基于TMS320VC5509A的超聲波電子筆設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)TMS320VC5509A內(nèi)部有雙乘法器，擁有豐富的外設(shè)資源等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了超聲波電子筆系統(tǒng)。介紹了根據(jù)超聲波測(cè)距值計(jì)算筆觸位置的基本方法，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的硬件構(gòu)架，DSP接口設(shè)計(jì)和軟件功能設(shè)計(jì)作出說(shuō)明。該系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是對(duì)書(shū)寫(xiě)材料沒(méi)有特殊要求，并且可以脫離計(jì)算機(jī)單獨(dú)工作，便于攜帶。
關(guān)鍵詞：超聲波；電子筆；DSP

    隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及，對(duì)便攜式輸入設(shè)備的要求也越來(lái)越高。人們希望能隨時(shí)隨地用電子設(shè)備記錄下原始的書(shū)寫(xiě)內(nèi)容。傳統(tǒng)的基于傳感材料的手寫(xiě)筆系統(tǒng)需要特殊的書(shū)寫(xiě)材料，使它的應(yīng)用范圍受到限制。超聲波相對(duì)與電磁波速度要小得多，其傳播的時(shí)間較容易檢測(cè)，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(yùn)算能力，適合于大運(yùn)算量的信號(hào)處理，在超聲波電子筆系統(tǒng)中將其作為信號(hào)處理的核心處理器是一個(gè)良好的選擇。本系統(tǒng)綜合應(yīng)用傳感器技術(shù)、波形檢測(cè)和筆跡形成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)記錄手寫(xiě)筆跡的功能。當(dāng)電子筆在任意平面書(shū)寫(xiě)的同時(shí)，筆跡即刻顯示在主設(shè)備的屏幕上，同時(shí)筆跡信息存儲(chǔ)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(dòng)辦公、電化教育、網(wǎng)絡(luò)會(huì)議等多種場(chǎng)合。

1 超聲波筆跡檢測(cè)原理
    超聲波是一種彈性機(jī)械波，其傳播時(shí)能量相對(duì)集中，衰減小，不受光線和周?chē)矬w顏色的影響，廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測(cè)之中。電子筆系統(tǒng)要精確完成筆跡形成和存儲(chǔ)的功能，首先是要利用超聲波檢測(cè)出各個(gè)采樣時(shí)刻筆觸所在位置。為此，需要一個(gè)超聲波發(fā)生器安裝于筆觸位置，兩個(gè)超聲波傳感器固定在一個(gè)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(gè)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(gè)已知常量。

    在有紅外信號(hào)同步的情況下，b和c的大小可以通過(guò)渡越時(shí)間法實(shí)時(shí)測(cè)量得到。然后，以R(L)所在位置為原點(diǎn)，以R(L)和R(R)的連線為x軸建立平面坐標(biāo)系，由簡(jiǎn)單的幾何知識(shí)得到此時(shí)筆觸的位置坐標(biāo)為
   
通過(guò)反復(fù)測(cè)量，以75 Hz頻率采樣形成點(diǎn)跡，多個(gè)時(shí)刻的點(diǎn)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(shí)使用時(shí)產(chǎn)生的相互干擾，采用文獻(xiàn)敘述的兩步檢測(cè)和時(shí)隙跳變檢測(cè)方法。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    超聲波電子筆系統(tǒng)由一個(gè)主機(jī)設(shè)備和一只電子筆組成。其中主機(jī)設(shè)備包含兩個(gè)位置固定的超聲波傳感器、超聲接收電路、信號(hào)采集和用于筆觸位置計(jì)算的DSP處理器。為了功能完善，DSP外接有SD卡存儲(chǔ)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(jí)放大，帶通濾波，后級(jí)放大，整形電路幾部分。因?yàn)橹苯佑沙暡▊鞲衅鹘邮盏降男盘?hào)十分微弱，需要進(jìn)行前級(jí)放大，此處選用高精度單片運(yùn)算放大器OP07實(shí)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(guò)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(jì)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(kuò)展MMC卡和SD卡作為存儲(chǔ)設(shè)備。SD卡主要用于存儲(chǔ)形成的筆跡信息，用于事后通過(guò)片上集成的USB接口上傳至電腦作進(jìn)一步處理，比如通過(guò)文字識(shí)別軟件生成標(biāo)準(zhǔn)字體；液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示筆跡信息，并且調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)使有利于人機(jī)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(gè)與溫度有關(guān)的量，需要對(duì)檢測(cè)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(cè)距時(shí)的同步信號(hào)。
    在與SD卡連接時(shí)，直接利用DSP自帶的MMC控制器，通過(guò)對(duì)EBSR(外部總線選擇寄存器)的設(shè)置，來(lái)選擇工作于MMC／SD模式或MCBSP(多通道緩沖串口)模式，對(duì)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(qiáng)功能的I／O緩沖器，在其內(nèi)部時(shí)鐘全周期內(nèi)，可全速響應(yīng)DSP的訪問(wèn)，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(hào)，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(jī)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(jì)方法，波形設(shè)計(jì)為偽隨機(jī)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(cè)電子筆是否與書(shū)寫(xiě)平面接觸，只有與書(shū)寫(xiě)平面接觸時(shí)，才啟動(dòng)其它電路，以節(jié)省功耗。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    主設(shè)備的軟件系統(tǒng)采用μC／OS多任務(wù)系統(tǒng)，其中點(diǎn)跡計(jì)算和筆跡形成部分利用VC5509A有雙乘法器的特點(diǎn)，用匯編語(yǔ)言高效實(shí)現(xiàn)，整體軟件功能，如圖5所示。

    系統(tǒng)初始化時(shí)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(duì)ROM區(qū)和RAM區(qū)進(jìn)行初始化。
    參數(shù)設(shè)置是對(duì)采樣時(shí)間，檢測(cè)方式等參數(shù)進(jìn)行配置。
    來(lái)波檢測(cè)部分，首先由檢測(cè)電路引起的中斷計(jì)算出時(shí)間差，以此作為點(diǎn)跡計(jì)算的依據(jù)，然后由坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系計(jì)算出當(dāng)前點(diǎn)跡位置。計(jì)算過(guò)程中包含開(kāi)方運(yùn)算，采用牛頓迭代法完成。
    SD卡的操作包括初始化和讀寫(xiě)兩項(xiàng)操作。初始化時(shí)要分別對(duì)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(xiě)超時(shí)設(shè)置和讀寫(xiě)數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度等；SD卡的初始化主要是檢測(cè)卡的電壓狀態(tài)，分配相對(duì)地址。
    DSP訪問(wèn)液晶控制器時(shí)，首先將指令代碼寫(xiě)入指令緩沖器，隨后將該指令所需參數(shù)按順序通過(guò)數(shù)據(jù)輸入緩沖器寫(xiě)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(xiě)筆內(nèi)部MCU部分的程序既要通過(guò)壓力傳感的信號(hào)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(hào)，當(dāng)檢測(cè)就緒時(shí)，才產(chǎn)生設(shè)定頻率的超聲波信號(hào)。

4 結(jié)束語(yǔ)
    經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，主設(shè)備能實(shí)時(shí)跟蹤筆觸的運(yùn)動(dòng)軌跡，顯示圖像與筆觸劃過(guò)路徑保持一致，完成了筆跡跟蹤、顯示與存儲(chǔ)的基本功能，具有較好的抗干擾能力。然而書(shū)寫(xiě)中的筆鋒，即書(shū)寫(xiě)筆跡的輕重?zé)o法表現(xiàn)出來(lái)，能否將筆觸位置的壓力傳感器信息分級(jí)，并融入后級(jí)的筆跡形成中來(lái)解決此問(wèn)題是進(jìn)一步研究的方向。