【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】解析兩軸模擬陀螺儀的空中鼠標(biāo)指針控制方法的分析陀螺儀可感應(yīng)空間的變化，與位置無關(guān)，能夠檢測運(yùn)動過程中每個軸上旋轉(zhuǎn)的角速度。利用高速回轉(zhuǎn)體的動量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交于自轉(zhuǎn)軸的一個或二個軸的角運(yùn)動檢測裝置。利用其他原理制成的角運(yùn)動檢測裝置起同樣功能的也稱陀螺儀。繞一個支點(diǎn)高速轉(zhuǎn)動的剛體稱為陀螺（top）。通常所說的陀螺是特指對稱陀螺，它是一個質(zhì)量均勻分布的、具有軸對稱形狀的剛體，其幾何對稱軸就是它的自轉(zhuǎn)軸。陀螺儀的原理就是，一個旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸所指的方向在不受外力影響時，是不會改變的。人們根據(jù)這個道理，用它來保持方向，制造出來的東西就叫陀螺儀。陀螺儀在工作時要給它一個力，使它快速旋轉(zhuǎn)起來，一般能到達(dá)每分鐘幾十萬轉(zhuǎn)，可以工作很長時間。然后用多種方法讀取軸所指示的方向，并自動將數(shù)據(jù)信號傳給控制系統(tǒng)。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(jī)械數(shù)字陀螺儀方式來實(shí)現(xiàn)，其型號為MG1101BA,靈敏度達(dá)+/-500°/s，但采用模擬陀螺儀，單片機(jī)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(jī)成本。因此，要實(shí)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(jī)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(shí)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(jì)

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(dá)+/-500°/s，兩路模擬輸出，工作電壓為3.0V。采用該陀螺儀實(shí)現(xiàn)無線空中鼠標(biāo)的空中指針控制的外圍硬件設(shè)計(jì)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(jī)選型

因?yàn)閮奢S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。AD工作原理是將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時間（脈沖寬度信號）或頻率（脈沖頻率），然后由定時器/計(jì)數(shù)器獲得數(shù)字值。其優(yōu)點(diǎn)是用簡單電路就能獲得高分辨率，但缺點(diǎn)是由于轉(zhuǎn)換精度依賴于積分時間，因此轉(zhuǎn)換速率極低。初期的單片AD轉(zhuǎn)換器大多采用積分型，現(xiàn)在逐次比較型已逐步成為主流。因此在選擇主控單片機(jī)時，要選擇至少帶2路AD的單片機(jī)。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(jī)。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(shí)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(jī)，采樣速率可達(dá)480b/s。

（2）AD時鐘及采樣率設(shè)置

設(shè)置單片機(jī)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）IXZ-500工作原理及AD轉(zhuǎn)換的實(shí)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(jì)中，通過單片機(jī)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(shí)現(xiàn)空中旋轉(zhuǎn)角度的檢測，即實(shí)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）。

單片機(jī)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(jì)設(shè)置為10ms采樣，通過采用定時器10ms的中斷方式開展控制。

2.2靜態(tài)基準(zhǔn)點(diǎn)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(shí)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。

靜態(tài)基準(zhǔn)點(diǎn)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(jī)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。

（2）由于陀螺儀本身存在噪聲的影響，需要屏蔽噪聲。這里Current_x和Current_z都為12bit的數(shù)值，設(shè)計(jì)時將其2位數(shù)據(jù)屏蔽掉。

（3）為了進(jìn)一步消除誤差，將上述的數(shù)據(jù)連續(xù)讀取兩次，求平均值。

（4）因?yàn)閮奢S陀螺儀在靜止?fàn)顟B(tài)下，輸出的電壓基本上不變化，所以可以連續(xù)檢測多次，然后開展數(shù)據(jù)比較。如果連續(xù)檢測多次經(jīng)過屏蔽及平均之后的數(shù)據(jù)都相等，則說明兩軸陀螺儀是處在靜止?fàn)顟B(tài)。

（5）分別記錄此時Current_x和Current_z的值。這兩個值即為靜態(tài)基準(zhǔn)點(diǎn)的值：Static_x和Static_z。

（6）在實(shí)際應(yīng)用中，將Static_x和Static_z寫入主控器的EEPROM中，其目的是使得下次Static_x和Static_z的值可以直接從EEPROM中讀出，不必要每次都檢測靜態(tài)基準(zhǔn)點(diǎn)。

2.3動態(tài)旋轉(zhuǎn)角度變化率的測量

當(dāng)兩軸陀螺儀發(fā)生旋轉(zhuǎn)時，每個軸的輸出電壓會發(fā)生變化，即在靜態(tài)基準(zhǔn)電壓的兩側(cè)變化。

（1）兩軸陀螺儀發(fā)生旋轉(zhuǎn)時，計(jì)算兩維方向上的旋轉(zhuǎn)角度變化率：

式中，Current_x表示x軸上的輸出量，Static_x表示x軸上的沒有發(fā)生旋轉(zhuǎn)時輸出量；q為陀螺儀的靈敏度系數(shù)（系數(shù)的大小可根據(jù)實(shí)際的需要開展設(shè)置，要提高靈敏度則可以減小系數(shù)的大?。軸上旋轉(zhuǎn)角度變化率的計(jì)算方法同x軸。

當(dāng)物體發(fā)生旋轉(zhuǎn)時，陀螺儀也跟著旋轉(zhuǎn)，通過對旋轉(zhuǎn)角度變化率的測量，就能測量出陀螺儀在平面上旋轉(zhuǎn)角度的變化，從而得知物體在空中的旋轉(zhuǎn)變化。

（2）在空中鼠標(biāo)的應(yīng)用中，本文將陀螺儀的靈敏度系數(shù)q的值設(shè)置為20，經(jīng)過實(shí)際鼠標(biāo)的測試，已能滿足鼠標(biāo)指針在空中的位移控制需要。

3無線空中鼠標(biāo)指針控制流程

無線空中鼠標(biāo)指針的空中旋轉(zhuǎn)控制流程如圖2所示。對于2.4GHz的無線通信部分。

4兩軸陀螺儀的參數(shù)動態(tài)自校正

由于兩軸陀螺儀在環(huán)境溫度變化或工作電壓下降后，兩軸陀螺儀靜態(tài)的基準(zhǔn)點(diǎn)會發(fā)生改變即發(fā)生零點(diǎn)漂移，零點(diǎn)漂移可描述為：指當(dāng)放大電路輸入信號為零（即沒有交流電輸入）時，由于受溫度變化，電源電壓不穩(wěn)等因素的影響，使靜態(tài)工作點(diǎn)發(fā)生變化，并被逐級放大和傳輸，導(dǎo)致電路輸出端電壓偏離原固定值而上下漂動的現(xiàn)象它又被簡稱為：零漂。產(chǎn)生零漂的原因是：產(chǎn)生零點(diǎn)漂移的原因很多，如電源電壓不穩(wěn)、元器件參數(shù)變值、環(huán)境溫度變化等。其中主要的因素是溫度的變化，因?yàn)榫w管是溫度的敏感器件，當(dāng)溫度變化時，其參數(shù)UBE、β、ICBO都將發(fā)生變化，終導(dǎo)致放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)產(chǎn)生偏移。此外，在諸因素中，難控制的也是溫度的變化。得Static_x和Static_z的值發(fā)生改變。因此需要對靜態(tài)的基準(zhǔn)點(diǎn)開展校正，即重新捕捉Static_x和Static_z的值。為此本文提出一種動態(tài)自校正的算法，對相應(yīng)的Static_x和Static_z參數(shù)開展自校正，取得較好的校正效果。

動態(tài)自校正的算法引用靜態(tài)基準(zhǔn)點(diǎn)的捕捉方法開展控制，控制過程如圖3所示。

對于參數(shù)i、j用戶可以根據(jù)具體不同的實(shí)際需要開展調(diào)整，i、j增大會增加校正的時間，但可以增加靜態(tài)捕捉點(diǎn)的精度。本文i、j的設(shè)置是根據(jù)空中鼠標(biāo)實(shí)際性能的測試后得出