摘 要：介紹了當前不同類型的電子筆" title="電子筆">電子筆，比較了它們之間的優缺點并應用微控制器ADuC7022" title="ADuC7022">ADuC7022、三軸低量級加速度" title="加速度">加速度傳感器MA7260Q和無線USB" title="無線USB">無線USB接口芯片CYRF6934實現了基于空間加速度計算的無線電子畫筆的設計。
關鍵詞：ADuC7022 加速度 無線USB 電子筆
隨著計算機的普及，電子筆作為新興的人機交互工具發展迅速。在國內，漢王公司在手寫識別方面一直居領先地位，引領著國內電子筆的發展。國外則將筆跡與辦公軟件關聯起來，建立了數字墨水的概念。2001年6月，愛立信宣布推出世界上第一支數字筆—— Chat2penCHA-30。該產品充分利用了藍牙(Bluetooth)無線技術和GPRS網絡，可傳輸手寫文本并與移動電話、計算機和互聯網進行互動通信。雖然它的外觀和書寫方式與一支普通的筆相同，但Chatpen可以借助一種印在普通紙上幾乎看不見的點模式“讀”出它的位置。這些信息通過藍牙和GPRS移動電話，消費者即可同時在紙上以數字方式書寫。用戶將發現自己不再僅限于基于文本的短消息或電子郵件，只要使用Chatpen就可以通過移動電話、PC或掌上電腦(PDA)隨時發送手寫便條。畫下來或寫下來的任何內容都可以立刻傳送，信息處理變得更個性化，且因無需使用字母輸入而大大簡化了發送文本信息的過程。
作為電子筆背后的關鍵技術，筆跡識別一直是人們研究的重點。總體上，電子筆按照定位方式的不同可以劃分為四類：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寫的平面附近或書寫板上放置聲波發生器，借助發生器發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學算法，通過對加速度的運算獲得筆尖的運動軌跡，結合筆跡分析算法即可將筆跡復現出來，因而結構簡單，易于實現。但因受傳感器解析度的制約，市面上一直沒有此類的成熟產品。
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現了筆觸的空間定位。無線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作為無線USB網絡收發器件，只要在PC端將Cypress 的Encore2 無線USB網橋連接到PC機的USB口，電子筆即可向PC機進行單向的數據傳輸。
1 硬件規劃
在本設計中，使用MMA7260Q測量電子筆X、Y、Z三個軸方向上的加速度，使得軟件以此實時計算筆尖的位置，進而生成筆跡。
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行信號的與處理，最后通過SPI接口發送到無線USB接口芯片CYRF6934，將數據傳送到PC機進行后處理。
系統使用高能鋰電池供電。為了獲得盡可能長的電池壽命，所有芯片工作在3.3V電壓，以減少開關損耗；在微控制器檢測到電子筆處于靜止狀態后，微控制器軟件將使無線USB接口芯片進入睡眠狀態，進一步減少功耗。
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)、一個溫漂優于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I2C,用于下載/調試的JTAG端口,4 個定時器, 14個通用 I/O引腳。CPU時鐘高達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時僅消耗40mA電流。此外，ADuC702240腳6mm×6mm LFCSP封裝可以顯著減小電路板尺寸，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最低輸入電壓后點亮LED提醒用戶更換電池。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，用戶通過設置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工作于Master模式的SPI模塊，連接到無線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三個方向下低量級的下降、傾斜、位移、定位、撞擊和震動誤差。通過選擇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和休眠模式。這些特性極大地延長了電子筆電池的續航能力并能為外觀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三個方向加速度信號的輸出引腳，輸出電壓與加速度的關系如（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，用于濾除內部開關濾波電容時鐘的干擾，提高測量的精度。
4 無線USB接口
CYRF6934是Cypress半導體的2.4GHz射頻SoC無線USB網絡收發器件。該無線收發器工作在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，使用戶能夠在世界范圍內推廣使用其解決方案，而無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，CYRF6934可以避免來自如2.4GHz頻段中802.11b、藍牙（Bluetooth）等其他系統的信號干涉，以及來自無繩電話和微波爐的無線輻射；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行通訊，可實現62.5kbps速率的雙向或單向RF傳輸，平均延時小于10ms。在沒有數據傳輸時，CYRF6934可在微控制器的控制下進入低功耗模式，降低系統能耗。
無線USB接口電路如圖3所示。微控制器采集的加速度數據在經過預處理后通過SPI接口發送到CYRF6934。CYRF6934對數據進行調制后通過PCB上的印制天線發送給PC端的無線USB網橋。芯片所有VCC上使用0.1uF電容去耦并使用一個10uF電容作為充放電電容。
5 軟件設計
作為底層的硬件驅動程序，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。匯編語言完成微處理器堆棧、隊列的初始化并引導系統執行C語言中的main()函數。C語言程序完成剩余的初始化任務后開始采集數據、處理數據和發送數據的循環。
軟件設計中除了使用MMA7269Q傳感器的加速器解決方案外，還可通過MMA7260Q的參照設計開發工具中提供的各種組件。針對需求進行開發，以提高軟、硬件效率，并最大程度地減少因軟件沖突導致的系統工作不穩定的因素。
同時使用KIT3109MMA7260Q的硬件環境完成對MMA7269Q開發和測試并進行全面評估，加快產品的開發速度。軟件的流程圖如圖4所示。
完成驅動程序設計后，設計應用程序在訪問驅動程序時，需要用到一些Windows系列操作系統的專用API函數。由于這些函數參數比較多，所以可以開發一個動態鏈接庫，使用戶開發應用程序涉及不到底層驅動設備的操作，可以和普通API函數一樣操作硬件。整個系統的結構如圖5所示。
應用這種分層的結構，用戶程序可以通過dll讀寫設備。dll提供給應用程序的接口函數包括初始化設備、關閉設備、讀寫端口等。這樣，在應用程序中加入自己的動態鏈接庫后，就可以使用inPortb和out-portb來操作端口了。
由于電子筆的應用前景和市場前景非常廣闊，現在世界上一些主要的相關廠家都在競相開發和推出具有各自特色的新產品。本設計方案將無線通信的優點與傳統的USB接口有機地結合起來，不僅能提供較高的數據傳輸率，而且改進了數據的接入方式，同時MMA7260Q三軸低量級加速度傳感器和SoC CYRF6934無線USB網絡收發器憑借其完美的性能和低成本，可以滿足無線領域中非網絡端的需求，并且使傳輸系統更加方便、可靠。
本電子筆在不改變人們筆紙交流傳統方式的前提下，實現超越鍵盤在普通紙(或任意介質)上自然手寫輸入，猶如給人們提供一把開啟信息時代新大門的金鑰匙。它將加速度結構與無線網絡結合起來，具有結構簡單、工作可靠、數據傳輸方便和即插即用等諸多優點。本電子筆的推廣應用必將成為人們推動社會信息化的超強助手和促進辦公自動化的工具，在一定意義上實現電腦和手機隨筆行，在市場上占有一席之地。
參考文獻
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