基于ARM和加速度傳感器的電子畫(huà)筆設(shè)計(jì)
關(guān)鍵詞：ADuC7022 加速度 無(wú)線USB 電子筆
隨著計(jì)算機(jī)的普及，電子筆作為新興的人機(jī)交互工具發(fā)展迅速。在國(guó)內(nèi)，漢王公司在手寫(xiě)識(shí)別方面一直居領(lǐng)先地位，引領(lǐng)著國(guó)內(nèi)電子筆的發(fā)展。國(guó)外則將筆跡與辦公軟件關(guān)聯(lián)起來(lái)，建立了數(shù)字墨水的概念。2001年6月，愛(ài)立信宣布推出世界上第一支數(shù)字筆—— Chat2penCHA-30。該產(chǎn)品充分利用了藍(lán)牙(Bluetooth)無(wú)線技術(shù)和GPRS網(wǎng)絡(luò)，可傳輸手寫(xiě)文本并與移動(dòng)電話、計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行互動(dòng)通信。雖然它的外觀和書(shū)寫(xiě)方式與一支普通的筆相同，但Chatpen可以借助一種印在普通紙上幾乎看不見(jiàn)的點(diǎn)模式“讀”出它的位置。這些信息通過(guò)藍(lán)牙和GPRS移動(dòng)電話，消費(fèi)者即可同時(shí)在紙上以數(shù)字方式書(shū)寫(xiě)。用戶將發(fā)現(xiàn)自己不再僅限于基于文本的短消息或電子郵件，只要使用Chatpen就可以通過(guò)移動(dòng)電話、PC或掌上電腦(PDA)隨時(shí)發(fā)送手寫(xiě)便條。畫(huà)下來(lái)或?qū)懴聛?lái)的任何內(nèi)容都可以立刻傳送，信息處理變得更個(gè)性化，且因無(wú)需使用字母輸入而大大簡(jiǎn)化了發(fā)送文本信息的過(guò)程。
作為電子筆背后的關(guān)鍵技術(shù)，筆跡識(shí)別一直是人們研究的重點(diǎn)?？傮w上，電子筆按照定位方式的不同可以劃分為四類(lèi)：射頻定位型、圖像識(shí)別型、壓感定位型和加速度定位型。射頻定位型電子筆需要在書(shū)寫(xiě)的平面附近或書(shū)寫(xiě)板上放置聲波發(fā)生器，借助發(fā)生器發(fā)出的超聲波完成筆觸的三維定位，精度高但結(jié)構(gòu)和算法復(fù)雜。圖像識(shí)別型電子筆應(yīng)用圖像識(shí)別算法識(shí)別安放在筆頭部分的微型攝像機(jī)掃描的筆跡畫(huà)面，筆跡最接近原跡。壓感型電子筆需要壓感板感受筆尖壓力彎成筆記的復(fù)原。加速度型電子筆應(yīng)用運(yùn)動(dòng)學(xué)算法，通過(guò)對(duì)加速度的運(yùn)算獲得筆尖的運(yùn)動(dòng)軌跡，結(jié)合筆跡分析算法即可將筆跡復(fù)現(xiàn)出來(lái)，因而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。但因受傳感器解析度的制約，市面上一直沒(méi)有此類(lèi)的成熟產(chǎn)品。
本方案采用飛思卡爾半導(dǎo)體的MMA7260Q三軸低量級(jí)加速度傳感器實(shí)現(xiàn)了筆觸的空間定位。無(wú)線USB器件為電子筆提供了即插即用的連接。本電子筆使用Cypress的2.4GHz射頻SoC CYRF6934作為無(wú)線USB網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器件，只要在PC端將Cypress 的Encore2 無(wú)線USB網(wǎng)橋連接到PC機(jī)的USB口，電子筆即可向PC機(jī)進(jìn)行單向的數(shù)據(jù)傳輸。
1 硬件規(guī)劃
在本設(shè)計(jì)中，使用MMA7260Q測(cè)量電子筆X、Y、Z三個(gè)軸方向上的加速度，使得軟件以此實(shí)時(shí)計(jì)算筆尖的位置，進(jìn)而生成筆跡。
微控制器ADuC7022采集到加速度傳感器輸出的信號(hào)后，使用片上ADC完成電壓信號(hào)到加速度數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換并進(jìn)行信號(hào)的與處理，最后通過(guò)SPI接口發(fā)送到無(wú)線USB接口芯片CYRF6934，將數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)進(jìn)行后處理。
系統(tǒng)使用高能鋰電池供電。為了獲得盡可能長(zhǎng)的電池壽命，所有芯片工作在3.3V電壓，以減少開(kāi)關(guān)損耗；在微控制器檢測(cè)到電子筆處于靜止?fàn)顟B(tài)后，微控制器軟件將使無(wú)線USB接口芯片進(jìn)入睡眠狀態(tài)，進(jìn)一步減少功耗。
2 微控制器電路
ADuC7022是ADI公司的新一代基于ARM7TDMI 32bit RISC內(nèi)核的精密模擬微控制器，片上集成了10通道12位的ADC（1MSPS）、電壓比較器、62Kbytes FlashROM和8KbytesSRAM，最高處理能力達(dá)40MIPS。其模擬外設(shè)包括多達(dá)10通道的采樣率為1MSPS、分辨率為12bit的精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、一個(gè)溫漂優(yōu)于10ppm/℃的精密帶隙基準(zhǔn)電壓源。其他外設(shè)包括片內(nèi)可編程邏輯陣列 (PLA)，同步、異步串行接口等。其片上的PLL電路允許使用頻率較低的外部晶振，以減少系統(tǒng)的EMI。串行接口包括UART,SPI和2個(gè)I2C,用于下載/調(diào)試的JTAG端口,4 個(gè)定時(shí)器, 14個(gè)通用 I/O引腳。CPU時(shí)鐘高達(dá)45MHz,片內(nèi)晶體振蕩器和片內(nèi)PLL。
ADuC7022工作在2.7V～3.6V，在最高工作頻率41.78MHz時(shí)僅消耗40mA電流。此外，ADuC702240腳6mm×6mm LFCSP封裝可以顯著減小電路板尺寸，使其比大多數(shù)單片機(jī)更適合于對(duì)體積和功耗要求較為苛刻的系統(tǒng)。
在本設(shè)計(jì)中，ADuC7022 ADC工作在單端模式，ADC模塊的ADC0～ADC2連接到MMA7260Q三軸加速度輸出引腳，ADC2連接到電池正極，監(jiān)測(cè)輸入電池電壓，在電池電壓降低到接近LDO最低輸入電壓后點(diǎn)亮LED提醒用戶更換電池。微控制器的P0.0和P0.1腳連接到MMA7260Q的SEL1和SEL2引腳，作為加速度靈敏度的控制信號(hào)。
ADuC7022的串行接口提供了SPI、UART、I2C接口。ADuC7022的I/O口為復(fù)用接口，用戶通過(guò)設(shè)置SPM模塊的控制寄存器可在GPIO、UART、UART/SPI/I2C和可編程邏輯陣列中做出選擇。本文硬件使用了一個(gè)工作于Master模式的SPI模塊，連接到無(wú)線USB模塊。微控制器的原理圖如圖1所示。
3 加速度傳感器
MMA7260Q是飛思卡爾半導(dǎo)體推出的單芯片型三軸低量級(jí)加速度傳感器，可以精確地測(cè)量X、Y、Z三個(gè)方向下低量級(jí)的下降、傾斜、位移、定位、撞擊和震動(dòng)誤差。通過(guò)選擇MMA7260Q的靈敏度，可以按1.5g、2g、4g和6g不同量級(jí)（g）的重力加速度靈敏度進(jìn)行設(shè)計(jì)。MA7260Q使用MEMS工藝制造，在6mm×6mm×1.45mm的體積內(nèi)集成了加速度傳感器和低通濾波、溫度補(bǔ)償?shù)刃盘?hào)調(diào)理電路，而且預(yù)置了全量程0g偏置。它的封裝尺寸很小，只需較小的板卡空間即可。此外，MMA7260Q可以運(yùn)行在2.2V～3.6V的低電壓，工作時(shí)僅消耗500?滋A電流，并配置了3μA睡眠模式及1.0ms快速電源響應(yīng)，另外還提供快速啟動(dòng)和休眠模式。這些特性極大地延長(zhǎng)了電子筆電池的續(xù)航能力并能為外觀設(shè)計(jì)預(yù)留足夠的空間。
SEL1和SEL2為靈敏度選擇輸入引腳，對(duì)應(yīng)靈敏度的真值表如表1所示。加速度傳感器輸出電壓VOUT為：
其中，VOFFSET為0加速度偏置,ΔV/ΔG為加速度靈敏度,1G為地球重力, θ為傾斜角度。
Xout、Yout和Zout分別為X、Y、Z三個(gè)方向加速度信號(hào)的輸出引腳，輸出電壓與加速度的關(guān)系如（1）式所示。MMA7260Q的0g偏置電壓為1.65V，對(duì)于1.5g的靈敏度，每軸輸出電壓在0.85V～2.45V之間。
加速度傳感器電路如圖2所示。在MMA7260Q的輸出上設(shè)置了RC濾波器，用于濾除內(nèi)部開(kāi)關(guān)濾波電容時(shí)鐘的干擾，提高測(cè)量的精度。
4 無(wú)線USB接口
CYRF6934是Cypress半導(dǎo)體的2.4GHz射頻SoC無(wú)線USB網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器件。該無(wú)線收發(fā)器工作在2.4~2.483GHz的ISM公共頻段內(nèi)，突破了27MHz、400MHz以及900MHz眾多系統(tǒng)共有的各種限制，使用戶能夠在世界范圍內(nèi)推廣使用其解決方案，而無(wú)需受地區(qū)性頻率要求的約束，從而具備了全球通用性、合理的功率規(guī)格以及更高的通信頻寬。借助DSSS技術(shù)，CYRF6934可以避免來(lái)自如2.4GHz頻段中802.11b、藍(lán)牙（Bluetooth）等其他系統(tǒng)的信號(hào)干涉，以及來(lái)自無(wú)繩電話和微波爐的無(wú)線輻射；CYRF6934的工作電壓范圍為1.8～3.6V，作用有效范圍10米；配置了62.5kbps的數(shù)據(jù)吞吐量和高達(dá)2MHz傳輸頻率的SPI微機(jī)接口與微控制器進(jìn)行通訊，可實(shí)現(xiàn)62.5kbps速率的雙向或單向RF傳輸，平均延時(shí)小于10ms。在沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，CYRF6934可在微控制器的控制下進(jìn)入低功耗模式，降低系統(tǒng)能耗。
無(wú)線USB接口電路如圖3所示。微控制器采集的加速度數(shù)據(jù)在經(jīng)過(guò)預(yù)處理后通過(guò)SPI接口發(fā)送到CYRF6934。CYRF6934對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制后通過(guò)PCB上的印制天線發(fā)送給PC端的無(wú)線USB網(wǎng)橋。芯片所有VCC上使用0.1uF電容去耦并使用一個(gè)10uF電容作為充放電電容。
5 軟件設(shè)計(jì)
作為底層的硬件驅(qū)動(dòng)程序，軟件需要完成系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集處理和傳送等工作。系統(tǒng)初始化主要包括微處理器的堆棧、隊(duì)列和內(nèi)部控制寄存器的初始化、MMA7260Q加速度靈敏度的選擇和CYRF6934控制寄存器的初始化。匯編語(yǔ)言完成微處理器堆棧、隊(duì)列的初始化并引導(dǎo)系統(tǒng)執(zhí)行C語(yǔ)言中的main()函數(shù)。C語(yǔ)言程序完成剩余的初始化任務(wù)后開(kāi)始采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)的循環(huán)。
軟件設(shè)計(jì)中除了使用MMA7269Q傳感器的加速器解決方案外，還可通過(guò)MMA7260Q的參照設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工具中提供的各種組件。針對(duì)需求進(jìn)行開(kāi)發(fā)，以提高軟、硬件效率，并最大程度地減少因軟件沖突導(dǎo)致的系統(tǒng)工作不穩(wěn)定的因素。
同時(shí)使用KIT3109MMA7260Q的硬件環(huán)境完成對(duì)MMA7269Q開(kāi)發(fā)和測(cè)試并進(jìn)行全面評(píng)估，加快產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)速度。軟件的流程圖如圖4所示。
完成驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)后，設(shè)計(jì)應(yīng)用程序在訪問(wèn)驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，需要用到一些Windows系列操作系統(tǒng)的專(zhuān)用API函數(shù)。由于這些函數(shù)參數(shù)比較多，所以可以開(kāi)發(fā)一個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，使用戶開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序涉及不到底層驅(qū)動(dòng)設(shè)備的操作，可以和普通API函數(shù)一樣操作硬件。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖5所示。
應(yīng)用這種分層的結(jié)構(gòu)，用戶程序可以通過(guò)dll讀寫(xiě)設(shè)備。dll提供給應(yīng)用程序的接口函數(shù)包括初始化設(shè)備、關(guān)閉設(shè)備、讀寫(xiě)端口等。這樣，在應(yīng)用程序中加入自己的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)后，就可以使用inPortb和out-portb來(lái)操作端口了。
由于電子筆的應(yīng)用前景和市場(chǎng)前景非常廣闊，現(xiàn)在世界上一些主要的相關(guān)廠家都在競(jìng)相開(kāi)發(fā)和推出具有各自特色的新產(chǎn)品。本設(shè)計(jì)方案將無(wú)線通信的優(yōu)點(diǎn)與傳統(tǒng)的USB接口有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，不僅能提供較高的數(shù)據(jù)傳輸率，而且改進(jìn)了數(shù)據(jù)的接入方式，同時(shí)MMA7260Q三軸低量級(jí)加速度傳感器和SoC CYRF6934無(wú)線USB網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器憑借其完美的性能和低成本，可以滿足無(wú)線領(lǐng)域中非網(wǎng)絡(luò)端的需求，并且使傳輸系統(tǒng)更加方便、可靠。
本電子筆在不改變?nèi)藗児P紙交流傳統(tǒng)方式的前提下，實(shí)現(xiàn)超越鍵盤(pán)在普通紙(或任意介質(zhì))上自然手寫(xiě)輸入，猶如給人們提供一把開(kāi)啟信息時(shí)代新大門(mén)的金鑰匙。它將加速度結(jié)構(gòu)與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來(lái)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、數(shù)據(jù)傳輸方便和即插即用等諸多優(yōu)點(diǎn)。本電子筆的推廣應(yīng)用必將成為人們推動(dòng)社會(huì)信息化的超強(qiáng)助手和促進(jìn)辦公自動(dòng)化的工具，在一定意義上實(shí)現(xiàn)電腦和手機(jī)隨筆行，在市場(chǎng)上占有一席之地。
參考文獻(xiàn)
[1] Analog Semiconductor. Precision analog microcontroller 12-bit analog I/O, ARM7TDMI MCU Rev A. 2006.
[2] Freescale Semiconductor. ±1.5g-6g Three axis low-g micromachined accelerometer. 2006，2.
[3] Cypress Semiconductor. WirelessUSBTM LS 1-way hid networks. 2003，8.
[4] Cypress Semiconductor. WirelessUSB LR 2.4GHz DSSS radio soc. 2005，3.
[5] Cypress Semiconductor. WirelessUSBTM dual antenna design layout guidelines. 2005，3.
下載文檔
