《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于TMS320VC5509A的超聲波電子筆設(shè)計
電子科技大學(xué) 冉涌 陳立萬
摘要:  超聲波電子筆系統(tǒng)由一個主機設(shè)備和一只電子筆組成,。其中主機設(shè)備包含兩個位置固定的超聲波傳感器,、超聲接收電路、信號采集和用于筆觸位置計算的DSP處理器,。為了功能完善,DSP外接有SD卡存儲器、液晶顯示器(LCD),,溫度傳感器和紅外發(fā)生器
關(guān)鍵詞: DSP 超聲波 TMS320VC5509A TI公司
Abstract:
Key words :

 

    隨著計算機應(yīng)用的普及,對便攜式輸入設(shè)備的要求也越來越高,。人們希望能隨時隨地用電子設(shè)備記錄下原始的書寫內(nèi)容,。傳統(tǒng)的基于傳感材料的手寫筆系統(tǒng)需要特殊的書寫材料,,使它的應(yīng)用范圍受到限制。超聲波相對與電磁波速度要小得多,,其傳播的時間較容易檢測,,將其應(yīng)用于電子筆系統(tǒng)中,可以使輸入設(shè)備更加便捷,,筆跡跟蹤準(zhǔn)確,。
  DSP擁有高速的運算能力,適合于大運算量的信號處理,,在超聲波電子筆系統(tǒng)中將其作為信號處理的核心處理器是一個良好的選擇,。本系統(tǒng)綜合應(yīng)用傳感器技術(shù)、波形檢測和筆跡形成技術(shù),,實現(xiàn)記錄手寫筆跡的功能,。當(dāng)電子筆在任意平面書寫的同時,筆跡即刻顯示在主設(shè)備的屏幕上,,同時筆跡信息存儲到主設(shè)備的SD卡中,,并且可以上傳至電腦,作進(jìn)一步的處理,。它適用于移動辦公,、電化教育、網(wǎng)絡(luò)會議等多種場合,。
  1 超聲波筆跡檢測原理
  超聲波是一種彈性機械波,,其傳播時能量相對集中,衰減小,,不受光線和周圍物體顏色的影響,,廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測之中。電子筆系統(tǒng)要精確完成筆跡形成和存儲的功能,,首先是要利用超聲波檢測出各個采樣時刻筆觸所在位置,。為此,需要一個超聲波發(fā)生器安裝于筆觸位置,,兩個超聲波傳感器固定在一個主設(shè)備上,。它們的幾何位置關(guān)系可以由圖1表示,其中R(L)和R(R)是兩個固定的超聲波傳感器,,TX是筆觸上的超聲波發(fā)生器,,a為R(L)與R(R)之間的距離,是一個已知常量,。
  在有紅外信號同步的情況下,,b和c的大小可以通過渡越時間法實時測量得到。然后,,以R(L)所在位置為原點,,以R(L)和R(R)的連線為x軸建立平面坐標(biāo)系,,由簡單的幾何知識得到此時筆觸的位置坐標(biāo)為
  通過反復(fù)測量,以75 Hz頻率采樣形成點跡,,多個時刻的點跡最終形成連續(xù)筆跡,。為了避免環(huán)境噪聲干擾和多套系統(tǒng)同時使用時產(chǎn)生的相互干擾,采用文獻(xiàn)敘述的兩步檢測和時隙跳變檢測方法,。
  2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
  超聲波電子筆系統(tǒng)由一個主機設(shè)備和一只電子筆組成,。其中主機設(shè)備包含兩個位置固定的超聲波傳感器、超聲接收電路,、信號采集和用于筆觸位置計算的DSP處理器,。為了功能完善,DSP外接有SD卡存儲器,、液晶顯示器(LCD),,溫度傳感器和紅外發(fā)生器,其整體架構(gòu)如圖2所示,。
  接收電路分前級放大,,帶通濾波,,后級放大,,整形電路幾部分。因為直接由超聲波傳感器接收到的信號十分微弱,,需要進(jìn)行前級放大,,此處選用高精度單片運算放大器OP07實現(xiàn)。帶通濾波采用壓控電壓源二階帶通濾波器,,其電路原理如圖3所示,,它通過改變RF和R4的比例就可改變頻寬而不影響中心頻率,電路參數(shù)由下面的公式計算得到,,中心頻率
  核心處理器選用TI公司的16位低功耗DSP芯片TMS320VC5509A,。VC55-09A主頻最高達(dá)200 MHz,內(nèi)部有雙乘法器,,支持DMA操作,,集成有USBl.1控制器、多路A/D轉(zhuǎn)化器,,并且它自帶MMC控制器,,可以擴展MMC卡和SD卡作為存儲設(shè)備。SD卡主要用于存儲形成的筆跡信息,,用于事后通過片上集成的USB接口上傳至電腦作進(jìn)一步處理,,比如通過文字識別軟件生成標(biāo)準(zhǔn)字體;液晶顯示器實時顯示筆跡信息,,并且調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)使有利于人機交互,;溫度傳感器用于監(jiān)控環(huán)境溫度,,由于超聲波在空氣中的傳播速度是一個與溫度有關(guān)的量,需要對檢測的筆跡結(jié)果作修正,;紅外發(fā)生器配合電子筆中的紅外接收器工作,,作為超聲波測距時的同步信號。
  在與SD卡連接時,,直接利用TMS320VC5509A自帶的MMC控制器,,通過對EBSR(外部總線選擇寄存器)的設(shè)置,來選擇工作于MMC/SD模式或MCBSP(多通道緩沖串口)模式,,對SD卡的操作其接口方式,,如圖4所示。
  顯示部分,,為了使編程方便,,選用了日本SEIKOEPSON公司的SEDl335控制器,它可以直接與DSP相連,,有較強功能的I/O緩沖器,,在其內(nèi)部時鐘全周期內(nèi),可全速響應(yīng)DSP的訪問,,使DSP的數(shù)據(jù)總線直接與控制器的數(shù)據(jù)接口連接,。
  電子筆部分,主要是在MCU的控制下產(chǎn)生超聲波信號,,出于小體積和低功耗的考慮,,選擇了微芯公司8位閃存PIC單片機PICl0F。PICl0F是6引腳的SOT-23封裝,,指令執(zhí)行速度可達(dá)2 MI/S,,它具備8 MHz內(nèi)置振蕩器,具有波形生成功能,。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力,,借鑒雷達(dá)波形設(shè)計方法,波形設(shè)計為偽隨機的M序列,,頻率設(shè)置為40 kHz,。電子筆中的壓力傳感器安裝于筆觸頂端,用于檢測電子筆是否與書寫平面接觸,,只有與書寫平面接觸時,,才啟動其它電路,以節(jié)省功耗,。
          3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
  主設(shè)備的軟件系統(tǒng)采用μC/OS多任務(wù)系統(tǒng),,其中點跡計算和筆跡形成部分利用VC5509A有雙乘法器的特點,用匯編語言高效實現(xiàn),整體軟件功能,,如圖5所示,。
 
  系統(tǒng)初始化時完成主程序的入口設(shè)置,將寄存器清零,,設(shè)置中斷矢量,,對ROM區(qū)和RAM區(qū)進(jìn)行初始化。
  參數(shù)設(shè)置是對采樣時間,,檢測方式等參數(shù)進(jìn)行配置,。
  來波檢測部分,首先由檢測電路引起的中斷計算出時間差,,以此作為點跡計算的依據(jù),,然后由坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系計算出當(dāng)前點跡位置。計算過程中包含開方運算,,采用牛頓迭代法完成,。
  SD卡的操作包括初始化和讀寫兩項操作。初始化時要分別對SD卡控制器和SD卡初始化,。SD卡控制器的初始化主要是完成各種參數(shù)的配置,,包括控制器與DSP數(shù)據(jù)傳輸?shù)腄MA方式、傳輸速率,、讀寫超時設(shè)置和讀寫數(shù)據(jù)塊長度等,;SD卡的初始化主要是檢測卡的電壓狀態(tài),分配相對地址,。
  DSP訪問液晶控制器時,,首先將指令代碼寫入指令緩沖器,,隨后將該指令所需參數(shù)按順序通過數(shù)據(jù)輸入緩沖器寫入相應(yīng)的功能寄存器中,。其中SEDl335指令代碼既可設(shè)置功能位,又是參數(shù)寄存器的選通碼,。
  手寫筆內(nèi)部MCU部分的程序既要通過壓力傳感的信號判斷筆觸是否已經(jīng)與紙張接觸,,又要判斷主設(shè)備的紅外同步信號,當(dāng)檢測就緒時,,才產(chǎn)生設(shè)定頻率的超聲波信號,。
  4 結(jié)束語
  經(jīng)實驗測試,主設(shè)備能實時跟蹤筆觸的運動軌跡,,顯示圖像與筆觸劃過路徑保持一致,,完成了筆跡跟蹤、顯示與存儲的基本功能,,具有較好的抗干擾能力,。然而書寫中的筆鋒,即書寫筆跡的輕重?zé)o法表現(xiàn)出來,能否將筆觸位置的壓力傳感器信息分級,,并融入后級的筆跡形成中來解決此問題是進(jìn)一步研究的方向,。
 
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