng)硬件接收部分框圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

人們根據(jù)自己的需要對鼠標(biāo)進(jìn)行不同方位的移動(dòng)，加上對鼠標(biāo)按鍵的操作，經(jīng)過內(nèi)部姿態(tài)解算，對電腦發(fā)送不同的指令信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對電腦的不同操作。發(fā)射部分軟件流程圖如圖5所示。

無線接收部分接收到人們的手部動(dòng)作姿態(tài)與按鍵的指令操作信號(hào)后，通過USB協(xié)議將操作指令發(fā)送到電腦端，從而實(shí)現(xiàn)對電腦的操作。接收部分軟件流程圖如圖6所示。

圖4 無線傳輸控制原理圖

圖5 系統(tǒng)發(fā)射部分軟件流程圖

圖6 系統(tǒng)接收部分軟件流程圖

結(jié)語

本設(shè)計(jì)的智能無線體感鼠標(biāo)無需任何驅(qū)動(dòng)，用戶可直接將該產(chǎn)品的發(fā)射端拿在手中，通過手勢的變化在空中完成光標(biāo)移動(dòng)，既擺脫無線鼠標(biāo)無法離開桌面的束縛，又改變了傳統(tǒng)鼠標(biāo)翻頁筆利用大拇指操控“軌跡球”移動(dòng)鼠標(biāo)的繁瑣。

同時(shí)集成一鍵標(biāo)注的強(qiáng)大功能，可以實(shí)現(xiàn)手勢控制在PPT上標(biāo)注和書寫，而且可以任意更換線條顏色。除實(shí)現(xiàn)普通翻頁筆的上下翻頁功能，還可“一鍵”實(shí)現(xiàn)PPT的全屏播放和退出功能，而且對PPT勾畫的痕跡可以隨時(shí)進(jìn)行清除。

本設(shè)計(jì)幾乎實(shí)現(xiàn)了有線鼠標(biāo)所具備的所有功能。同時(shí)，此鼠標(biāo)具有科學(xué)的外觀設(shè)計(jì)，符合人體功能學(xué)，手感更舒適，操作更便捷。

［1］汪濤，張持健.基于微加速度計(jì)的無線教鞭的設(shè)計(jì)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2014，10（22）：75-77.

［2］吳大忠.一種用于多媒體教學(xué)的無線鼠標(biāo)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2009，35（2）：91-94.

［3］楊校權(quán)，張毅，馬鈞元.LPC1227的遠(yuǎn)距離ZigBee無線網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2011（11）：34-36.

［4］李志軍，杜麗，謝子殿.礦井下基于藍(lán)牙技術(shù)的語音通訊控制器設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測量與控制，2009，17（2）：327-328.

李志軍（副教授），主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)、無線通信等。

43≤0.5 kg的誤差；在肺活量測量時(shí)采用市場在售的電子式肺活量測量儀進(jìn)行對比測量，無法保證同一被測對象兩次肺活量完全相同，也無法保證被測對象兩次的吹氣速度，這使得測量結(jié)果具有≤60 mm的誤差。心率對比測量采用人工方法，由于起始和結(jié)束時(shí)間的掌握不準(zhǔn)使得結(jié)果存在±2最大誤差。同時(shí)，還對同一被測對象進(jìn)行重復(fù)測量，結(jié)果表明本測量儀具有較高的測量精度和穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

［1］范紅剛，馮成，胡建國.數(shù)字人體心率檢測儀的設(shè)計(jì)［J］.電子工程師，2006（7）.

［2］郭曉玉，鮑慧，遲文廣.MSP430低功耗運(yùn)行模式原理及應(yīng)用［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2005（12）.

［3］駱文，劉陽，熊俊俏.基于光電技術(shù)的心率測量儀［J］.工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2012（1）.

［4］Fan Honggang，F(xiàn)eng Cheng，Hu Jianguo.Design of digital human body heart rate monitor［J］.Electronic Engineer，2006（7）.

［5］Luo wen，Liu yang，Xiong Junqiao.Research on heart-rate measuring instrument based on photoelectric technology［J］.Industrial Instrumentation&Automation，2012（1）.

宋森森（碩士研究生），研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化、嵌入式應(yīng)用；趙麗娜（碩士研究生），研究方向?yàn)樽詣?dòng)控制、嵌入式應(yīng)用；劉鳳林，主要從事山東省食品藥品監(jiān)督管理局審評認(rèn)證中心醫(yī)療器械檢查工作。

（責(zé)任編輯：楊迪娜 收稿日期：2014-10-27）

Intelligent Wireless Body Sense Mouse Based on LPC1227

Li Zhijun，Shi Jichao，Shi Lei

（College of Electronics and Information Engineering，Heilongjiang University of Science and Technology，Harbin 150022，China）

This design uses LPC1227 processor to collect the real-time data of six axis of gyroscope and accelerometer.Firstly，the data collected will be low-pass filtered by the FIFO filter，then uses the three axis extended Calman filtering algorithm to filter the data noise of six axes and make real-time estimation，and it uses the resolving of quaternions to get the best attitude of hand.Finally，the mouse sends data to a receiver through the wireless network，and sends data to the computer terminal with the USB protocol.The cursor moves with the movement of the hand，and the computer accomplishes the corresponding operation.

three axis gyroscope；quaternions；AHRS attitude solution；extended Calman filter

TP393

A

楊迪娜

2014-10-09）

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：12541719）。