基于S3C2440處理器拳擊娛樂(lè )系統設計

導讀： 拳擊娛樂(lè )系統是為滿(mǎn)足廣大群眾的需要而設計，目前市場(chǎng)上還沒(méi)有模擬真人的對抗性的拳擊娛樂(lè )設備，該系統的出現使人們從枯燥的鍛煉中擺脫出來(lái)，能夠主動(dòng)地投入到娛樂(lè )中。

0 引 言

拳擊娛樂(lè )系統是為滿(mǎn)足廣大群眾的需要而設計，目前市場(chǎng)上還沒(méi)有模擬真人的對抗性的拳擊娛樂(lè )設備，該系統的出現使人們從枯燥的鍛煉中擺脫出來(lái)，能夠主動(dòng)地投入到娛樂(lè )中。在人形靶的頭部正面和胸部正面各安裝一個(gè)擊打氣袋和壓力傳感器，當語(yǔ)音提示可以開(kāi)始擊打時(shí)，使用者可以全力擊打頭、胸部，同時(shí)ARM9處理器采集相應的擊打數據，在人形靶上安裝有自動(dòng)出擊拳裝置。

該系統選用了Samsung公司的16/32位RISC處理器S3C2440，由于該處理器價(jià)格低、功耗小、性能高，從而降低了整個(gè)系統的成本，便于市場(chǎng)的推廣。

在用戶(hù)界面的設計上，采用目前流行的Qt/Embedded，使顯示界面更直觀(guān)，操作更方便。Qt/Embedded豐富的控件資源和較好的可移植性給界面的設計以及今后的進(jìn)一步完善帶來(lái)了極大的方便。

1 拳擊健身娛樂(lè )系統簡(jiǎn)介

拳擊娛樂(lè )系統主要由人形靶、用戶(hù)操作界面、語(yǔ)音播報、數據采集處理、自動(dòng)出拳五部分組成。使用者擊打氣袋時(shí)，該系統采集壓力傳感器數據，并進(jìn)行相應的處理，計算出使用者的出拳力量。語(yǔ)音播報用來(lái)提示、問(wèn)候使用者并播報結果數據。自動(dòng)出拳可以根據前方是否有遮擋物而隨機出拳還擊。語(yǔ)音播報和自動(dòng)出拳的結合更豐富了該系統的互動(dòng)性。

2 人形靶部分

人形靶高度可以根據使用者的高度進(jìn)行調整，以適應不同人群的使用。該系統針對娛樂(lè )的要求設計了兩個(gè)擊打有效區：頭部、胸部。每個(gè)擊打有效區都由擊打氣袋、開(kāi)關(guān)觸發(fā)裝置和壓力傳感器三部分組成。

在人形靶的頭部裝有反射式光電開(kāi)關(guān)，用來(lái)判斷前方是否有遮擋物，為自動(dòng)出拳設備提供輸入信號。

3 用戶(hù)操作部分

用戶(hù)操作Qt/Embedded設計開(kāi)發(fā)，界面更加人性化，簡(jiǎn)單化，使不同人群快速學(xué)會(huì )使用。Qt/Embedded是專(zhuān)門(mén)為嵌入式設備上的圖形用戶(hù)接口和應用開(kāi)發(fā)設計的開(kāi)發(fā)包，可以跨平臺運行在A(yíng)RM處理器上的嵌入式Linux操作系統上。Qt/Embedded具有較好的移植性，從而使得今后該部分的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)更加方便。采用標準PDA大小的觸摸屏，所以操作非常方便。

Qt/Embedded的底層圖形引擎基于Framebuffer。Framebuffer是在Linux內核架構版本2.2以后推出的標準顯示設備驅動(dòng)接口。采用mmap系統調用，可以將Framebuffer的顯示緩存映射為可連續訪(fǎng)問(wèn)的一段內存儲針。Framebuffer驅動(dòng)程序的實(shí)現分為兩個(gè)方面：一方面是對LCD及其相關(guān)部分的初始化，包括畫(huà)面在緩沖區的創(chuàng )建和對DMA通道的設置;另外一方面是對畫(huà)面緩沖區的讀寫(xiě)，具體到代碼為 read，write，lseek等系統調用接口。Qt/Embedded延續了Qt在桌面系統的所有功能，豐富的API接口和基于組件的編程模型，使得嵌入式Linux系統中的應用程序更加方便于該系統的開(kāi)發(fā)。

該部分分為娛樂(lè )和結果回放兩部分。

娛樂(lè )部分有三種模式：壓力測試、力量模式、速度模式。壓力測試用來(lái)測試頭、胸氣袋壓力是否在合適范圍內，壓力過(guò)高、過(guò)低進(jìn)行語(yǔ)音提示;壓力模式用來(lái)測試使用者力氣大小;速度模式用來(lái)測試使用者在一定時(shí)間內擊打的有效拳數。

結果回放用來(lái)回放前段時(shí)間該系統使用情況，包括擊打位置和擊打力量?jì)刹糠中畔ⅰ?/p>

4 語(yǔ)音播報部分

該部分負責播報使用提示、問(wèn)候語(yǔ)和使用者的擊打結果。播報結果包括有效拳重、有效拳數。當使用者擊打到有效區域時(shí)，會(huì )發(fā)出仿真的擊打聲音;壓力測試時(shí)，壓力過(guò)高、過(guò)低的報警提示音;在開(kāi)關(guān)機時(shí)，系統會(huì )播報問(wèn)候語(yǔ)等。在模擬與真人的對抗性的娛樂(lè )環(huán)境，語(yǔ)音播報突出了趣味性，提高了娛樂(lè )效果。

該部分是由專(zhuān)用的語(yǔ)音芯片UDA1341來(lái)完成的。在Linux下完成此功能，首先需要編譯UDA1341的驅動(dòng)，使用編譯工具為交叉編譯器arm- linux-gcc 3.4.1，然后移植到ARM開(kāi)發(fā)板。最后再將madplay播放器使用同樣的方法編譯后移植到ARM開(kāi)發(fā)板上。驅動(dòng)和播放器都移植好后，在應用程序中實(shí)現語(yǔ)音播報功能。

5 數據采集處理部分

數據采集處理部分由S3C2440處理器控制實(shí)現。它通過(guò)判斷采集有效區中觸發(fā)裝置的觸發(fā)信號是否有效，控制壓力傳感器數據的采集。

5.1 采集擊打點(diǎn)觸發(fā)裝置的觸發(fā)信號

在運行力量或速度模式時(shí)，需要不斷的掃描頭、胸擊打按鍵的狀態(tài)，當擊打按鍵閉合時(shí)，開(kāi)啟相應壓力傳感器采集數據，同時(shí)清除擊打按鍵的閉合狀態(tài)。

該部分在硬件上采用了CD4093來(lái)鎖存按鍵的狀態(tài)，并且使用芯片75452來(lái)清除擊打按鍵的鎖存狀態(tài)。

5.2 壓力傳感器的采集

該部分是系統設計的主要部分，由該部分采集到的數據可以計算出出拳力量。

采集氣壓需要壓力傳感器和S3C2410的ADC轉換器。壓力傳感器選用Motorola的MPX5100壓力傳感器。該傳感器需要5 V直流電源供電，量程為110 kPa，對應的輸出為0～5 V。

由于擊打氣袋時(shí)，氣袋內部不同位置壓力變化不同，造成壓力傳感器采集的壓力數據和其距離擊打位置有關(guān)。為了降低由此引起的測量誤差，在頭、胸部分別安裝兩個(gè)獨立氣袋和傳感器。實(shí)驗證明該方案在一定程度上減小了誤差，能滿(mǎn)足本娛樂(lè )拳擊系統對結果精度的要求。

由于硬件電路以及電源帶來(lái)的干擾，導致采集的電壓疊加了許多毛刺，對數據的處理帶來(lái)了很大的困難。并對大量數據進(jìn)行分析后，在軟件上選定了中值濾波的方法減小其干擾，該方法具有編程簡(jiǎn)單，濾波效果好的特點(diǎn)。

當擊打按鍵被擊中，這時(shí)記錄下規定時(shí)間內采集的電壓值，通過(guò)中值濾波去除毛刺，得到平滑的波形，從而取其峰值作為擊打按鍵的電壓值。

5.3 訓練數據的保存

娛樂(lè )結果數據保存到開(kāi)發(fā)板NAND FLASH中，為結果回放提供數據。在開(kāi)始使用該系統前，提示是否覆蓋已有數據結果，如此可以確保有充足的NANDFLASH空間保存當次結果數據。數據結果包括擊打位置、擊打力量。為了以后本系統更容易升級，采用數據庫SQLITE存放結果數據，以供結果回放時(shí)使用。

數據采集處理部分在軟件的實(shí)現上，分別編寫(xiě)了按鍵驅動(dòng)button.ko，ADC轉換驅動(dòng)adc.ko，該驅動(dòng)能通過(guò)設置，選擇采集兩路AD中那路。建立SQLITE數據庫，并對其進(jìn)行數據存取。