基于TMS320VC5509A的超聲波電子筆設計
電子科技大學 冉涌 陳立萬
摘要： 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
Abstract：
Key words :
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。
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。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，并且調整系統(tǒng)參數使有利于人機交互；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TMS320VC5509A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，在其內部時鐘全周期內，可全速響應DSP的訪問，使DSP的數據總線直接與控制器的數據接口連接。
電子筆部分，主要是在MCU的控制下產生超聲波信號，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，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。
參數設置是對采樣時間，檢測方式等參數進行配置。
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，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的配置，包括控制器與DSP數據傳輸的DMA方式、傳輸速率、讀寫超時設置和讀寫數據塊長度等；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按順序通過數據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，又是參數寄存器的選通碼。
手寫筆內部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，才產生設定頻率的超聲波信號。
4 結束語
經實驗測試，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。
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