基于ARM的電子畫筆設計

　　隨著計算機的普及，電子筆作為新興的人機交互工具發(fā)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(fā)展。國外則將筆跡與辦公軟件關聯(lián)起來，建立了數(shù)字墨水的概念。2001年6月，愛立信宣布推出世界上第一支數(shù)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(lián)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(shù)字方式書寫。用戶將發(fā)現(xiàn)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(fā)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(fā)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?？傮w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(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(xiàn)出來，因而結構簡單，易于實現(xiàn)。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(xiàn)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(fā)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(shù)據(jù)傳輸。

　　1 硬件規(guī)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(shù)據(jù)的轉換并進行信號的與處理，最后通過SPI接口發(fā)送到無線USB接口芯片CYRF6934，將數(shù)據(jù)傳送到PC機進行后處理。

　　系統(tǒng)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(tài)后，微控制器軟件將使無線USB接口芯片進入睡眠狀態(tài)，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(shù)轉換器（ADC）、一個溫漂優(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(tǒng)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(shù)單片機更適合于對體積和功耗要求較為苛刻的系統(tǒng)。

　　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(jiān)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?shù)刃盘栒{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(xù)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。