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引言 MEMS(Micro Electro Mechanical System，即微機電系統)是指集微型傳感器、執行器以 及信號處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的微型機電系統，具有體積小、重量 輕、性能穩定、可大批量生產、性能一致性好、成本低等特點，將MEMS器件——加速度傳 感器應用于輸入產品和嵌入式系統，滿足它們對傾斜、運動、定位、振動等微小變化的測量 需求，以MEMS替換機械控制部件，為消費產品帶來了一場革新。 國外和港臺地區有一些單位正在開展這方面的研究，并取得了一定的成績。例如：香港 中文大學Alan H. F. Lam等幾個博士生提出了一種基于微加速度傳感器的虛擬鍵盤鼠標系統 （MIDS），能同時具備鼠標和鍵盤的功能；加州大學伯克利分校設計了一種加速度感應手套，利用放置在手指上的二維加速度傳感器感測手和手指的動作，實現電腦輸入的功能。 1 系統設計 本文設計的無線輸入系統是以加速度計為敏感元件，來完成鼠標的功能，并能夠在三維 空間上同步操作者的三維運動，從而實現電腦輸入的目的。本文采用美國AD公司的微加速 度傳感器ADXL203，并結合Nordic半導體公司的射頻收發器NRF2401，與Philips公司的 D12USB接口芯片形成一個硬件體系。該系統由兩個子系統組成：遠端子系統和主機端子系 統，具體的構成如圖1所示。 
圖1 系統具體的構成圖 在軟件開發上，采用 ARM 嵌入式系統的開發理念，采用內置有ARM7 處理器核的 LPC2214 微控制器，開發新一代基于微加速度傳感器的MEMS 無線輸入設備。在調試初期， 以周立功公司的EasyARM2200 開發板為開發平臺，使用ADS 作為開發環境。 2 遠端子系統設計 遠端子系統的主要任務是加速度計信號的采集，信號的放大、濾波等的處理，控制器 對射頻無線發送的軟件控制。主要的實現過程為：使用GPIO 口，并按照一定的采樣頻率將 加速度信號送入微控制器LPC2214，在LPC2214 內部進行信號放大和A/D 轉換；并且按照 無線傳輸模塊定義的格式將數據進行編碼，再通過GPIO 口傳送給無線射頻模塊。 主程序主要實現各個器件的初始化和任務的調用。 int main(void) { TargetInit(); Init_RF(); Init_ADC(); Init_Transmitter(); TaskMouse(); return 0; } 在完成各個模塊的初始化之后，執行Taskmouse 函數。Taskmouse 函數是主執行函數， 包含了GetMousePos()、ModeSelect()、Get_ADCValue_X()和Get_ADCValue_Y()等子函數。 調用該函數就可以執行加速度計信號采集、鼠標位置確定、系統工作模式選擇等程序行。 獲取鼠標位置信息的示意程序如下所示： void GetMousePos(uint8 *buf, uint8 shift) { uint8 i; uint8 sampf = 50; uint32 dpi = 100; uint32 sum_x, sum_y; sum_x = sum_y = 0; for (i = 0; i < sampf; ++i) { sum_x += Get_ADCValue_X(dpi); sum_y += Get_ADCValue_Y(dpi); } buf[0] = (sum_x / sampf) >> shift; buf[1] = (sum_y / sampf) >> shift; } 3 主機端子系統設計 在主機端子系統中，NRF2401 接受遠端子系統的數據并從I/O 口進入LPC2214，數據通 過協議等處理為鼠標格式，最后通過USB 接口發送給主機。在該模塊中，我們采用了操作 系統來實現多任務處理。 3.1 μC/OS-II 操作系統的移植 我們使用的 μC/OS-II 是一個完整、可移植、可固化、可剪裁的占先式實時多任務的實 時操作系統內核，使用標準的ANSIC 語言編寫, 并包含一段匯編語言代碼，被廣泛地應用 于各種架構的微處理器上。 在本系統中，μC/OS-II 的移植主要是修改3 個與ARM 處理器體系結構相關的文件： OS_CPU.H、OS_CPU.C 和OS_CPU_A.ASM。OS_CPU.H 文件為系統通用量設置的移植文 件，采用C 語言描述。包含數據類型定義、堆棧單位、堆棧增長方向和宏定義，需根據處 理器進行相應修改；OS_CPU.C 文件為系統管理代碼的移植文件, 采用C 語言描述； OS_CPU_A.ASM 文件為處理器相關代碼的移植文件, 采用ARM 的匯編語言描述。 3.2 控制器編程 將操作系統成功移植到LPC2214 上后，就可以對主機端系統進行軟件設計。下面是主 機端主函數的代碼： int main (void) { OSInit(); OSTaskCreate(TaskStart, (void *)0, &TaskStartStk[127], 5); OSStart(); } 主函數首先對操作系統進行初始化，初始化完成后，創建啟動任務，設置任務的優先級， 并開始進行多任務操作。啟動任務TaskStart 主要完成各個模塊的初始化，包括開發板的初 始化TargetInit()，射頻芯片的初始化Init_RF()，控制器AD 轉換的初始化Init_ADC()，USB 接口芯片的初始化Init_D12()等，并將射頻無線接受設置為接收模式。最后調用主執行函數 TaskDisplay()進行任務處理。 3.3 USB 編程 在主機端軟件設計中，USB接口設計是非常重要的一環。USB接口，即通用串行總線。 這是針對PC機外設的一種新型接口技術，具有終端用戶使用方便、應用性廣泛、能同步傳 輸寬帶、靈活性強和實現成本低等特性。USB的基本通信流和分層模型如圖2所示。
圖2 USB的基本通信流圖 為簡化USB 設備的開發過程，USB 提出了設備類的概念。HID(Human Interface Device) 設備類，即人機接口設備。典型的HID 設備如鍵盤、鼠標。客戶軟件可以直接使用操作系 統內置的HID 設備類驅動程序（hidclass.sys）和HID 小驅動程序(hidusb.sys)與HID 設備進行通信。報告描述符用于提供HID 設備和主機間交換數據的格式。根據該輸入設備的實現 要求和系統定義的鼠標協議格式，HID 類設備的報告描述符如下所示： const INT8U Mouse_Des[52]= { 0x05,0x01, //用途頁(generic desktop) 0x09,0x02, //用法索引(mouse) 0xA1,0x01, //集合開始(collection, application) 0x09,0x01, //用法索引（指針） 0xA1,0x00, //集合開始 0x05,0x09, //用法頁 0x19,0x01, //用法最小值 0x29,0x03, //用法最大值 0x15,0x00, //邏輯最小值 0x25,0x01, //邏輯最大值 0x95,0x03, //報告計數(3)：三鍵 0x75,0x01, //報告大小(1)：按健值占用1Bit 0x81,0x02, //輸入(2) 0x95,0x01, //報告計數(1) 0x75,0x05, //報告大小(5) 0x81,0x01, //輸A(1) 0x05,0x01, //使用頁(通用桌面) 0x09,0x30, //用法(X) 0x09,0x31, //用法(Y) 0x09,0x38, //用法(Z) 0x15,0x81, //邏輯最小值(129) 0x25,0x7F, //邏輯最大值(127) 0x75,0x08, //報告大小(8):每軸的數值占用一個字節 0x95,0x03, //報告計數(3):三軸 0x81,0x06, //輸入(6) 0xC0, //集合結束 0xC0 //集合結束 }； 4 結束語 本文討論了基于MEMS的無線輸入設備，主要介紹了在嵌入式環境下，輸入設備的固件編程設計。本文將系統分成兩個子系統，并對他們進行分別介紹，給出了子系統的簡單實現 流程和函數的調用，并列出了一部分程序行。此方案的子程序具有易移植性，很容易在其他領域中使用。 基于MEMS的無線輸入設備，其主要部件依托MEMS表面微加工和體硅加工的特殊工藝，使系統在尺寸、性能等方面有了提高，并且作為輸入設備發展的新形式，減少了設備之 間連線的繁瑣，擴大了其使用的空間。隨著信息技術和MEMS技術的繼續發展，基于MEMS 技術的無線輸入設備會更加可靠、方便。 本文創新點：提出了基于MEMS器件的電腦輸入模型，將ARM7和μC/OS-II操作系統相結合，應用于輸入系統，并完成了樣機的程序實現。 估計項目經濟效益：26萬元。 作者：錢莉 來源：《微計算機信息》(嵌入式與SOC)2009年第8-2期 |
