基于TMS320VC5509A的超聲波電子筆設計

摘要：針對TMS320VC5509A內(nèi)部有雙乘法器，擁有豐富的外設資源等特點，設計了超聲波電子筆系統(tǒng)。介紹了根據(jù)超聲波測距值計算筆觸位置的基本方法，并對整個系統(tǒng)的硬件構架，DSP接口設計和軟件功能設計作出說明。該系統(tǒng)的最大特點是對書寫材料沒有特殊要求，并且可以脫離計算機單獨工作，便于攜帶。
關鍵詞：超聲波；電子筆；DSP

    隨著計算機應用的普及，對便攜式輸入設備的要求也越來越高。人們希望能隨時隨地用電子設備記錄下原始的書寫內(nèi)容。傳統(tǒng)的基于傳感材料的手寫筆系統(tǒng)需要特殊的書寫材料，使它的應用范圍受到限制。超聲波相對與電磁波速度要小得多，其傳播的時間較容易檢測，將其應用于電子筆系統(tǒng)中，可以使輸入設備更加便捷，筆跡跟蹤準確。
    DSP擁有高速的運算能力，適合于大運算量的信號處理，在超聲波電子筆系統(tǒng)中將其作為信號處理的核心處理器是一個良好的選擇。本系統(tǒng)綜合應用傳感器技術、波形檢測和筆跡形成技術，實現(xiàn)記錄手寫筆跡的功能。當電子筆在任意平面書寫的同時，筆跡即刻顯示在主設備的屏幕上，同時筆跡信息存儲到主設備的SD卡中，并且可以上傳至電腦，作進一步的處理。它適用于移動辦公、電化教育、網(wǎng)絡會議等多種場合。

1 超聲波筆跡檢測原理
    超聲波是一種彈性機械波，其傳播時能量相對集中，衰減小，不受光線和周圍物體顏色的影響，廣泛應用于工業(yè)檢測之中。電子筆系統(tǒng)要精確完成筆跡形成和存儲的功能，首先是要利用超聲波檢測出各個采樣時刻筆觸所在位置。為此，需要一個超聲波發(fā)生器安裝于筆觸位置，兩個超聲波傳感器固定在一個主設備上。它們的幾何位置關系可以由圖1表示，其中R(L)和R(R)是兩個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，是一個已知常量。

    在有紅外信號同步的情況下，b和c的大小可以通過渡越時間法實時測量得到。然后，以R(L)所在位置為原點，以R(L)和R(R)的連線為x軸建立平面坐標系，由簡單的幾何知識得到此時筆觸的位置坐標為
   
通過反復測量，以75 Hz頻率采樣形成點跡，多個時刻的點跡最終形成連續(xù)筆跡。為了避免環(huán)境噪聲干擾和多套系統(tǒng)同時使用時產(chǎn)生的相互干擾，采用文獻敘述的兩步檢測和時隙跳變檢測方法。

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2 系統(tǒng)硬件設計
    超聲波電子筆系統(tǒng)由一個主機設備和一只電子筆組成。其中主機設備包含兩個位置固定的超聲波傳感器、超聲接收電路、信號采集和用于筆觸位置計算的DSP處理器。為了功能完善，DSP外接有SD卡存儲器、液晶顯示器(LCD)，溫度傳感器和紅外發(fā)生器，其整體架構如圖2所示。

    接收電路分前級放大，帶通濾波，后級放大，整形電路幾部分。因為直接由超聲波傳感器接收到的信號十分微弱，需要進行前級放大，此處選用高精度單片運算放大器OP07實現(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轉化器，并且它自帶MMC控制器，可以擴展MMC卡和SD卡作為存儲設備。SD卡主要用于存儲形成的筆跡信息，用于事后通過片上集成的USB接口上傳至電腦作進一步處理，比如通過文字識別軟件生成標準字體；液晶顯示器實時顯示筆跡信息，并且調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)使有利于人機交互；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與溫度有關的量，需要對檢測的筆跡結果作修正；紅外發(fā)生器配合電子筆中的紅外接收器工作，作為超聲波測距時的同步信號。
    在與SD卡連接時，直接利用DSP自帶的MMC控制器，通過對EBSR(外部總線選擇寄存器)的設置，來選擇工作于MMC／SD模式或MCBSP(多通道緩沖串口)模式，對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，有較強功能的I／O緩沖器，在其內(nèi)部時鐘全周期內(nèi)，可全速響應DSP的訪問，使DSP的數(shù)據(jù)總線直接與控制器的數(shù)據(jù)接口連接。[!--empirenews.page--]
    電子筆部分，主要是在MCU的控制下產(chǎn)生超聲波信號，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PICl0F。PICl0F是6引腳的SOT-23封裝，指令執(zhí)行速度可達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，借鑒雷達波形設計方法，波形設計為偽隨機的M序列，頻率設置為40 kHz。電子筆中的壓力傳感器安裝于筆觸頂端，用于檢測電子筆是否與書寫平面接觸，只有與書寫平面接觸時，才啟動其它電路，以節(jié)省功耗。

3 系統(tǒng)軟件設計
    主設備的軟件系統(tǒng)采用μC／OS多任務系統(tǒng)，其中點跡計算和筆跡形成部分利用VC5509A有雙乘法器的特點，用匯編語言高效實現(xiàn)，整體軟件功能，如圖5所示。

    系統(tǒng)初始化時完成主程序的入口設置，將寄存器清零，設置中斷矢量，對ROM區(qū)和RAM區(qū)進行初始化。
    參數(shù)設置是對采樣時間，檢測方式等參數(shù)進行配置。
    來波檢測部分，首先由檢測電路引起的中斷計算出時間差，以此作為點跡計算的依據(jù)，然后由坐標轉換關系計算出當前點跡位置。計算過程中包含開方運算，采用牛頓迭代法完成。
    SD卡的操作包括初始化和讀寫兩項操作。初始化時要分別對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、讀寫超時設置和讀寫數(shù)據(jù)塊長度等；SD卡的初始化主要是檢測卡的電壓狀態(tài)，分配相對地址。
    DSP訪問液晶控制器時，首先將指令代碼寫入指令緩沖器，隨后將該指令所需參數(shù)按順序通過數(shù)據(jù)輸入緩沖器寫入相應的功能寄存器中。其中SEDl335指令代碼既可設置功能位，又是參數(shù)寄存器的選通碼。
    手寫筆內(nèi)部MCU部分的程序既要通過壓力傳感的信號判斷筆觸是否已經(jīng)與紙張接觸，又要判斷主設備的紅外同步信號，當檢測就緒時，才產(chǎn)生設定頻率的超聲波信號。

4 結束語
    經(jīng)實驗測試，主設備能實時跟蹤筆觸的運動軌跡，顯示圖像與筆觸劃過路徑保持一致，完成了筆跡跟蹤、顯示與存儲的基本功能，具有較好的抗干擾能力。然而書寫中的筆鋒，即書寫筆跡的輕重無法表現(xiàn)出來，能否將筆觸位置的壓力傳感器信息分級，并融入后級的筆跡形成中來解決此問題是進一步研究的方向。