兩軸模擬陀螺儀的空中鼠標(biāo)指針控制方法研究

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1、兩軸模擬陀螺儀的空中鼠標(biāo)指針控制方法研究葛海江,張雪娟,沈海娟時間:2011年01月13日來源:電子技術(shù)應(yīng)用2010年第11期字體:大中小關(guān)鍵詞:兩軸模擬MEMS陀螺儀靜態(tài)基準(zhǔn)點旋轉(zhuǎn)角度變化率零點漂移動態(tài)自校正摘?要:介紹了一種采用兩軸模擬MEMS陀螺儀實現(xiàn)低成本空中鼠標(biāo)指針的控制方法,詳細闡述了該方法的硬件設(shè)計、兩軸陀螺儀數(shù)據(jù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換、靜態(tài)基準(zhǔn)點的捕捉、動態(tài)旋轉(zhuǎn)角度變化率的測量。針對陀螺儀受環(huán)境溫度變化等因素的影響會發(fā)生隨機零點漂移的問題,提出了一種動態(tài)自校正的算法對零點進行自校正,取得了滿意的校正效果。目前該技術(shù)已成功移植到無

2、線空中鼠標(biāo)中。關(guān)鍵詞:兩軸模擬MEMS陀螺儀;靜態(tài)基準(zhǔn)點;旋轉(zhuǎn)角度變化率;零點漂移;動態(tài)自校正???陀螺儀可感應(yīng)空間的變化,與位置無關(guān),能夠檢測運動過程中每個軸上旋轉(zhuǎn)的角速度(角度/s)[1-2]。目前已有的無線空中鼠標(biāo)大多數(shù)所采用的技術(shù)有:Gyration公司的無線空中鼠標(biāo)GYM1100NA,采用傳統(tǒng)的微機械數(shù)字陀螺儀方式來實現(xiàn),其型號為MG1101BA,靈敏度達+/-500°/s,該數(shù)字陀螺儀的售價為8美元。然而隨著微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的飛速發(fā)展和不斷成熟,MEMS的陀螺儀應(yīng)運而生,如羅技公司應(yīng)用了MEMS陀螺儀技術(shù)設(shè)計實

3、現(xiàn)了無線空中鼠標(biāo)MXAir。它采用了應(yīng)美盛(INVENSENSE)公司的IXZ-500兩軸模擬陀螺儀來實現(xiàn),靈敏度達+/-500°/s,該模擬陀螺儀的售價約為3美元。但采用模擬陀螺儀,單片機內(nèi)部需要完成AD轉(zhuǎn)換,需要另外再增加0.5美元左右的單片機成本。因此,要實現(xiàn)數(shù)字陀螺儀同樣的功能,成本為3.5美元左右。由此可見,采用模擬陀螺儀加AD轉(zhuǎn)換的方案成本減少了4.5美元,同時傳統(tǒng)的微機械陀螺儀MG1101的體積為13.8mm×14.75mm×16mm,而IXZ-500的MEMS陀螺儀的體積僅為4mm×5mm×1.2mm。為了節(jié)省空中鼠

4、標(biāo)的生產(chǎn)成本和縮小鼠標(biāo)的體積,本文采用兩軸MEMS模擬陀螺儀(IXZ-500)+AD轉(zhuǎn)換的方式來實現(xiàn)空中鼠標(biāo)指針空中姿態(tài)控制。1兩軸模擬陀螺儀的外圍硬件設(shè)計???本文研究的兩軸模擬陀螺儀為INVENSENSE公司的IXZ-500陀螺儀,它的每軸靈敏度達+/-500°/s,兩路模擬輸出,工作電壓為3.0?V。采用該陀螺儀實現(xiàn)無線空中鼠標(biāo)的空中指針控制的外圍硬件設(shè)計如圖1所示。2兩軸模擬陀螺儀的數(shù)據(jù)處理及轉(zhuǎn)化2.1兩軸陀螺儀數(shù)據(jù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換??(1)帶AD功能的單片機選型 因為兩軸陀螺儀輸出的是2路模擬信號,輸出后需要經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換。因此在

5、選擇主控單片機時,要選擇至少帶2路AD的單片機。為了提高采樣的精度,可選擇AD在10位以上、采樣速率在100b/s以上的主控單片機。但采樣精度的提高會影響采樣速度,在采樣精度和速率選擇上,可以先通過理論分析,然后經(jīng)過實際性能的測試,選擇合適的采樣精度和速率,從而獲得一個較好的空中鼠標(biāo)姿態(tài)感知的靈敏度。本文選擇的是12位2路以上AD的單片機,采樣速率可達480?b/s?!?2)AD時鐘及采樣率設(shè)置 設(shè)置單片機的CPU時鐘CPU_Clock為12MHz,AD采樣的時鐘DataClock為8MHz,采樣精度為12bit。則:????(3)

6、IXZ-500工作原理及AD轉(zhuǎn)換的實現(xiàn) IXZ-500陀螺儀的工作靈敏度為+/-500°/s,當(dāng)陀螺儀在平面上發(fā)生旋轉(zhuǎn)時,每個軸上會輸出一個與旋轉(zhuǎn)角度相關(guān)的模擬電壓信號,在工作范圍之內(nèi),旋轉(zhuǎn)的角度大小與電壓變化大小成正比。設(shè)計中,通過單片機的AD轉(zhuǎn)換器來檢測電壓變化的大小以檢測平面上旋轉(zhuǎn)角度的變化大小,從而實現(xiàn)空中旋轉(zhuǎn)角度的檢測,即實現(xiàn)空中鼠標(biāo)在空中的旋轉(zhuǎn)角度檢測。 當(dāng)IXZ-500陀螺儀開始通電工作后,陀螺儀保持靜止不動時,每個軸會輸出一個大小為1.25V的靜態(tài)電壓值;當(dāng)陀螺儀發(fā)生旋轉(zhuǎn)后,電壓會在靜態(tài)電壓值的兩側(cè)發(fā)生變化。旋轉(zhuǎn)方向

7、不同,電壓變化的方向也不同(增大或者減少),即1.25V+/-?駐V。旋轉(zhuǎn)的角度與電壓變化大小關(guān)系為:2mV/(°/s)?!纹瑱C啟動AD轉(zhuǎn)換后,完成對陀螺儀輸出電壓的轉(zhuǎn)換,AD完成1次電壓轉(zhuǎn)換需要約2ms的時間。本設(shè)計設(shè)置為10ms采樣一次,通過采用定時器10ms的中斷方式進行控制。2.2靜態(tài)基準(zhǔn)點的捕捉 當(dāng)陀螺儀保持靜止不動時,芯片的數(shù)據(jù)手冊給出的參考靜態(tài)電壓值為1.25V。然而在實際工作中,由于器件的差異性、外圍環(huán)境溫度變化等,都會使每個陀螺儀工作在靜止?fàn)顟B(tài)時,靜態(tài)電壓值并不一定是數(shù)據(jù)手冊給定的值[3]。因此需要對靜止?fàn)顟B(tài)下的

8、輸出電壓進行重新檢測,即靜態(tài)基準(zhǔn)點的捕捉?!§o態(tài)基準(zhǔn)點的捕捉方法如下: (1)保持兩軸陀螺儀在靜止?fàn)顟B(tài),由單片機的AD轉(zhuǎn)換器采樣陀螺儀的輸出電壓并完成AD轉(zhuǎn)換。假設(shè)兩軸陀螺儀AD轉(zhuǎn)換后的值為:Current_x和Current_z。 

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