具有實(shí)時(shí)振動(dòng)補(bǔ)償?shù)娘@示模塊的設(shè)計(jì)

引言

　　我們跑步或騎自行車時(shí)，手臂的振動(dòng)常常使我們手中的電子設(shè)備所顯示的圖像看起來(lái)模糊不清，長(zhǎng)時(shí)間觀看（如觀看MP4視頻、收發(fā)短信等）容易造成視覺(jué)疲勞。汽車輪船的顯示設(shè)備（如車載GPS），強(qiáng)振動(dòng)機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)以及一些工程機(jī)械（如挖掘機(jī)、推土機(jī)等）也會(huì)發(fā)生類似的問(wèn)題。可見(jiàn)，由于振動(dòng)而導(dǎo)致顯示效果模糊不清的現(xiàn)象是普遍存在的。

　　究其原因，在于這些顯示設(shè)備輸出的均為靜態(tài)圖像，基礎(chǔ)的振動(dòng)使其成為（相對(duì)于人）振動(dòng)圖像，由于人神經(jīng)系統(tǒng)的滯后（人的正常反應(yīng)時(shí)間大約需要0.3s），造成大腦所接收到的是模糊不清的畫面。當(dāng)然對(duì)于人的神經(jīng)系統(tǒng)我們暫時(shí)束手無(wú)策，但是我們可以首先檢測(cè)出基礎(chǔ)的振動(dòng)狀態(tài)，由微控制器控制顯示器件的輸出圖像朝反方向偏移（如此，實(shí)時(shí)的偏移即是動(dòng)態(tài)顯示），綜合的顯示效果自然是（相對(duì)于人）靜止不動(dòng)的圖像，上面的問(wèn)題就迎刃而解了。

問(wèn)題的描述

　　問(wèn)題的產(chǎn)生

　　正常情況下顯示器件相對(duì)觀察者是靜止的，但很多情況下顯示器件會(huì)發(fā)生振動(dòng)，這些振動(dòng)會(huì)使顯示器件所顯示的圖像看起來(lái)模糊不清，長(zhǎng)時(shí)間觀看容易造成視覺(jué)疲勞。如圖1所示，基礎(chǔ)振動(dòng)在⊿t時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生（⊿x，⊿y）的絕對(duì)位移（這里假定人靜止不動(dòng)），由于顯示器件所顯示的圖像是靜態(tài)的或者是與基礎(chǔ)振動(dòng)無(wú)關(guān)的動(dòng)態(tài)圖像流，那么圖像也會(huì)在這⊿t時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生（⊿x，⊿y）的絕對(duì)位移。人的視覺(jué)系統(tǒng)的反應(yīng)速度（人的正常反應(yīng)時(shí)間大約需要0.3s）低于基礎(chǔ)振動(dòng)的速度，幾幅相互間有偏移的圖像就會(huì)重疊在一起如圖1所示，造成圖像看起來(lái)模糊不清。

問(wèn)題的解決方法

　　最容易也是最簡(jiǎn)單的解決辦法就是測(cè)量出在⊿t時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的（⊿x，⊿y）絕對(duì)位移值，然后控制顯示器件使輸出圖像產(chǎn)生相反方向的偏移量（-⊿x，-⊿y）。這樣綜合的效果是圖像相對(duì)觀察者是靜止的，圖像又變得清晰了！

　　要實(shí)現(xiàn)這種對(duì)振動(dòng)圖像的補(bǔ)償會(huì)遇到幾個(gè)挑戰(zhàn)。首先，是基礎(chǔ)振動(dòng)的絕對(duì)位移值的測(cè)量，我們先來(lái)分析基礎(chǔ)振動(dòng)的特點(diǎn)：

　　·振動(dòng)頻率低（3Hz~30Hz）；

　　·振幅較小（1mm~3mm），據(jù)此我們可以計(jì)算基礎(chǔ)振動(dòng)的最大加速度(amax=4π2f2?A=10.87g)；

　　·對(duì)顯示效果影響最大的是顯示器件平面內(nèi)的平面運(yùn)動(dòng)；

　　·振動(dòng)多發(fā)生在便攜設(shè)備上。

　　針對(duì)這種振動(dòng)最簡(jiǎn)單的測(cè)量方法是實(shí)時(shí)測(cè)得振動(dòng)的加速度a，然后對(duì)其作時(shí)間的二次積分得到基礎(chǔ)振動(dòng)的絕對(duì)位移值，這種方法不適合做長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)量，因?yàn)榉e分的起始點(diǎn)選擇可靠性和加速度的噪聲會(huì)使長(zhǎng)時(shí)間的積分運(yùn)算后誤差放大?，F(xiàn)在問(wèn)題歸納為對(duì)一個(gè)加速度a＜10.87的振動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，并對(duì)加速度a作二次積分計(jì)算位移值。其次，是如何實(shí)時(shí)輸出具有相反方向偏移量的動(dòng)態(tài)圖像。這涉及到兩個(gè)速度：處理器的運(yùn)算速度和顯示器件的響應(yīng)速度。因?yàn)閷?shí)時(shí)動(dòng)態(tài)圖像的顯示需要很大的計(jì)算量（處理每秒鐘40幀的128×64的單色圖像就需要每秒40 kBytes的處理量，這對(duì)MCU是個(gè)較大的挑戰(zhàn)）；普通的LCD屏幕也要有較長(zhǎng)的響應(yīng)延時(shí)，刷新一幅128×64的單色圖像就需要1024×72μs=73.7ms（ST7920），這簡(jiǎn)直無(wú)法實(shí)現(xiàn)圖像的動(dòng)態(tài)顯示。還有一個(gè)問(wèn)題是顯示模塊與信源的通訊，模塊化設(shè)計(jì)要有方便的數(shù)據(jù)接口以適應(yīng)不同的要求，還要考慮到顯示模塊長(zhǎng)期的振動(dòng)會(huì)使通訊電纜造成疲勞損壞。

設(shè)計(jì)概述

　　基礎(chǔ)振動(dòng)的絕對(duì)位移值的測(cè)量

　　上文提到，基礎(chǔ)振動(dòng)的絕對(duì)位移值的測(cè)量可歸納為對(duì)一個(gè)加速度 a＜10.87的振動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，并對(duì)加速度a作二次積分計(jì)算位移值。本系統(tǒng)中加速度傳感器采用低量程三軸向加速度傳感器MMA7260QT，最大量程為±6g，響應(yīng)頻寬為fXY=350Hz、fZ=150Hz，MMA7260QT的敏感方向如圖3所示，XY軸輸出電壓與芯片平面內(nèi)的加速度成比例。

[!--empirenews.page--]

因?yàn)樗獪y(cè)量的加速度值和重力加速度值在一個(gè)量級(jí)，所以要考慮重力加速度的影響。讓傳感器平面平行于顯示器件平面（如圖4中的ABC平面為顯示器平面，平面為水平面），初始位置時(shí)傳感器各軸所測(cè)得的加速度分量aX0、aY0、aZ0反映了顯示器相對(duì)水平面的傾角（圖4中的θ1、θ2）。如果顯示器只在當(dāng)前平面內(nèi)做平動(dòng)，aX0、aY0、aZ0就是X、Y、Z的加速度的常值分量；如果顯示器還在當(dāng)前平面內(nèi)有轉(zhuǎn)動(dòng)，只有aZ0是Z軸加速度的常值分量，aX0、aY0是隨轉(zhuǎn)角θ1、θ2而變的變量；如果顯示器Z軸與鉛垂線夾角還有變化，aZ0也是隨轉(zhuǎn)角θ1而變的變量。第一種情形的處理比較簡(jiǎn)單，直接將aX0、aY0、aZ0作為初始位置靜止的初值，是積分不變量，進(jìn)行二次積分即可得到位置；第二、三種情形處理較為復(fù)雜，要將aX0、aY0、aZ0作為初始位置運(yùn)動(dòng)的初值，也看作積分不變量，但是進(jìn)行二次積分時(shí)要知道初始位置的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，這要選擇振動(dòng)加速度的極值點(diǎn)（此時(shí)速度為零）作為運(yùn)動(dòng)的起始點(diǎn)開(kāi)始積分，當(dāng)然這種算法會(huì)稍微復(fù)雜。

還要考慮加速度的噪聲會(huì)因?yàn)榉e分而被放大，使積分結(jié)果不準(zhǔn)。加速度噪聲的來(lái)源有：傳感器本身的噪聲、周邊電路的電磁串?dāng)_、電源的波動(dòng)、負(fù)載的波動(dòng)（OLED的功耗與被點(diǎn)亮的點(diǎn)數(shù)成比例）。MMA7260QT傳感器內(nèi)部集成信號(hào)電路輸出紋波較?。╪RMS=4.7mVrms），為了濾去由于電磁干擾等引起的高頻噪聲，給系統(tǒng)加一個(gè)通頻帶在50Hz內(nèi)的RC低通濾波器。由于模擬濾波器難以調(diào)整，系統(tǒng)的軟件還加入了簡(jiǎn)單而且快速的數(shù)字慣性濾波器，能很好地消除周期性干擾和較寬頻率的隨機(jī)干擾信號(hào)。

　　實(shí)時(shí)輸出具有相反方向偏移量的動(dòng)態(tài)圖像

　　上文已述及處理器的運(yùn)算速度和顯示器件的響應(yīng)速度是兩個(gè)關(guān)鍵。本系統(tǒng)顯示器件選擇OLED器件即有機(jī)發(fā)光二極管（Organic Light-Emitting Diode，OLED）該顯示器件具有輕薄、易攜、全彩、高亮度、省電、視角寬廣及高應(yīng)答速度等優(yōu)點(diǎn)，為未來(lái)人機(jī)互動(dòng)的接口開(kāi)啟了新的紀(jì)元，如今采用OLED作為顯示器件的電子產(chǎn)品幾乎已經(jīng)普及。

　　本系統(tǒng)所采用的OLED顯示材料的響應(yīng)時(shí)間在μs量級(jí)，OLED器件的驅(qū)動(dòng)芯片SSD1303的并行總線寫入時(shí)間僅為300ns，因此總的響應(yīng)時(shí)間（包括驅(qū)動(dòng)芯片的延遲和OLED材料的延遲）仍然是μs，只要MCU速度足夠快，是完全能實(shí)現(xiàn)圖像的動(dòng)態(tài)顯示的。另外SSD1303支持垂直偏移指令和水平滾動(dòng)指令，因此只需將GDDRAM一次寫滿，圖像需要平動(dòng)時(shí)僅需要寫一條偏移或滾動(dòng)指令，而不是刷新整個(gè)GDDRAM。

　　本系統(tǒng)所采用的微控制器MC9S08QG8工作頻率高達(dá)20MHz，有8kBytes的FLASH存儲(chǔ)器，512Bytes的RAM。如果處理器僅用來(lái)完成圖像數(shù)據(jù)的變換和GDDRAM的刷新是沒(méi)有問(wèn)題的，但是處理器還要進(jìn)行數(shù)字濾波等處理，難以完成所有的工作，因此系統(tǒng)采用偏移或滾動(dòng)指令來(lái)實(shí)現(xiàn)平動(dòng)。

　顯示模塊與信源的通訊

　　為了方便與信源接口，本系統(tǒng)采用MC9S08QG8自帶的SPI控制器，提供SPI接口作為信號(hào)輸入通道。考慮到顯示模塊可能工作在比較惡劣的場(chǎng)合，通訊線纜連接固定的信源和振動(dòng)的顯示模塊，會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)期的彎曲而疲勞破壞，本系統(tǒng)特意設(shè)計(jì)集成了單片射頻收發(fā)芯片，可以進(jìn)行短距離無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。單片射頻收發(fā)芯片采用挪威Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發(fā)芯片nRF905，它能簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)200m范圍內(nèi)的傳輸速率在100kb/s內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸。

硬件描述

　　本系統(tǒng)的硬件框圖如圖5所示。整個(gè)硬件系統(tǒng)由微控制器電路、加速度傳感器電路、濾波器電路、OLED電路、射頻收發(fā)電路和穩(wěn)壓電路組成。

　本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的微控制器電路如圖6所示，MC9S08QG8包含上電復(fù)位電路（POR）和內(nèi)部時(shí)鐘源（ICS），這會(huì)簡(jiǎn)化微控制器電路且減少外部時(shí)鐘電路造成的高頻干擾。MC9S08QG8具有單線的背景調(diào)試接口（BDM），能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)總線捕捉，系統(tǒng)采用BDM進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試并附加LED作為工作指示。

OLED電路[!--empirenews.page--]

　　本系統(tǒng)如圖7所示，是用雙色OLED12864顯示屏，采用SSD1303驅(qū)動(dòng)。支持64級(jí)亮度控制，工作電壓在2.4V-3.5V之間，最大列電極輸出電流320μA，最大行電極吸入電流45mA，單色256級(jí)對(duì)比度控制，內(nèi)置振蕩器，垂直、水平滾動(dòng)顯示支持。OLED的片選端接到PA0，數(shù)據(jù)輸入端與加速度采集端分時(shí)復(fù)用。由于本系統(tǒng)不需要讀GDDRAM，為了節(jié)省I/O，將RD、RES端置高。

射頻收發(fā)電路

　　射頻收發(fā)電路如圖8所示，采用挪威Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發(fā)模塊nRF905，工作頻率覆蓋433/868/915MHz三個(gè)國(guó)際通用的ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué))頻段，可用在需要多信道工作的特殊場(chǎng)合；它是GMSK調(diào)制，抗干擾能力強(qiáng)，適合工業(yè)控制場(chǎng)合。采用DSS+PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性極好；靈敏度高（達(dá)到+100dBm）；最大發(fā)射功率達(dá)+10dBm；使用距離最遠(yuǎn)可達(dá)1000米。工作電壓低(1．9V~3．6V)，功耗小（待機(jī)狀態(tài)僅為1μA），以+10dBm的輸出功率發(fā)射時(shí)電流只有11mA，工作于接收模式時(shí)的電流為12.5mA，并且內(nèi)建空閑模式與關(guān)機(jī)模式，易于實(shí)現(xiàn)節(jié)能。工作速率最高可達(dá)100kb/s，外圍元件少(僅10個(gè))，基本無(wú)需調(diào)試。SPI控制腳接到MC9S08QG8的SPI腳上，接收數(shù)據(jù)完成腳DR接MC9S08QG8的外部中斷請(qǐng)求腳（IRQ），JP3用來(lái)選擇發(fā)送/接收模式。

軟件描述

　　系統(tǒng)軟件主要包括初始化模塊、刷新GDDRAM模塊、讀取加速度模塊、數(shù)字濾波模塊、極值判斷模塊、積分模塊、輸出偏移量模塊和中斷處理模塊。程序的流程如圖9，具體的程序?qū)崿F(xiàn)這里不作贅述。