1. 任务介绍

本项目旨在开发一款基于 RP2350B 微控制器的多功能空中鼠标（Air Mouse）。主要功能包括：

• 姿态解算：利用加速度计数据，通过互补滤波或低通滤波算法解算当前的俯仰（Pitch）和横滚（Roll）角度。
• USB HID 输出：将解算出的姿态角度映射为 USB 鼠标的光标移动，并支持左键、右键及自定义快捷键。
• 交互与显示：
• • 4个拨码开关：用于硬件设置鼠标灵敏度档位（0-15）。
  • WS2812 LED：根据不同颜色指示当前连接状态、灵敏度热力图显示及休眠呼吸效果。
  • 4个按键：分别映射鼠标左键、右键、中键及演示翻页功能，支持短按与长按区分。
  • • K1: 左键 / PageUp
    • K2: 启用禁用 / 重置中心
    • K3: 中键 / F5
    • K4: 右键 / PageDown
  • 双位数码管：实时显示当前灵敏度档位数值。
  • 电源管理：支持空闲自动休眠，并通过摇动或按键唤醒的低功耗设计。

2. 项目介绍

该项目使用了RP2350B核心板、C 语言，实现了一个 RP2350B 空中鼠标系统的设计。它的主要功能为：基于 RP2350B，板上有 KXTJ3 姿态传感器、双位 7 段数码管、2 颗 WS2812 及 8 个单色 LED，主要用于实现 USB 体感鼠标与光效交互演示。
本项目这款集成了体感控制与丰富人机交互界面的嵌入式输入设备。核心在于利用微控制器的强大算力和丰富外设，将简单的传感器数据转化为流畅的人机交互体验。项目不仅实现了基本的空中鼠标功能，还通过精心设计的 UI（数码管、RGB LED）提供了直观的状态反馈。主要应用于演示演讲、智能电视控制等场景，无需桌面即可操作光标。

3. 硬件介绍

本项目基于 RP2350B 平台，主要硬件组成如下：

1. 主控芯片 (MCU)：RP2350B。

• • 采用双核架构（ARM Cortex-M33 / RISC-V），本项目主要使用其 ARM 核心。
  • 利用其 PIO（可编程 I/O）和 DMA（直接存储器访问）特性来驱动高速外设，减轻 CPU 负担。

2. 姿态传感器 (IMU)：KXTJ3-1057。

• • 一款低功耗三轴加速度计，通过 I2C 接口与 MCU 通信。
  • 由于该传感器仅提供加速度数据（无陀螺仪），本项目采用基于倾角测量的算法来模拟鼠标移动。

3. 显示模块：2位 7段数码管（共阳/共阴可选）。

• • 由两片 74HC595 移位寄存器级联驱动。
  • 用于显示当前的灵敏度等级（00-15）或其他状态代码。

4. RGB 指示灯：WS2812B。

• • 集成控制器的全彩 LED，用于指示连接状态（红/绿）和呼吸灯效果。

5. 辅助指示灯：8个单色 LED。

• • 用于辅助显示灵敏度档位（二进制或进度条形式）。

6. 输入设备：

• • 4个 轻触按键：接入 ADC 输入端，通过电阻分压网络识别不同按键。
  • 4位 拨码开关：接入 ADC 或 GPIO，用于配置参数。

7. 接口：Type-C USB 接口，用于供电及 USB HID 通信。

4. 方案框图和项目设计思路

4.1 系统框图

4.2 设计思路

1. 高性能并发架构：

• • 项目采用了 Super Loop + 中断/DMA 的架构。
  • 主循环 (100Hz)：负责核心业务逻辑，包括传感器读取、姿态解算、按键扫描和 USB 报文发送。
  • 底层驱动：
  • • Display (74HC595)：利用 PIO (Programmable I/O) 状态机实现高速串行数据发送，完全不占用 CPU 时间，实现高刷新率无闪烁显示。
    • WS2812：采用 PWM + DMA 方案生成精确时序，避免在发送 LED 数据时关闭中断，保证了 USB 通信的稳定性。
    • USB 任务：通过 TinyUSB 协议栈处理 HID 中断传输，确保鼠标回报率。

2. 姿态解算算法：

• • 由于硬件限制（仅加速度计），采用 倾角检测算法。
  • 计算重力向量在 X/Y 轴的分量来得出 Pitch 和 Roll 角度。
  • 引入 低通滤波器 (Low Pass Filter) 平滑数据，减少手部抖动带来的光标颤动。
  • 加入 死区 (Deadzone) 控制，确保静止时鼠标光标稳定。

3. 状态机管理：

• • 系统维护 DISCONNECTED -> CONNECTED -> SLEEP 三种状态。
  • 通过 加速度幅值检测 实现“摇一摇唤醒”功能，当检测到的加速度变化超过阈值时，自动从低功耗模式唤醒。

5. 调试软件及关键代码说明

5.1 开发环境

• 编程语言：C (C11 Standard)
• 构建系统：CMake (3.22+) + Pico SDK (v2.2.0) + ARM GNU Toolchain (13.3.rel1)
• IDE：Visual Studio Code
• 调试工具：串口助手（用于打印 Log）

5.2 软件流程图

1. 系统初始化：

• • 配置时钟 -> 初始化 PIO (Display) -> 初始化 PWM/DMA (WS2812) -> 初始化 I2C (IMU) -> 初始化 ADC (Keys)。

2. 主任务 (Air Mouse Task)：

• • 10ms 周期运行一次。
  • Step 1: 读取 KXTJ3 加速度数据 (ax, ay, az)。
  • Step 2: 读取 ADC 按键值并消抖，判断短按/长按。
  • Step 3: attitude_update() 更新姿态角度。
  • Step 4: 根据拨码开关计算灵敏度系数。
  • Step 5: 调用 usb_hid_mouse_move(dx, dy) 发送 HID 报文。
  • Step 6: 根据状态更新 LED 颜色（正常：绿色/热力图；休眠：蓝色呼吸）。

5.3 关键代码解析

1. 姿态解算 (App/Attitude.c)
由于没有陀螺仪，代码核心在于将加速度分量转换为倾角，并进行滤波：

// 计算倾角 (简化版)
float pitch_accel = atan2f(ax, sqrtf(ay * ay + az * az)) * RAD_TO_DEG;
float roll_accel = atan2f(ay, sqrtf(ax * ax + az * az)) * RAD_TO_DEG;


// 低通滤波 (IIR Filter)
// alpha 为滤波系数，越小越平滑但延迟越高
filter->pitch = LOWPASS_ALPHA * pitch_accel + (1.0f - LOWPASS_ALPHA) * filter->pitch;

2. 鼠标移动控制 (App/Air_Mouse.c)
将角度转换为像素位移，并加入灵敏度控制：

// 灵敏度 = 基础值 + 拨码开关增益
float sens_factor = 0.5f + (s_sensitivity_level * 0.3f);
// 计算位移
float dx_f = pitch * sens_factor * MOUSE_SCALE_FACTOR;
// 限制最大速度并发送
usb_hid_mouse_move((int8_t)dx_f, (int8_t)dy_f);

3. PIO 驱动 74HC595 (App/Display_595)
利用 PIO 状态机自动完成移位和锁存信号的生成，CPU 仅需写入需要显示的数据字：

// PIO 程序片段
pull block      // 等待 FIFO 有数据
out pins, 8     // 输出 8 位段选
set pins, 1     // 产生 Latch 上升沿
set pins, 0     // 产生 Latch 下降沿

6. 功能展示图及说明

1. 灵敏度调节：

• • 操作拨码开关，可以看到双位数码管显示的数值从 00 变化至 15。
  • 同时 WS2812 LED 的颜色会从 蓝色（低灵敏度）渐变至 红色（高灵敏度），提供直观的热力图视觉反馈。

2. 空中鼠标操作：

• • 手持开发板前后倾斜，鼠标光标在屏幕上垂直移动。
  • 左右倾斜，光标水平移动。
  • 短按 K1 键实现鼠标左键点击，长按实现 PageUp 翻页（PPT 模式）。

3. 休眠与唤醒：

• • 静置设备 10 秒后，数码管熄灭，WS2812 转为蓝色呼吸灯模式（Sleep Mode）。
  • 拿起设备摇晃，指示灯瞬间变绿，数码管重新点亮，恢复鼠标控制。

7. 项目中遇到的难题及解决方法

难题 1：纯加速度计的抖动与漂移
问题：KXTJ3 只有加速度计，受手部微小抖动影响严重，光标难以精确定位。
解决：
实施了强低通滤波，虽然牺牲了少许响应速度，但通过调整 LOWPASS_ALPHA 找到了平滑度与延迟的平衡点。
实现了 死区 (Deadzone) 逻辑，当倾角小于一定阈值（如 2度）时，强制输出为 0，防止静止时光标漂移。
难题 2：多外设并发导致的时序冲突
问题：WS2812 对时序要求极高（800kHz），早期使用软件 bit-banging 方式时，一旦产生 USB 中断，LED 就会闪烁乱码；反之若关闭中断驱动 LED，则 USB 连接会掉线。
解决：全面采用硬件卸载。
WS2812 改用 PWM + DMA 方式，DMA 自动搬运数据到 PWM 占空比寄存器，完全无需 CPU 干预且不关中断。
74HC595 改用 PIO，同样独立于 CPU 运行。
这确保了 USB 通信（TinyUSB）可以随时响应，互不干扰。
难题 3：USB 复合设备枚举失败
问题：同时模拟鼠标和键盘时，Windows 经常提示 "Code 43" 描述符错误。
解决：仔细检查并重写了 usb_descriptors.c，确保 Interface Number 和 Endpoint Address 不冲突，并且正确设置了 ReportID，使得系统能区分鼠标数据和键盘数据。

难题 4：R-2R网络控制8个按钮抖动冲突

问题：由于按钮和拨码使用的是R-2R网络，导致检测过程存在抖动情况

解决：放宽按钮控制阈值，限制按钮无冲突按下范围，保证多个按钮不会同时按下的情况下按键可靠

8. 心得体会

通过本次项目的开发，我深入理解了 RP2350 系列芯片独特的 PIO 架构优势。在传统 MCU 上，驱动 WS2812 和高刷新率数码管往往需要消耗大量 CPU 资源或复杂的中断管理，而 PIO 让我们能像设计 FPGA 一样定义外设行为，极大地简化了软件逻辑。