基于ARM720T的SEP4O2O 嵌入式處理器的動作控制MP3的設(shè)計(jì)
東南大學(xué) 李仁林 藍(lán)淵明 張楠楠
摘要： 本文介紹了針對SEP4020處理器等硬件在Linux操作系統(tǒng)下的動作控制MP3的設(shè)計(jì)流程，為這種控制方式的MP3設(shè)計(jì)提供了一個范例。以下是一些改進(jìn)的建議：作為手持式設(shè)備，動作控制MP3對于能耗的要求比較高，所以設(shè)計(jì)時必須考慮多使用一些低功耗的器件替代高功耗的器件。動作控制的MP3在運(yùn)動中是受限制的，MP3的判斷會受到比較大的干擾。所以如果動作采樣方法和動作判斷算法難以有很大的改進(jìn)，為方便繼續(xù)使用應(yīng)當(dāng)考慮給MP3加上其他的控制方式，暫時取代動作控制。
Abstract：
Key words :
動作識別是一個很熱門的話題。蘋果公司繼推出具有轟動效應(yīng)的多點(diǎn)觸控技術(shù)后又籌備申請自己的動作識別專利。動作的識別簡單的說就是利用加速度傳感器，檢測在空間上的速度變化，通過算法，提取動作。動作識別在很多方面都有應(yīng)用，比如Wii、手機(jī)感應(yīng)游戲、四槳飛行器等，但是目前很少甚至沒有將其用在MP3控制上的。當(dāng)今的電子產(chǎn)品的一大潮流就是用動作控制。試想一下一個沒有任何觸摸、機(jī)械按鍵的MP3，只要你前后左右的晃動就能進(jìn)行所有最基本的控制操作，既靈動又時尚，這應(yīng)當(dāng)是一種全新的操作體驗(yàn)。本文將探討如何設(shè)計(jì)這種通過動作來進(jìn)行正?？刂频腗P3。
1硬件平臺
1．1 SEP4020嵌入式處理器
本文所述驅(qū)動程序基于SEP4020嵌入式微處理器。SEP4020是由東南大學(xué)國家專用集成電路系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心設(shè)計(jì)的一款處理器，采用0．18μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS的工藝設(shè)計(jì)，內(nèi)嵌ASIXCORE(32位RISC內(nèi)核，兼容ARM720T，帶8kB指令數(shù)據(jù)Cache和全功能MMU)。SEP4020芯片中集成各種功能，包括：
8／16位SRAM／NORFALSH接口，16位SDRAM接口
硬件NANDFLASH控制器，支持NANDFLASH自啟動，支持軟件／硬件ECC校驗(yàn)
10M／100M自適應(yīng)以太網(wǎng)MAC，支持RMII接口
64kByte高速片上SRAM
USBl．1Device，全速12Mb／s
支持I2S音頻接口
支持MMC／SD卡
LCD控制器，支持640×480×16位TFT彩屏和STN黑白、灰度屏
RTC，支持日歷功能／WatchDog，支持后備電源
10通道TIMER，支持捕獲、外部時鐘驅(qū)動和MATCHOUT
4通道PWM，支持高速GPIO
4通道UART，均支持紅外
2通道SSI，支持SPI和Microwire協(xié)議
2通道SmartCard接口，兼容IS07816協(xié)議
支持最多97個GPIO，14個外部中斷
支持鏈表DMA傳輸和外部DMA傳輸
片上DPLL，支持多種功耗模式：IDLE、SLOW、NORMALSLEEP
1．2MC9S08QG8
本文中的動作捕捉判斷部分由MC9S08QG8來控制完成。MC9S08QG8是Freescale公司的一款單片機(jī)，它的性能如下：
8通道、10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器
3個通訊接口：SCI、SPI、IIC
4k或8k可重編程FLASH存儲器
內(nèi)置在線仿真器(ICE)
1．3MMA7620
動作控制MP3中動作的感應(yīng)是由MMA7620完成的。MMA7620是Freescale公司的一款三向加速度傳感器，它的性能如下：
3軸加速度感應(yīng)和輸出，可同時測量三個坐標(biāo)軸(x、y、z)的值并由三個通道輸出
4種靈敏度可供選擇
有休眠模式
2動作控制MP3的設(shè)計(jì)
2．1動作捕捉
一個動作從開始到結(jié)束一定會有加速度的產(chǎn)生，所以可以通過檢測伴隨著動作產(chǎn)生的加速度的大小和方向來判斷動作。要測量加速度的大小就需要一個加速度傳感器，將所得到的加速度以模擬量的形式表示，然后將傳感器所得到的模擬量通過一個AD轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號以方便后續(xù)計(jì)算。但是查找資料發(fā)現(xiàn)，如果單方面的使用一個AD變換器將從加速度傳感器中得到的電壓信號轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號并要求達(dá)到期望的精度將導(dǎo)致成本的大幅度提高，然而現(xiàn)有很多的單片機(jī)中已經(jīng)集成了AD轉(zhuǎn)換模塊，并且整個單片機(jī)的價格要低于單買單個三通道AD轉(zhuǎn)換芯片。更為可觀的是還可以利用單片機(jī)本身的處理功能對AD轉(zhuǎn)換所得到的數(shù)字信號進(jìn)行處理，預(yù)判動作。而且單片機(jī)中集成了很多的通信協(xié)議，簡單而健壯。綜合以上考慮，如果選用單片機(jī)代替AD轉(zhuǎn)換模塊就可以減輕核心板的負(fù)擔(dān)和整個項(xiàng)目的開發(fā)難度。
加速度傳感器可以選擇使用Freescale公司的MMA7620三軸加速度傳感器。單片機(jī)可以選擇使用Freescale公司的MC9S08QG8單片機(jī)，它集成的八通道9bitAD轉(zhuǎn)換模塊正好和MMA7620的三通道輸出相匹配，體積也很小，適用于便攜設(shè)備。
圖1是手持部分的原理圖，包括單片機(jī)和傳感器PTA0、PTAl、PTA2：輸入：分別接三向加速度傳感器的x、y、z端口輸出，讀取加速度傳感器的x、y、z軸的模擬數(shù)據(jù)。
PTA3：輸出；接三向加速度傳感器的Sleep引腳用于使傳感器處于休眠狀態(tài)從而降低功耗和鎖定，避免運(yùn)動時的干擾。
PTTB0：輸入；作為串口接收腳用于接收從核心板傳來的命令。
PTFBl：輸出；作為串口發(fā)送腳用于向核心板發(fā)送由加速度傳感器所測的經(jīng)過單片機(jī)處理后所得到的動作信息。
PTB6、PTB7：輸出；接加速度傳感器的gselect引腳從而控制加速度傳感器的靈敏度。
2．2動作判斷
利用Freescale公司的FreeMASTER軟件，可以很方便地進(jìn)行程序在線調(diào)試，查看程序所有全局變量，具體軟件和使用方法請查詢Frees-cfle管方網(wǎng)站。以下得到的數(shù)據(jù)為使用FreeMASTER欺件，以時間和AD轉(zhuǎn)換值為坐標(biāo)繪圖得到。
每次每個方向采樣20個數(shù)據(jù)，由于第一個數(shù)據(jù)的可靠性比較大，所以采用每組數(shù)據(jù)的第一個數(shù)據(jù)作為比較依據(jù)。經(jīng)過多次測試，當(dāng)x方向的數(shù)值小于80時為右轉(zhuǎn)動作，x的方向的數(shù)值大于170時為左轉(zhuǎn)動作，y方向的數(shù)值小于70時為向上抬的動作，y方向的數(shù)值大于160時為向下壓的動作。雖然以上數(shù)據(jù)能表示動作，但人的動作時間相對單片機(jī)處理分析速度差別還是太大。為了解決這個問題，使單片機(jī)和動作同步，可以把前兩次的動作記錄下來，根據(jù)前兩次的動作對當(dāng)前動作進(jìn)行過濾：如果連續(xù)幾個相同的動作，就判斷為一次動作，不相同則切換。動作的切換必然帶有前后動作的變化，記憶之前的動作就可以判斷出有無動作切換。這樣的動作識別方法比較簡單且容易實(shí)現(xiàn)，如果要實(shí)現(xiàn)更為精確的識別，則需要對算法進(jìn)一步優(yōu)化。圖2為右搖時AD轉(zhuǎn)換器所得到的結(jié)果。圖3為前后左右擺動數(shù)據(jù)。
在判別動作后，通過串口通信協(xié)議，發(fā)送雙辦約定的動作ID，具體見表l
通過串口協(xié)議，核心板也可以對傳感器和單片機(jī)進(jìn)行一定的控制，包括傳感器靈敏度調(diào)節(jié)，鎖定休眠功能，使得后期的測試開發(fā)更加的方便。
2．3MP3控制
Linux操作系統(tǒng)作為平臺，其良好的系統(tǒng)可定制、可移植性使得其在嵌入式領(lǐng)域占有重要的地位。Linux有很多好的進(jìn)程通信機(jī)制，如內(nèi)存共享、管道、多線程、信號等，這里選擇信號作為控制通信的橋梁。利用Linux內(nèi)部完整的串口驅(qū)動程序可以很輕松地通過在串口的軟中斷接收程序中發(fā)射信號給指定的程序，也就是播放器程序，然后播放器程序接收并判斷信號類型，給相應(yīng)控制全局變量賦與相應(yīng)的控制值，使得介入控制變得可能?？刂剖褂玫氖遣シ牌髯詭У臋C(jī)制，使得更加地穩(wěn)定可靠。使用Madplay作為MP3播放軟件，其默認(rèn)的控制是通過終端鍵盤來實(shí)現(xiàn)的。在設(shè)計(jì)時為了達(dá)到用動作產(chǎn)生的信號量來控制播放，同時不去大量修改Madplay的程序源碼，可以通過截斷播放器與鍵盤的聯(lián)系，與串口連接上，這樣就可以基本不用修改上層的機(jī)制就能夠控制整個播放器的動作。
2．4MP3播放
MC9S08QG8與SEP4020之間通過串口來進(jìn)行通信。
基本的串口操作原則是先保存串口原始的參數(shù)，然后再設(shè)置程序所需要的參數(shù)，程序結(jié)束后恢復(fù)現(xiàn)場。串口一般操作如下：
串口操作需要的頭文件
串口軟中斷設(shè)置，填充SIGIO結(jié)構(gòu)體，分配相應(yīng)中斷函數(shù)：
在操作系統(tǒng)中加入自動播放腳本，使得系統(tǒng)在開機(jī)時完成搜索MP3文件，建立播放列表，啟動Madplay播放器等操作。腳本代碼如下：
動作發(fā)生時MC9S08QG8向SEP4020發(fā)送一個動作信號，然后SEP4020中的Linux內(nèi)核就會發(fā)送一個SIGIO(串口信號)給各個用戶進(jìn)程。Madplay生程捕捉該信號，并且讀取串口上的消息，用以判斷動作的形式。在Madplay程序中需要加入兩個模塊。第一個模塊用于讀取串口上的消息，具體實(shí)現(xiàn)方法是打開并讀取串口設(shè)備文件／dev／ttySl來獲取消息，然后按照設(shè)定會從設(shè)備上讀到4種串口信號，對應(yīng)4個ASCII字符“L，R，U，D”分別對應(yīng)四種不同的動作；第二個模塊是響應(yīng)信號的處理函數(shù)，一旦Linux內(nèi)核接收到SIGIO串口信號，Madplay進(jìn)程就進(jìn)入軟中斷讀?。痙ev／ttySl上的串口消息。甫一判斷出動作，Madplay就用kill函數(shù)向本進(jìn)程發(fā)送相應(yīng)的信號來控制播放。
本文介紹了針對SEP4020處理器等硬件在Linux操作系統(tǒng)下的動作控制MP3的設(shè)計(jì)流程，為這種控制方式的MP3設(shè)計(jì)提供了一個范例。以下是一些改進(jìn)的建議：作為手持式設(shè)備，動作控制MP3對于能耗的要求比較高，所以設(shè)計(jì)時必須考慮多使用一些低功耗的器件替代高功耗的器件。動作控制的MP3在運(yùn)動中是受限制的，MP3的判斷會受到比較大的干擾。所以如果動作采樣方法和動作判斷算法難以有很大的改進(jìn)，為方便繼續(xù)使用應(yīng)當(dāng)考慮給MP3加上其他的控制方式，暫時取代動作控制。
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