（检测技术与自动化装置专业论文）交互式多媒体关键技术的研究.pdf

大连理j = 大学硕十学位论文 摘要 交互式多媒体系统由于具有交互性好、操作灵活等特点而得到了广泛的应用。本文 以多媒体教学设备为主要研究对象，通过对触摸屏技术以及u s b 通信等关键技术的研究， 解决了传统多媒体系统缺乏黑板板书灵活性的这一问题。交互式多媒体系统的总体设计 包括下位机平台的设计和上位机软件平台设计两部分。设计采用四线电阻式触摸屏为载 体，使用u s b 串行通用总线进行上位机和下位机之间的通信，并在v c + + 6 o 的集成环 境下设计一个友好的人机交互界面。u s b 串行通用总线可以保证实时、有效、准确的将 a o 转换后的触摸屏信息传送到上位机，进行处理与显示，使用户可以在上位机软件平 台上进行各项操作，从而完成了多媒体教学的交互性设计。 下位机平台的设计主要包括硬件电路的设计和单片机的固件编程。硬件电路采用芯 片a d s 7 8 4 3 和p d i u s b d l 2 来进行触摸屏转换电路和u s b 接口电路的设计。单片机的固件 程序设计部分主要介绍了固件的结构以及实现，h i d 类设备的开发及报告描述符的建立 和a d s 7 8 4 3 的采样程序设计。 上位机软件平台的设计，也就是基于m f c 应用程序框架的矢量图形系统的设计，采 用的是面向对象的设计方法。具体阐述了基本矢量图形系统的文档与视图的实现，逻辑 坐标与设备坐标的转换，以及鼠标交互绘制图形元素的方法，实现了直线、连续直线、 圆、圆形区域及标注文本等的交互绘制功能。 本论文的设计实现了将多媒体课堂教学与传统板书教学相结合的设计目标，增强了 多媒体教学的灵活性与交互性，达到了设计目的。通过对系统的调试与分析，试验结果 满足要求。 关键词：多媒体；触摸屏；u s b ；h i d 类设备；矢量图形系统 交互式多媒体关键技术的研究 r e s e a r c ho nk e yt e c h n o l o g yo fi n t e r c r a c t i v em u l t i m e d i a a b s t r a c t n ei n t e r a c t i v em u l t i m e d i as y s t e mh a sb e e nw i d e l yu s e db e c a u s eo fi t sc h a r a c t e r i s t i c so f g o o di n t e r a c t i o na n df l e x i b l eo p e r m i o n t h i sp a p e rt a k i n gm u l t i - m e d i at e a c h i n gf a c i l i t i e sa s t h em a i ns t u d yo b j e c t ，t h r o u g ht h ek e yt e c h n o l o g yr e s e a r c h ，s u c ha st o u c h s c r e e nt e c h n o l o g y a n du s bc o m m u n i c a t i o n ，s o l v e st h ep r o b l e mt h a tt h et r a d i t i o n a lm u l t i m e d i as y s t e mi sl a c ko f f l e x i b i l i t yw h i c hb l a c k b o a r dw r i t i n gh a s 1 1 1 eo v e r a l ld e s i g no fi n t e r a c t i v em u l t i m e d i as y s t e m i n c l u d e st h ed e s i g no fl o w e rc o m p u t e rp l a t f o r ma n dt h ed e s i g no fh o s tc o m p u t e rs o f t w a r e p l a t f o r m t h ed e s i g nt a k e sf o u r w i r er e s i s t i v et o u c h s c r e e na st h ec a r r i e r , u s e su n i v e r s a l s e r i a l b u sf o rt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nh o s tc o m p u t e ra n dl o w e rc o m p u t e r ，a n dd e s i g n sa f r i e n d l ym a n m a c h i n ei n t e r f a c ei na ni n t e g r a t e de n v i r o n m e n to fv c + + 6 0 u n i v e r s a ls e r i a l b u sc a ng u a r a n t e et h ea dc o n v e r s i o ni n f o r m a t i o no ft o u c h s c r e e ns e n t i n gt oh o s tc o m p u t e r i m m e d i a t e l y ，e f f e c t i v e l ya n da c c u r a t e l y t o u c h - s c r e e ni n f o r m a t i o np r o c e s s i n ga n dd i s p l a y ， a l l o w su s e r st oo p e r a t eo nt h es o f t w a r ep l a t f o r mf r e e l y ，t h u sc o m p l e t i n gt h ej n t e r a c t i v e m u l t i m e d i ad e s i g n ，n l ed e s i g no fl o w e rc o m p u t e ri n c l u d e s t h eh a r d w a r ec i r c u i ta n dm i c r o c o n t r o l l e r f i r m w a r ep r o g r a m m i n g h a r d w a r ec i r c u i tu s e sa d s 7 8 4 3a n dp d i u s b d l 2 t oc a r r yo u tc i r c u i t d e s i g no ft o u c h s c r e e nc o n v e r s i o na n du s bi n t e r f a c e m c uf i r m w a r ed e s i g nf o c u s e so nt h e s t r u c t u r ea n dt h er e a l i z a t i o no ff i r m w a r e ，h i dc l a s sd e v i c e sd e v e l o p i n g ，r e p o r td e s c r i p t o r s e s t a b l i s h m e n ta n da d $ 7 8 4 3s a m p l i n gp r o g r a md e s i g n s o f t w a r ep l a t f o r md e s i g no fh o s tc o m p u t e r ，w h i c hi sb a s e do nt h em f ca p p l i c a t i o n f r a m e w o r k ，u s e st h eo b j e c t o r i e n t e dm e t h o d s n i sp a p e rs p e c i f i c a l l yd e s c r i b e st h er e a l i z a t i o n o fl h ed o c u m e n ta n dv i e wf o rt h eb a s i cv e c t o rg r a p h i c ss y s t e m ，t h e1 0 g i c a lc o o r d i n a t e sa n d d e v i c ec o o r d i n a t e sc o n v e r s i o na n dt h em e t h o do fm o u s ei n t e r a c t i o nd r a w i n gg r a p h i c a n di t a c h i e v e si n t e r a c t i v ed r a w i n gc a p a b i l i t i e so fl i n e ，c o n t i n u o u sl i n e ，r o u n d ，r o u n dr e g i o n a la n d t a g g i n gt e x t s t h i sp a p e rc o m p l e t e st h ed e s i g ng o a l so fac o m b i n a t i o nf o rt h em u l t i m e d i ac l a s s r o o m t e a c h i n ga n dt h et r a d i t i o n a lb l a c k b o a r dt e a c h i n g ，a n de n h a n c e sf l e x i b i l i t ya n di n t e r a c t i v i t yo f m u l t i m e d i at e a c h i n g 1 1 h ed e s i g np u r p o s ea c h i e v e st h r o u g ht h er e s e a r c ho nk e yt e c h n o l o g yo f i n t e r a c t i v em u l t i m e d i a t e s tr e s u l t sm e e tt h es y s t e mr e q u i r e m e n t sa f t e rt h ed e b u g g i n ga n d a n a l y s i s i i 大连理工大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：m u l t i m e d i a ；t o u c h s c r e e n ；u s b ；h i dc l a s sd e v i c e ；v e c t o rg r a p h i c s s y s t e m m 大连理工人学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目i 作者签名： 导师签名： 饥 c 蹲懈铤柱碉它 酬、镢国日期：么护d 罗年卫月卫目 j 吒锣；伏 日期：，7 力，79 年且月业曰 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文题目：堑圣垒坠竺圣塑垫查竺垄丑窒 作者签名： 整l 益日期：二壅盟年旦月王日 大连理工大学硕十学位论文 1 绪论 1 1课题研究意义及背景介绍 随着科技的发展，计算机技术已经被运用于人们生活的各个领域，尤其是互联网技 术，多媒体技术和人工智能技术的发展给人类带来了极其深刻的影响。把先进的科技发 展成果带入日常教学环境中，利用高速发展的多媒体技术和通讯技术来推动现代的教育 体系的改革，逐步改善单一的教学方式，已经变得越来越迫切。 黑板在传统课堂教学中，一直是主要的教学媒体。九十年代中后期，以计算机技术 为代表的科学技术得到飞速的发展，大量信息充斥着我们的生活。我们称这段时间为“信 息爆炸时代 。这个时代，我们每天要学习的知识太多，黑板的信息容量小的弊端暴露 了出来。小小的黑板已不能适应社会化发展的需要，并且黑板教学中产生的大量粉尘对 师生身体造成极大危害。这时，以计算机和多媒体投影为主的现代教育教学媒体技术顺 应时代发展的潮流，走进了课堂，并逐渐成为主流的教学媒体i l j 。 在以计算机、多媒体投影、实物展台为主的教学模式中，能方便地将实物、计算机 教学课件、视频、音频等教学内容呈现在学生面前l l l 。多媒体教室因为具有使授课方式 变得生动、形象，节省了教师授课时的板书时间，提高了教学效率，并扩大了教学规模 等优点，而在教学中获得了广泛应用。但是，教师还是要用到黑板进行板书，因为板书 是教学内容精华的浓缩，而在多媒体的教学内容上面教师无法直接书写和批注，所以多 媒体教室缺少了黑板板书的灵活性，缺乏交互性，阻碍了多媒体教学系统的进一步推广。 鉴于以上教学设备的缺点和当前教学上的迫切需要，多媒体教室和板书相结合的方 式成为许多教师喜欢的教学模式。交互式电子白板正是在这种需求背景下进入到教师和 学生中间，有效地解决了上述问题，教师可以直接在交互白板上进行计算机的各种操作， 大大增加了教学的灵活性。 课堂教学媒体从黑板发展到多媒体投影，是社会发展的需要，为信息技术与各类学 科课程教学的整合提供了基础；而从多媒体投影发展到交互电子白板，则是现代教育技 术发展的重要突破，它使得信息技术与各类学科课程教学的整合成为可能【l j 。 1 2 课题的研究现状 交互式多媒体系统的核心，包括计算机、投影、白板和感应笔及软件系统等1 1 j 。从 硬件原理上来说，交互式多媒体融合了大屏幕投影技术、精确定位的测试技术等。现阶 段的国际或国内市场上，有多种技术可以实现电子白板精确定位，具有代表性的是电磁 感应、红外线、电阻、超声波、c c d 等技术，每种技术都有不同的特点和优势1 2 j 。 交互式多媒体关键技术的研究 ( 1 ) 电磁感应技术 电磁感应式的工作原理是：电磁波是可以通过空气和绝缘物体进行传播，电磁感应 式是采用一支可以发射电磁波的笔，水平垂直两个方向排列的接收线圈膜组成，膜的大 小与显示区域相同。定位原理是，发射电磁波的笔按间歇方式发射电磁波，当笔靠近接 收线圈的膜时，线圈上会感应到笔发射的电磁波。离笔最近的线圈组感应到的电动势越 高，根据水平方向和垂直方向感应到的电动势，通过计算可以获得笔所在的x 、y 坐标 位置。优势是定位相对准确，书写过程中有压感，即根据书写的轻重不同，笔迹的粗细 会不同，显示区域的均匀度较好，劣势是必须使用专用笔，不能做触摸操作。反应速度 不够快，难以实现超大面积的版面制作。 ( 2 ) 红外技术 红外技术的原理是：由密布在显示区四周红外接收和发射对管形成水平和垂直方向 的扫描网格，形成一个扫描平面网，当有可以阻挡红外光的物体阻挡住网格中的某对水 平和垂直红外扫描线时，就可以通过被阻挡的水平和垂直方向的红外线位置确定x 、y 坐标，实现坐标的定位。优势是定位准确、精度较高，无需专用笔、可用手指、教鞭等 进行书写或触摸操作，使用寿命较长，反应速度较快，造价较低，劣势在于无压感反应， 可能受强红外光的影响。 ( 3 ) 超声波技术 超声波技术的原理是：利用超声波的传输速度较慢的特性，根据超声波发射到接收 时间计算出发射点到接收点的距离。使用在平面定位上的原理采用的是在屏幕的一边放 置两个按固定距离分布的超声接收装置，用于定位的笔是一个超声波发射器，当笔移动 在屏幕的表面时，所发射的超声波沿屏幕表面被接收器检测到，由收到超声波的时间可 以换算出笔与两个接收器的距离。采用三点定位的原理，即根据三角形已知三个边长可 以确定笔所在的顶点原理，计算出笔所在的位置坐标。是一种测距定位模式。优势是定 位相对准确适应性强，可在不同面积的设备上使用，其缺点在于定位精度不均匀，受温 度影响较大，需用专用笔书写。 ( 4 ) c c d 光扫描 c c d 光扫描原理是：在显示区域的一边设置两个固定距离的c c d 线阵探测器和红 外发射器，对准显示区域。在显示区域的另外三边设置可以反射光线的反射膜，在没有 物体阻挡时，线阵c c d 检测到的是一条完整的光带。当有物体在显示区域中挡住光线 传播路径时，在线阵c c d 检测到的光带中会出现无反光区域，分布在两个角的c c d 分 别检测到的遮挡区域反应在线阵c c d 的对应区域，根据对应的区域计算出物体在显示 大连理丁大学硕士学位论文 区域的位置，是一种交叉点测试定位方式。此技术为较新的技术，未完全成熟，其最大 的优点是可做多点同时触摸。 ( 5 ) 电阻膜技术 电阻膜技术原理是：电子白板基本结构是由多层膜组成，包括水平线电阻膜、绝缘 网格、导电膜、绝缘网格、垂直电阻膜等，组合膜与使用区域大小相同。工作原理是在 电阻膜上加一个固定的电压，在没有外力作用下，导电膜不接触电阻膜，没有电压被测 得，不会有定位的信息反应。当用硬物压在电阻膜的某一点时，电流通过导电膜被测试 电路读取，就像从一个电位器中点测试到一个变动的电压，这个电压与触摸点的位置有 关，根据从水平和垂直方向读取的电压，可以换算为触摸点的x ，y 方向位置。 本课题的设计采用电阻膜技术进行多媒体教学系统交互式技术的研究。电阻式触摸 屏相对于其它几种定位技术来说定位相对准确，无需专用笔，可做触摸操作。四线电阻 式触摸屏是由两个透明电阻膜构成的，在它的水平和垂直电阻网上施加电压，就可通过 加转换面板在触摸点测量出电压，从而对应出坐标值。 1 3 课题研究内容及主要工作 本论文主要描述了多媒体教学系统的交互性技术的研究，其内容主要包括下位机平 台的设计与上位机软件平台设计两部分。下位机的设计主要包括硬件电路的设计和单片 机的固件编程两部分。上位机的软件平台设计主要是采用v c + + 6 0 在m f c 应用程序架 构上来实现对矢量图形系统的开发。 下位机的硬件平台，主要实现触摸屏的触点坐标数据采样并将采样数据通过u s b 串行通用总线送给计算机进行处理和显示。单片机的固件编程主要将触摸屏芯片 a d 7 8 4 3 采样进来的数据进行处理转换，并以u s bh i d 报告描述符的形式发送给主机， 使主机可以对采样来的数据进行识别和显示触点信息。 上位机矢量图形界面的开发是在v c + + 6 0 上实现的，从一个a p p w i z a r d 生成的应用 程序框架出发，并以此为基础，分析和组织矢量图形系统的数据结构，开发实现一个功 能完善的矢量图形系统上层界面。本文的具体研究工作如下： 第一章绪论部分，介绍了本课题的研究背景与研究意义，对课题的技术研究现状进 行了概括，简单介绍了国内外电子白板定位技术的原理及发展概况。 第二章总体方案设计，简单介绍了交互式多媒体系统所实现的功能，与传统多媒体 教学系统的区别，并给出了系统设计的总体架构。对上位机软件平台的设计给出了在应 用程序框架基础上的属性关系图。 交互式多媒体关键技术的研究 第三章主要介绍下位机平台的设计，包括硬件电路设计和单片机固件编程。在硬件 设计方面主要是u s b 接口电路和坐标采样电路的设计。电路设计采用r s 2 3 2 串口对固 件程序在线下载到单片机中，对触摸屏的触点坐标数据进行采样并通过u s b 接口送往 上位机进行处理。下位机的固件程序主要包括u s b 接口程序的编写、h i d 类设备的报 告描述符的编写以及触摸屏采样程序的编写。 第四章介绍了上位机软件平台的开发。人机交互界面丌发程序是在v c + + 6 0 集成环 境下编写的，在创建的m f c 应用程序框架的基础上，具体组织一个基本的矢量图形系 统的开发。从矢量图形系统的类组织、文档管理、视图组织、图形绘制、图形操作等方 面的实际开发实现一个基本矢量图形系统。 在第五章中对交互式多媒体系统的固件程序下载、坐标数据采样和上层交互界面的 显示分别进行调试，并对结果进行了分析。 大连理工大学硕士学位论文 2 总体方案设计 2 1 系统的功能实现 交互式多媒体系统的主要研究对象是多媒体教学设备。多媒体教室由于其生动活泼 的教学方式，而受到了老师和同学的欢迎。但是多媒体教学缺乏了传统板书的灵活性， 无法及时地为学生板书，缺乏交互性，从而阻碍了多媒体教学的发展。本课题采用四线 电阻式触摸屏为载体，进行交互式多媒体系统的研究，实现了多媒体教室与黑板板书相 结合的教学方式，完成多媒体交互性技术的研究。 本课题设计采用a d 转换芯片a d s 7 8 4 3 将四线电阻式触摸屏传送的模拟信号转换 成1 2 位的数字信号。使用u s b 串行通用总线进行上位机和下位机之间的通信，采用 u s b 串行通用总线通信是为了保证可以将a ，d 转换后的触摸信息实时、准确、有效的 传送到上位机，进行处理与显示。 使用v i s u a l c + + 6 0 在m f c 应用程序框架的基础上进行矢量图形系统的开发，设计 采用面向对象的设计方法，将矢量图形系统中的每一个图形作为一个对象，每个对象作 为一个实体，它具有颜色、大小、形状和屏幕位置等特性，矢量图形就是面向对象的图 像。矢量图形系统的开发与设计实现了一个功能完善的交互式多媒体上层平台，使用户 可以在上位机上进行交互式操作。 教师在课堂上选择手写的触摸屏设备，直接在触摸屏上书写授课内容，就可以代替 传统的黑板，再辅助以投影仪，通过投影仪投放到大屏幕上，就构成了交互式多媒体教 学平台。此外，教师还可以配合以矢量图形开发界面的使用，对当前的教学界面进行各 类图形绘制、图形操作及文本标注等操作，实现交互式多媒体教学系统上层软件平台的 应用。 2 2 系统总体构成 系统的设计主要由下位机平台的设计与上位机软件平台的设计两部分组成。下位机 的设计包括下位机硬件电路的设计和单片机的固件编程两部分。上位机的软件平台设计 主要是使用v c + + 6 0 在m f c 应用程序架构上来实现对矢量图形系统的开发。 系统总体结构设计方案如图2 1 所示。 交互式多媒体关键技术的研究 图2 1 系统总体结构图 ， f i g 2 1 o v e r a l ls t r u c t u r eo fs y s t e m 硬件电路的设计包括触摸屏触点坐标数据采集部分电路和u s b 总线接口通信电路 及串口m a x 2 3 2 固件程序下载电路三部分的电路设计，利用u s b 接口给电路供电，电 压为5 v 。 硬件设备我们采用四线电阻式触摸屏，a d 转换采样芯片采用a d s 7 8 4 3 ，属于电阻 式触摸屏专用采样芯片，其转换频率可达到1 2 5 k h z ，完全可以满足系统的要求。u s b 的接口芯片选用p h i l i p s 公司的p d i u s b d l 2 ，符合通用串行总线u s b l 1 版规范，可通 过软件控制与u s b 的连接，具有高错误恢复率的全扫描设计确保了高品质，是一款性 价比很高的u s b 器件1 4 j 。 下位机的软件程序，也就是单片机的固件程序由三部分组成：一初始化单片机和所 有的外围电路；二主循环程序，其任务是可以中断的；三中断服务程序。中断服务程序 负责从d 1 2 收集数据，而主循环负责对数据进行处理。当中断服务程序收集到了足够的 数据时，即设置事件标志位，通知主循环程序已经准备好等待处理。主循环检查到事件 的标志位，进入对应的子程序进行进一步处理。 固件程序按照h i d 设备类的规范编写，使w i n d o w s 系统可以自动识别设备，省去 了复杂的驱动程序编写过程。固件程序负责完成两项任务：一是响应主机的列举请求， 实现配置设备并将设备的配置信息告知主机，进而为主机和设备之间进行数据通信做好 准备工作；二是作为整个设备的控制中心，根据用户应用系统的特定要求，实现对外围 设备的具体控制。固件程序采用c 语言进行编写，编程环境是u v i s i o n3 0 。 系统上层人机交互界面的开发是在v c + + 6 0 集成环境下，开发一个基本的矢量图形 系统。矢量图形系统在m f c 应用程序框架的基础上，组织建立矢量图形的基类，并派 大连理丁大学硕十学位论文 生各个图形元素类。由各图形元素类创建类对象，并采用指针数组对其进行管理，包括 对象的添加、删除、获得图形元素对象指针和获取图形元素数目等操作。在矢量图形系 统的视图类中，完成矢量图形系统的图形元素绘制功能。矢量图形系统类图如图2 2 所 示。 7 c 应用程 序框架 图2 2 矢量图形系统类图 f i g 2 2 c l a s sd i a g r a mo fv e c t o rg r a p h i c ss y s t e m 一7 一 建 交互式多媒体关键技术的研究 3 下位机平台设计 下位机的设计采用四线电阻式触摸屏技术和u s b 通信技术，在多媒体教学中，教 师可以在多媒体屏幕上直接板书，为学生传递信息，大大增加了教学的灵活性和交互性。 3 1 触摸屏采样电路设计 3 1 1四线电阻式触摸屏的工作原理 四线电阻式触摸屏是由4 层的透明薄膜构成，最下面是玻璃或有机玻璃构成的基层， 最上面是一层外表面经过硬化处理的光滑防刮塑料层，附着在上下两层内表面的两层为 金属导电层，这两层由细小的透明隔离点进行绝缘【3 l 。当手指触摸屏幕时，两个电层在 触摸点处接触。触摸层的两个金属导电层分别用来测量x 轴和y 轴方向的坐标【4 j 。用于 x 坐标测量的导电层从左右两端引出两个电极，记为x + 和x - 。用于y 坐标测量的导电层 从上下两端引出两个电极，记为y + 和y 。这就是四线电阻触摸屏的引线构成。 当在一对电极上施加电压时，该导电层上就会形成均匀连接的电压分布。若在x 方 向的电极对上施加一确定的电压，而y 方向电极对上不加电压时，在x 平行电压场中， 触点处的电压值就可在y + ( 或y ) 电极上反映出来，这样，通过测量y + 电极对地的电压 大小，便可得知触点的x 坐标值。同理，当在y 电极对上加电压，而x 电极对上不加 电压时，通过测量x + 电极的电压，便可得知触点的y 坐标。其测量原理如图3 1 所示。 f i g 3 1 s c h e m a t i co fm e a s u r e m e n tf o rx x ，y 测量电压值如公式3 1 所示： 大连理工大学硕士学位论文 屹蝴去 1 ， 哆= 吃彘 3 1 2 触摸屏控制器a d s 7 8 4 3 a d s 7 8 4 3 是t i 公司生产的4 线电阻触摸屏转换接口芯片。它是一款具有同步串行 接口的1 2 位取样模数转换器。在1 2 5 k h z 吞吐速率和2 7 v 电压下的功耗为7 5 0l aw ， 而在关闭模式下的功耗仅为0 5uw 。因此，a d s 7 8 4 3 以其低功耗和高速率等特性，被 广泛应用在采用电池供电的小型手持设备上。a d s 7 8 4 3 采用s s o p 一1 6 引脚封装形式， 温度范围是4 0 + 8 5 c t 引。 a d s 7 8 4 3 具有两个辅助输入( i n 3 、i n 4 ) ，可设置为8 位或1 2 位模式。其引脚的连 接关系及功能如图3 2 所示，该电路的工作电压v e t 在2 7 巧2 5 v 之间，基准电压v r e f 介于1 v 。+ v c c 【酬。该电路的基准电压确定了转换器的输入范围，输出数据中每个数字位 代表的模拟电压等于基准电压除以4 0 9 6 。平均基准输入电流由a d s 7 8 4 3 的转换率来确 定。 + r e f 至r e f 之间电压的大小决定了模拟输入电压的范围参考电压设置有两种工作 模式：s e r ( s i n g l e e n d e dr e f e r e n c e ) 和d f r ( d i f f e r e n t i a lr e f e r e n c e ) 。s e r 模式需要低噪声、 低波动的稳定电源，转换器内x + 、x 和y + 、y 的低阻开关对转换精度有一定影响。 d f r 模式不管内部开关电阻如何变化，其转换结果总是与外部电阻成比例，它完全克服 了内部开关的影响，但是当转换器的转换频率很高时增加了功耗【n 。 f i g 3 2 c o n n e c t i o no fc h i pp i n 一9 一 交互式多媒体关键技术的研究 以下是a d s 7 8 4 3 的主要引脚功能： x + 、y + 、x 、y ：转换器模拟输入端，实际上是一个4 通道多路器； d c l k - 外部时钟输入引脚； c s ：片选端； d i n ：串行输入，其控制数据通过该引脚输入； d o u t ：串行数据输出，用于输出转换后的触摸位置数据，最大数为二进制的4 0 9 5 ； 3 、i n 4 ：辅助输入引脚； p e n i r q ：p e n 中断引脚，可用于在触摸显示屏后引发一个中断。 3 1 3 触摸屏接口电路设计 四线电阻式触摸屏的接口电路设计如图3 3 所示。从图中可以看出a d s 7 8 4 3 与微控 制器的接口为s p i 接口。由于5 1 系列控制器片内一般没有s p i 控制模块。因此，本设 计采用软件方法模拟s p i 接口来进行通信1 8 】，即在硬件上将微控制器的i o 口引脚p 2 5 、 p 2 3 、p 2 1 分别与a d s 7 8 4 3 的d c l k 、d i n 、d o u t 脚相连接，a d s 7 8 4 3 的中断输出 引脚p e n i r qn 与微控制器的外部中断1 脚相连，这样就构成了a d s 7 8 4 3 与微控制器 的s p i 接口。此外，片选信号c s n 连接p 2 5 脚，b u s y 连接p 2 2 脚。其它引脚的连 接可参照图3 3 所示电路来进行。图中的j 3 是四线触摸屏的插座，可以直接连接摸屏的 信号线。 图3 3 触摸屏接口电路 f i g 3 3 i n t e r f a c ec u r c u i to ft o u c h s c r e e n 其中，芯片的d i n 引脚用来向a d s 7 8 4 3 输入控制字以启动a ，d 采样以及定义采样 位数等信息，d o u t 引脚用来输出a d s 7 8 4 3 对触摸屏触点坐标数据的采样结果。 人连理工人学硕士学位论文 3 2 u s b 总线通讯协议 3 2 1u s b 总线系统结构 在u s b 系统中只允许有一个主机，从开发人员的角度看，它可被分为三个不同功 能模块【9 l ：客户软件、u s b 系统软件和u s b 总线接口。 ( 1 ) 客户软件：客户软件负责和u s b 设备的功能单元进行通信，以实现其特定 功能。它需要由开发人员自行开发，但有些芯片的开发工具包中提供了范例程序代码， 开发人员可根据需要在此基础上进行修改补充。 ( 2 ) u s b 系统软件：u s b 系统软件负责和u s b 逻辑设备进行配置通信，并管理 客户软件启动的数据传输。它一般包括u s b 总线驱动程序、u s b 主控制器驱动程序和 非u s b 主机软件三部分，这些软件由操作系统提供。 ( 3 ) u s b 总线接口：u s b 总线接口包括主控制器和根集线器两部分。该模块与 u s b 系统软件的接口依赖于主控制器的硬件实现。 u s b 设备的逻辑结构：每个设备内有一个或多个逻辑连接点，称为端点，设备通过 端点和主机交换数据，一组相关的端点称为接口，每个接口都有一个配置，端点、接口、 配置的特性是通过各自的描述符来描述，如图3 4 所示。 图3 4u s b 设备逻辑结构图 f i g 3 4l o g i c a ls t r u c t r u eo fu s bd e v i c e 描述符( d e s c r i p t o r ) 是- - 个数据结构，是主机了解设备的格式化信息。主机在检测设 备的时候，要求设备传回描述符以便了解设备并配置该设备，主机要求的首先是设备的 设备描述符，然后是配置描述符以及每个配置的接口描述符，最后是端点描述符，还可 能有可选的字符串描述符。高阶的描述符会包含其它低阶的描述符的情况。 交互式多媒体关键技术的研究 每一个设备只能有一个设备描述符，设备描述符包含整个设备的信息。每一个设备 可以有一个或多个配置描述符。接口描述符是设备一个特定功能的端点集，每个配置至 少必须支持一个接口。大部分设备只有一个接口，但有些设备可以同时有多个作用的接 口。端点是u s b 设备中的实际物理单元，u s b 数据传输就是在主机和u s b 设备各个端 点之间进行的。 3 2 2 u s b 数据传输与通信 在u s b 总线上，所有与u s b 设备功能单元的数据传输都是由客户软件启动的，而 且经过逐级的u s b 系统软件和u s b 总线接口模块才能将数据发送到u s b 设备。不同 的u s b 设备对数据传输提出了不同的要求，如传输数据量的大小、传输速率的高低等。 根据实际情况的需要，客户软件在和u s b 设备的功能单元进行通信的时候可采用如下传 输方式1 9 j ： ( 1 ) 控制传输：用来传输命令和状态，一般在枚举过程中，使用控制传输来识别 和配置该设备，所有的设备都必须支持控制传输，对传输时间和传输速率均无要求，也 可以传输其他用途的数据。 ( 2 ) 批量传输：用来传输量大、实时性要求不高但准确性强的数据，通常打印机、 移动硬盘通常以这种方式和主机通信，只有全速和高速设备可以使用批量传输。 ( 3 ) 中断传输：用于支持数据量少的周期性传输需求，主要用在键盘、鼠标以及 操纵杆等低速设备上。 ( 4 ) 同步传输：用来传输量大、实时性强但准确性要求不高的数据，只有全速和 高速设备可以使用等时传输，通常音视频设备以这种方式和主机通信。 在主机开机或者设备刚连接到u s b 系统时，主机和u s b 设备之间有一个信息交互 的过程，称为配置，通过配置的过程，主机检测并了解设备的特性，给设备加载驱动程 序，为应用通信做好准备。 在配置过程中，主机给设备发送的命令是一系列设备请求，设备的固件必须对来自 主机的请求做出响应，根据请求的内容，设备或者返回主机请求的信息，或者按照主机 请求指定的内容执行相应的操作。其中标准设备请求【9 j 共l l 条，如下所示： ( 1 ) 清除功能( c l c a r f e a t u r e ) ：这个请求是被用来清除u s b 设备的某个功能，请求 码为0 1 h 。w v a l u e 域的值为功能选择符的值。 ( 2 ) 获得配置( g e t c o n f i g u r a t i o n ) ：这个请求是用来要求设备返回当前的设备配置 信息，请求码为0 8 h 。如果返回为零，说明该设备尚未被配置。 ( 3 ) 获取描述符( g e t d e s c r i p t 0 0 ：该请求要求返回某个描述符，请求码为0 6 h 。 大连理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 获得接口设置( g e t i n t e f f a c e ) ：当设备的配置支持多个接口时，主机通过该请 求要求设备返回当前的接口号，请求码为0 a h 。 ( 5 ) 获取状态( g e t s t a t u s ) ：请求接收者返回其状态信息，请求码为0 0 h 。接收者 可以是设备、接口或端点，三者返回的状态信息不同。对于设备请求，定义了两位，其 它位预留，第0 位是自供电字段，为o 时是总线供电，为1 时则是自供电。 ( 6 ) 设置地址( s e t a d d r e s s ) ：这个请求为设备设置设备地址，请求码为0 9 h 。 ( 7 ) 设置配置( s e t c o n f i g u r a t i o n ) ：本请求用于主机为设备选择一个配置值，请求 码为0 9 h 。 ( 8 ) 设置描述符( s e t d e s c r i p t o r ) ：本请求是可选的，请求码为0 7 h 。 ( 9 ) 设置特性( s e t f e a t u r e ) ：本请求用于设置或激活某个特定的特性，请求码为0 3 h 。 ( 1 0 ) 设置接i s l ( s e t i n t e r f a c e ) ：本请求允许主机为某个接口选择一个可替换的设置， 请求码为0 b h 。有些设备可能配置为多个接口，主机使用本请求选择所需要的接口设置。 ( 1 1 ) 同步帧( s y n c h f r a m e ) ：当一个端点支持同步传输时，本请求使端点开始监测 s o f 帧数，请求码为0 c h 。 在检测和配置设备的过程中，主机发送一系列设备请求和设备回答信息，是通过控 制传输来完成的。控制传输可以分为控制写传输和控制读传输。控制写传输的数据由主 机流向设备，控制读传输的数据由设备流向主机。 设备的枚举过程和状态变化通过控制传输来了解该设备的设置和能力，以便给该设 备指定一个驱动程序。该过程称为枚举【9 1 。枚举分为以下几个阶段。 ( 1 ) 设备连接：u s b 设备通过集线器的一个端口连接到u s b 总线上，集线器给 这个端口提供电源，使设备上电。 ( 2 ) 主机检测到设备、发出复位信号：设备连接到总线上后，主机通过检测设备 在总线上的上拉电阻检测到有新的设备连接，并获知该设备是全速设备还是低速设备， 在此阶段并不判断是否为高速设备，高速的设备是按全速来连接。 ( 3 )高速检测：主机识别一个全速设备是否支持高速。 ( 4 ) 设备缺省状态：设备从总线上接收到一个复位信号后，方可对总线的操作做 出反应。设备接收到复位信号后，就使用默认地址( 0 0 h ) 对其寻址。 ( 5 ) 地址分配：主机送出一个s e t a d d r e s s 请求，来给设备指定唯一的一个地址， 从此以后设备就只对该地址做出响应。 ( 6 ) 主机了解设备的能力：主机送出一个g e t d e s c r i p t o r 请求，来读取设备的描述 符。描述符是一个数据结构，包含一个设备的基本信息。 交互式多媒体关键技术的研究 ( 7 )设备配置：如果描述符中设备的要求，主机可以满足，主机便依照读取的 u s b 描述符来对设备进行配置，如果不能满足，主机将拒绝配置该设备。 ( 8 ) 主机指定和加载一个设备驱动程序：在主机从设备的描述符了解设备的所有 能力后，它会寻找一个最适合的驱动程序来管理主机和设备的通信。 ( 9 ) 挂起状态：为了节省电源，当总线保持空闲状态超过3 m s 以后，设备就会自 动进入挂起状态。 当设备完成了枚举过程以后，应用程序便可以和设备相互通信了。在主机一方，应 用程序使用标准w i n d o w s a p l 功能来读和写设备。在外设一方，把主机送来的数据放置 在接收缓冲区内，要传送到主机的数据则放置在输出缓冲区内。 3 3u s b 接口电路设计 u s b 通用串行总线是一种快速、双向、廉价、可以进行热插拨的接口。它支持在主 机和各种即插即用的外设之间进行数据传输【儿。由主机预定的标准协议使各种设备分享 u s b 带宽，当其它设备和主机在运行时，总线允许添加、设置、使用以及拆除外设。 在遵循u s b l 1 规范的基础上，u s b 接口最高传输速度可达1 2m b s 。它可以连接1 2 7 个u s b 设备，而且连接方式十分灵活，既可以使用串行连接，也可以使用集线器( h u b ) 把多个设备连接在一起，再同计算机的u s b 接口相连i 1 0 1 。此外，它还可以从系统中直 接汲取电流，无需单独的供电系统。 3 3 1u s b 接口芯片介绍 u s b 接口芯片一般分为两大类：一种是芯片内部集成了微处理器的；一种是不带微 处理器的。后一种接口芯片由于只是接口芯片与微处理器接口实现u s b 通信功能，所 以成本较低、选择灵活方便、可靠性高1 1 1 1 。如果按传输速度的高低，主要有两种芯片： 一种是符合u s b l 1 协议的u s b 接口芯片；另一种是符合u s b 2 0 协议的u s b 芯片。 p d i u s b d l 2 ( 以下简称为d 1 2 ) 是一款性价比比较高的u s b 接口器件，它完全符 合u s b l 1 规范，内部不带微处理器。该器件采用模块化的方法实现一个u s b 接口，允 许在众多可用的微控制器中选择最合适的作为系统微控制器，允许使用现存的体系结构 并使固件投资减到最小，这种灵活性减少了开发时间、风险和成本，是开发低成本且高 效的u s b 外围设备解决方案的一种最快途径【1 2 j 。它集成了s i e 、f i f 0 存储器、收发器以 及电压调整器；可与任何外部微处理器实现高速并行接口，速度可达2m b s ；在批量模 式和同步模式下均可实现1 m b s 的数据传输速度；可通过软件控制与u s b 的连接【1 3 】。 大连理工人学硕十学位论文 图3 5p d i u s b d l 2 功能框图 f i g 3 5 f u n c t i o nd i a g r a mo fp d i u s b d l 2 d 1 2 内部功能框图如图3 5 所示。模拟收发器接口可通过终端电阻直接与u s b 电缆 相连。3 3 v 电压调整器负责为模拟收发器供电。p h i l i p s 串行接口引擎( p s i e