基于體感算法的多功能藍(lán)牙遙控器的設(shè)計(jì)

隨著三網(wǎng)融合[1]的推進(jìn)，多功能電視機(jī)頂盒已經(jīng)進(jìn)入了千家萬(wàn)戶。電視除了能夠收看電視節(jié)目外，視頻點(diǎn)播、瀏覽網(wǎng)頁(yè)、多媒體游戲、視頻通話等功能也已經(jīng)或即將被引入現(xiàn)代電視(或電視機(jī)頂盒)中。因此，僅具有按鍵功能的紅外線遙控器已經(jīng)無(wú)法滿足如此眾多的功能需求。為此，本文在普通遙控器的按鍵功能上增加了體感模塊和語(yǔ)音模塊，引入了體感控制算法，并以藍(lán)牙協(xié)議作為通信方式，設(shè)計(jì)了一款具有體感控制功能的多功能遙控器。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。系統(tǒng)以HL1010芯片為控制核心，數(shù)字加速度傳感器、數(shù)字陀螺儀和地磁計(jì)的數(shù)據(jù)通過(guò)I2C總線傳至HL1010的8051微控制器，經(jīng)過(guò)濾波和體感算法的處理，轉(zhuǎn)化為主機(jī)服務(wù)端可用的數(shù)據(jù)，由HL1010的藍(lán)牙控制器傳至主機(jī)服務(wù)端。8051微控制器對(duì)鍵盤模塊進(jìn)行鍵盤掃描，將鍵值通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送至主機(jī)服務(wù)端外，還可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的音頻壓縮和解碼，并通過(guò)藍(lán)牙控制器和語(yǔ)音模塊，完成遙控器和主機(jī)服務(wù)端的語(yǔ)音傳輸。遙控器中加入了E2PROM，用以存儲(chǔ)程序和初始化數(shù)據(jù)以及藍(lán)牙通信所需的重連信息。電源管理模塊用以管理各個(gè)模塊之間的電源，達(dá)到節(jié)能和延長(zhǎng)電池使用壽命的作用。此外，串口接口為HL1010燒錄程序的接口。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 HL1010接口及外圍電路

HL1010為藍(lán)牙控制芯片，其特點(diǎn)是：除了具有獨(dú)立的藍(lán)牙控制核心外，還集成了一顆8051微控制器核心；具有28個(gè)獨(dú)立的GPIO，兩路語(yǔ)音輸入輸出通道；集成了I2C和SPI控制器，便于外圍設(shè)備的擴(kuò)展；內(nèi)部固化了鍵盤掃描固件，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的寄存器讀寫完成鍵盤掃描。

利用HL1010的外圍電路，其中，GPIO10～GPIO17作為鍵盤行掃描，GPIO30～GPI-O37作為鍵盤列掃描；GPIO20～GPIO27為電源管理GPIO，分別通過(guò)軟件來(lái)控制加速度傳感器、數(shù)字陀螺儀、地磁計(jì)、E2PROM、揚(yáng)聲器、振動(dòng)電機(jī)等模塊的開(kāi)關(guān)，以達(dá)到節(jié)能的作用；Pin44、45、48、49、50為語(yǔ)音模塊接口，pin23、24為I2C接口。其余引腳為芯片的供電和射頻匹配電路。HL1010的外圍電路可參考文獻(xiàn)[2]。

2.2 傳感器模塊

表1為本設(shè)計(jì)中傳感器的部分參數(shù)，三個(gè)傳感器都通過(guò)I2C總線與主控芯片進(jìn)行交互，電路設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 體感算法

體感功能中最常用的是空中鼠標(biāo)，即通過(guò)遙控器在空中的揮舞來(lái)控制屏幕中鼠標(biāo)的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)通過(guò)遙控器按鍵實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)按鍵的操作，從而使用戶能在遠(yuǎn)距離的三維空間中獲得鼠標(biāo)的操作功能。為了實(shí)現(xiàn)空中鼠標(biāo)的功能，本文采用陀螺儀和加速度傳感器。通過(guò)對(duì)陀螺儀得到的角速度數(shù)據(jù)分析得出遙控器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，作為空中鼠標(biāo)的主要數(shù)據(jù)；通過(guò)對(duì)加速度傳感器提供的加速度（主要是判斷重力加速度的方向）數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到遙控器所處的姿態(tài)，從而對(duì)陀螺儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。陀螺儀所得數(shù)據(jù)中與重力加速度平行的方向?yàn)閅軸，與重力加速度垂直的為X軸，使最終空中鼠標(biāo)的Y軸與重力加速度的平行方向始終一致、X軸與重力加速度的垂直方向始終一致。其數(shù)學(xué)方法如下[3-4]：

遙控器的加速度為as，大地系加速度為ai，兩者的轉(zhuǎn)化關(guān)系為：

ai=asRis (1)
其中，Ris為遙控器相對(duì)于大地系的余弦陣，其表達(dá)式為：

經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，無(wú)論使用者如何將遙控器握在手中(正握，反握，豎立，倒立等)，空中鼠標(biāo)的運(yùn)動(dòng)僅與使用者手臂的運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)，而與遙控器的運(yùn)動(dòng)方向無(wú)關(guān)。

算法的主要流程為：(1)對(duì)角速度進(jìn)行采樣，并進(jìn)行數(shù)字濾波；(2)對(duì)加速度進(jìn)行采樣，并進(jìn)行數(shù)字濾波；(3)通過(guò)加速度傳感器數(shù)據(jù)對(duì)陀螺儀的坐標(biāo)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；(4)計(jì)算鼠標(biāo)兩個(gè)軸的偏移量；(5)通過(guò)鍵盤掃描得到鼠標(biāo)按鍵鍵值；(6)通過(guò)HID協(xié)議將鍵值發(fā)送給服務(wù)端。數(shù)據(jù)流程如圖2所示。

3.2 狀態(tài)機(jī)

軟件通過(guò)狀態(tài)機(jī)控制遙控器處于不同的工作狀態(tài)。該狀態(tài)機(jī)包括配對(duì)狀態(tài)、重連狀態(tài)、連接狀態(tài)和休眠狀態(tài)。遙控器狀態(tài)示意圖如圖3所示。

（1）睡眠狀態(tài)。系統(tǒng)開(kāi)機(jī)首先進(jìn)入睡眠模式，當(dāng)按下任意按鍵（配對(duì)鍵除外）或者搖動(dòng)遙控器時(shí)，遙控器被喚醒，如果遙控器中已經(jīng)存有重連信息（最近一次與之配對(duì)的主機(jī)信息，包括BD Address和Pin Code）并且電量足夠則進(jìn)入重連狀態(tài)，否則繼續(xù)停留在睡眠狀態(tài)。在睡眠狀態(tài)中，遙控器將關(guān)閉8051微控制器、藍(lán)牙控制器、加速度傳感器、地磁傳感器、E2PROM、語(yǔ)音模塊以及所有LED，鍵盤和數(shù)字陀螺儀仍保持工作，但會(huì)降低采樣頻率，用作喚醒系統(tǒng)之用。

（2）重連狀態(tài)。進(jìn)入重連狀態(tài)后，遙控器讀取重連信息并嘗試與最近一次配對(duì)的主機(jī)進(jìn)行重連。如果重連成功則進(jìn)入工作狀態(tài)，如果多次重連失敗則重新進(jìn)入睡眠狀態(tài)。在重連狀態(tài)中，加速度傳感器、地磁傳感器、數(shù)字陀螺儀和語(yǔ)音模塊將被關(guān)閉。

（3）配對(duì)狀態(tài)。在任意狀態(tài)下，如果用戶按下配對(duì)鍵（工作模式下需要長(zhǎng)按配對(duì)鍵），則遙控器清除重連信息并進(jìn)入可發(fā)現(xiàn)狀態(tài)。這時(shí)主機(jī)可以發(fā)現(xiàn)遙控器，并進(jìn)行配對(duì)操作。在可發(fā)現(xiàn)狀態(tài)中，加速度傳感器、地磁傳感器、數(shù)字陀螺儀和語(yǔ)音模塊將被關(guān)閉。

（4）連接狀態(tài)。進(jìn)入工作狀態(tài)后，如果用戶長(zhǎng)時(shí)間不使用遙控器，系統(tǒng)會(huì)增長(zhǎng)sniff的間隔來(lái)降低功耗，最后會(huì)使系統(tǒng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。如果主機(jī)主動(dòng)斷開(kāi)，連接系統(tǒng)則進(jìn)入睡眠狀態(tài)，如果連接意外斷開(kāi)，則系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入重連狀態(tài)。在工作狀態(tài)中，遙控器會(huì)根據(jù)不同的報(bào)文格式來(lái)選擇所需的傳感器和模塊并控制是否給其供電，而且選擇不同的sniff間隔以減少功耗。

通過(guò)樣機(jī)的使用和測(cè)試，本設(shè)計(jì)方案中的遙控器解決了一般體感遙控器存在的主要問(wèn)題[5]：(1)做到了高性能與低成本的平衡：HL1010中的8051微控制器不僅滿足了遙控器的性能要求，與一般的藍(lán)牙控制芯片比較，不需要在外部另加微控制器，大大降低了成本；(2)有良好的抗環(huán)境干擾：方案中選用的藍(lán)牙通信技術(shù)具有高速、高帶寬和高保真等特點(diǎn)，并且運(yùn)用調(diào)頻技術(shù)可有效地防干擾；(3)功耗低：遙控器通過(guò)電源管理模塊、狀態(tài)機(jī)控制和連接時(shí)的長(zhǎng)短sniff狀態(tài)切換，有效降低了功耗，睡眠狀態(tài)時(shí)電流在100 ?滋A以下，空中鼠標(biāo)狀態(tài)下，短sniff時(shí)電流為5 mA左右，長(zhǎng)sniff時(shí)電流為1 mA左右；(4)良好的用戶體驗(yàn)：空中鼠標(biāo)中加入了體感算法后，用戶無(wú)論以什么姿勢(shì)握住遙控器都可以輕松地控制鼠標(biāo)，加入了防抖程序后空中鼠標(biāo)可以過(guò)濾掉用戶手部的細(xì)微抖動(dòng)，增加了控制的精確度，在縮短sniff間隔后遙控器可以做到每1000幀/s以上的報(bào)告速率，可以完成某些高要求的體感游戲的控制。遙控器中的鍵盤功能和語(yǔ)音功能實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，并且與體感算法無(wú)關(guān)。

 

 

STM32/STM8

意法半導(dǎo)體/ST/STM