新概念控制笔申报书.docx

新概念控制笔申报书
附件1：
序号： 编码：

第八届“挑战杯”郑州大学
大学生课外学术科技作品竞赛
作 品 申 报 书

作品名称： 新概念PPT控制笔
院系名称： 电气工程学院
个人申报者姓名
（集 体 名 称）： FUTURE

类别：科技制作
□ 自然科学类学术论文
□ 哲学社会科学类社会调查报告和学术论文
□ 科技制作
□ 小发明创造
64 / 65

说 明

1．申报者应在认真阅读此说明各项内容后按要求详细填写。
2．申报者在填写申报作品情况时只需根据个人项目或集体项目填写A1或A2表，根据作品类别（自然科学类学术论文、哲学社会科学类社会调查报告和学术论文、科技制作和小发明创造）分别填写B1、B2或B3表。所有申报者可根据情况填写C表。
3．表内项目填写时一律打印或用钢笔填写（字迹端正），此申报书可复制。
4．序号和编码由第八届“挑战杯” 郑州大学大学生课外学术科技作品竞赛组委会填写。
5．学术论文、社会调查报告及所附的有关材料必须是中文（若是外文，请附中文本），请以4号仿宋体打印在A4纸上，附于申报书后；学术论文及有关材料在8000字以内，社会调查报告在15000字以内（文章版面尺寸16×25cm左右）。
6．科技制作、小发明创造类作品要有1000字以内的作品说明，并附相关的研究报告、图表、曲线、试验数据、原理结构图、外观图（照片）、鉴定证书和应用证书等，打印或粘贴到申报书后。
7．各院系通过初评的作品各一式两份在规定时间内报第八届“挑战杯” 郑州大学竞赛指导委员会办公室（校团委综合办公室）。
8．作品申报书由各院（系）统一报送，同时报送电子版。

B3．申报作品情况（科技制作和小发明创造）
说明：1．必须由申报者本人填写；
2．本表必须附有研究报告，并提供图表、曲线、试验数据、原理结构图、外观图（照片），也可附鉴定证书和应用证书；
3．作品分类请按照作品发明点或创新点所在类别填报。
作品全称
新概念PPT控制笔
作品分类
（ A ）A．机械及控制（包括机械、仪器仪表、自动化控制、工程、交通、建筑等）
B．信息技术 （包括计算机、电信、通讯、电子等）
C．数 理 （包括数学、物理、地球及空间科学等）
D．生命科学 （包括生物、农学、药学、医学、健康、
卫生、食品等）
E．能源化工 （包括能源、材料、石油、化学、化工、
生态、环保等）

作品设计、发明的目的和基本思路
生活中，无论是公司会议、演讲演示还是教师授课都活跃着PPT这一软件的身影，而市场上也已充斥着一大批能够控制PPT的器材。在实际操作中，使用者往往需要在屏幕上进行涂写标注，然而工作台却极大地局限了使用者的操作，而且传统的控制器材功能单一，使用不便，很难涉及到这一方面。如果有一种产品能够实现在PPT上“空中书写”，甚至进行一些“姿态控制”，那该给使用者带来多少便利啊！基于这一目的，我们设计了“新概念PPT控制笔”。
基本思路如下：
通过6轴运动处理传感器MPU6050进行空间运动的数据采集，该传感器能够通过自身集成的3轴MEMS陀螺仪，3轴 MEMS加速度计精确地获得控制器的3轴角速度；通过欧拉角和四元数融和演算，得到横滚角，航偏角，俯仰角，这一组数据通过单片射频收发器件NRF24l01发送给接收板；最后接收板将数据通过PDIUSBD12按照既定的键鼠通讯协议传送给PC，并调用画笔功能，从而实现“空中书写”。同时，利用MPU6050芯片强大的运动数据采集功能，实时收集不同的运动手势所得到的数据。利用已有的数据进行相应的计算分析，就能调用不同的PPT操作功能，这便是“姿态控制”。

创新点、技术关键和主要技术指标
该产品有如下创新点：
1. 特定姿态控制调用相应快捷功能。通过一键姿态控制，搜集姿态信息，进行多种快捷功能的调用，并实现PPT演示中人机无障碍交流的效果。
2. 空中书写。通过追踪PPT控制笔在空中的运动状态，实现空中书写，为使用者授课，演讲提供方便的标注功能。

技术难点及技术关键：
1. 实际操作中控制器对轨迹追踪的灵敏度，姿态判定的可靠性。
2. 单片机及NRF24L01组成的无线通讯系统的设计。
3. 单片机按照USB协议及操作系统通讯的设计。

主要技术性能指标：
1. 产品满足使用者的握持习惯，外形美观。
2. 可控无线通讯距离不小于50米。
3. 运动处理传感器MPU6050对轨迹追踪的准确度及灵敏度。
4. 基于USB1.0/2.0/3.0通讯协议及操作系统交流时，数据传输的可靠性。
作品的科学性先进性（必须说明及现有技术相比、该作品是否具有突出的实质性技术特点和显著进步。请提供技术性分析说明和参考文献资料）
作品的科学性先进性：
1. 通讯按照既定的USB协议进行，对操作系统适用性强，且方便快捷实用，便于推广。
2. 无线通讯模块NRF24L01通讯距离在百米以上（无其他干扰），可通讯范围广，能够解放控制台对操作者的束缚。及此同时，NRF24L01功耗低，在以-6 dBm的功率发射时，工作电流也只有9 mA;接收时，工作电流只有12.3 mA，多种低功率工作模式（掉电模式和空闲模式）使节能设计更方便。
3. 以六轴运动传感器MPU6050为主的运动数据采集模块，数据采集能力强，精度高。MPU605芯片集成3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速度计，以及一个可拓展的数字运动处理器DMP,可通过I2C通信协议传输原始数据。陀螺仪可测范围±500°/秒，加速度计可测范围为±8g(最高可达到±16g)。
4. 响应速度快，对操作者的手势操作能迅速给出响应。
5. 无需各种软硬件支持，即取即用，方便高效。
参考文献：
[1]黄真，李艳文，高峰.空间运动构件姿态的欧拉角表示.机械设计及研究;2002.08.
[2]张振友，李明，田应仲.物体空间姿态的实时测量方法研究.机械设计及研究；2008.10
[3]宋鹏.嵌入式系统中USB接口技术应用研究及开发.计算机工程及应用;2005.04;

作品在何时、何地、何种机构举行的评审、鉴定、评比、展示等活动中获奖及鉴定结果

作品所处
阶 段
（ ）A实验室阶段 B中试阶段 C生产阶段
D （自填）
技术转让
方 式

作品可展示
的 形 式
□ 实物、产品 □模型 □图纸 □磁盘
□ 现场演示 □图片 □录像 □样品

使用说明及该作品的技术特点和优势，提供该作品的适应范围及推广前景的技术性说明及市场分析和经济效益预测
在功能上，这款控制笔除了能够实现翻页控制外，它最突出的功能就是“隔空书写”和“姿态控制”。使用时，通过开启“画笔功能键”即可调用画笔功能，随后使用者手中笔的运动轨迹就能反映在PPT中进行圈点批注等，从而实现“隔空书写”；而“姿态控制”，则是在开启该笔的姿态控制功能之后，对控制笔发出一定的动作，实现进入/退出全屏、清屏等控制功能。
这款新产品不仅继承了传统产品的功能和优势，又弥补了传统产品功能单一、对控制台依赖性强的弊端。而“空中书写”、“姿态控制”功能的实现将进一步解放操作者，使之在完全脱离控制台之后，更挥洒自如。传统PPT控制器已比较普及，但它目前的不足更为我们的新产品提供了广阔的产品市场；尤其是在需要PPT控制的场合，这款产品的功能将发挥的更加出色，为使用者提供最优质的产品体验。
专利申报
情 况
□提出专利申报
申报号
申报日期 年 月 日

□已获专利权批准
批准号
批准日期 年 月 日

□未提出专利申请
C.当前国内外同类课题研究水平概述
说明：1.申报者可根据作品类别和情况填写；
2.填写此栏有助于评审。
对于本团队所研究的课题，我们进行了相关的调查分析：
目前，市场上存在的PPT控制器品牌众多，但功能单一且质量参差不齐，给使用者带来了诸多不便。另外还有一种被称作空中鼠标的产品；虽集成了无线鼠标的功能，但从功能上讲，它仍然只是一个无线鼠标，而非PPT控制的专用工具。而市场上能实现书写的PPT书写设备，主要是“交互式电子白板”；确切地说，在使用该产品实际操作时，它就相当于一块面积特别大的手写板；而且使用不便，需要其它软硬件支持，价格不菲。
经本团队的调查我们得出以下结论，市场上现有的PPT控制产品或功能单一，或需要其他软硬件支持，不适合推广为专用的PPT控制类产品；但就其它方面而言，这些产品除了在技术和功能上给本团队的设计及研究提供了丰富的参考外，也为我们在其原功能升级以及新功能的加入方面提供了一些借鉴和学习！
D.推荐者情况及对作品的说明
说明：1．由推荐者本人填写；
2．推荐者必须具有高级专业技术职称，并是及申报作品
相同或相关领域的专家学者或专业技术人员（教研组
集体推荐亦可）；
3．推荐者填写此部分，即视为同意推荐；
4．推荐者所在单位签章仅被视为对推荐者身份的确认。
推荐者情况
姓 名

性别

年龄

职称

工作单位

通讯地址

邮编

单位电话

住宅电话

手机

推荐者所在
单位签章

（签章） 年 月 日
请对申报者申报情况的真实性作出阐述

请对作品的意义、技术水平、适用范围及推广前景作出您的评价

其它说明

推
荐
者
情
况
姓 名

性别

年龄

职称

工作单位

通讯地址

邮编

单位电话

住宅电话

手机

推荐者所在
单位签章

（签章） 年 月 日
请对申报者申报情况的真实性作出阐述

请对作品的意义、技术水平、适用范围及推广前景作出您的评价

其它说明

F．科技制作和小发明创造类作品说明（附件）打印或粘贴处

附件1：新概念PPT控制笔工作报告（P14--P18）
附件2：新概念PPT控制笔技术报告(P19--P35)
附件3：新概念PPT控制笔调试报告(P36--P41)
附件4：新概念PPT控制笔效益分析(P42--P47)
附件5：新概念PPT控制笔图片说明(P48--P55)
附件6：新概念PPT控制关键算法数学原理阐述（P56—P62）

附件1：

新概念PPT控制笔

工 作 报 告

新概念PPT控制笔工作报告

1、 产品研究的背景
自上世纪九十年代早期开始，由Microsoft开发的PowerPoint办公工具便风靡至今。自此之后，各式各样的PPT辅助类控制产品也层出不穷。无论是商务会议、演讲演示，还是教师授课，无一例外都闪烁着PPT控制笔的身影。诚然，诸如PPT之类的办公型软件的出现给人们的学习和工作带来了极大地便利，而PPT控制笔的出现更是锦上添花，让人们的使用更加便捷。因此，使用PPT控制笔也成为众多用户一个必要选择。
然而，从PPT控制类产品诞生至今，这十几年来它的发展却微乎其微:仍是那几个简单的按键，仍是一个“激光灯”加“上/下翻页”这样简单的功能组合；使得用户在使用时对鼠标及控制台的依赖性太大，这样的PPT控制类产品再难满足用户日益多元化的需求。一种能让人们在控制时完全脱离鼠标束缚、在远距离之外仍操作自如、甚至能够实现“隔空书写”、“姿态控制”等高级功能的PPT控制笔亟待出现，这也必将为用户提供更完美的操作体验！。目前，此类产品的开发基本处于停滞状态，大多数厂商满足于现有的技术及控制器现有的功能。然而，用户的需求决定了PPT控制类产品必须便捷化、智能化，才能为这一产品行业注入全新的生命力、用户体验也才能做到极致。正基于此，我们设计并开发了具有“空中书写”、“姿态控制”等功能的“新概念PPT控制笔”。
2.产品研发的目的及意义
2.1产品研发的目的
众所周知，使用工具的最终目的在于解放人类劳动、提高劳动生产率、增强人类认识世界和改造世界的能力。随着信息技术的发展，未来将出现越来越多的工具方便人类的生活。本团队所开发的新概念PPT控制笔作为一种控制工具，具体来说，它的开发目的在于方便地实现对办公软件的控制，解放人的肢体，使用户的操作更自如便捷，力争为用户提供最有效率的学习工作平台。
2.2产品设计标准
目前国内该领域产品市场鱼龙混杂，没有具体的行业标准；针对这一现状和本团队的研发目的，我们对所设计的产品制定具体的要求及基本的标准：
（一） 操作实用性：产品的操作者是用户，只有将用户的需求放在第一位，充分发挥产品的功用才算完成了我们研发目的的第一步。而这一步其根本在于实用性。针对这一点，作为开发者的我们将尽可能多的集成常用的快捷功能，例如PPT上/下翻页、全屏及退出、画笔调用等，从而方便用户的操作。
（二） 产品的可靠性：可靠性包括对精度和耐用性能。只有精度高，产品才更好的满足用户的需求，只有耐用性强才能适合作为商品推广。
（三）节能环保性：一个优质的产品不仅要有良好的产品体验，更要有长远的发展眼光。科学的发展要求我们，作为一个有责任的团队，我们开发的产品虽小，但所进行的每一步操作都要充分考虑它及环境“可持续性”。这就要求我们，降低产品能耗，采用尽可能省耗的元器件；同时合理安排程序时序，优化产品软硬件设计。
（三） 兼容性：当前各大系统平台都有PPT软件，解决好控制器及各平台的兼容性是提高产品性能的重要一环。
2.2产品研发的意义
新概念PPT控制笔在功能上满足绝大多数用户最基本的使用需求，在此基础上，其“隔空书写”、“姿态控制”等功能更显出众。用户可以在没有鼠标、键盘甚至在百米之外的情况下通过简单的手势操作调取功能，完成操作。这种设计不仅使操作更简单，也更使用户的操作过程变得挥洒自如，甚至使用户的使用过程变得妙趣横生、事半功倍。
从当前国内外此类产品的发展现状来看，本产品的出现势必给此类行业注入新鲜血液，引发新一轮投资及创新热潮。由于其采用的“姿态控制”尚未被广泛应用于控制器类产品，此产品的开发也将为控制器类产品的开发提供新的参考，从而引发一系列新的技术创新、产品改进热潮。
3.产品的研发情况
项目确定之初，我们通过技术资料的收集及现有同类产品的对比，制定了详细的方法标准和初步的研发方案。在进行必要的市场调研、走访大量用户的过程中，我们虚心学习，积极探索，以客户的需求为目标，遵循可靠、稳定、节能的原则，修订产品研发方案，优化产品标准，确定了主要的研发内容。具体如下：
（一） 姿态控制功能的实现。利用6轴运动处理传感器MPU6050芯片强大的运动数据收集功能，采集不同的运动手势所得到的数据；通过单片射频收发器件NRF24l01发送给接收板，接收板将数据通过PDIUSBD12按照既定的键鼠通讯协议传送给PC，调用相应姿态对应的功能，最终实现“姿态控制”。
（二） 空中书写功能的实现。6轴运动处理传感器MPU6050芯片数据处理能力强大，通过采集到的数据进行欧拉角和四元数融和演算，得到横滚角、航偏角、俯仰角，得到移动轨迹并调用画笔功能，追踪并显示轨迹，从而完成操作。
（三） 集成必要的键盘操作。通过单片射频收发器件NRF24l01按照既定的键鼠通讯协议，判定用户操作所对应的按键选项，调用相应的功能。
（四） 可靠性的提高。对应于产品的功能，优化程序设置、选取最适宜的功率配置，提高轨迹追踪的灵敏度及精确度，使其在尽可能远的范围内传输最可靠的数据信息，满足最基本的功能需求。
（五） 后期优化任务。产品研发后期，在各项功能运行稳定的情况下，进行优化调整，主要包括节能性、程序优化、硬件电路布置调整、外观尺寸等方面的改善提高。
4.研发进程安排表
序号
研发内容
时间安排
a
关键技术研究及功能分析
2014.6～2014.7
b
实验验证、样机设计加工及分步调试
2014.7～2014.9
c
样机组装及总体调试
2014.10～2014.12
d
完善功能，针对所发现的问题优化性能
2015.1
e
产品最终定型，项目总结
2015.2

附件2：

新概念PPT控制笔

技术报告

新概念PPT控制笔技术报告

摘要：随着多媒体的迅速普及，各种演讲、授课中PPT的应用已经成为不可或缺的一部分。作为PPT的手持控制设备，新概念PPT控制笔摆脱了传统控制笔功能单一，使用不便，造成使用者对多媒体控制台依赖性强的缺点。该控制笔采用姿态控制方便的调用演讲，授课中所需的快捷功能，并且能够实现空中书写，直接在PPT上圈写标注。这些功能的设置，开启了PPT控制的一种全新体验，极大地方便了使用者。
PPT控制笔的设计提出了一种低成本的解决方案，详细的论述了系统的组成及实现原理。控制端采用低功耗的STC12C5A60S2作为主控微处理器，使用NRF24L01进行无线通信，接收器使用PDIUSBD12进行USB通讯。传感器采用MPU6050芯片，配合卡尔曼滤波算法，姿态解算算法，姿态判定算法及欧拉公式，实现姿态控制和轨迹追踪。具有成本低，可靠性高，使用方便，功能强大的特点。并且程序后期可扩展性强，可以提供丰富的人机交互功能。
PPT控制笔最大的特点是采用全新的设计思路，改变了传统控制笔的操作方式，采用姿态控制和轨迹追踪，将会极大地方便使用者。
一、新概念PPT控制笔系统的概述
新概念PPT控制笔是以传统PPT控制笔为基础，根据用户已有的操作习惯，设计的更便捷的控制方式。该控制笔利用航空芯片的姿态解算技术，无线通信技术，USB协议等，实现了单笔控制PPT演讲，授课常用功能，极大地方便了使用者。
1、课题研究的目的及意义
应用新概念PPT控制笔，您可以通过相应的姿态命令调用演讲、授课过程中常用的快捷功能。既包括传统的上下翻页，全屏退出等，又包括创新的画笔调用，实现空中书写，在演讲、授课的过程中真正实现一笔控制，脱离多媒体控制台的束缚。
新概念PPT控制笔的无线传输范围大于50米，这意味着您使用该控制笔演讲的时候可以直接走进听众，拉进及听众之间的距离，真正融入演讲中。
从目前多媒体的普及程度及PPT的使用情况来看，更全面更便捷的PPT控制方式将会很容易得到普及，并在演讲中开启一种全新的人机交互体验。

二、 系统设计的主要任务
本系统应用STC12C5A60S2作为主控芯片，使用三轴加速度陀螺仪集成传感器MPU6050采集姿态及运动数据，通过NRF24L01进行无线通讯，用PDIUSBD12进行USB通讯，从而构建出了一个实验样机。实验样机的设计包括：系统硬件的设计及调试和控制程序的编写及调试。最终该系统应具有以下功能：
1、 产品满足使用者的握持习惯，外形美观。
2、 可控无线通讯距离不小于50米。
3、 基于USB2.0协议及操作系统通信，保证数据交互的可靠性及及多种操作系统的兼容性。
4、 姿态控制命令的算法解算的可靠性，便于快捷调用功能。
5、 轨迹追踪传感器捕捉的灵敏度，可以实现精确的空中书写。
6、 各模块调用及休眠的切换判定，既保证实时的快速响应，又能够使控制笔的耗电量降到最低。
7、 主程序的设定使控制笔的功能有很强的扩展性。同时可以根据用户操作习惯的不同定制相应的功能。

三、 系统的总体设计
新概念PPT控制笔的设计分为两部分，分别为手持控制发射模块及在多媒体控制台USB接收模块。
手持控制模块主要由运动传感器MPU6050芯片完成运动参数的采集，用单片机运行姿态判定算法和轨迹追踪算法完成数据处理，并进一步进行数据传输封装，传递给NRF24L01进行无线通讯。人工控制命令有对应的按键启动。
无线接收模块由NRF24L01接收无线信号，传送给单片机进行数据拆封处理，并按照USB通讯协议转换成操作系统通讯数据格式，交由PDIUSBD12进行USB通讯，最终完成对操作系统及操作软件的控制。

图1.1系统总体设计
图1.1系统总体设计
3.1 硬件电路设计
3.1.1 MPU6050模块
MPU6050为全球首例整合性6轴运动处理组件，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪及加速器时之轴间差的问题，减少了大量的包装空间。
MPU6050整合了3轴陀螺仪、3轴加速器，并含可藉由第二个I2C端口连接其他厂牌之加速器、磁力传感器、或其他传感器的数位运动处理(DMP: Digital Motion Processor)硬件加速引擎，由主要I2C端口以单一数据流的形式，向应用端输出完整的9轴融合演算技术InvenSense的运动处理资料库，可处理运动感测的复杂数据，降低了运动处理运算对操作系统的负荷，并为应用开发提供架构化的API。

图3.1.1 MPU6050模块
3.1.2 MPU6050数据处理通讯模块
1、姿态解算时所用的是东北天坐标系，正向放置模块向左为x轴，向前为y轴，向上为z轴。欧拉角表示姿态时的坐标旋转顺序定义为z-y-x，即先旋转z轴，再旋转y轴，最后旋转x轴。
2、由于三轴是耦合的，所以只有小角度时会出现独立的变化，在大角度时姿态角会耦合变化。

图3.1.2 MPU6050模块及单片机的连接

3.1.3 STC12C5A60S2简介
1、芯片性能
1）增强型8051 CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051。
2）片上集成1280字节RAM ，60K FLASH ROM。
3）外部中断I/O口7路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模块。Power Down模式可由外部中断唤醒。
4）A/D转换, 10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S(每秒钟25万次)；支持通用全双工异步串行口(UART)。
2、省电模式
STC12C5A60S2系列单片机可运行三种省电模式以降低功能，STC正常工作电流是2mA~7mA，而掉电模式下<0.1uA，空闲模式下<0.1mA。
1) 空闲模式：由电源控制寄存器PCON控制，进入空闲（IDLE）模式后，CPU无时钟停止工作，但外部中断、外部低压检测、定时器、AD转换、串行口等仍正常运行。看门狗在空闲模式下不计数。中断的产生货外部RST复位都会导致退出空闲模式。
2) 低速模式：低速模式通过对系统时钟进行分频，从而降低工作的时钟频率，减低功耗和EMI。低速模式的分频倍数由时钟分频寄存器CLK_DIV决定。可以从系统时钟的1/2到1/128。
3) 掉电模式： 掉电模式也为停机模式，无时钟源。仅外部中断继续工作。
3.1.4 NRF24L01通讯模块
1、 NRF24L01是由NORDIC生产的工作在2.4GHz-2.5GHz的ISM 频段的单片无线收发器芯片。无线收发器包括：频率发生器、增强型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器。广泛用于无线键盘鼠标，智能运动设备，工业传感器等。

图3.1.3-1 NRF24L01收发电路图
2、基本电气特性

图3.1.3-2 NRF24L01电气特性
3、PCB布线图
图3.1.3-3 NRF24L01 PCB布线图
4、工作方式
（1）配置模式
（2）空闲模式
（3）关机模式
工作方式由CE和内部寄存器PWR_UP和PRIM_RX共同控制，见下表：
图3.1.3-4 NRF24L01工作模式选择
3.1.4 NRF24L01通讯模块及MCU的连接
VCC引脚的工作电压为1.9V～3.6V，超过3.6V芯片将会烧毁，推荐电压3.3Ｖ。其余引脚可以直接和51单片机引脚相连。
图3.1.4 NRF24L01通信模块及MCU的连接
3.1.5 PDIUSBD12模块
1、PDIUSBD12芯片是是荷兰飞利浦（Philips）半导体公司的一颗通用USB接口芯片。它支持USB2.0的全速模式（12Mb/s），具有软连接功能和数据流指示灯，使用8位并行的数据口及MCU连接。

图3.1.5-1 PDIUSBD12引脚图

图3.1.5-2 PDIUSBD12外围电路图
1、 PDIUSBD12及MCU连接构成ＵＳＢ模块，负责及操作系统之间的通讯。

图3.1.5-3 PDIUSBD12和单片机连接
3.1.6 USB通讯协议简介
USB是一种支持在USB主机和USB设备之间进行串行数据传输的通信协议。主机作为总线的主叫方，采用两种信令模式：全速模式12Mb/s和低速模式1.5Mb/s。USB使用四种数据传输方式：控制传输（control）、中断传输（interrupt）、批量传输（bulk）及等时传输（isochronous）。其中控制模式主要用于控制指令传输及USB规范的实现，等时传输主要用于音频及视频传输。USB通过两次总线列举（Enumeration and Renumertion）来实现设备识别以及驱动程序析加载。其具体过程为：USB设备连到主机后，主机依据USB规范在特定地址通过端口0（endpoint0）及外设通信，并将外设视为默认设备。外设及主机通信将其6设备标识（DID、PID、VID）发给主机进行第二次总线列举。主机根据设备标识，加载相应设备驱动程序，重新分配地址，并将控制权转交给外设固件（firmware），通过固件及设备驱动程序及主机应用程序的交互通信，来实现外设的功能。
ＵＳＢ通讯协议具有速度快，连接方便，支持热插拔等特性，如今在各种ＰＣ及外设的通讯中获得了广泛的应用。

图3.1.6-1 USB金字塔型拓扑结构

图3.1.6-2 各种USB插座和插头
3.2软件部分实际
3.2.1 系统主程序流程图

3.2.2 NRF24L01程序流程图
接收部分 发射部分
设置接收地址KX_ADDR
设置发射地址TX_ADDR

允许AUTO_ACK
设置接收地址KX_ADDR

开启接收通道
允许AUTO_ACK

选择通道频率
开启接收通道

设置接收数据有效宽度
配置自动重发次数

配置接收参数
选择通道频率，设置接收宽度

配置收发状态
配置发射参数

配置收发状态

3.2.3 ＵＳＢ协议通讯流程图

图3.2.3-1 中断事务流程图

图3.2.3-2 等时事务流程图

图3.2.3-3 USB2.0定义的各种PID

4.可靠性及便捷性研究
无线传输控制中对于控制信号的打包，传输，解压有着可靠性的要求。
NRF24L01是一款单片射频收发器件，工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。广泛应用于无线鼠标键盘等设备，具有极高的工作稳定性。NRF24L01功耗低，在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9 mA;接收时，工作电流只有12.3mA，多种低功率工作模式（掉电模式和空闲模式）使节能设计更方便。
USB是一个外部总线标准，用于规范电脑及外部设备的连接和通讯。USB接口即插即用和热插拔功能。USB接口可连接127种外设，如鼠标和键盘等。USB是在1994年底由英特尔等多家公司联合在1996年推出后，已成功替代串口和并口，已成为当今电脑及大量智能设备的必配接口。USB版本经历了多年的发展，到如今已经发展为3.0版本。具有极高的通用性和便捷性。
此外，控制笔中所使用的MPU6050模块近年来研究应用势头强劲。MPU6050的角速度全格感测范围为±250、±500、±1000及±2000°/sec(dps)，可准确追踪快速及慢速动作，并且，用户可程式控制的加速器全格感测范围为±2g、±4g±8g及±16g。产品传输可透过最高至400kHz的I2C或最高达20MHz的SPI（MPU-6050没有SPI）。MPU-6050可在不同电压下工作，VDD供电电压为2.5V±5%、3.0V±5%或3.3V±5%，逻辑接口VVDIO供电为1.8V± 5%。其他的特征包含内建的温度感测器、包含在运作环境中仅有±1%变动的振荡器。在四轴飞行器，智能运动控制等领域已经广泛应用。
通过采用以上成熟的芯片和技术，保证了产品的可靠应及设计生产的通用性。
5、结论
本设计简要阐述了新概念PPT控制笔姿态控制，轨迹追踪的软件和硬件实现。主程序的设计中充分考虑了产品使用的实际情况，合理安排各个模块的时序及工作状态，保证了控制笔的使用熟悉性和低功耗性。

附件3：

新概念PPT控制笔

调试报告

新概念PPT控制器调试报告

1、概述
此控制器在设计制作过程中的调试包括硬件调试、软件调试和联机调试三大部分。
为加快进度，调试工作及分析设计工作经过同时展开；整个电路设计及功能实现的过程无不穿插着调试工作。这种工作安排也帮助我们更高效地发现问题、排除故障、优化方案。软件调试，主要是对各功能模块的调试；由于分模块调试的方法更便捷高效，也为后来的整体调试节省了不少时间。最后联机调试是我们调试工作的最后一步，也是核心部分；它主要包括对实验电路的整体运行记录及分析。最终，由于进度安排得当，调试工作在保证质量的前提下提前完成。
2.使用的仪器仪表及工具
主要设备：
（一） STC51实验板
（二） PC
（三） 相序仪
（四） 示波器
（五） 其它：万用表、手持式电烙铁等
3.硬件制作及调试
3.1 系统PCB板的设计
PCB线路板即印刷电路板，是电子元器件电气连接的提供者。采用PCB板使我们的产品布线更少、装配更快捷，便于提高效率。在设计时，我们以电路原理图为蓝本，同时借助计算机辅助设计软件——Altium公司的PROTEL系列软件完成从SCH到PCB的设计；并由主要负责人员完成对了电路的焊接以及整机的装配工作。优秀的PCB板能够承载良好的电路性能，因此在线路设计中我们也充分考虑了外部连接的布局、电磁保护、热耗散、串音等各种因素；力求达到最好的电路性能和散热性能。
3.2 硬件调试
本文硬件调试分析，针对调试过程中体现出来的突出问题，详细论述如下：
(1)电源调试
电源的选择是最基础的电路调试过程，不适当的电源常常不能使样机正常工作，甚至损坏器件。调试过程中，充分考虑电源选择时常有的问题——电压值不符合设计要求，电源引出线和插座不对应，电源功率不足、负载能力差等，选出最合适的电源供电。
尽管如此，在对NRF24L01模块进行调试时，也还是因为分析不到位，导致芯片损坏；这一分析失误导致问题的过程也提醒了我们在后面的调试工作。 图1-1 MPU6050的调试

(2)器件调试
本产品的器件调试，只要是对NRF24L01芯片以及MPU6050芯片的元器件 进行的。调试过程中发现，部分芯片偶有失效现象。后得 知元器件失效一方面可能是器件本身损坏或性能不符合要求造成的；另一方面也可能是由于组装错误造成的，如电解电容、二极管的极性错误，集成块安装方向错误等。在经过上述分析之后，本团队重新分析并调试，最终确定了如下失效原因：对于NRF24L01模块，由于距离设置不当导致数据包丢失；MPU6050则是因为波特率设置不对，致使不能正常工作。图示为各模块的调试过程：
图1-2 MPU6050调试数据记录

图1-2 USB通讯调试
(3)可靠性调试
在该产品的研发目的中就明确提出产品要有足够的可靠性，这一点使我们不得不对其可靠性进行分析调试。在影响系统可靠性的因素中，插接件接触不良、采样周期选择不当、存在扰动信号、电源纹波系数过大、器件负载过大等造成控制逻辑混乱等，在这一调试过程中都有所体现。除此之外，由于PCB板的布线及组装有瑕疵，也对样机的可靠性产生了影响。
4. 软件及联机调试
4.1 主控程序调试
本项目软件调试过程主要是对数据采集及收发程序、数据分析处理程序的调试。基于此，我们采用了模块程序设计技术，逐个模块调好以后，再进行系统程序总调试。
此款产品的数据收集处理主要是通过欧拉角及四元数之间的转换完成的，由于加速度二次积分误差累积较大，且算法复杂，着实给调试工作带来了不少阻碍。然而最终还是打开思路，完成了对这一部分的调试；这对产品的可靠性又是一次不小的提升。
软件调试时分时分模块进行的，在一次调试中没有错误稳定运行后，又对整个系统进行合并调试。而不能确定定时精度、等问题。在反复运行多次之后，最终保证了产品定时精度高、CPU的实时响应正常、长时间联机工作稳定等性能。
5. 实验结果
经过测试，现阶段研发的产品已完全能够实现预期的设计目标。

附件4：

新概念PPT控制笔

效益分析报告

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一、市场前景
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