本方案采用飛思卡爾半導(dǎo)體的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(wú)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(wú)線USB網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器件,，只要在PC端將Cypress的Encore2無(wú)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(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ADμC7022采集到加速度傳感器輸出的信號(hào)后，使用片上ADC完成電壓信號(hào)到加速度數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換并進(jìn)行信號(hào)的與處理,，最后通過(guò)SPI接口發(fā)送到無(wú)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(zhǎng)的電池壽命,，所有芯片工作在3.3V電壓，以減少開(kāi)關(guān)損耗;在微控制器檢測(cè)到電子筆處于靜止?fàn)顟B(tài)后,，微控制器軟件將使無(wú)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
ADμC7022是ADI公司的新一代基于ARM7TDMI 32bitRISC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,。
ADμC7022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,，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(jī)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,，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(cè)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(diǎn)亮LED提醒用戶(hù)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(hào)。
ADμC7022的串行接口提供了SPI,、UART,、I2C接口。ADμC7022的I/O口為復(fù)用接口,，用戶(hù)通過(guò)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(wú)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(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,、撞擊和震動(dòng)誤差,。通過(guò)選擇MMA7260Q的靈敏度，可以按1.5g,、2g,、4g和6g不同量級(jí)(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?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
.2V～3.6V的低電壓,，工作時(shí)僅消耗500μA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(zhǎng)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(duì)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,，△V/△G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(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(kāi)關(guān)濾波電容時(shí)鐘的干擾,，提高測(cè)量的精度。
4 無(wú)線USB接口
CYRF6934是Cypress半導(dǎo)體的2.4GHz射頻SoC無(wú)線USB網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器件,。該無(wú)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(hù)能夠在世界范圍內(nèi)推廣使用其解決方案，而無(wú)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(lái)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(lái)自無(wú)繩電話(huà)和微波爐的無(wú)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(méi)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(wú)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(guò)預(yù)處理后通過(guò)SPI接口發(fā)送到CYRF6934。CYRF6934對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制后通過(guò)PCB上的印制天線發(fā)送給PC端的無(wú)線USB網(wǎng)橋,。芯片所有VCC上使用0.1μF電容去耦并使用一個(gè)10μF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(yǔ)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(yǔ)言中的main()函數(shù),。C語(yǔ)言程序完成剩余的初始化任務(wù)后開(kāi)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(guò)MMA7260Q的參照設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工具中提供的各種組件,。針對(duì)需求進(jìn)行開(kāi)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(duì)MMA7269Q開(kāi)發(fā)和測(cè)試并進(jìn)行全面評(píng)估，加快產(chǎn)品的開(kāi)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(wèn)驅(qū)動(dòng)程序時(shí),，需要用到一些Windows系列操作系統(tǒng)的專(zhuān)用API函數(shù),。由于這些函數(shù)參數(shù)比較多，所以可以開(kāi)發(fā)一個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù),，使用戶(hù)開(kāi)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(hù)程序可以通過(guò)dll讀寫(xiě)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(xiě)端口等。這樣,，在應(yīng)用程序中加入自己的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)后,，就可以使用inPortb和out-portb來(lái)操作端口了。
由于電子筆的應(yīng)用前景和市場(chǎng)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(jìng)相開(kāi)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(wú)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(lái)，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(wú)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(mǎn)足無(wú)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(pán)在普通紙(或任意介質(zhì))上自然手寫(xiě)輸入,，猶如給人們提供一把開(kāi)啟信息時(shí)代新大門(mén)的金鑰匙。它將加速度結(jié)構(gòu)與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來(lái)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(huì)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(chǎng)上占有一席之地。