（信息与通信工程专业论文）拳击娱乐机器人的研制.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特另l l j j r l 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 躲墨垦些牢新虢一： 摘要 i_imm_ _ 璺曼曼舅曼鼍曼曼曼曼曼曼! 皇曼蔓曼曼曼曼皇曼曼曼曼皇曼舅曼曼曼曼 摘要 拳击是一项深受广大群众热爱，增强体质的运动。目前拳击类的娱乐型健 身器械比较少，传统的拳击器械以模拟人型靶为主，只是简单的击打对象，无 法测量击打力量大小，而且和使用者无法产生互动。以拳击娱乐为目的，设计 而成的拳击娱乐机器人正满足目前市场的需求。 为广大群众进行拳击娱乐运动而设计的拳击娱乐机器人具有独立的软硬件 结构。本系统通过击打气袋和压力传感器能够准确计算出使用者击打气袋的力 量。丰富的语音播报、大量的随机评价、自动模拟出拳增加了人机的互动性， 广大群众可以在愉快的环境下进行拳击健身运动。本系统的成功研制对于推广 拳击运动和“全民健身”运动具有积极作用。 本文结合拳击娱乐机器人的整体结构，分别从硬件设计、嵌入式平台搭建、 软件设计、驱动实现和测力算法的研究和实现等方面描述系统的设计过程。硬 件方面，系统开发平台选用a r m 9 2 0 t 处理器$ 3 c 2 4 4 0 和嵌入式l i n u x 操作系 统，采用l c d 触摸屏做为人机交互工具，并详细论述了系统各模块电路设计过 程。软件方面，使用跨平台界面开发工具q t e m b e d d e d 设计应用程序，设计了 测气袋压力的压力测试模式、测量击打力量的大力击打模式、测量击打速度的 快速击打模式和再现快速击打模式击打过程的结果演示模式；设计完成了所有 硬件模块驱动程序，完成了测量击打力量算法的研究和实现工作，设计了有效 滤波方法对a d 采集数据进行滤波。使用嵌入式数据库s q l i t e 存储快速击打模 式中击打的详细数据。 关键词自动出拳：测击打力量；$ 3 c 2 4 4 0 ；q t ；s q l i t e 北京t 、i k 人学顾f 学i 。学位论史 a b s t r a c t b o x i n gi sap o p u l a ra n dh e a l t h i m p r o v e m e n ts p o r t c u r r e n t ，t h e r ei sl e s sb o x i n g e n t e r t a i n m e n tf i t n e s se q u i p m e n t t r a d i t i o n a lb o x i n ge q u i p m e n t i s m o s t l y a s i m u l a t i v eh u m a n - t y p et a r g e tb e i n go n l yas i m p l eh i to b j e c t w h i c hc a nn o tm e a s u r e t h eb l o w i n gp o w e ra n dh a sn oi n t e r a c t i o nw i t ht h eu s e r f o rt h ep u r p o s eo fb o x i n g e n t e r t a i n m e n t ，t h eb o x i n ge n t e r t a i n m e n tr o b o ti s t om e e tt h ec u r r e n tn e e d so ft h e m a r k e t 。 t h eb o x i n ge n t e r t a i n m e n tr o b o ti sd e s i g n e dt ob o x i n ge n t e r t a i n m e n ts p o r tf o r t h em a s s e s t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r es t r u c t u r eo ft h eb o x i n ge n t e r t a i n m e n tr o b o t s y s t e mi si n d e p e n d e n t u s i n gb l o w i n ga i rb a ga n dp r e s s u r es e n s o r , w ec a na c c u r a t e l y c a l c u l a t et h eu s e r sb l o w i n gp o w e r r i c hv o i c eb r o a d c a s t ，al a r g en u m b e ro f r a n d o me v a l u a t i o n sa n dt h ef u n c t i o no fa u t o m a t i cs i m u l a t i o no fp u n c h e sa r ea l l i n c r e a s eh u m a n m a c h i n ei n t e r a c t i v i t y i tm a k e s t h em a s s e si nt h e p l e a s a n t e n v i r o n m e n te x e r c i s e t h r o u g hb o x i n g t h e s u c c e s s f u l d e v e l o p o ft h eb o x i n g e n t e r t a i n m e n tr o b o tw i l lh a v eap o s i t i v ei n f l u e n c eo fp o p u l a r i z i n gt h eb o x i n gs p o r t a n d “n a t i o n a lf i t n e s s ”c a m p a i g n t h ef r a m e w o r ko fb o x i n ge n t e r t a i n m e n tr o b o ts y s t e mi si n i t i a l a t e l yi n t r o d u c e d o nt h i sp a p e r t h ed e s i g np r o c e s so ft h es y s t e mi sd e e p l yd i s c u s s e df r o mt h e h a r d w a r e a s p e c t ，e m b e d d e d s o f t w a r ep l a t f o r mb u i l t ，s o f t w a r ea s p e c t ，d r i v e r d e v e l o p m e n ta n dd e r i v a t i o no faa r i t h m e t i co fm e a s u r et h eb l o wp o w e rs e p a r a t e l y o nt h ea s p e c to fh a r d w a r e w ec h o o s ea r m 9 2 0 tw h i c hi so ft h ek e m e lo fa r m 9 $ 3 c 2 4 4 0p r o c e s s o ra st h ee m b e d d e dp l a t f o r mp r o c e s s o r , e m b e d d e dl i n u xa st h e o p e r a t i n gs y s t e ma n dl c d t o u c hs c r e e na sat o o lf o rh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o n t h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g no fe a c hm o d u l ei sd e s c r i b e dp a r t i c u l a r l y o nt h ea s p e c t o fs o f t w a r e ，t h eq t e m b e d d e db e i n gac r o s s p l a t f o r mi n t e r f a c ed e v e l o p m e n tt o o li s c h o s e nt od e s i g nt h ea p p l i c a t i o n s t h e r ei sap r e s s u r e - t e s tm o d et om e a s u r et h e p r e s s u r eo f t h eb l o w i n ga i rb a g ，as t r e n g t h t e s tm o d et om e a s u r et h eb l o wp o w e r , a s p e e d t e s tm o d et om e a s u r et h ec a p a c i t yo fq u i c ka n dp o w e r f u lb l o w s ，ar e s u l t d e m o n s t r a t em o d et or e p r o d u c et h ep r o c e s so ft h es p e e d t e s t t h ea u t h o rh a s c o m p l e t e da l ld r i v e nf u n c t i o n so ft h eh a r d w a r em o d u l e ；f i n i s h e dt h ed e r i v a t i o no f a a r i t h m e t i cw h i c hc a nm e a s u r et h eb l o wp o w e r , a n dd e s i g n e dae f f e c t i v em e t h o dt o f i l t e rt h ed a t ac o l l e c t e db yt h ea dd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e d e t a i l e db l o w i n gd a t ao f t h es p e e d t e s tm o d ea r es t o r i e di ne m b e d d e dd a t a b a s es q l i t e k e yw o r d sa u t o m a t i cp u n c h e s ；s t r e n g t h - t e s t ；$ 3 c 2 4 4 0 ；q t ；s q l i t e i i j f 1 录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第l 章绪论1 1 1 课题研究背景及意义1 1 2 本课题的主要内容2 1 2 1 硬件设计3 1 2 2 软件设计3 1 3 本论文结构一4 第2 章系统硬件设计5 2 1 系统结构概况5 2 2c p u 模块7 2 3 人机交互模块9 2 3 1l c d 触摸屏9 2 3 2l e d 显示模块1 0 2 3 3 语音模块1 2 2 4a d 数据采集模块1 2 2 5 自动出拳模块13 2 6 气泵控制模块1 5 2 7 接口电路板的设计1 6 2 8 本章小结。1 7 第3 章嵌入式软件系统的研究和实现1 8 3 1 嵌入式l i n u x 平台软件开发流程1 8 3 2 嵌入式l i n u x 操作系统1 9 3 2 1 嵌入式l i n u x 操作系统概述1 9 3 2 2u t ul i n u x 及其相关软件功能2 0 3 3 交叉编译环境的建立2 2 3 3 1 在目标板上安装t i n u x 系统2 2 3 3 2 在宿主机上建立交叉编译环境2 4 3 3 3q t 简介及其开发环境的建立2 5 3 4 本章小结2 7 第4 章系统软件设计与实现2 8 4 1 软件编程技术简介。2 8 4 2a d 数据采集处理模块3 0 4 3 结果显示模块。3 2 4 3 1 语音播报模块设计3 3 4 3 2 击打力量显示模块设计3 4 4 4 自动出拳模块3 7 4 5 数据库s q l i t e 模块3 9 4 5 1s q l i t e 数据库简介4 0 4 5 2s q l i t e 数据库实现。4 1 4 6u i 用户界面模块4 5 i i i 北京t 、l k 人 硕f j l 学位论文 4 6 1 模式选择模块设计4 5 4 6 2 结果演示模块设计5 2 4 7 本章小结5 3 第5 章驱动模块的设计和测力算法的实现5 4 5 1 各个模块驱动的设计5 4 5 1 1l i n u x 驱动开发简介5 4 5 1 2 本系统用到的驱动函数介绍5 6 5 1 3a d 模块驱动5 7 5 1 4 自动出拳驱动6 2 5 1 5 气泵控制驱动6 4 5 1 6 击打时间定时器驱动6 4 5 2 测量击打力量6 9 5 2 1 测量击打力量算法6 9 5 2 2 拟合电压对力量转换函数7 1 5 2 3 采集压力干扰问题7 4 5 2 4 测量击打力量7 5 5 3 本章小结7 7 结论7 9 参考文献8 1 攻读硕士学位期间发表的学术论文及著作8 5 致 射8 7 i v 第1 亭绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 拳击是人类古时的生存技巧，是原始人用以强健体魄从而可以于恶劣的环 境之下生存。弓箭未面世前，人类要以拳头来自卫。这是拳击的雏形。而在古 代奥运中，拳击运动就已经是比赛项目之一。高水平的拳手在比赛时，表现出 强劲有力的攻防动作，拳法突然迅速、攻势凌厉，令人眼花缭乱，并且动作潇 洒自如，姿态优美，给人以艺术性的美感。拳击不但表现出力量、技术、意志、 心理、智慧的竞技和健美的艺术，而且可以培养人崇高的审美观，塑造人的心 灵。 拳击对人体和社会具有极大的影响作用，这些作用主要表现在几个方面： ( 1 ) 拳击可以增强人体的力量 拳击运动靠人体的爆发力来完成攻防动作，只有在最短的时间内将最大的 力量发挥出来，才能够达到攻防的目的。经常练习拳击，可以锻炼拳击爱好者 的爆发力和速度力量。提高拳击爱好者的肌肉素质。 ( 2 ) 拳击可以提高人的灵敏性和反应能力 拳击中最基本、最重要的素质之一，就是要具有高度的灵敏性和快速的反 应能力。经常练习拳击的人，他们灵敏性和反应能力就会得到充分锻炼和提高， 这种灵敏性和反应能力表现在日常工作和生活中，就会使你觉得生活轻松自如， 从而增加人的生活乐趣和情趣。 ( 3 ) 拳击可以促进人的身心健康发展 拳击运动是手脑并重、全身活动的运动项目，需要练习者必须全身心地投 人，才能完成好拳击运动。练习拳击时，人一直都是在不停地跳动和运动之中， 而且，拳手所采取的每一个行动都是在大脑缜密的、快速的考虑之后进行的， 所以，这对人体的运动器官和大脑的分析反应都有极高的要求，使人体的运动 器官和大脑得到充分的锻炼。 在中国，拳击运动也拥有悠久的历史，当这项体育运动进入奥运会之后， 便有了长远的发展。从2 0 0 4 年雅典奥运会，我国拳击项目获得一块铜牌实现了 奖牌零的突破；到2 0 0 5 年拳击运动员邹市明在第十三届世界拳击锦标赛中夺得 金牌，实现了我国拳击在世界大赛中金牌零的突破；到2 0 0 6 年多哈亚运会我国 选手夺得两枚金牌，再到2 0 0 8 年奥运会取得两枚金牌，这些成绩为我国拳击事 业的发展创造了良好的环境，同时也说明了我国的拳击事业已经取得了一定的 发展，实力在不断地增强。 实验室与国家体育总局有着多年的合作，并设计了一套供拳击专业运动员 使用的拳击训练设备，该设备用于提高拳击运动员的击打和防范能力。通过与 北京t 、l k 人学7 砸f 。学f 学化论丈 体育总局的合作，对拳击运动有了更深入的了解，同时发现近些年来拳击运动 更是得到了众多人们的追捧。拳击是一项深受广大群众热爱，增强体质的运动。 它适合各种人群并充满趣味，可以帮助人们缓解疲劳、释放紧张的工作压力， 是有益身心健康的娱乐项目。 目前在国内，很多公共场合、学校、及健身房像拳击这样的娱乐型健身器 械比较少。健身房中的拳击运动大都采用不倒翁人型靶、硅胶式沙袋、全身人 体沙袋或入型沙包的方式，传统的拳击器械大都是采用橡胶制作的人型靶或沙 袋，这些器械为拳击爱好者提供了进行拳击运动的击打对象，对拳击运动的推 广起到积极作用，但这些器械只是简单的击打对象，人机互动性差，拳击运动 者无法知道击打力量大小，最终只能在枯燥环境下进行拳击运动。 国外拳击器械和国内情况大体相同，也是采用人型沙袋和橡胶人型靶，只 是在耐用性和击打手感方面优于国内拳击器械。 现代科学技术的飞跃发展，特别是信息技术和微电子技术的突飞猛进，推 动了世界经济的快速发展，也促进了体育器械的电子化的发展。目前国内外拳 击器械的现状，为我们提供了难得的机会。通过我们对拳击运动的了解，以及 充分听取拳击爱好者的建议，设计了一套利用现代电子技术研制的拳击运动器 械一拳击娱乐机器人。拳击娱乐机器人的设计和实施是利用计算机通信技术、 微电子技术和机电一体化技术相结合的智能拳击器械。 拳击娱乐机器人系统是多功能的集成系统，具有完善的硬件设备和软件平 台。硬件设备的机械方面，设计了击打人型靶和模拟出拳的机械臂。该系统通 过击打气袋和压力传感器的方式，实现了计算击打力量大小并实时屏幕显示击 打力量的功能。同时丰富的语音播报、随机模拟出拳和使用者“对打 等功能， 更是增加了人机互动性。 在研制成功适合于大众使用的拳击娱乐机器人后，决定将其产品化，推到 市场，更好为广大群众服务。该方案一经提出得到北京市教委的全力支持并以 科技成果转化立项。该项目是拳击训练设备由研究阶段走向实际应用和普及的 阶段。根据市场需求，以大众娱乐和健身为出发点，通过强大的互动性吸引广 大群众在愉悦环境下健身为目的，设计了拳击娱乐机器人满足了人们采用拳击 方式娱乐健身要求。从而在提高人民群众身体素质的同时，也更好的推动“全 民健身”运动的开展。 。 1 2 本课题的主要内容 本课题主要研究基于a r m 9 2 0 t 核处理器$ 3 c 2 4 4 0 的拳击娱乐机器人设计。 拳击娱乐机器人有三部分组成，包括：人型靶、控制盒、入机交互的l e d 显示屏和语音播报器。人型靶是击打对象，主要包括：人型机械架、击打气袋、 机械臂、驱动机械臂的直流电机和光电传感器。控制盒是系统的控制核心，包 2 筇1 节绪论 括$ 3 c 2 4 4 0 处理器、l c d 触摸屏、接口电路板。人机交互的l e d 显示屏和语 音播报器，用来显示击打力量和播报随机评价。 本系统实现功能主要是通过气袋和压力传感器计算击打力量，当使用者击 打气袋后，气袋发生形变，压力传感器采集到被击打的这一时刻气袋压力的变 化，通过测力算法计算出使用者的击打力量。l e d 显示屏显示击打力量值，语 音播报器播报和击打力量对应的评价。光电传感器、机械臂和驱动机械臂的直 流电机实现了随机模拟自动出拳功能。 本课题主要包括硬件设计和软件设计两部分。以娱乐健身为出发点，突出 拳击机器人的互动性和拳击运动的趣味性，设计整个系统，完成系统所有的软 件和硬件工作。 1 2 1 硬件设计 设计系统硬件的所有电路部分以满足功能需要，具体如下： ( 1 ) 选用a r m 9 2 0 t 处理器$ 3 c 2 4 4 0 做主控芯片，提高了系统运行的速度 和性能，减少系统外围电路部分的复杂性。该处理器内部的高速l o 位a d c 转 换器，用其中两路a d 通道采集气袋压力值确保数据采集的精度。 ( 2 ) 采用直流电机驱动机械臂，同时增加了光电传感器。光电传感器和直 流电机相互配合实现了自动出拳功能，增加了人机互动性，能激起使用者运动 乐趣。 ( 3 ) 本系统在有效击打位置的头、胸部分别安装击打气袋，通过查询方式 采集头、胸气袋压力值，在软件中使用有效算法确保数据采集的准确。 ( 4 ) 使用的芯片尽量选用贴片型封装，减少电路板的面积。 1 2 2 软件设计 根据硬件需要编写系统软件，目的是实现系统的功能、提高测量击打力量 的精确性。主要的工作如下： ( 1 ) 采用c 语言编写各个硬件模块的驱动程序。方便以后系统升级和移 植，各个驱动都以模块形式编译，方便各驱动调试，同时降低代码出错的机率。 ( 2 ) 设计并完成测量击打力量的算法。设计并编写了独立的代码，用来测 量电压对力的转换系数。采用中值滤波和限幅滤波方法对采集压力数据进行处 理，采用曲线拟合方法得到基准电压和压力对力量的转化系数之间的曲线函数。 ( 3 ) 在用户操作方面，设计了压力测试模式、大力击打模式、快速击打模 式和结果演示模式。压力测试模式用于检测击打气袋压力是否在合适范围。大 力击打模式用于测量单次击打力量，该模式下开启自动出拳功能，同时每次击 打后有丰富的语音评价，评价共分5 档次每档次最多有1 0 0 种不同评价。快速 击打模式用于测量快速有力击打的能力。结果演示模式用于演示快速击打模式 3 北京tq k 人导i 负i 号：t 导：1 讧论丈 下每次击打的详细击打数据。 ( 4 ) 采用多进程方式实现各个软件模块功能，各个进程并行运行，通过进 程通信机制进行数据交换，多进程充分利用系统资源【l0 1 。系统共使用了三个进 程，第一个进程实现自动出拳功能，该进程读取光电传感器信号，随机控制直 流电机驱动机械臂完成自动模拟出拳功能。第二个进程实现数据采集和用户界 面控制，该进程实现人机界面交互，包括模式选择、结果演示和采集气袋压力 并计算击打力量等功能，当采集一次有效击打后，计算出击打力量，同时将击 打力量在l e d 显示屏显示，并将击打力量值通过消息队列方式发送给语音播报 进程；第三个进程实现语音播报功能，该进程通过消息队列方式读取击打力量 值，并根据该值播报随机评价。 ( 5 ) 采用l c d 触摸屏的方式实现人机界面交互功能，同时实现结果演示 功能，该功能用于演示快速击打模式下击打的详细过程。运行快速击打模式时， 系统将每次击打详细数据存入本地s q l i t e 数据库中，每次击打的主要信息包 括：击打位置、击打力量、击打时间、本次快速击打总时间、本次击打力量最 低阀值。在结果演示时，通过查询数据库获得在击打总时间内每次击打的详细 数据，在l c d 触摸屏中演示整个击打过程。 1 3 本论文结构 论文共分五章，各章的内容安排如下： 第一章绪论部分描述了本课题的研究背景和意义、研究的主要内容以及本 论文的结构安排。 第二章详细论述了系统的硬件设计和整体结构，并分别对系统内部各个模 块的电路结构进行详细的分析，包括：a d 数据采集模块、气泵控制模块、人 机交互模块。人机交互模块主要包括：语音模块、l e d 结果显示模块、l c d 触 摸屏用户控制模块。 第三章描述了嵌入式软件开发平台的搭建，详细论述了交叉编译环境搭建 和图形界面开发工具q t 环境搭建。 第四章描述了系统软件的设计。详细论述了本系统软件系统模块图、各模 块的程序设计和实现，并对用户界面设计、s q l i t e 数据库的移植和使用、结果 演示模块做了详细论述。 第五章描述了l i n u x 系统下驱动模块的设计方法，详细论述本系统各驱动 模块的实现过程，研究并实现了测量击打力量的算法并论述了如何实现测量击 打力量，解决了数据采集时的干扰问题。 论文的最后对全文进行了总结。描述了完成课题所做的主要工作，论文的 创新点。最后对本课题今后进一步的改进提出了一些建议。 4 第2 章系统碗f ， 设计 第2 章系统硬件设计 2 1 系统结构概况 拳击娱乐机器人整体结构如图2 1 ，主要包括人型靶和人机交互模块。人型 靶由头胸击打气袋以及对应的头胸压力传感器、气袋补气泵、机械臂以及驱动 电机、光电传感器组成。头、胸击打气袋置于图2 1 所示人皮模型内部，压力 传感器、补气泵和机械臂驱动电机因功能需要安装在人型靶的背部。人机交互 模块由l e d 显示屏、控制盒和语音播报器组成。控制盒是系统的控制核心，控 制盒控制采集气袋压力值，计算击打力量大小，并控制将击打力量在l e d 显示 屏显示并语音播报随机评价；控制电机驱动机械臂完成自动出拳功能；控制盒 的l c d 触摸屏是用户进行模式选择和结果演示的人机交互工具。 人型靶人机交互模块 图2 - 1 系统实物结构框图 f i g u r e2 - 1t h ep h y s i c a ls t r u c t u r ed i a g r a mo f t h es y s t e m 拳击娱乐系统从功能可划分为c p u 模块、a d 数据采集模块、自动出拳模 块、气泵控制模块、人机交互模块五部分。系统功能框图如图2 2 所示。 5 二二 北京t ! i k 人学硕l 学f 学位论丈 图2 2 系统功能结构框图 f i g u r e2 - 2t h ef u n c t i o n a ls t r u c t u r ed i a g r a mo ft h es y s t e m c p u 模块：本系统c p u 为a r m 9 2 0 t 处理器$ 3 c 2 4 4 0 ，该处理器主要面向 高性价比、低功耗的应用【7 1 。系统设计采用的是u t u 2 4 4 0 s 工控单板机，该单 板机已经基本集成了系统设计所需要的硬件模块。将嵌入式l i n u x 操作系统移 植到该单板机上，其大量的开源代码以及驱动程序的模块化，给系统开发带来 了很多方便。 a d 数据采集模块：头、胸两个击打气袋分别对应两个压力传感器，传感器 用于采集气袋的压力。使用$ 3 c 2 4 4 0 处理器中1 0 位a d c 转化器的两路模拟输 入口采集头、胸压力传感器输出电压，可以由采集的压力值算出拳重。 自动出拳模块：$ 3 c 2 4 4 0 处理器通过光电传感器采集前方是否有人信号， 如果前方有人则控制电机驱动机械臂模拟出拳动作。光电传感器采集光电信号 通过光耦和c d 4 0 9 3 芯片进入$ 3 c 2 4 4 0 处理器，控制电机信号则通过c d 4 0 9 3 芯片和光耦控制大功率m o s 管i r f 3 2 0 5 的导通和截止来控制电机。在光电信 号采集和控制电机过程中，用光耦将开发板和光电传感器、电机隔离。 气泵控制模块：$ 3 c 2 4 4 0 处理器控制补气泵在胸气袋压力太低时给气袋补 气。气袋压力过高或过低都会给测力带来较大误差，所以气袋压力在合适范围 是准确计算击打力量的保障。气袋在大力击打过程中，压力传感器和气袋接口 不可避免存在漏气问题，因此及时发现气袋压力不在合适范围，并给气袋补气 是本系统设计要解决的一个重要问题。由于头气袋体积比较小，使用加压球手 动补气，胸气袋体积较大，采用补气泵自动充气。气泵控制模块正是实现当胸 6 第2 币系统 i ! l ! 作改汁 气袋压力过低时，自动开始补气直到压力达到合适范围。 人机交互模块包括：l c d 触摸屏、l e d 结果显示模块、语音播报模块。 l c d 触摸屏：l c d 触摸屏是三星3 5 寸3 2 0 x 2 4 0 分辨率液晶屏，带触摸功 能。触摸屏控制系统运行；管理三种模式选择一压力测试模式、大力击打模式、 快速击打模式以及各模式开始前设置必要参数和快速击打模式的结果演示。 l e d 显示模块是由单片机和l e d 显示屏组成。该模块通过r s 2 3 2 串口接 收$ 3 c 2 4 4 0 处理器发送的击打力量数据，并检验数据是否正确，当接收到完整 数据时在l e d 显示屏显示，否则抛弃本次数据等待接收下次数据。 语音模块用于播报快速击打模式结果、大力击打模式的随机评价、压力测 试时头、胸气袋的测试结果以及各模式开始和结束提示音。 本系统中各个部分虽然相互独立，但是又紧密联系构成了一个整体。 a r m 9 2 0 t 处理器$ 3 c 2 4 4 0 是本系统的控制核心，它控制系统的其它部分正常 工作。压力传感器采集头、胸气袋的压力值。触摸屏用于实现用户操作功能。 在用户操作中，可供选择的有三大模式一压力测试、大力击打、快速击打。压 力测试模式用于测试头、胸气袋压力是否在合适范围；大力击打模式用于测试 单次击打力量；快速击打模式用于测试一定时间内的有效击打次数。为了体现 系统的互动性，增加了语音播报功能、自动出拳功能、l e d 显示功能、触摸屏 演示快速击打模式结果等功能。每个部分的功能各不相同，但又相互联系，共 同组成了整个系统。 2 2c p u 模块 中央处理器的选择主要考虑以下几个方面的因素：确保满足拳击娱乐机器 人所需外扩i o 数量、需要调试和数据传输两个u a r t 、系统采集头、胸气袋压 力变化所需的高速度、高精度a d c 转换器，并至少提供两路a d 输入口、系统 需要运行多个进程处理事务，c p u 运行速度要快、考虑方便以后系统的升级。 最后选用扬创科技公司生产的u t u 2 4 4 0 一s 工控单板机，该款a r m 9 开发板基于 三星公司的$ 3 c 2 4 4 0 处理器，开发板提供了本系统开发所需的大部分硬件组件， 可以运行开源的嵌入式l i n u x 操作系统。这样缩短了整个系统硬件开发周期， 为以后软件升级也带来了方便。 本系统采用集成了a r m 9 2 0 t 处理器系列的$ 3 c 2 4 4 0 的u t u 2 4 4 0 一s 工控单 板机如图2 3 。该单板机提供了本系统所需的基本控件，如音频输入输出、外扩 i o 、串口、a d c 转换器等。 7 北京t 业人学硕l 学l 学化论史 图2 3u t u 2 4 4 0 一s 工控单板机 f i g u r e 2 3u t u 2 4 4 0 - si p cs b c $ 3 c 2 4 4 0 是三星公司推出的1 6 3 2 位r i s c 微处理器，为手持设备和一般类 型应用提供了低价格、低功耗、高性能小型微控制器的解决方案。$ 3 c 2 4 4 0 提 供了丰富的内部设备，采用a r m 9 2 0 t 的内核，o 1 3 u r n 的c m o s 标准宏单元和 存储器单元。其低功耗，简单，优雅，且全静态设计特别适合于对成本和功率 敏感型的应用，它采用了新的总线架构a d c a n c e dm i c r oe o n t r o l l e rb u s a r c h i t e c t u r e ( a m b a ) 。a r m 9 2 0 t 实现了m m u ，a m b ab u s 和h a r v a r d 高速缓 冲体系结构。这一结构具有独立的1 6 k b 指令c a c h e 和1 6 k b 数据c a c h e 。每个 都是由具有8 字长的行，通过提供一套完整的通用系统外设，$ 3 c 2 4 4 0 减少整 体系统成本和无需配置额外的组件【_ 7 1 。 $ 3 c 2 4 4 0 集成了以下片上功能【6 】： 1 2 v 内核供电，1 8 v 2 5 v 3 3 v 存储器供电，3 3 v 外部i o 供电，具 备16 k b 的i - c a c h e 和16 k b 的d c a c h e m m u 微处理器 外部存储控制器( s d r a m 控制和片选逻辑) 令l c d 控制器( 最大支持4 k 色s t n 和2 5 6 k 色t f t ) 提供1 通道l c d 专用d m a 4 通道d m a 并有外部请求引脚 3 通道u a r t 令2 通道s p i 冷l 通道i i c b u s 接口 令1 通道i i c b u s 音频编解码器接口 8 第2 币系统艘件砹汁 夺a c 9 7 解码器接口 夺2 端口u s b 主机l 端口u s b 设备 4 - 4 通道p w m 定时器和1 通道内部定时器看门狗定时器 夺8 通道1 0 比特a d c 和触摸屏接口 令1 3 0 个通用i o 口和2 4 通道外部中断源 夺具有普通，慢速，空闲和掉电模式 2 3 人机交互模块 整个系统的人机交互模块包括l c d 触摸屏、l e d 结果显示模块、语音播 报模块。 2 3 1l c d 触摸屏 l c d 触摸屏是实现人机界面交互必需设备，l c d 触摸屏主要用于用户模式 选择、各模式运行前参数的设置和演示快速击打模式历史结果。本系统采用了 三星公司生产的3 4 寸3 2 0 x 2 4 0 分辨率t f t 真彩超薄液晶触摸屏，具有l e d 背 光，它具有不用高压逆变器，不发热，功耗低，可长时间工作的优点。 $ 3 c 2 4 4 0 处理器的a d 转换器( a d c ) 和触摸屏接口功能框图如图2 - 4 。 等待中断模式 图2 - 4 a d c 和触摸屏的接口功能框图 f i g u r e2 - 4a d c a n dt o u c h $ c l o g ni n t e r f a c ef u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a m 本系统中，触摸屏和$ 3 c 2 4 4 0 处理器的接口如图2 5 。$ 3 c 2 4 4 0 处理器的 管脚a i n 7 连接触摸屏的x + 引脚，而a i n 5 连接触摸屏的y + 引脚的。应用4 个外部晶体管控制触摸屏的引脚( x + ，x ，y + ，y - ) ，并采用控制信号n y p o n ， y m o n ，n x p o n 和x m o n 来控制晶体管的打开与关闭。 9 炉 删 忡 堋 一 炉 删 忡 删 北京t 业人学硕l f 学化论文 曼曼曼鼍鼍! 曼! 曼皇曼! 皇曼曼! ! 曼曼曼! ! ! 曼! 曼曼曼曼曼苎皇曼! 曼曼曼曼! 曼曼! 曼! ! 曼! 曼曼曼曼! ! ! ! 曼曼皇皇曼! 曼曼曼曼 井电压巍 x p x m y p y m t o u c hp a n d e i n t f 2 3 1 i r a 。n y p o n e i 阿 2 2 - - 。y m o n 外萄晶体 臼n 下 2 - n ) ( p o n 警撩制籀 e | n t 2 0- x m o n 1 睁 f a m l i l j a 5 l 、 一 l s 3 c 2 4 4 0 p 图2 - 5 a d c 和触摸屏接口 f i g u r e2 - 5a d ca n dt o u c hs c r e e ni n t e r f a c e $ 3 c 2 4 4 0 处理器控制触摸屏的过程如下： ( 1 ) 采用外部晶体管连接到触摸屏。 ( 2 ) 选择分离的x y 轴坐标转换模式或者自动( 连续的) x y 轴坐标转 换模式来获取触摸点的x y 坐标。 ( 3 ) 设置触摸屏接口为等待中断模式。 ( 4 ) 如果中断( i n t - - t c ) 发生，那么立即激活相应的a d 转换( 分离的 x y 轴坐标转换或者自动( 连续的) x y 轴坐标转换) 。 ( 5 ) 在得到触摸点的x y 轴坐标值后，返回到等待中断模式( 第3 步) 。 2 3 2l e d 显示模块 l e d 显示模块是由单片机8 0 c 5 2 做主控芯片，通过串口接收$ 3 c 2 4 4 0 处理 器发送的数据，并驱动l e d 显示屏将结果数据显示。通信方式采用串口r s 2 3 2 协议的有线通信。 串口电路原理图如图2 - 6 所示，串口芯片m a x 3 2 3 2 与芯片8 0 c 5 2 连接， 即芯片8 0 c 5 2 管腿r x d 、t x d ( 1 0 、1 1 ) 和芯片m a x 3 2 3 2 的1 2 、1 1 腿相连【3 6 1 。 j fd c o l m l o r 9 图2 - 6 串口通信电路原理图 f i g u r e2 - 6s e r i a lc o m m u n i c a t i o n sc i r c u i td i a g r a m 1 0 第2 章系统石史件i 殳汁 l e d 数码管驱动电路如图2 7 所示，芯片8 0 c 5 2 的p 2 5 、p 2 6 、p 2 7 ( 2 6 、2 7 、 2 8 管脚) 通过7 4 l s l 4 芯片和芯片7 4 l s 5 9 5 的1 4 、1 1 、1 2 管脚相连。 且一翊凹 峨，凹 卫( ， 将电源、滤波、控制等低频和直流导线放在印制板的边缘。 公共地线应布置在板的最边缘。 高频线路放在板面的中间，可以减小高频导线对地的分布电容，也便于 板上的地线和机架相连。 印制电路板上的布线应短而直，不同信号系统应分开。 印制电路板上同时有模拟电路和数字电路时，宜将这两种电路的地线系 统完全分开，它们的供电系统也要完全分开。 设置地线。印制板上每级电路的地线一般应自成封闭回路，以保证每级 电路的地电流主要在本地回路中流通，减小级间的电流耦合。电路的工 作频率越高，地线应越宽。 接口电路板如图2 1 4 所示。 图2 1 4p c b 图 f i g u r e2 - 1 4p c bf i g u r e 2 8 本章小结 本章以减少复杂性和提高稳定性为出发点，论述了本系统的硬件设计过程。 在用户交互模块方面，描述了l e d 显示模块的电路设计、l c d 触摸屏硬件连 接方法、语音模块功能的实现。在a d 数据采集模块中，解决了压力传感器如 何采集气袋压力的问题。自动出拳模块详细描述了如何通过光电传感器和直流 电机实现自动出拳功能，并给出设计电路图。气泵控制模块实现了系统控制气 泵工作的功能。最后论述了制作p c b 板应注意的问题。 1 7 北京t q k 人，7 i | f | i 学i 学付论丈 第3 章嵌入式软件系统的研究和实现 3 1 嵌入式l i n u x 平台软件开发流程 一个嵌入式l i n u x 系统从软件的角度看通常可以分为四个层次：引导加载 程序、操作系统内核、文件系统、用户应用程序 5 j 2 】。各个部分在嵌入式软件系 统中的相互关系如图3 1 所示。 应用程序 操作系统 内核文件系统 引导程序 硬件 第3 帚嵌入软件系统的硎究和奠j 弛 曼! 曼曼曼曼曼曼!