基于A(yíng)RM的電子畫(huà)筆設計

　　作為電子筆背后的關(guān)鍵技術(shù)，筆跡識別一直是人們研究的重點(diǎn)?？傮w上，電子筆按照定位方式的不同可以劃分為四類(lèi)：射頻定位型、圖像識別型、壓感定位型和加速度定位型。射頻定位型電子筆需要在書(shū)寫(xiě)的平面附近或書(shū)寫(xiě)板上放置聲波發(fā)生器，借助發(fā)生器發(fā)出的超聲波完成筆觸的三維定位，精度高但結構和算法復雜。圖像識別型電子筆應用圖像識別算法識別安放在筆頭部分的微型攝像機掃描的筆跡畫(huà)面，筆跡最接近原跡。壓感型電子筆需要壓感板感受筆尖壓力彎成筆記的復原。加速度型電子筆應用運動(dòng)學(xué)算法，通過(guò)對加速度的運算獲得筆尖的運動(dòng)軌跡，結合筆跡分析算法即可將筆跡復現出來(lái)，因而結構簡(jiǎn)單，易于實(shí)現。但因受傳感器解析度的制約，市面上一直沒(méi)有此類(lèi)的成熟產(chǎn)品。

　　本方案采用飛思卡爾半導體的MMA7260Q三軸低量級加速度傳感器實(shí)現了筆觸的空間定位。無(wú)線(xiàn)USB器件為電子筆提供了即插即用的連接。本電子筆使用Cypress的2.4GHz射頻SoC CYRF6934作為無(wú)線(xiàn)USB網(wǎng)絡(luò )收發(fā)器件，只要在PC端將Cypress 的Encore2 無(wú)線(xiàn)USB網(wǎng)橋連接到PC機的USB口，電子筆即可向PC機進(jìn)行單向的數據傳輸。

　　1 硬件規劃

　　在本設計中，使用MMA7260Q測量電子筆X、Y、Z三個(gè)軸方向上的加速度，使得軟件以此實(shí)時(shí)計算筆尖的位置，進(jìn)而生成筆跡。

　　微控制器ADuC7022采集到加速度傳感器輸出的信號后，使用片上ADC完成電壓信號到加速度數據的轉換并進(jìn)行信號的與處理，最后通過(guò)SPI接口發(fā)送到無(wú)線(xiàn)USB接口芯片CYRF6934，將數據傳送到PC機進(jìn)行后處理。

　　系統使用高能鋰電池供電。為了獲得盡可能長(cháng)的電池壽命，所有芯片工作在3.3V電壓，以減少開(kāi)關(guān)損耗；在微控制器檢測到電子筆處于靜止狀態(tài)后，微控制器軟件將使無(wú)線(xiàn)USB接口芯片進(jìn)入睡眠狀態(tài)，進(jìn)一步減少功耗。

　　2 微控制器電路

　　ADuC7022是ADI公司的新一代基于ARM7TDMI 32bit RISC內核的精密模擬微控制器，片上集成了10通道12位的ADC（1MSPS）、電壓比較器、62Kbytes FlashROM和8KbytesSRAM，最高處理能力達40MIPS。其模擬外設包括多達10通道的采樣率為1MSPS、分辨率為12bit的精密模數轉換器（ADC）、一個(gè)溫漂優(yōu)于10ppm/℃的精密帶隙基準電壓源。其他外設包括片內可編程邏輯陣列 （PLA），同步、異步串行接口等。其片上的PLL電路允許使用頻率較低的外部晶振，以減少系統的EMI。串行接口包括UART，SPI和2個(gè)I2C，用于下載/調試的JTAG端口，4 個(gè)定時(shí)器， 14個(gè)通用 I/O引腳。CPU時(shí)鐘高達45MHz，片內晶體振蕩器和片內PLL。

　　ADuC7022工作在2.7V～3.6V，在最高工作頻率41.78MHz時(shí)僅消耗40mA電流。此外，ADuC702240腳6mm×6mm LFCSP封裝可以顯著(zhù)減小電路板尺寸，使其比大多數單片機更適合于對體積和功耗要求較為苛刻的系統。

　　在本設計中，ADuC7022 ADC工作在單端模式，ADC模塊的ADC0～ADC2連接到MMA7260Q三軸加速度輸出引腳，ADC2連接到電池正極，監測輸入電池電壓，在電池電壓降低到接近LDO最低輸入電壓后點(diǎn)亮LED提醒用戶(hù)更換電池。微控制器的P0.0和P0.1腳連接到MMA7260Q的SEL1和SEL2引腳，作為加速度靈敏度的控制信號。

　　ADuC7022的串行接口提供了SPI、UART、I2C接口。ADuC7022的I/O口為復用接口，用戶(hù)通過(guò)設置SPM模塊的控制寄存器可在GPIO、UART、UART/SPI/I2C和可編程邏輯陣列中做出選擇。本文硬件使用了一個(gè)工作于Master模式的SPI模塊，連接到無(wú)線(xiàn) USB模塊。微控制器的原理圖如圖1所示。

　　3 加速度傳感器

　　MMA7260Q是飛思卡爾半導體推出的單芯片型三軸低量級加速度傳感器，可以精確地測量X、Y、Z三個(gè)方向下低量級的下降、傾斜、位移、定位、撞擊和震動(dòng)誤差。通過(guò)選擇MMA7260Q的靈敏度，可以按1.5g、2g、4g和6g不同量級（g）的重力加速度靈敏度進(jìn)行設計。MA7260Q使用MEMS工藝制造，在6mm×6mm×1.45mm的體積內集成了加速度傳感器和低通濾波、溫度補償等信號調理電路，而且預置了全量程0g偏置。它的封裝尺寸很小，只需較小的板卡空間即可。此外，MMA7260Q可以運行在2.2V～3.6V的低電壓，工作時(shí)僅消耗500？滋A電流，并配置了3μA睡眠模式及1.0ms快速電源響應，另外還提供快速啟動(dòng)和休眠模式。這些特性極大地延長(cháng)了電子筆電池的續航能力并能為外觀(guān)設計預留足夠的空間。

　　SEL1和SEL2為靈敏度選擇輸入引腳，對應靈敏度的真值表如表1所示。加速度傳感器輸出電壓VOUT為：

　　其中，VOFFSET為0加速度偏置，ΔV/ΔG為加速度靈敏度，1G為地球重力， θ為傾斜角度。

　　Xout、Yout和Zout分別為X、Y、Z三個(gè)方向加速度信號的輸出引腳，輸出電壓與加速度的關(guān)系如（1）式所示。MMA7260Q的0g偏置電壓為1.65V，對于1.5g的靈敏度，每軸輸出電壓在0.85V～2.45V之間。

　　加速度傳感器電路如圖2所示。在MMA7260Q的輸出上設置了RC濾波器，用于濾除內部開(kāi)關(guān)濾波電容時(shí)鐘的干擾，提高測量的精度。

4 無(wú)線(xiàn)USB接口

　　CYRF6934是Cypress半導體的2.4GHz射頻SoC無(wú)線(xiàn)USB網(wǎng)絡(luò )收發(fā)器件。該無(wú)線(xiàn)收發(fā)器工作在2.4~2.483GHz的 ISM公共頻段內，突破了27MHz、400MHz以及900MHz眾多系統共有的各種限制，使用戶(hù)能夠在世界范圍內推廣使用其解決方案，而無(wú)需受地區性頻率要求的約束，從而具備了全球通用性、合理的功率規格以及更高的通信頻寬。借助DSSS技術(shù)，CYRF6934可以避免來(lái)自如2.4GHz頻段中 802.11b、藍牙（Bluetooth）等其他系統的信號干涉，以及來(lái)自無(wú)繩電話(huà)和微波爐的無(wú)線(xiàn)輻射；CYRF6934的工作電壓范圍為 1.8～3.6V，作用有效范圍10米；配置了62.5kbps的數據吞吐量和高達2MHz傳輸頻率的SPI微機接口與微控制器進(jìn)行通訊，可實(shí)現 62.5kbps速率的雙向或單向RF傳輸，平均延時(shí)小于10ms。在沒(méi)有數據傳輸時(shí)，CYRF6934可在微控制器的控制下進(jìn)入低功耗模式，降低系統能耗。

　　無(wú)線(xiàn)USB接口電路如圖3所示。微控制器采集的加速度數據在經(jīng)過(guò)預處理后通過(guò)SPI接口發(fā)送到CYRF6934。CYRF6934對數據進(jìn)行調制后通過(guò)PCB上的印制天線(xiàn)發(fā)送給PC端的無(wú)線(xiàn)USB網(wǎng)橋。芯片所有VCC上使用0.1uF電容去耦并使用一個(gè)10uF電容作為充放電電容。

　　5 軟件設計

　　作為底層的硬件驅動(dòng)程序，軟件需要完成系統初始化、數據采集處理和傳送等工作。系統初始化主要包括微處理器的堆棧、隊列和內部控制寄存器的初始化、MMA7260Q加速度靈敏度的選擇和CYRF6934控制寄存器的初始化。匯編語(yǔ)言完成微處理器堆棧、隊列的初始化并引導系統執行C語(yǔ)言中的 main（）函數。C語(yǔ)言程序完成剩余的初始化任務(wù)后開(kāi)始采集數據、處理數據和發(fā)送數據的循環(huán)。

　　軟件設計中除了使用MMA7269Q傳感器的加速器解決方案外，還可