基于MEMS传感器的低功耗蓝牙智能3D定位装置外文翻译资料

基于MEMS传感器的低功耗蓝牙智能3D定位装置

摘要：本论文介绍了一种以3D MEMS传感器作为测量零件的新型无线定位装置的发展。目前基于MEMS传感器的可用定位装置（空中鼠标或空中显示）使用专用的无线方式并且它们的尺寸是参考标准鼠标的。我们定位装置的新方式是基于标准的低功耗蓝牙协议并且使用最小的尺寸和3D控制方法。该装置可以通过蓝牙4.0协议像标准2D鼠标一样和电脑连接使用。第三维层可以用来把X或Y轴和Z平面相连，因为我们可以无需平整平面的情况下控制指针。二维指向平面的从XY到YZ和XZ的变化可以通过检测第三轴上的加速度活动来智能切换。全3D模式下的装置将被用于由病人和治疗师的教学模式中康复臂的控制。

关键词：定位装置；mems；低功耗蓝牙

Ⅰ 介绍

标准电脑鼠标是控制显示屏幕上光标或指针的移动的装置。鼠标包含至少两个按键和一个滚轮，甚至更多元素以至于在长文档中进行快速滚动。该装置用了许多位移测量的原理，比如机械、光学机械或光学。市场提供了许多替代物如轨迹球、触摸板或操纵杆。

定位设备的一个新趋势是带有无线功能并且基于MEMS传感器。大部分定位设备是用专用射频方法实现。这些无线方法并没有在桌面站和笔记本电脑上实施而且使用时必须外接USB加密狗。

标准无线协议802.11b,g,n(无线网络)和802.15（蓝牙）版本2.1或3都是能源密集型。带有先进省电的Zig-Bee协议只是在传感器中实现，在用户电脑中并没有。

这个问题的兼容性的解决方案是蓝牙4.0双模式。蓝牙4.0由两个分开的技术构成：继承蓝牙版本3.0的高速和新的特别为低功耗蓝牙传感器设计的协议。这种解决方案可以避免额外无线USB开门狗的使用。蓝牙4.0目前在有些智能手机和新款笔记本电脑中广泛使用。微软在WIN8系统中对蓝牙4.0提供了原生的支持和低功耗。表一显示了不同版本的蓝牙协议的对比。

蓝牙低功耗和蓝牙4.0可以共存也可以分开在单模式下实施。主控制器识别一个传感器输出的最低延迟是676微秒，虽然仿真结果显示在高误码率的情况下，平均延迟时间增加了三个数量级。低功耗蓝牙技术用了40个频道，相比于传统蓝牙的79个频道。

表一 无线标准比较表

定位设备的测量元件的创新是MEMS传感器的使用，特点在于它的尺寸小，使用平面的独立性和在三维空间中移动的可能性，即意味着小尺寸的机械或者电子机械结构，以及在它们的准备工作中的技术。MEMS组件提供了加速度测量（加速度计），转速（陀螺仪），和方向（磁）。

一个最常见的MEMS的应用是测量加速度的传感器。他们被分为一个，两个，三个轴。加速度的测量有可能在电子和机器人中测量使用，如加速、减速、旋转、倾斜、振动、碰撞、引力等。

对于MEMS加速度计灵敏度的单位没有标准化，每个生产厂家都用自己的单位。很多都用同一个单位，只是名字不同：

LSB/g=digit/g=count/g和mg/digit=mg/LSB（1）

对于不同生产商的灵敏度的比较我们用简单的方程（2）把mg/digit转化为LSB/g。

y[digit/g]=x/1000

其中x是mg/LSB的值。

通过digit/g来表示的灵敏度是非常容易理解的。LSB单元表示在1g情况下测得的数值。1g代表海平面上地球表面的重力加速度，表2示出了不同厂家的加速度计的对比。

Ⅱ 方法原理

显示定位装置的基本概念是小尺寸和三种模式的可用性。图3a显示了装置一种标准使用方式，图3b显示了使用循环移动控制光标，图3c显示了定位装置指环模式的可行性。

表2MEMS 加速度计对比表

图3a和图3c中使用MEMS加速度计作为测量元件，而图3b使用MEMS陀螺仪作为测量元件。该装置由以下几部分组成：（1）主身（2）轮子（3）左右键的代替部分。鼠标灵敏度通过DPI单位描述。DPI（点每英寸）表示鼠标每移动一英寸所报告的步数。影响精度的下一步因素是工作区和屏幕解析度。我们实验性地获取了标准鼠标的工作区，差不多是一个5times;3的长方形。图4就是MEMS鼠标基于该工作区设计的并且拥有低屏幕分辨率。

测量部分是三轴MEMS加速度计针对电池功耗70微安的村田CMA3000-D01，100/400赫兹样品率在80赫兹SPIplusmn;2或plusmn;8g选择范围，灵敏度为56 LSB/ g，且电源电压1.7-3.6 V.在400/100/40赫兹的输出采样率中其测量模式消耗分别为70/50/11微安。无线和控制IC是微控制器CC2540，其集成了蓝牙4.0低功耗功能。

该装置在运动检测模式下工作以节省在鼠标闲置状态下的电力。在运动检测模式下系统测量频率是10Hz，而且其固定测量范围是8g。信号被带通滤波后送到带有可配置触发功能的阈级可编程数字比较器中。标称BPF的3db高通频率是1.3Hz,低通频率是3.8Hz。该测量算法原理由运动检测模式并切换到精确的测量状态组成，整个算法在图6中显示。

阈值水平由时间状况控制，其取决于多久阈值能超过触发。图7显示了阈值级别的运动检测原理，当加速度到达100ms中超过571mg时运动检测的中断就会触发。

装置可以在设置中配置成在100Hz和400Hz测量模式中自动转换。加速度数据是八位间断编码，图8显示了BLE八位编码所获得的数据。为了图形输出我们必须把数据转化成正值和负值，测量值沿-56到 56LSB对称显示。

Ⅲ 发展和测试平台

原型解决方案是基于从德克萨斯赠送的 DK仪器。图9显示了带有调制器的迷你DK和其作为电脑鼠标的可行性。软件是用C语言编写的，主任务是连接无线设备到USB加密狗中，从蓝牙能源中捕捉数据信息，来显示工作空间的运动轨迹和加速度、速度与位置的图形结果。

加速度进行积分得到速度，并且旁于弹道。时间∆T是由应用程序获得并且是可变的，是为了使节能的运动检测模式可用。通过公式（3）和（4），我们可以获得真正的加速度，通过公式（5）或（6），我们可以计算出X、Y、Z轴上的位移：

s=g/LSBmax （3）

Ac[X,Y,Z]=LSB*s[m/] （4）

Ds[X, Y, Z] = (Ac *)/1000 [mm] （5）

图10显示了应用程序调试测试，该应用存储从加速度计中测得的数据和从BLE通用属性配置文件中的消息。该图表显示了三轴上的加速度，两轴上的速度和位移。在程序的中间显示了位移轨迹。该程序可以帮助检查传感器的错误和延迟。如果传感器从固定位置移动，测得的加速度数据包含误差而且这种不准确性聚集在断层位移。在运动检测后通过忽略数据可以去除这种误差。

原型是C2541因为较早版本的CC2540不提供硬件I2C输出，这是更加规范的传感器。图11显示了MEMS定位设备的PCB原型。主部分是基于8051的带有低功耗蓝牙外设的CC2541片上芯片。PCB板有一个集成的MEMS加速度传感器和额外的用于连接外部陀螺仪和磁力计传感器的SPI或I2C接口。天线印刷在电路板上，PCB通过USB口供电。

当硬件（PC,笔记本电脑，智能手机）包含蓝牙4.0设备我们就可以无需蓝牙HID模式的USB加密狗来使用定位设备。

蓝牙HID是一个无线通信技术。该项目实现了GATT配置文件中的HID在BLE外围设备提供无需额外的快速连接硬件（USB加密狗）远程控制设备。图12显示了定位装置的3D模型。

MEMS加速度传感器的功耗是70微安而蓝牙4.0传输功耗是15微安。最终的原型将会配备170毫安的小型锂电池。所有组件的工作时间差不多能维持一个月。

Ⅳ 3D定位设备在康复系统中的应用

定位设备的第一个应用是是康复臂的控制，康复设备是基于气动的人工肌肉。它有三个自由度并且工作在3D环境中。标准的定位设备工作在XY平面，对于3D远程定位设备在康复臂上的轻松控制还有应用上的空间，该设备可以由治疗师控制或是由病人自控。图15显示了定位设备应用的原理图，我们只能控制康复臂的终点。定位装置连接到PC上，在康复设备的气动控制阀中MF624测量卡测得的数据通过虚拟串行端口送到Matlab程序中。康复设备包含第二个MEMS加速度计使之在危险的加速中停止设备。这个特点可以防止在定位设备不可预知的移动中使病人受伤。控制算法不允许康复设备在三维中移动，但是我们可以转换控制成任意的二维组合：XY、YZ或XZ。

结论

该项目的下一步工作是实施更加精确和更高灵敏度的传感器，比如加速度计SCA3060，LSM303DLHC有着1000LSB/g的灵敏度，加速度计LSM330DL也有着相同的灵敏度。定位设备原型为了测试的目的只有低容量电池CR2032,我们可以使用小型太阳能光伏电池来为锂电池或更高容量的电池连续充电，因为装置表面并不像标准鼠标那样直接被手触碰。

智能运算的实施将提高数据过滤和灵敏度适应性。智能运算的实施可以显著改善检测加速度计测得的数据错误（比如基于隶属函数的先进数据滤波器），也可以提高控制的影响效果，因为定位设备的灵敏度不能由用户手动改变，但可以由神经网络和遗传算法的组合数据测量改变。

3D鼠标的两个版本设计

摘要：作为标准鼠标的替代品，3D鼠标（空中小鼠）已被广泛地研究。与标准的小鼠相比，3D鼠标能够脱离平台使用。很多类型的3D鼠标已经开发并且在在电脑和电视上进行过测试。这些3D鼠标可以用来和电脑三维接口相连来实现不同种类的应用，比如3D图像和3D游戏。虽然大多数的它们比标准鼠标更加直观，它们也需要更高的价格。本论文表现了两种直观、低价的3D鼠标。一种是基于安卓手机的3D鼠标，另一种是基于MCU微控制单元的3D鼠标。他们实施了同样的功能，并且采用同样的驱动程序。项目的设置包括一个电脑驱动和一个手持式运动探测器。运动探测器测量在自身三轴上旋转的角度和加速度。然后这些数据送到电脑中转化成在电脑屏幕上指针的运动。

关键词：3D鼠标；空中鼠标；接口；低功耗

Ⅰ 介绍

本文提出两种版本的便携式和低功耗3D鼠标。第一个版本是基于安卓手机的3D鼠标，由于这是安卓手机的一个应用，它必须便携而且便宜。更重要的是，由于安卓的3D鼠标可以与其他设备共享无线网络连接，需要非常低的比特率，在与已经在家或办公室成立了一个无线局域网的用户的计算机通信时几乎不需要额外的电源。

第二个版

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