陀螺儀傳感器為何能使鼠標(biāo)變得如此自由？

最近對(duì)一款基于陀螺儀的鼠標(biāo)進(jìn)行了拆解，這款名為ProGoGyrotransport的鼠標(biāo)是由Gyration公司生產(chǎn)的，價(jià)值150美元(其中包括一個(gè)FreeSpace功能鼠標(biāo)以及一個(gè)接在主機(jī)上的獨(dú)立USB收發(fā)適配器中的1GB閃存驅(qū)動(dòng)器)。對(duì)于不熟悉這類產(chǎn)品的人來說，它只是一個(gè)簡(jiǎn)單易用的基于自由空間移動(dòng)和手勢(shì)的定位和控制系統(tǒng)。在假象的平面上揮動(dòng)鼠標(biāo)，屏幕上的光標(biāo)就會(huì)跟著移動(dòng)，并可以繞著鏈接畫圈和點(diǎn)擊按鍵。當(dāng)你正在演講或離開桌子時(shí)，這些操作都能夠很方便地實(shí)現(xiàn)。

    我不得不承認(rèn)在一開始時(shí)遇到了一點(diǎn)小麻煩：因?yàn)槲也荒軐?duì)兩個(gè)按鍵同時(shí)操作，都準(zhǔn)備要打支持服務(wù)電話了。不過隨后我發(fā)現(xiàn)在為鼠標(biāo)供電的AAA電池上的一張薄包裝紙上清晰地印有使用說明。這有可能是設(shè)計(jì)疏漏或用戶疏忽的緣故，不過解決了這個(gè)小問題后，剩下的操作就簡(jiǎn)單了。

    1GB閃存驅(qū)動(dòng)器 

    PC側(cè)的小型USB收發(fā)器通過一條2.4GHz鏈路與鼠標(biāo)進(jìn)行通信，同時(shí)內(nèi)置了1GB的NAND存儲(chǔ)器。在待分析的部件中有一個(gè)Micron科技制造的MT29F8G08FABA1GBNAND封裝，它在一個(gè)TSOP封裝內(nèi)堆疊了4個(gè)256MB的SLCNAND芯片，這對(duì)這個(gè)已經(jīng)非常方便的小鼠標(biāo)來說起到了錦上添花的作用。為了使存儲(chǔ)器可以充當(dāng)閃存驅(qū)動(dòng)器使用，由Cypress的CY7C68033USB控制器來處理USB和存儲(chǔ)器接口。

    連接控制器和存儲(chǔ)器的是Cypress的CYWUSB6953MCU，是它創(chuàng)建了與空中鼠標(biāo)通信所需的一半2.4GHz無線鏈路。

    該鼠標(biāo)由TI的混合信號(hào)MCUMSP430F1232控制，它內(nèi)置了8KB和256KB的閃存以及256B的RAM。 

    在TI的DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器旁，還有一個(gè)Cypress的CYWUSB69342.4GHz直接序列擴(kuò)頻(DSSS)無線SoC，它創(chuàng)建了另一半2.4GHz無線鏈路。

    雖然Cypress的無線USB器件在芯片領(lǐng)域中總是能給人以深刻印象，但鼠標(biāo)中還有另一個(gè)同樣吸引人的器件，那就是Gyration公司生產(chǎn)的MG1104陀螺儀模塊。Gyration公司由Movea公司控股，Movea是由法國(guó)湯姆森公司分拆出來的公司，至今湯姆森公司還擁有少量該公司的股份。

    MG1104與我期望在今天的硅MEMS加速計(jì)時(shí)代看到的傳感器有很大的差別，它的個(gè)頭特別大。其尺寸接近大塊糖果的模塊(邊長(zhǎng)約14mm)，內(nèi)有許多半導(dǎo)體材料，但只是對(duì)陀螺儀傳感器本身起輔助作用。陀螺儀的運(yùn)作基于科里奧利效應(yīng)(Corioliseffect)的一些物理學(xué)基本原理。

    我很不愿意使用“基本原理”這個(gè)詞，因?yàn)槲液茈y理解陀螺儀的物理結(jié)構(gòu)是如何應(yīng)用這個(gè)原理的。關(guān)鍵點(diǎn)似乎是科里奧利效應(yīng)能夠從旋轉(zhuǎn)速度和陀螺盤移動(dòng)時(shí)的振蕩中得出水平和垂直速度。

    該傳感器是一個(gè)經(jīng)過蝕刻的金屬片，它由受驅(qū)動(dòng)的中心點(diǎn)形成一個(gè)針對(duì)手指的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。初看起來，它極像與45rpm黑膠唱片一起使用的舊固套，能夠在標(biāo)準(zhǔn)的LP軸上旋轉(zhuǎn)(我知道我有點(diǎn)過時(shí)了)。這個(gè)金屬片被耦合到形成基本振蕩的驅(qū)動(dòng)線圈，而獨(dú)立輪輻似乎是用于另一種更復(fù)雜的振蕩模式的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。我就像可憐的大學(xué)新生一樣對(duì)此一知半解，但是我能給出的最好解釋是，輪幅的第二種振蕩模式在金屬片的最初振蕩形成搜尋加速時(shí)就會(huì)受到影響。

    也許實(shí)際工作原理與上述描述有些出入(衷心希望有讀者來為我指正)，但這種機(jī)械結(jié)構(gòu)在結(jié)合某些信號(hào)處理時(shí)實(shí)際上是一個(gè)雙軸加速的向量源。如此看來，Cadence為Gyration設(shè)計(jì)的這款定制IC同時(shí)控制了GYRC10433中的運(yùn)放和ADC。Cadence的器件讀取檢測(cè)信號(hào)來獲得加速數(shù)據(jù)，然后將它轉(zhuǎn)換成模塊可讀的串行數(shù)字格式以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。256B的EEPROM存儲(chǔ)著用于模塊的校準(zhǔn)常數(shù)，可用來補(bǔ)償任何制造性差異。

    無漂移操作

    最后，很聰明的一個(gè)步驟，就是通過懸掛陀螺儀的一組振蕩隔離線圈為陀螺模塊提供4個(gè)信號(hào)/電源連接，從而消除漂移和感應(yīng)定位誤差。

    雖然該產(chǎn)品專為使用PowerPoint的演講人而設(shè)計(jì)，基于手勢(shì)的控制概念已經(jīng)擴(kuò)展到了許多其他領(lǐng)域，包括基于PC的電視遙控器。事實(shí)上，如果能令你花約100美元去購(gòu)買兼容WindowsMedia的GY3101A型通用遙控器，Gyration公司會(huì)非常高興。這個(gè)面向消費(fèi)類應(yīng)用的小玩意采用了基本的Gyrotransport技術(shù)。

    值得一提的是，該產(chǎn)品的FreeSpace核心功能專用的原始硅片面積比1GB的NAND存儲(chǔ)器所需面積少了近6cm2。雖然Gyration產(chǎn)品的存儲(chǔ)功能是為了提升吸引力的附加功能，但存儲(chǔ)器的實(shí)際硅片面積有很大的值得商榷的余地。

    上述拆解分析只是表明，產(chǎn)品的強(qiáng)大功能往往來自相對(duì)較小的芯片，就像陀螺模塊這種情況一樣，產(chǎn)品的主要功能來自于與硅片沒太大關(guān)系的部分。