摘要：鼠标作为一种很常用的电脑输入设备，是我们最频繁操作的设备之一，它可以对当前屏幕上的游标进行定位，并通过按键和滚轮装置对游标所经过位置的屏幕元素进行操作。其发展经历了从原始鼠标、机械鼠标、光电鼠标（光学鼠标，激光鼠标）到当今的触控鼠标，人们对鼠标的要求也是提出了更高的要求，包括舒适的操作手感、灵活的移动和准确定位、可靠性高及美学设计和制作工艺等。本文无线的空中鼠标设计通过MPU6050采集鼠标的位移，在鼠标中实现了简单的键盘功能。发送端将采集的数据加密处理后，通过蓝牙低能耗(BLE)发送到接收端。接收端通过解密，将有效的数据发送到USB Host。达到系统功耗低，使用方便。
关键词：空中鼠标 MPU6050 BLE
引言
在现在信息生活中，鼠标得到了非常广泛的应用。由于传统的鼠标只有基本功能，在放映PPT时大有不便，本设计在鼠标中实现了简单的键盘功能(F5、ESC、Backspace)，打破了传统鼠标的功能局限，大大的提升了鼠标的用户体验度。其传输数据采用蓝牙低能耗(BLE)，并且节能。
1硬件系统设计
该系统采用MPU6050来采集鼠标在空中的变化，通过移植官方的DMP库，将通过MPU6050采集四元素，并把四元素转化成角度，通过角度的变化量，来表示鼠标的位移。通过按键模仿简单的键盘功能。MCU将键盘数据用过BLE发送到鼠标的接收端。接受端并通过BLE将接受到的数据进行正确性验证，通过验证的数据用USB将有效数据发送到USB Host。
1.1控制单元
控制单元采用LPC54102，它是一款双核CPU。由Cortex-M4、Cortex-M0构成，内核需要M4内核启动。其时钟电路可提供低功耗设计，对系统任意分频，改变系统的时钟主频。鼠标接收端采用LPC1765。电路图如图1所示
图1 控制单元
1.2蓝牙通信
QN9021蓝牙4.0作为无线通信工具，广泛应用于智能穿戴，家庭娱乐，安全保障等电子消费品领域。它可以提供超低功耗的待机模式操作、简单设备恢复和高可靠的点对多点数据传输[2]。系统在运行时有1.5mA、休眠时只有2μA。蓝牙低能耗电路图如图2所示
图2 蓝牙低能耗电路
1.3角度传感器
角度传感器采用MPU6050，这是全球首款整合性6轴加速度传感器，它集成了三轴陀螺仪，三轴加速度计，还可以扩充一个数组运动处理器，成为9轴传感器，通过I2C接口与MCU通信，MPU6050对陀螺仪和加速度计分别采用了3个16位的ADC，为了方便用户使用，该传感器的测量范围都是可控制的，该传感器在可穿戴设备领域，遥感领域等应用非常广泛，而且成本相对较便宜，适合工业领域的开发。通过MPU6050读取数据，将采集的四元素转化成欧拉角。将俯仰角、偏航角分别表示鼠标的X轴位移和Y轴位移。用按键采集的简易键盘数据。通过特定的数据组装，将最终的数据通过BLE发送到无线鼠标接收端。接收端通过特定的格式将数据解析并发送到HID客户端。角度传感器控制电路如图3所示。
图3 角度传感器控制电路
1.4鼠标接收端设计
鼠标接收端主要由MCU、USB和蓝牙接收组成。接收端留有调试接口，蓝牙通过串口1和LPC1765连接。LPC1765本身带有硬件USB，在设计时可以中少USB硬件部分。接收端控制电路图如图4所示。
图4 接收端主控电路
2、系统软件设计
鼠标发送端的代码以C++编程思想设计的，在代码中封装了鼠标类和按键类。可以支持有操作系统和无操作系统的移植。通过初始化相应的模块，得到返回句柄，获得句柄就可以使用相应的服务函数。
2.1数据格式
BLE低功耗蓝牙每帧传输的数据都是20字节。该设计中，每帧传输的数据都是10字节。帧头、帧尾匹配一个字节。标准鼠标数据4字节，蓝牙数据由键盘数据有效位来控制，当键盘数据有效时，接受端才将数据送到HID设备。标准键盘数据为8字节，不复用按下键盘，简易键盘只要1字节就可以实现。保留字节数据，用来后续CRC校验。其数据格式如表1所示。
2.2鼠标发送端设计
发送端代码设计以低功耗为主。当Aworks操作系统启动后首先是关闭锁相环，以内部12M晶振为系统主时钟。其次是初始化各个模块。为了实现超低功耗，整个MCU在运行时处于睡眠模式和掉电模式之间的切换。当数据发送完成时，MCU进入掉电模式。MPU6050采集到新的数据时，中断唤醒MCU，MCU进入睡眠模式，读取并处理数据。
2.3鼠标接受端设计
接收端也使用了AWorks操作系统。启动操作系统后首先初始化USB。鼠标、键盘的实现都是在接收端。鼠标和键盘都是HID设备，在USB枚举过程中HID描述符报表中有两个报表，一个是USB键盘报表，一个是USB鼠标报表。两组数据都是通过端点1进行通信，有报表描述字进行区分。当蓝牙接收到数据时进行数据解析，首先将鼠标数据发送到HID设备，然后判断键盘有效数据位，只有当键盘有效数据位被置位时，才发送键盘数据。
参考文献
[1] JanAxelson.李鸿鹏等译.USB开发大全[M].4版.北京：人民邮电出版社.2011.
[2]谭晖.低功耗蓝牙技术快速入门[M].北京:北京航空航天大学出版社.2016.1.
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[5]李伯成.单片机及嵌入式系统.第二版[M].北京：清华大学出版社.2008.
[6]李秀玲.蓝牙(BlueTooth)技术[J].黑龙江通信技术.1999年02期.
[7]刘海文,石振华.蓝牙技术及其系统原理[J].电信技术.2000年09期.
论文作者:康学福
论文发表刊物:《基层建设》2018年第19期
论文发表时间:2018/9/10
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