基于ARM和加速度傳感器的電子畫筆設(shè)計(jì)

　　摘 要：介紹了當(dāng)前不同類型的電子筆，比較了它們之間的優(yōu)缺點(diǎn)并應(yīng)用微控制器ADuC7022、三軸低量級加速度傳感器MA7260Q和無線USB接口芯片CYRF6934實(shí)現(xiàn)了基于空間加速度計(jì)算的無線電子畫筆的設(shè)計(jì)。

　　關(guān)鍵詞：ADuC7022 加速度 無線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。在國內(nèi)，漢王公司在手寫識別方面一直居領(lǐng)先地位，引領(lǐng)著國內(nèi)電子筆的發(fā)展。國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)品充分利用了藍(lán)牙(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)進(jìn)行互動(dòng)通信。雖然它的外觀和書寫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)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)容都可以立刻傳送，信息處理變得更個(gè)性化，且因無需使用字母輸入而大大簡化了發(fā)送文本信息的過程。

　　作為電子筆背后的關(guān)鍵技術(shù)，筆跡識別一直是人們研究的重點(diǎn)。總體上，電子筆按照定位方式的不同可以劃分為四類：射頻定位型、圖像識別型、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。圖像識別型電子筆應(yīng)用圖像識別算法識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，通過對加速度的運(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)簡單，易于實(shí)現(xiàn)。但因受傳感器解析度的制約，市面上一直沒有此類的成熟產(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連接。本電子筆使用Cypress的2.4GHz射頻SoC CYRF6934作為無線USB網(wǎng)絡(luò)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(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后，使用片上ADC完成電壓信號到加速度數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換并進(jìn)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(jī)進(jìn)行后處理。

　　系統(tǒng)使用高能鋰電池供電。為了獲得盡可能長的電池壽命，所有芯片工作在3.3V電壓，以減少開關(guān)損耗;在微控制器檢測到電子筆處于靜止?fàn)顟B(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。

　　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加速度傳感器，可以精確地測量X、Y、Z三個(gè)方向下低量級的下降、傾斜、位移、定位、撞擊和震動(dòng)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(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)刃盘栒{(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)部開關(guān)濾波電容時(shí)鐘的干擾，提高測量的精度。

　　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可以避免來自如2.4GHz頻段中802.11b、藍(lán)牙(Bluetooth)等其他系統(tǒng)的信號干涉，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1.8～3.6V，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接口電路如圖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對數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制后通過PCB上的印制天線發(fā)送給PC端的無線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語言中的main()函數(shù)。C語言程序完成剩余的初始化任務(wù)后開始采集數(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MMA7260Q的參照設(shè)計(jì)開發(fā)工具中提供的各種組件。針對需求進(jìn)行開發(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MMA7269Q開發(fā)和測試并進(jìn)行全面評估，加快產(chǎn)品的開發(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)。由于這些函數(shù)參數(shù)比較多，所以可以開發(fā)一個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫，使用戶開發(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dll讀寫設(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，就可以使用inPortb和out-portb來操作端口了。

　　由于電子筆的應(yīng)用前景和市場前景非常廣闊，現(xiàn)在世界上一些主要的相關(guān)廠家都在競相開發(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三軸低量級加速度傳感器和SoC CYRF6934無線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)超越鍵盤在普通紙(或任意介質(zhì))上自然手寫輸入，猶如給人們提供一把開啟信息時(shí)代新大門的金鑰匙。它將加速度結(jié)構(gòu)與無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來，具有結(jié)構(gòu)簡單、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，在市場上占有一席之地。

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