陀螺儀傳感器為何能使鼠標(biāo)變得如此自由？

最近對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，價值150美元(其中包括一個FreeSpace功能鼠標(biāo)以及一個接在主機(jī)上的獨(dú)立USB收發(fā)適配器中的1GB閃存驅(qū)動器)。對于不熟悉這類產(chǎn)品的人來說，它只是一個簡單易用的基于自由空間移動和手勢的定位和控制系統(tǒng)。在假象的平面上揮動鼠標(biāo)，屏幕上的光標(biāo)就會跟著移動，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，這些操作都能夠很方便地實(shí)現(xiàn)。

    我不得不承認(rèn)在一開始時遇到了一點(diǎn)小麻煩：因?yàn)槲也荒軐蓚€按鍵同時操作，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，不過解決了這個小問題后，剩下的操作就簡單了。

    1GB閃存驅(qū)動器 

    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，同時內(nèi)置了1GB的NAND存儲器。在待分析的部件中有一個Micron科技制造的MT29F8G08FABA1GBNAND封裝，它在一個TSOP封裝內(nèi)堆疊了4個256MB的SLCNAND芯片，這對這個已經(jīng)非常方便的小鼠標(biāo)來說起到了錦上添花的作用。為了使存儲器可以充當(dāng)閃存驅(qū)動器使用，由Cypress的CY7C68033USB控制器來處理USB和存儲器接口。

    連接控制器和存儲器的是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)時代看到的傳感器有很大的差別，它的個頭特別大。其尺寸接近大塊糖果的模塊(邊長約14mm)，內(nèi)有許多半導(dǎo)體材料，但只是對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)速度和陀螺盤移動時的振蕩中得出水平和垂直速度。

    該傳感器是一個經(jīng)過蝕刻的金屬片，它由受驅(qū)動的中心點(diǎn)形成一個針對手指的復(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)過時了)。這個金屬片被耦合到形成基本振蕩的驅(qū)動線圈，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)測點(diǎn)。我就像可憐的大學(xué)新生一樣對此一知半解，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就會受到影響。

    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)合某些信號處理時實(shí)際上是一個雙軸加速的向量源。如此看來，Cadence為Gyration設(shè)計(jì)的這款定制IC同時控制了GYRC10433中的運(yùn)放和ADC。Cadence的器件讀取檢測信號來獲得加速數(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)動控制。256B的EEPROM存儲著用于模塊的校準(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個信號/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美元去購買兼容WindowsMedia的GY3101A型通用遙控器，Gyration公司會非常高興。這個面向消費(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存儲器所需面積少了近6cm2。雖然Gyration產(chǎn)品的存儲功能是為了提升吸引力的附加功能，但存儲器的實(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。