基于ARM芯片ADμC7022和MMA7260Q加速度傳感器的電子筆設計

本方案采用飛思卡爾半導體的MMA7260Q三軸低量級加速度傳感器實現(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連接。本電子筆使用Cypress的2.4GHz射頻SoC CYRF6934作為無線USB網(wǎng)絡收發(fā)器件，只要在PC端將Cypress的Encore2無線USB網(wǎng)橋連接到PC機的USB口，電子筆即可向PC機進行單向的數(shù)據(jù)傳輸。

　　1　硬件規(guī)劃

　　在本設計中，使用MMA7260Q測量電子筆X、Y、Z三個軸方向上的加速度，使得軟件以此實時計算筆尖的位置，進而生成筆跡。

　　微控制器ADμC7022采集到加速度傳感器輸出的信號后，使用片上ADC完成電壓信號到加速度數(shù)據(jù)的轉換并進行信號的與處理，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機進行后處理。

　　系統(tǒng)使用高能鋰電池供電。為了獲得盡可能長的電池壽命，所有芯片工作在3.3V電壓，以減少開關損耗;在微控制器檢測到電子筆處于靜止狀態(tài)后，微控制器軟件將使無線USB接口芯片進入睡眠狀態(tài)，進一步減少功耗。

　　2　微控制器電路

　　ADμC7022是ADI公司的新一代基于ARM7TDMI 32bitRISC內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40MIPS。其模擬外設包括多達10通道的采樣率為1MSPS、分辨率為12bit的精密模數(shù)轉換器(ADC)、一個溫漂優(yōu)于10ppm/℃的精密帶隙基準電壓源。其他外設包括片內可編程邏輯陣列(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I2C，用于下載/調試的JTAG端口，4個定時器，14個通用I/O引腳。CPU時鐘高達45MHz，片內晶體振蕩器和片內PLL。

　　ADμC7022工作在2.7V～3.6V，在最高工作頻率41.78MHz時僅消耗40mA電流。此外，ADμC702240腳6mmx6mm LFCSP封裝可以顯著減小電路板尺寸，使其比大多數(shù)單片機更適合于對體積和功耗要求較為苛刻的系統(tǒng)。

　　在本設計中，ADμC7022 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)測輸入電池電壓，在電池電壓降低到接近LD0最低輸入電壓后點亮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。

　　ADμC7022的串行接口提供了SPI、UART、I2C接口。ADμC7022的I/O口為復用接口，用戶通過設置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工作于Master模式的SPI模塊，連接到無線USB模塊。微控制器的原理圖如圖1所示。

　　3 加速度傳感器

　　MMA7260Q是飛思卡爾半導體推出的單芯片型三軸低量級加速度傳感器，可以精確地測量X、Y、Z三個方向下低量級的下降、傾斜、位移、定位、撞擊和震動誤差。通過選擇MMA7260Q的靈敏度，可以按1.5g、2g、4g和6g不同量級(g)的重力加速度靈敏度進行設計。MA7260Q使用MEMS工藝制造，在6mm×6mm×1.45mm的體積內集成了加速度傳感器和低通濾波、溫度補償?shù)刃盘栒{理電路，而且預置了全量程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可以運行在2.2V～3.6V的低電壓，工作時僅消耗500μA電流，并配置了3μA睡眠模式及1.0ms快速電源響應，另外還提供快速啟動和休眠模式。這些特性極大地延長了電子筆電池的續(xù)航能力并能為外觀設計預留足夠的空間。