基于ARM和加速度傳感器的電子畫筆設(shè)計(jì)

1、基于arm和加速度傳感器的電子畫筆設(shè)計(jì)介紹了當(dāng)前不同類型的筆，比較了它們之間的優(yōu)缺點(diǎn)并應(yīng)用微控制器aduc7022、三軸低量級(jí)加速度ma7260q和無線接口芯片cyrf6934實(shí)現(xiàn)了基于空間算的子畫筆的設(shè)計(jì)。隨著計(jì)算機(jī)的普及，電子筆作為新興的人機(jī)交互工具進(jìn)展快速。在國(guó)內(nèi)，漢王公司在手寫識(shí)別方面向來居率先地位，引領(lǐng)著國(guó)內(nèi)電子筆的進(jìn)展。國(guó)外則將筆跡與辦公軟件關(guān)聯(lián)起來，建立了數(shù)字墨水的概念。2001年6月，愛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(bluetooth)無線技術(shù)和gprs網(wǎng)絡(luò)，可傳輸手寫文本并與移動(dòng)電話、計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)舉行互動(dòng)通信。雖然它的外觀和

2、書寫方式與一支一般的筆相同，但chatpen可以借助一種印在一般紙上幾乎看不見的點(diǎn)模式“讀”出它的位置。這些信息通過藍(lán)牙和gprs移動(dòng)電話，消費(fèi)者即可同時(shí)在紙上以數(shù)字方式書寫。用戶將發(fā)覺自己不再僅限于基于文本的短消息或電子郵件，只要用法chatpen就可以通過移動(dòng)電話、pc或掌上電腦(pda)隨時(shí)發(fā)送手寫便條。畫下來或?qū)懴聛淼娜魏蝺?nèi)容都可以立即傳送，信息處理變得更共性化，且因無需用法字母輸入而大大簡(jiǎn)化了發(fā)送文本信息的過程。作為電子筆背后的關(guān)鍵技術(shù)，筆跡識(shí)別向來是人們討論的重點(diǎn)?？傮w上，電子筆根據(jù)定位方式的不同可以劃分為四類：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

3、寫的平面附近或書寫板上放置聲波發(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)掃描的筆跡畫面，筆跡最臨近原跡。壓感型電子筆需要壓感板感觸筆尖壓力彎成筆記的恢復(fù)。加速度型電子筆應(yīng)用運(yùn)動(dòng)學(xué)算法，通過對(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，因而結(jié)構(gòu)容易，易于實(shí)現(xiàn)。但因受傳感器解析度的制約，市面上向來沒有此類的成熟產(chǎn)品。本計(jì)劃采納的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。無線usb器件為電子筆提供了即插即用的銜接。本電子筆用法的2.4ghz射頻 cyrf6934作為

4、無線usb網(wǎng)絡(luò)件，只要在pc端將cypress 的encore2 無線usb網(wǎng)橋銜接到pc機(jī)的usb口，電子筆即可向pc機(jī)舉行單向的數(shù)據(jù)傳輸。1 硬件規(guī)劃在本設(shè)計(jì)中，用法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，用法片上完成信號(hào)到加速度數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換并舉行信號(hào)的與處理，最后通過spi接口發(fā)送到無線usb接口芯片cyrf6934，將數(shù)據(jù)傳送到pc機(jī)舉行后處理。系統(tǒng)用法高能鋰電池供電。為了獲得盡可能長(zhǎng)的電池壽命，全部芯片工作在3.3v電壓，以削減開關(guān)損耗；在微控制器檢測(cè)到電子筆處于靜止

5、狀態(tài)后，微控制器軟件將使無線usb接口芯片進(jìn)入睡眠狀態(tài)，進(jìn)一步削減功耗。2 微控制器aduc7022是公司的新一代基于7tdmi 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、62kbytes flashrom和8kbytessram，最高處理能力達(dá)40。其模擬外設(shè)包括多達(dá)10通道的采樣率為1msps、辨別率為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)可編程規(guī)律陣列 (pla)，同步、異步串行接口等。其片上的pll電路允許用法頻率較低的外部晶振，以削減系統(tǒng)的emi。串行接口包括uart

6、,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)晶體和片內(nèi)pll。aduc7022工作在2.7v3.6v，在最高工作頻率41.78mhz時(shí)僅消耗40ma。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)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adc0adc2銜接到mma7260q三軸加速度輸出引腳，adc2銜接到電池正極，監(jiān)測(cè)輸入電池電壓，在電池電壓降低到臨近最低輸入電壓后點(diǎn)亮提示用戶更換電池。微控制器

7、的p0.0和p0.1腳銜接到mma7260q的sel1和sel2引腳，作為加速度敏捷度的控制信號(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，用戶通過設(shè)置spm模塊的控制寄存器可在gpio、uart、uart/spi/i2c和可編程規(guī)律陣列中做出挑選。本文硬件用法了一個(gè)工作于master模式的spi模塊，銜接到無線usb模塊。微控制器的原理圖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、撞擊和震驚誤差。通過挑選mma7260q

8、的敏捷度，可以按1.5g、2g、4g和6g不同量級(jí)（g）的重力加速度敏捷度舉行設(shè)計(jì)。ma7260q用法工藝創(chuàng)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2.2v3.6v的低電壓，工作時(shí)僅消耗500?滋a電流，并配置了3a睡眠模式及1.0ms迅速電源響應(yīng)，另外還提供迅速啟動(dòng)和休眠模式。這些特性極大地延伸了電子筆電池的續(xù)航能力并能為外觀設(shè)計(jì)預(yù)留足夠的空間。sel1和sel2為敏捷度挑選輸入引腳，對(duì)應(yīng)敏捷度的真值表如表1所示。加速

9、度傳感器輸出電壓vout為：其中，voffset為0加速度偏置,v/g為加速度敏捷度,1g為地球重力, 為傾斜角度。xout、yout和zout分離為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的敏捷度，每軸輸出電壓在0.85v2.45v之間。加速度傳感器電路2所示。在mma7260q的輸出上設(shè)置了rc，用于濾除內(nèi)部開關(guān)濾波時(shí)鐘的干擾，提高測(cè)量的精度。4 無線usb接口cyrf6934是cypress半導(dǎo)體的2.4ghz射頻soc無線usb網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器件。該無線收發(fā)器工作在2.4"2.483ghz

10、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，用法戶能夠在世界范圍內(nèi)推廣用法其解決計(jì)劃，而無需受地區(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可以避開來自如2.4ghz頻段中802.11b、藍(lán)牙（bluetooth）等其他系統(tǒng)的信號(hào)干涉，以及來自無繩電話和微波爐的無線輻射；cyrf6934的工作電壓范圍為1.83.6v，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)接口與微控制器舉行通訊，可實(shí)現(xiàn)62.5kbps速率的雙向或單向rf傳輸，平均延時(shí)

11、小于10ms。在沒有數(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。無線usb接口電路3所示。微控制器采集的加速度數(shù)據(jù)在經(jīng)過預(yù)處理后通過spi接口發(fā)送到cyrf6934。cyrf6934對(duì)數(shù)據(jù)舉行調(diào)制后通過上的印制天線發(fā)送給pc端的無線usb網(wǎng)橋。芯片全部vcc上用法0.1uf電容去耦并用法一個(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加速度敏捷度的挑選和cyrf6934控制寄存器的初始化。匯編語言完成微處理器堆棧

12、、隊(duì)列的初始化并引導(dǎo)系統(tǒng)執(zhí)行中的main()函數(shù)。c語言程序完成剩余的初始化任務(wù)后開頭采集數(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)中除了用法mma7269q傳感器的加速器解決計(jì)劃外，還可通過mma7260q的參照設(shè)計(jì)開發(fā)工具中提供的各種組件。針對(duì)需求舉行開發(fā)，以提高軟、硬件效率，并最大程度地削減因軟件矛盾導(dǎo)致的系統(tǒng)工作不穩(wěn)定的因素。同時(shí)用法kit3109mma7260q的硬件環(huán)境完成對(duì)mma7269q開發(fā)和測(cè)試并舉行全面評(píng)估，加快產(chǎn)品的開發(fā)速度。軟件的流程圖4所示。完成驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)后，設(shè)計(jì)應(yīng)用程序在拜訪驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，需要用到一些windows系列操作系統(tǒng)的專用api函數(shù)。因?yàn)檫@些函數(shù)參數(shù)比較多，

13、所以可以開發(fā)一個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫，用法戶開發(fā)應(yīng)用程序涉及不到底層驅(qū)動(dòng)設(shè)備的操作，可以和一般api函數(shù)一樣操作硬件。囫圇系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)5所示。應(yīng)用這種分層的結(jié)構(gòu)，用戶程序可以通過dll讀寫設(shè)備。dll提供應(yīng)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、讀寫端口等。這樣，在應(yīng)用程序中加入自己的動(dòng)態(tài)鏈接庫后，就可以用法inportb和out-portb來操作端口了。因?yàn)殡娮庸P的應(yīng)用前景和市場(chǎng)前景十分廣大，現(xiàn)在世界上一些主要的相關(guān)廠家都在競(jìng)相開發(fā)和推出具有各自特色的新產(chǎn)品。本設(shè)計(jì)計(jì)劃將無線通信的優(yōu)點(diǎn)與傳統(tǒng)的usb接口有機(jī)地結(jié)合起來，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無線usb網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器憑借其完善的性能和低成本，可以滿足無線領(lǐng)域中非網(wǎng)絡(luò)端的需求