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大多數(shù)所采用的技術(shù)有：Gyration公司的無線空中鼠標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)計實現(xiàn)了無線空中鼠標MX Air.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13.8 mm×14.75 mm×16 mm,而IXZ-500的MEMS陀螺儀的體積僅為4 mm×5 mm×1.2 mm.為了節(jié)省空中鼠標的生產(chǎn)成本和縮小鼠標的體積，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
?。?）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100 b/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.
?。?）AD時鐘及采樣率設(shè)置
設(shè)置單片機的CPU時鐘CPU_Clock為12 MHz,AD采樣的時鐘DataClock為8 MHz,采樣精度為12 bit.則：
?。?）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)空中鼠標在空中的旋轉(zhuǎn)角度檢測。
當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1.25 V的靜態(tài)電壓值；當陀螺儀發(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1.25 V +/-?駐V.旋轉(zhuǎn)的角度與電壓變化大小關(guān)系為：2 mV/（°/s）。
單片機啟動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2 ms的時間。本設(shè)計設(shè)置為10 ms采樣一次，通過采用定時器10 ms的中斷方式進行控制。
2.2 靜態(tài)基準點的捕捉
當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1.25 V.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狀態(tài)時，靜態(tài)電壓值并不一定是數(shù)據(jù)手冊給定的值[3].因此需要對靜止狀態(tài)下的輸出電壓進行重新檢測，即靜態(tài)基準點的捕捉。
靜態(tài)基準點的捕捉方法如下：
?。?）保持兩軸陀螺儀在靜止狀態(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.
（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12 bit的數(shù)值，設(shè)計時將其zui低2位數(shù)據(jù)屏蔽掉，即將Current_x和Current_z分別與0xffc位進行“與”操作。
?。?）為了進一步消除誤差，將上述的數(shù)據(jù)連續(xù)讀取兩次，求平均值。
?。?）因為兩軸陀螺儀在靜止狀態(tài)下，輸出的電壓基本上不變化，所以可以連續(xù)檢測多次，然后進行數(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，則表明兩軸陀螺儀是處在靜止狀態(tài)。
?。?）分別記錄此時Current_x和Current_z的值。這兩個值即為靜態(tài)基準點的值：Static_x和Static_z.
?。?）在實際應(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)基準點。
2.3 動態(tài)旋轉(zhuǎn)角度變化率的測量
當兩軸陀螺儀發(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)基準電壓的兩側(cè)變化。
?。?）兩軸陀螺儀發(fā)生旋轉(zhuǎn)時，計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)實際的需要進行設(shè)置，要提高靈敏度則可以減小系數(shù)的大?。?。z軸上旋轉(zhuǎn)角度變化率的計算方法同x軸。
當物體發(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。
?。?）在空中鼠標的應(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)過實際鼠標的測試，已能滿足鼠標指針在空中的位移控制需要。
3 無線空中鼠標指針控制流程
無線空中鼠標指針的空中旋轉(zhuǎn)控制流程如圖2所示。對于2.4 GHz的無線通信部分，可以參考文獻[4].
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)的基準點會發(fā)生改變即發(fā)生零點漂移[5],使得Static_x和Static_z的值發(fā)生改變。因此需要對靜態(tài)的基準點進行校正，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)進行自校正，取得較好的校正效果。
動態(tài)自校正的算法引用靜態(tài)基準點的捕捉方法進行控制，控制過程如圖3所示。
對于參數(shù)i、j用戶可以根據(jù)具體不同的實際需要進行調(diào)整，i、j增大會增加校正的時間，但可以增加靜態(tài)捕捉點的精度。本文i、j的設(shè)置是根據(jù)空中鼠標實際性能的測試后得出的。通過對鼠標的實際測試，該控制方法校正時間小于2 s.
本文通過對傳統(tǒng)的微機械陀螺儀、數(shù)字陀螺儀及MEMS陀螺儀進行了比較研究，提出了一種采用兩軸模擬陀螺儀技術(shù)實現(xiàn)低成本的空中鼠標指針的控制方法。該方法目前已成功應(yīng)用于無線空中鼠標中，在空中可以檢測旋轉(zhuǎn)角度范圍為+/-500°/s,實現(xiàn)了空中鼠標指針在空中的自由控制，已獲得實用新型一項[6].此外，該方法還可應(yīng)用于人體動作跟蹤、游戲控制器、機器人及自動導(dǎo)航等人機輸入設(shè)備中。
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