基于陀螺仪技术的无线画笔的开发

葛海江傅大帅宁凡

（杭州职业技术学院信息工程学院，浙江杭州310018）

摘要：研究了一种陀螺仪技术的无线画笔，详细阐述了该方案的软硬件设计。

发射器主要采用两轴模拟陀螺仪来感应手部动作，通过2.4GHz无线传输采集的数据；

接收器实现无线数据的解调和处理，通过USB端口上传到PC机；在PC机的Delphi开发的绘图软件上实现无线绘图的功能。该无线画笔可应用于儿童的无线绘图、绘画等场合。

关键词：无线画笔，两轴模拟陀螺仪，Delphi，无线绘图

中图分类号:TP212.9文献标识码:A

资助项目：2015年浙江省大学生科技创新活动计划（新苗人才计划）资助项(2015R452007)；2016年浙江省课堂教学改革项目：《传感器技术应用》微课的课堂教学改革与实践。

1.引言

现有的手部动作姿势感知大都采用陀螺仪技术来实现[1]，如在无线空中鼠标应用中有罗技MXAir空中鼠标，它采用了两轴模拟陀螺仪实现，型号为INVENSENSE公司的IXZ-500，该陀螺仪有个缺点就是，本身没有低功耗模式，使用起来比较费电池，它过将充电模块设计在鼠标内部，来解决费电的问题，该陀螺仪成本较低，小于3美金。Gyration公司的GYM1100NA空中鼠标采用MG1101BA的微机械陀螺仪模块，具有低功耗模式，但是成本较高，达8美金[1]。由于采用微机械陀螺仪和数字信号输出的MEMS陀螺仪实现动作感知成本较高[1,2]，鉴于此，这里采用两轴模拟的MEMS陀螺仪来实现无线画笔的手部动作的姿势感知，陀螺仪型号为：ST公司的两轴模拟陀螺仪LPY530AL，同时该陀螺仪具有低功耗模式，亦可解决无线空中鼠标费电的问题。

2.设计思路

由于陀螺仪可以感应空中的运动姿态，三轴陀螺仪可以感应整个运动的姿势，两轴陀螺仪可以感应平面上的移动。根据人体工程学原理，无线画笔应基于上下方向（Z轴）和左右方向（X轴）的运动，Z轴和X轴方向将构成一个平面，将陀螺仪安装在这个平面上，用来感应平面上两个方向的移动，从而实现画笔在电脑界面或者投影界面上的上下及左右移动。

设计中采用了两轴模拟陀螺仪来感应手部动作的上下运动及左右运动。上下运动感应的是Z轴方向的变化，左右运动感应的是X轴方向上的变化。两轴模拟陀螺仪在静止不动的时候，每个轴上会输出一个基准的电压信号，当开始运动时，会根据运动方向的不同，在基准电压点上增加电压或者减少电压。我们可以根据两个轴上电压的变化量ΔVx和ΔVz，通过ΔVx、ΔVz的符号和大小，来判断移动的方向和位移大小；然后将这个变化量线性转换成画笔在屏幕上的位移变化量⊿X和⊿Y，然后应用2.4GHz的无线通信技术，传送这两个位移量。在接收端，通过USB接收器接收⊿X、⊿Y数据，PC机接收到这两个数据后，在PC机的辅助画图界面上进行X，Y轴方向上的绘图，从而实现无线画笔的功能。该设计中将设计一个画笔启动按键，用于画笔功能的启动与关闭。此外在PC机端，画笔的辅助软件采用Borland公司推出的Delphi7.0软件进行画笔辅助功能的开发，Delphi7.0采用了可视化的集成开发环境、面向对象的编程语言和基于部件的开发结构框架等特点。在软件界面中设计了画笔与鼠标功能的切换、清屏、白板书写、颜色选择及界面保存等功能。

3.无线画笔整体方案设计

（1）无线画笔发射器设计

①两轴陀螺仪采用ST公司的两轴模拟陀螺仪LPY530AL；

2）主控单片机采用赛普拉斯公司的低压、低功耗的主控单片机CY8C27643；

3）无线通讯芯片采用赛普拉斯公司的2.4GHz的WirelessUSB的芯片CYRF6936；

4）DC-DC升压芯片，采用LT8580-3.0，升压后输出电压为3.0V。

（2）USB接收器设计

1）无线通讯芯片采用赛普拉斯公司的2.4GHz的WirelessUSB的芯片CYRF6936；

2）USB主控单片机采用赛普拉斯公司的低速USB控制器CY7C63803。

（3）无线通讯协议设计

采用WirelessUSBLP通讯协议[3]。

（4）人机接口通讯协议设计：采用USBHID1.1协议[4]。

（5）无线画笔软件采用Delphi7.0版本进行开发。使用的Delphi控件有：Windows,Messages,SysUtils,Variants,Classes,Graphics,Controls,Forms,Dialogs,Buttons,ExtCtrls,StdCtrls,ComCtrls,jpeg,ExtDlgs等。

4.软硬件设计

无线画笔发射器设计原理图如图1所示，USB接收器原理图如图2所示,无线画笔的绘图软件的功能设计如图3所示。无线画笔发射器和USB接收器的简易流程图如图4和5所示。

两轴陀螺仪姿态感知的控制可参考文献[1]。文中详细阐述了两轴模拟陀螺仪的数据处理和转化以及两轴陀螺仪的参数动态自校正的控制方法。

5.总结

笔者通过对基于陀螺仪无线画笔的应用研究，提出了一种采用两轴模拟陀螺仪来实现手部姿态感知的设计方法，详细阐述了无线画笔整体方案和软硬件设计。此外提出的无线画笔的控制方法还可应用于人体动作跟踪、游戏控制器、工厂自动化等人机输入设备中。

6.参考文献

[1].葛海江，张雪娟，沈海娟.两轴模拟陀螺仪的空中鼠标指针控制方法研究[J].电子技术应用，2010，36（11)：132-134.

[2].董煜茜，高钟毓，张嵘.微机械陀螺仪的性能分析[J].清华大学学报(自然科学版)，1998,38(11):1-3.

[3].宋晓鸥.基于WirelessUSB的无线传感器网络节点设计[J].微型机与应用，2013，32(19)：61-65.

[4].李国，李桂满，谈娴茹，等.基于usbhid类的实时数据采集系统设计[J].微计算机信息，2008，24(11)：100-102.