（检测技术与自动化装置专业论文）基于加速度传感器的电子笔系统的设计.pdf

摘要 摘要 作为新兴的人机交互工具，电子笔具有广泛的应用空间。伴随着微机电系统 ( m e m s ，m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ) 技术的不断成熟，单芯片三轴向加 速度传感器的上市，加速度型电子笔以其低廉的价格，更加人性化的设计必将带 来更多的创新性。 本文着眼于以上的问题，对加速度型电子笔进行了分析和研究。加速度型电 子笔应用运动学原理，通过对加速度的运算可以获得笔尖的运动轨迹，结合运动 学原理即可将笔迹复现出来，硬件结构简单，易于实现。 m m a 7 2 6 0 q t 是f r e e s c m e 公司设计开发的基于微机电系统( m e m s ) 的三轴 向低重力加速计，是专门为便携式消费类的电子产品而设计的，它能在x y z 三 个轴向上以极高的灵敏度读取低重力水平的震动、坠落、移动、倾斜、放置和摇 摆，它是业界中的第一个单芯片三轴向加速度传感器。本文基于m m a 7 2 6 0 q t 对电子笔的主要组成模块进行了硬件和软件的设计。其中电源模块采用u s b 总 线供电，u s b 总线电源最大给设备提供5 v 电压，5 0 0 m a 电流，基本可以满足 系统正常工作时所需要的电源供应。 u s b 数据采集就是通过u s b 总线上传数据。u s b 通信芯片采用p h i l i p s 公 司的u s b 接口芯片p d i u s b d l 2 ，该芯片通常用于基于微控制器的系统并与微控 制器通过高速通用并行接口进行通信，也支持本地d m a 。利用l a b v m w 编制 的基于加速度传感器的电子笔系统的数据采集应用程序，把u s b 总线和 l a b v i e w 语言紧密结合起来的数据采集系统集成了两者的优点。u s b 总线可以 实现对外部数据高速的、实时的采集，把采集的数据传送到主机后再通过 l b v i e w 的功能模块顺利实现数据的保存。 加速度到位移理论上要经过两次积分变换，积分变换在时域里实现采用的是 梯形求积的数值积分法或其他直接积分方法。本文通过m a t l a b 采用积分在频 域里实现，基本原理是首先将采集到的信号作傅里叶变换，然后将变换的结果在 频域里进行积分变换，最后经傅里叶逆变换得到积分后的时域信号。 文章的最后还对三维空间投影进行了分析，要想将我们在三维空间里的位移 曲线在二维空间里显示出来，就必须要降低其维度。 关键词：电子笔m m a 7 2 6 0 q t 频域积分空间投影 a b s t r a c t a b s t r a c t t 0b ean e wh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o nt o o l s ，e l e c t r o n i cp e nh a v ea ne x t e n s i v e a p p l i c a t i o ns p a c e w i t hm e m st e c h n o l o g ym a t u r e sa n dt h r e e a x i sa c c e l e r a t i o ns e n s o r o fs i n g l e c h i pa p p e a r so nt h em a r k e t ，e l e c t r o n i cp e no fa c c e l e r a t i o nt y p em u s tb r i n g m o r ei n n o v a t i o nw i t hi t sl o wp r i c ea n dm o r eu s e r f r i e n d l yd e s i g n t h i sp a p e rf o c u s e so nt h e s eq u e s t i o n s ，i ta n a l y s e sa n dr e s e a r c h e st h ee l e c t r o n i c p e n o fa c c e l e r a t i o nt y p e e l e c t r o n i cp e no fa c c e l e r a t i o nt y p eo b t a i nt h et r a j e c t o r i e so f t h en i bt h r o u g ht h em a t h e m a t i c a lo fa c c e l e r a t i o nb a s e do nk i n e m a t i c sa l g o r i t h m c o m b i n a t i o no fh a n d w r i t i n ga n a l y s i sa l g o r i t h mc a nb es h o w nt oc o m p l e x ，i th a s s i m p l es t r u c t u r e sa n de a s yt ob ei m p l e m e n t m m a 7 2 6 0 q ti sal o wg r a v i t yo ft h et h r e ea x i a la c c e l e r o m e t e rb a s e do n m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ( m e m s ) o ff r e e s c a l e ，i ts p e c i f i c a l l yf o rp o r t a b l e c o n s u m e re l e c t r o n i cp r o d u c t s i tc a nr e a d i n gx y zt h r e ea x i si nt h ef a l lo fl o w g r a v i t y l e v e l ，t i l t ，m o v e ，p l a c e ，v i b r a t i o na n ds w i n go nt h ev e r yh i g hs e n s i t i v i t y i ti s a t h r e e a x i sa c c e l e r a t i o ns e n s o ro ft h ef i r s ts i n g l e - c h i pi nt h es i m i l a rp r o d u c t t h i sp a p e r d e s i g n st h em a j o rm o d u l e sf o re l e c t r o n i cp e ni nt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eb a s e do n m m a 7 2 6 0 w h i c hp o w e rs u p p l ym o d u l eu s e du s b b u s - p o w e r e d ，u s bb u s 。p o w e r p r o v i d e dt ot h ee q u i p m e n tb yt h el a r g e s t5 v 5 0 0 m a , i tc a ns u p p l yt h en e e d s o fs y s t e m i nt h en o r m a lw o r k i n g u s bd a t a a c q u i s i t i o n i st o u p l o a d d a t a t h r o u g h t h eu s bb u s u s b c o m m u n i c a t i o nu s e su s bi n t e r f a c e c h i p o fp h i l i p s t h ec h i p u s e di n m i c r o c o n t r o l l e r - b a s e d s y s t e m s a n d h i g h - s p e e dg e n e r a l p u r p o s e m i c r o c o n t r o l l e r p a r a l l e li n t e r f a c et oc o m m u n i c a t e ，i ta l s os u p p o r t sl o c a ld m a t h ed a t aa c q u i s i t i o n a p p l i c a t i o ns y s t e mo fe l e c t r o n i cp e nb a s e do na c c e l e r a t i o ns e n s o rw i t hl a b v i e w , t h e d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m si n t e g r a t e dt h ea d v a n t a g e so fb o t hl a b v i e wl a n g u a g ea n dt o c l o s e l yc o m b i n et h eu s bb u s u s bb u sc a nb ea c h i e v e de x t e r n a ld a t ac o l l e c t i o ni n r e a lt i m eo nh i g h s p e e d ，u s bc a ns e n dt h ec o l l e c t e dd a t at ot h eh o s tt h e ns a v et h ed a t a w i t ht h ef u n c t i o n a lm o d u l e so fl a b v i e w i nt h et h e o r y , a c c e l e r a t i o nt od i s p l a c e m e n th a v et w op o i n t s ，p o i n t sc a nb e a c h i e v e di nt h et i m e - d o m a i n ，u s i n gt h en u m e r i c a li n t e g r a t i o nm e t h o do ft r a p e z o i d a l f o r p o i n t sa n do t h e rd i r e c ti n t e g r a t i o nm e t h o d t h i s a r t i c l eu s e st h ep o i n t si n f r e q u e n c y - d o m a i nt h r o u g hm a t l a b ，t h e b a s i cp r i n c i p l e so ft h es i g n a lp o i n t sw i l lb e i i a b s t r a c i r e q u i r e df o rf o u r i e rt r a n s f o r m ，a n dt h e nt h er e s u l t so ft r a n s f o i t nw i l lb ec a r r i e do u ti n t h ef r e q u e n c y - d o m a i n ，f i n a l l y , w ec a ng e tt h ei n t e g r a lo ft h et i m e d o m a i ns i g n a lb y t h ei n v e r s ef o u r i e rt r a n s f o r m t h ea r t i c l ea n a l y s i so nt h et h r e e d i m e n s i o n a lp r o je c t i o ni nt h el a s t ，i fy o uw a n tt o d i s p l a yt h et h r e e d i m e n s i o n a li m a g e si nt w o d i m e n s i o n a l ，i ti sn e c e s s a r yt or e d u c et h e d i m e n s i o n k e y w o r d s ：e l e c t r o n i cp e nm m a 7 2 6 0 f r e q u e n c y - d o m a i ni n t e g r a l s p a c ep r o je c t o r i i i 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名： 签字e t 期： 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人 提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 d 丛开口保密( 年) 储虢峰皇 新签 签字日期：签字日期： 第1 章电子笔概述 1 1 课题背景及其意义 第1 章电子笔概述 目前，伴随着i p h o n e ，i p o d ，w i i 以及s o n yp s 3 等游戏和娱乐类系列消费 类产品的成功和热销，业界人士普通预测微机电系统( m e m s ，m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ) 类产品将成为半导体行业的下一个高速增长点。微 机电系统( m e m s ) 技术具有多样化、微电子、小尺寸等特点，它将信息系统的可靠 性、微型化、多功能化和智能化水平提高到了新的高度。以上的产品中都使用 m e m s 加速度传感器作为u i 操作的接收装置和手持设备的动作操控，我们只需要 改变加速度传感器器件的位置，就能够随心所欲地控制整个游戏的过程，获得最 佳的享受过程。在p s 3 和w i i 中，加速度传感器可以灵敏地感测游戏者的动作， 并将其转换为游戏中的虚拟物品、交通工具或人物的状态和动作等并可以显示在 画面中。i p h o n e 中的加速度传感器则可以根据用户的动作而地对菜单进行相应 的操作，例如调整页宽和改变内容显示方向等。i p o dt o u c h 就内建了通过m e m s 加速度传感器，设备显示的信息和画面会根据用户的动作而自动旋转，其通过内 部传感器对重力向量的方向检测来确定设备处于水平或垂直状态，并且能够自动 调整显示状态，给用户带来方便。三轴加速度传感器给消费类电子产品，尤其是 手持类设备的各方面设计都带来更多的创新性，在短期内必须会获得市场的成 功。而在未来的电子产品中，多传感器将是一个重要的发展趋势，其会让电子产 品在使用上更加人性化；此外，为了提高产品的应用价值和缩小产品的尺寸，混 合式感测器( h y b r i ds e n s o r ) ，例如加速度传感器与陀螺仪的集成，将必然是一 个好的发展方向，多功能混合式传感器将以其较高的附加价值和用户操控体验占 领高端市场；同时伴随着技术的进步，单一功能结构的传感器也将向低端市场推 广和普及( 三轴加速度传感器的技术原理与市场前景分析) 。 笔迹识别一直是人们研究电子笔关键技术的重点。一般来说，电子笔按照定 位方式的不同可以划分为四类：图像识别型、射频定位型、压感定位型和加速度 定位型。图像识别型电子笔通过安放在笔头部分的微型摄像机由图像识别算法扫 描的笔迹画面，笔迹最接近原迹。射频定位型电子笔需要在书写板上或书写的平 面附近放置声波发生器，借助声波发生器发出的超声波来完成笔触的三维定位， 结构和算法复杂但精度高。压感型电子笔需要将压感板感受笔尖的压力弯成笔记 的复原。加速度型电子笔应用运动学原理，通过对加速度的运算可以获得笔尖的 运动轨迹，结合运动学原理即可将笔迹复现出来，硬件结构简单，易于实现。但 第1 章电子笔概述 因受传感器三轴解析度的制约，市面上直还没有出现加速度型电子笔产品( 王 玺，李伟为2 0 0 6 ) 。 1 2 国内外电子笔的发展 随着计算机的普及，电子笔作为新兴的人机交互工具也在迅速发展。在国内， 汉王公司在手写识别一直居于领先地位，引领国内电子笔的发展方向。国外则将 笔迹和办公软件联系起来，从而建立了数字墨水的概念。2 0 0 1 年6 月，爱立信 公司宣布设计成功了世界上第一支数字笔c h a t 2 p e n c h a 3 0 。该产品充分利 用了g p r s 网络与蓝牙( b l u e t o o t h ) 无线技术，可以传输手写的文本并能与移动电 话、计算机和互联网等进行互动的通信。虽然它的书写方式以及外观和一支普通 笔的相同，但它可以通过印在普通纸上几乎看不见的点模式“读”出它的位置。这 些信息将通过蓝牙和g p r s 移动电话，我们就可同时在纸上以数字的方式读出 来。我们发现自己将不再仅限于文本的短消息或电子邮件，只需要使用c h a t p e n 就可通过移动电话、p c 或掌上电话( p d a ) 随时发送手写便条。画下来和写下来 的任何内容都可以立刻传送，使信息处理功能变得更个性化，并且因为不需要使 用字母输入从而大大简化了发送文本信息的过程。瑞典a n o t o 公司开发成功的一 种电子笔可以替代计算机的键盘和其他手工装置的输入信息，这款电子笔的外壳 内安装有一个微型的数码相机、图表信息处理机、电池、存储器和发送器。发送 器能够将数据无线传输给计算机。日本索尼公司设计的p t c 5 5 0 电子笔计算机 厚度只有2 5 毫米，重量还不到1 千克。但是它能识别出三种日本手写体和罗马 字体出来，同时还能够识别出3 5 0 0 多个各种不同笔划的汉字来。美国加利福尼 亚州的系统公司根据模糊集合论原理，即具有某种属性的元素，不管其如何变化， 总可归属于某一集合体的原理，创造出了全新的快速识别处理技术，使得该公司 开发的p e np o u t 电子笔计算机不仅能够识别大写出字母手写体，还能够识别小写 字母手写体。d i g i t a li n k 公司开发的的n s c r i b e 数字笔能够记下你写的每一个字。 当你用它进行书写时，数字笔会通过红外线信号将你写下的文字或图形信息传送 到接收机中。接收机可以图形文件的格式存储5 0 页的内容，并且能够将这些文 件上传到计算机、p d a 或手机上。 2 第1 章电子笔概述 1 3 选题的意义和研究重点 1 3 1 选题的意义 三轴加速度传感器为传统的消费式手持电子设备实现了革命性的创新空间。 三轴加速度传感器可以被安装在游戏机的手柄上，可以作为用户动作的采集器来 感知其手臂前后、左右和上下等的移动动作，并且能够在游戏中转化为虚拟的场 景动作如挥拳、挥球拍、跳跃、甩鱼竿等，把过去单纯的手指运动变成真正的肢 体和身体的运动，实现比以往按键操作所不能实现的临场游戏感知和参与感。 m m a 7 2 6 0 q t 是f r e e s c a l e 公司设计开发的基于微机电系统( m e m s ) 的三轴向低重 力加速计，是专门为便携式消费类的电子产品而设计的，它能在x y z 三个轴向 上以极高的灵敏度读取低重力水平的震动、坠落、移动、倾斜、放置和摇摆，它 是业界中的第一个单芯片三轴向加速度传感器。 三轴加速度传感器的出现为加速度型电子笔的实现带来了可能，其中关于振 动测量的测振笔已面向市场，但是，基于加速度传感器的电子笔还没有完全生产 出来。因此基于加速度传感器的电子笔系统的研究还是有一定实际意义。 1 3 2 课题的研究重点内容 本文在对国内外电子笔相关资料学习和研究基础上，重点进行了以下研究工 作： 1 、对基于加速度传感器的电子笔系统的主要组成模块进行了硬件和软件设 计 基于加速度传感器的电子笔系统的硬件部分包括m c u 部分，电源部分，三 轴加速度传感器部分等，m c u 是系统的核心，主要负责三轴加速度传感器数据 的获取以及对数据进行上传。电源部分为其他各个模块提供稳定工作时所需要的 电源。三轴加速度传感器部分主要是通过m m a 7 2 6 0 q t 三轴小量程加速度传感 器将x 、y 、z 轴变化的加速度信号转换成模拟的电压信号供m c u 处理。基于 加速度传感器的电子笔系统的软件部分包括单片机对采集到的三轴加速度传感 器的模拟信号进行数字变换。 2 、l a b v i e w 与u s b 数据通信传输 u s b 数据采集就是通过u s b ，e 2 , 线上传数据。u s b 通信芯片采用p h i l i p s 公 司的u s b 接口芯片p d i u s b d l 2 ，该芯片通常用于基于微控制器的系统并与微控 制器通过高速通用并行接口进行通信，也支持本地d m a 。利用l a b v i e w 编制 的基于加速度传感器的电子笔系统的数据采集应用程序，把u s b 总线和 3 第1 章电子笔概述 l a b v i e w 语言紧密结合起来的数据采集系统集成了两者的优点。u s b 总线可以 实现对外部数据高速的、实时的采集，把采集的数据传送到主机后再通过 l a b v i e w 的功能模块顺利实现数据的保存。 3 、对加速度转位移的常用控制算法进行- f g i j 析，并在此基础上设计了方案 加速度到位移理论上要经过两次积分变换，积分变换在时域里实现采用的是 梯形求积的数值积分法或其他直接积分方法。本文通过m a t l a b 采用积分在频 域里实现，基本原理是首先将采集到的信号作傅里叶变换，然后将变换的结果在 频域里进行积分变换，最后经傅里叶逆变换得到积分后的时域信号。 4 、对空问投影算法进行了研究 我们平时所用的显示器和绘图机只能显示二维空间的图形，若显示三维图形 就要用投影方式来降低其维度。要想将我们在三维空间里的位移曲线描画在一个 二维的平面内，如纸面，荧光屏面上，必须对三维曲线进行投影。 1 4 本文的组织 本文的组织结构如下： 第1 章：概述。介绍了基于加速度传感器的电子系统的研究背景和相关技术， 给出了本文的主要研究内容。 第2 章：基于加速度传感器的电子笔系统的设计。介绍了基于加速度传感器 的电子笔系统的硬件中元器件的选型以及原理图。 第3 章：l a b v i e w 与u s b 数据通信模块设计。介绍了u s b 固件程序的设 计，底层驱动的设计以及使用l a b v i e w 设计上位机程序。 第4 章：m a t l a b 在信号处理中的应用。介绍了加速度在m a t l a b 中的积 分变换，包括消除趋势项，滑动平均法，频域积分等。 第5 章：空间投影。重点介绍了空间投影的原理及方法。 第6 章：总结与展望。对全文进行了总结，对需要进一步研究的方面进行了 展望。 4 第2 章基丁加速度传感器电子笔系统的设计 第2 章基于加速度传感器电子笔系统的设计 2 1 电子笔系统组成 基于加速度传感器电子笔系统的总体框架如图2 1 所示，这些子模块包括 m c u 模块，电源转换模块，三轴加速度传感器模块，通信模块，人机界面模块， m a t l a b 数据处理模块。 图2 1 电子系统总体框架图 m c u 模块是系统的核心，主要负责三轴加速度传感器数据的获取以及对数 据进行上传。电源模块为其他各个模块提供稳定工作时所需要的电源。三轴加速 度传感器模块主要是通过m m a 7 2 6 0 q t 三轴小量程加速度传感器将x 、y 、z 轴 变化的加速度信号转换成模拟的电压信号供单片机处理。通信模块是通过 p d i u s b d l 2 芯片，实现上位机与下位机的通信。人机界面模块通过l a b v i e w 编 制应用程序采集下位机数据，用来接收由u s b 传输上来的数据。数据处理模块 进行数据处理，在频域内进行积分变换。 2 2m c u 及电源模块 m c u 是整个加速度型电子笔控制系统的核心部件，其。i l a ，土j 厶h 匕t - - , 决定了系统的工 5 第2 章基t - d h 速度传感器电子笔系统的最计 作能力，因此应选择合适的微控制器以进行系统搭建。 微控制器的具体选型原则是： ( 1 ) 功耗要尽量低 之所以选择功耗低的单片机，是要适合于由电池供电，增加电池寿命。 ( 2 ) 芯片封装要小 芯片封装小，就是要求单片机的外观体积要尽可能的小，这一方面是为了减 小单片机在系统电路上的占用体积，另一方面是为了便于携带。 ( 3 ) 内部具有a d 转换模块 加速度传感器的输出是三路模拟量，要将这些模拟量输出进行数字化就必须 使用a d 转换器。为了不占用系统体积，也是为了降低系统功耗，本设计不再另 外使用专用的a d 转换器，而是选用带有a d 转换模块的微控制器。 ( 4 ) 性能好，处理速度快，存储容量大 采集子系统作为一个独立工作的嵌入式系统，整个系统的工作控制和各种工 作的协调都是在微控制器管理协调下进行的，微控制器的性能将直接决定整个采 集子系统的工作性能。 基于上述原则，m c u 系统选用美国t i 公司的m s p 4 3 0 f 1 6 9 来构建系统。 m s p 4 3 0 f 1 6 9 是一种具有超低功耗的功能强大的1 6 位单片机，数字控制的振荡 器d c o 允许在6 微秒内从低功耗模式唤醒，运行在1 m h z 时钟条件下时，工作 电流视工作模式的不同为0 1 ，2 8 0 u a ，程序空间代码为6 0 k b + 2 5 6 b 的f l a s h ， 2 k b 的r a m ，具有f l a s h 存储器，4 8 个i o 口引脚，每个i 0 口分别对应输 入、输出、功能选择、中断等多个寄存器，使得功能口和通用i o 口复用，在对 同一个i o 口进行操作前要选择其要实现的功能，这样就大大地增强了端口的使 用功能以及灵活性，并且具有强大的中断功能。该类单片机具有一个强大的1 6 位r i s cc p u ( 1 2 5 n s 指令周期) ，1 6 位的寄存器以及常数发生器，能够最大限度 地提高代码的效率。该芯片还配置了带有3 个捕获1 ：1 ；较寄存器的1 6 位定时器a 和定时器b 、1 2 位快速s w d 转换器( 带有内部参考电平、采样保持和自动扫描 特性) 、双1 2 位d a 转换器，两个通用同步异步串行通讯接口u s a r t 、d m a 。 2 2 1m s p 4 3 0 结构概述 m s p 4 3 0 系列采用存储器一存储器结构，也就是用一个公共空间对全部的功 能模块进行寻址，同时采用精简指令组操作所有功能模块。m s p 4 3 0 系统结构如 图2 2 所示。包括c p u ，数据存储器( r a m 或e e p r o m ) ，外围模块，程序存 储器( r o m 或e p r o m ) ，运行控制，振荡器和倍频器等功能模块。 6 第2 章基于加速度传感器电子笔系统的设计 图3 2 m s p 4 3 0 系统结构图 2 22 系统复位、中断和运行模式 一、m s p 4 3 0 f 1 4 9 系统复位 m s p 4 3 0f 1 4 9 单片机具有4 种不同的复位来源：在v c c 端加供电电源，可 编程看门狗定时器超时，在r s t * n m i 端输入低电平信号和对w d t c t l 寄存器 写入时密钥不符。 二、中断系统结构 m s p 4 3 0 f 1 4 9 具有3 类中断系统：系统中断，非屏蔽中断和可屏蔽中断。 引起系统复位的中断源有4 种：r s t n m i 引脚加低电平( 选择复位模式) ； 加电源电压i 看门狗定时器密钥不符( 写w d t c t l 时1 ：3 令错) ：看门狗定时器 溢出( 选择看门狗模式) 。 非屏蔽中断则由以下两种情况产生；r s t + n m i 引脚有上升沿( 选择n m i 模式) ；振荡器故障( 李智奇2 0 0 8 1 。 可屏蔽中断源有：看门狗定时器溢出( 选择定时嚣模式) ：其他模块的中断。 三、运行模式 m s p 4 3 0f 1 4 9 的运行模式以其先进的方式支持超低功耗和超低能耗的各种 要求。因为这是通过了各模块智能化的运行管理以及c p u 的状态组合而形成的。 一个中断事件将把系统从各种运动模式中晚醒，而r e t i 指令又使得运行模式返 回到中断事件发生前的运行模式上来。 m s p 4 3 0f 1 4 9 系列是为超低功耗应用而开发出来的采用不同功耗水平的运 7 第2 章基y - 3 n 速度传感器电子笔系统的没计 行模式的单片机。采用c m o s 技术设计的超低功耗系统具有三个主要的目的： 一是解决运行时的速度和流量与低功耗设计的冲突；二是将系统中各模块的电流 消耗降至最低；三是使限制活动状态降到最低的要求。 2 2 3a d 转换器 一、m s p 4 3 0f 1 4 9 a d 模块的特性有： ( 1 ) 有8 个a ，d 输入通道 ( 2 ) 可以作比例测量或绝对值测量 ( 3 ) 有内置的采样保持电路 ( 4 ) 有4 个模拟输入端作为可编程电流源( 经外接电阻r e x t ) ( 5 ) 可以独立完成转换，不需要c p u 额外的处理开销 ( 6 ) 具有快速的转换时间 ( 7 ) 具有转换结束中断标志( e o c ) ( 8 ) 有4 个可编程量程可达到1 4 位动态范围 ( 9 ) 可以编程为1 2 或1 4 位精度 ( 1 0 ) a d a t 寄存器可以将转换结果保存到下一次转换开始 ( 1 1 ) 低功耗 ( 1 2 ) 有大供电电压范围 ( 1 3 ) 可以单一覆盖整个a d 转换范围( 李智奇2 0 0 s ) 二、d 转换 系统上电以后即需要对a c t l 寄存器进行编程操作，以确定是该做比例检测 还是要做绝对检测，以及检测的范围选择是自动的还是非自动的。对于非自动的 范围选择模式，检测范围位一旦选定后将在转换期间内不可以改变，否则的话可 能会使转换结果以失效告终。 对于a c t l 寄存器中的s o c 位置位位，将激活d 时钟位并且将开始一次 新转换。a d 转换器的原理是基于逐位逼近的技术原理，我们先采用电阻阵列分 辨出m 位高位，然后用开关电容阵列分辨余下的l 位低位。 2 2 4 电源模块 电源模块我们采用u s b 总线供电，主要负责系统正常工作时所需要的电源。 u s b 总线电源最大可以给设备提供5 v 电压，5 0 0 m a 的电流供应，基本上可以 满足小型外设电源的需求。同时为了减少开关的损耗，系统中各个模块均采用 3 3 v 供电，因此需要对电源进行转换。在微控制器检$ , u n ：0 n 速度型电子笔处于 8 第2 章基于加速度传感器电子笔系统的设计 静止状态时，微控制器软件将控制使u s b 接口芯片进入睡眠状态，进一步减少 功耗。 采用l m l l l 7 3 3 进行电压转换，把u s b 总线提供的5 v 电源转换为 m m a 7 2 6 0 模块，m c u 模块所需要的3 3 v 电压。 2 3 三轴加速度传感器模块 我们在选择加速度传感器时需要考虑以下几个方面：针对加速度传感器不同 的应用背景，在特性上就体现为不同的规格模式。所以我们要根据自身的需要来 选取最适合的产品型号。例如对于手持式设备的动作检测和姿态识别就要选用低 频( 0 2 0 h z ) 的加速度传感器；而对于硬盘跌落或振动的保护，就要选用中频 ( 2 0 5 0 h z ) 的加速度传感器；而对于洗衣机等家电或汽车车身冲击传感器的振动 型加速度传感器，就要选用高频( 5 0 1 0 0 h z ) 的加速度传感器。 同时在选取线形加速度传感器的时候还需要考虑其灵敏度、解析度及满量程 ( f u l ls c a l e ，f s ) 等特性。灵敏度与a d c 的等级情况有关，用来表示产生的测量输 出值的最小输入值；满量程表示的是加速度传感器可测量的最大值和最小值；解 析度则表示的是输入参数的最小增量值。 加速度传感器按照输出的类型不同可分为模拟式和数字式两种。其中模拟式 加速度传感器的输出值为电压值，这就需要在系统中添加模数转换器( a d c ) 进行 转换；因为数字式加速度传感器的接口芯片内已集成了a d c 电路，可以直接与 s p i 或1 2 c 等实现数字的直接传输。并且数字式产品在成本上还具有一定的优势， 因为通常高质量的a d c 转换芯片是比较昂贵的，价格甚至有可能超过传感器部 分的单独售价。 2 3 1 三轴加速度传感器m m a 7 2 6 0 特性 m m a 7 2 6 0 q t 是f r e e s c a l e 公司设计开发的基于微机电系统( m e m s ) 的三轴向 低重力加速度计，是专门为便携式消费类的电子产品而设计的。m m a 7 2 6 0 q t 低成本微型电容式加速度传感器采用了信号调理、单板低通滤波器和温度补偿技 术。它能在x y z 三个轴向上以极高的灵敏度读取低重力水平的震动、坠落、移 动、倾斜、放置和摇摆，它是业界中的第一个单芯片三轴向加速度传感器。 m m a 7 2 6 0 的主要特性o h t ( m m a 7 2 6 0 文档1 ： ( 1 ) 三个轴向：具有x 、y 、z 三轴向的感应加速度功能； ( 2 ) 电流消耗小：5 0 吮a ； ( 3 ) 休眠模式消耗电流靴a ，是电池供电的手持电子产品的理想之选； 9 第2 章基于加速度传感器电子笔系统的设计 ( 4 ) 快速启动时间大约l m s ； ( 5 ) 加速度范围可选：1 5 9 、+ 2 9 、4 9 和6 9 ； ( 6 ) 低电压运行电压2 2 3 6 v ； ( 7 ) 体积小：6 m m * 6 m m * 1 4 5 m m 的q f n 封装； ( 8 ) 低噪音：可以达到更高的分辨率、更高的精确度； ( 9 ) 灵敏度高：8 0 0 m v 影1 5 9 档，o g 时偏置电压为1 6 5 v ，对于1 5 9 的灵 敏度，每轴输出电压在0 8 5 v 2 4 5 v 之间。 图2 3m m a 7 2 6 0 的结构功能图 2 3 2 三轴加速度传感器m m a 7 2 6 0 结构及设计要求 m m a 7 2 6 0 的结构功能如图2 3 所示。m m a 7 2 6 0 传感器是由震荡器、积分 放大滤波器、时钟信号发生器、微调电路、重力g 感测单元、ct ov 转换器和温 度补偿电路组成；引脚较少，五输入一输出，每根管脚的作用很容易理解，使用 起来相当的简单。m m a 7 2 6 0 输出的信号为模拟电压信号，可以与带有a d 转换 模块的m c u 直接相连接。x 、y 、z 轴向上三个相互垂直方向上的加速度由g 2 c e l l 传感单元感知，经过增益放大、滤波器、容压变换器和温度补偿后以模拟电压信 号输出。其中m m a 7 2 6 0 的关键组成部分是加速度感应单元，其感应原理是利用 半导体材料经过刻蚀加工成型的机械结构，基于可变电容原理如图2 4 所示，当 芯片受到外力作用产生加速度时，相当于两个固定极板之间的可变极板位置发生 了相应变化，从而将加速度变化以电容值的变化形式表现出来。然后再通过内部 电路将电容变化转化为电压变化，最后经过滤波增益等相关处理后输出模拟电压 值( m m a 7 2 6 0 文档) 。 1 0 第2 章基于加速度传感器电子笔系统的设计 m m a 7 2 6 0 的引脚配置如图2 6 所示。其中在与m m a 7 2 6 0 的接线过程中， 我们首先要考虑的是噪声的消除问题，需要在m m a 7 2 6 0 的x o u t 、y o u t 和 z o u t 3 个输出端分别接r c 滤波器，这是因为m m a 7 2 6 0 内部采用了开关电容 滤波器，有时钟噪声产生，如图2 7 所示。接r c 滤波器主要用于滤除内部开关 滤波电容时钟的干扰，以提高测量的精度。 a c e , e l e r a t i o n + 图2 4 加速度感应单元原理 仓+ y i 譬蕊两蕊矾i ! 二 ：堕 + x x r - - j l 3 ；墨 0 ：璺 点i 量l a 。r - - 王- ：。麓竺 ：一二j 一丑上i 。j 墼二一 o 吖 p x l 1 阳 之 争 z u r o w n d t c a t e sd 即日或i 邮o fm a 占tm o v e f n e r d 图2 5m m a 7 2 6 0 相互垂直的传感器方向 t o pv i e w 鐾毒多青 鏊 彗笺嬖 图2 6m m a 7 2 6 0 的引脚配置图 函一擗 一p 一 雌 眦 犹 1i引1r=q，引1“j司叫叫叫叫到 蕊 美 1 生 1 ，o 【 浮 r 瞧 蕊 一瞰 祗一 一n r r l ， ：一 一 气j 1 j 1 j ；j w 一 万；，112|34一；一 第2 章基于加速度传感器电子笔系统的设计 k o 口i c _ g 鹣；e c t z 既1 ， 手誓2 g 3 e ；e e 砭 摊m a 2 6 0 q t o 1 庐 j _ 碜￥材 2 t 4 v s 3 i i c 。x o t j t $ e e pm o d e 一 图2 7m m a 7 2 6 0 原理图设计 m m a 7 2 6 0 的3 个相互垂直的传感器方向如图2 5 所示。 m m a 7 2 6 0 内建了g - s e l e c t 电路，可以通过单片机对两个g - s e l e c t 引脚逻辑 输入值的控制来进行g 值量程范围的选择，其量程值可以在1 5 9 ，+ 2 9 ，_ 4 9 ， + 6 9 加速度中选择，如表2 1 所示。在使用的过程中我们可以随时改变加速度的 灵敏度，因此可以在不同的环境下最大化的使用该加速度芯片，灵活改变其测量 范围。我们在设计硬件电路时将m m a 7 2 6 0 的g s e l e c t l 和g - s e l e c t 22 个引脚均 设置为由单片机的i o 口来直接控制。同时为了确保最佳的灵敏度状态，我们则 需要通过观察m c u 的状态情况，如果m c u 在读取传感器的时候出现持续一段 时间内的满格状态，那么m c u 就要设定更大的g 值量程来得到最佳的使用状况。 表2 1m m a 7 2 6 0 9 值选择 g s e l e c t 2g s e l e c t lg r a n g es e n s i t i v i t y oo 5 9 8 0 0 n v 辔 01 2 9 6 0 0m v t g o 4 0 3 0 0m 、，魍 1 6 9 2 0 0m v 岱 由于m m a 7 2 6 0 固有的内部采样频率为l l k h z ，我们在设计硬件电路的时候 应该考虑单片机的d 采样频率以及其外部的电源供电开关频率，要保证都应 该不与m m a 7 2 6 0 固有的内部采样频率相干扰，以防产生混叠误差。 对于m m a 7 2 6 0 ，我们在设计时要尽量采用电池供电，如果用开关电源，那 么电源的纹波将远远超过m m a 7 2 6 0 的输出纹波。 功耗问题一直是便携式设备设计中首要考虑的重要因素，m m a 7 2 6 0 可使用 1 2 第2 章基r 加速度传感器电子笔系统的设计 m c u 通过检测设备的使用状况来对其用电模式加以控制，从而有效延长电池的 使用时间。 如图2 8 所示，为加速度传感器m m a 7 2 6 0 设计的p c b 板图，整个加速度 型电子笔系统应做到体积尽量的小，以方便携带。 图2 8m m a 7 2 6 0 p c b 板图 第3 章l a b v i e w 与u s b 数据通信模块发计 第3 章l a b v i e w 与u s b 数据通信模块设计 作为虚拟仪器的开发工具h b v i e w ，其特色之一是功能强大的数据采 集系统产品软件的支持，因此使用l a b v i e w 进行数据采集程序的开发十分简单、 方便。l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ，实验室虚 拟仪器工作平台) 是由美国n i 公司提出来的，它提供了一个直觉式的环境，与 测量紧密结合，在计算机的平台上，我们可以根据自己的需求设计具有测试功能 的系统，即虚拟仪器是由用户利用软件编程技术及一些基本硬件组成的各种各样 的仪器系统；它结合了灵活强大的g 编程语言与简单易用的图形式开发环境， 是一个高效的图形化程序设计环境。 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，通用串行总线) 由i b m 、i m i c r o s o f t 、n t e l 、c o m p a q 、 d e c 、n e c 和n o r t h e r nt e l e c o m 等公司共同协商制定，该项技术对微型计算机外 部设备的连接和使用方式都作出了新的规定。u s b 总线可以为连接在其上的设 备提供5 v 电压l