基于S3C2440處理器拳擊娛樂(lè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于S3C2440處理器拳擊娛樂(lè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引? 言??

拳擊娛樂(lè)系統(tǒng)是為滿(mǎn)足廣大群眾的需要而設(shè)計(jì)，目前市場(chǎng)上還沒(méi)有模擬真人的對(duì)抗性的拳擊娛樂(lè)設(shè)備，該系統(tǒng)的出現(xiàn)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(dāng)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(yīng)的擊打數(shù)據(jù)，在人形靶上安裝有自動(dòng)出擊拳裝置。

該系統(tǒng)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(tǒng)的成本，便于市場(chǎng)的推廣。

在用戶(hù)界面的設(shè)計(jì)上，采用目前流行的Qt／Embedded，使顯示界面更直觀，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(shè)計(jì)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(tǒng)簡(jiǎn)介

拳擊娛樂(lè)系統(tǒng)主要由人形靶、用戶(hù)操作界面、語(yǔ)音播報(bào)、數(shù)據(jù)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(tǒng)采集壓力傳感器數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)的處理，計(jì)算出使用者的出拳力量。語(yǔ)音播報(bào)用來(lái)提示、問(wèn)候使用者并播報(bào)結(jié)果數(shù)據(jù)。自動(dòng)出拳可以根據(jù)前方是否有遮擋物而隨機(jī)出拳還擊。語(yǔ)音播報(bào)和自動(dòng)出拳的結(jié)合更豐富了該系統(tǒng)的互動(dòng)性。

2 人形靶部分

人形靶高度可以根據(jù)使用者的高度進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)不同人群的使用。該系統(tǒng)針對(duì)娛樂(lè)的要求設(shè)計(jì)了兩個(gè)擊打有效區(qū)：頭部、胸部。每個(gè)擊打有效區(qū)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(shè)備提供輸入信號(hào)。

3 用戶(hù)操作部分

用戶(hù)操作Qt／Embedded設(shè)計(jì)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(shè)備上的圖形用戶(hù)接口和應(yīng)用開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)包，可以跨平臺(tái)運(yùn)行在ARM處理器上的嵌入式Linux操作系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)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(nèi)核架構(gòu)版本2.2以后推出的標(biāo)準(zhǔn)顯示設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口。采用mmap系統(tǒng)調(diào)用，可以將Framebuffer的顯示緩存映射為可連續(xù)訪(fǎng)問(wèn)的一段內(nèi)存儲(chǔ)針。Framebuffer驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)分為兩個(gè)方面：一方面是對(duì)LCD及其相關(guān)部分的初始化，包括畫(huà)面在緩沖區(qū)的創(chuàng)建和對(duì)DMA通道的設(shè)置；另外一方面是對(duì)畫(huà)面緩沖區(qū)的讀寫(xiě)，具體到代碼為read，write，lseek等系統(tǒng)調(diào)用接口。Qt／Embedded延續(xù)了Qt在桌面系統(tǒng)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(tǒng)中的應(yīng)用程序更加方便于該系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。

該部分分為娛樂(lè)和結(jié)果回放兩部分。主界面如圖1所示。



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

結(jié)果回放用來(lái)回放前段時(shí)間該系統(tǒng)使用情況，包括擊打位置和擊打力量?jī)刹糠?a target="_blank">信息。

4 語(yǔ)音播報(bào)部分

該部分負(fù)責(zé)播報(bào)使用提示、問(wèn)候語(yǔ)和使用者的擊打結(jié)果。播報(bào)結(jié)果包括有效拳重、有效拳數(shù)。當(dāng)使用者擊打到有效區(qū)域時(shí)，會(huì)發(fā)出仿真的擊打聲音；壓力測(cè)試時(shí)，壓力過(guò)高、過(guò)低的報(bào)警提示音；在開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)播報(bào)問(wèn)候語(yǔ)等。在模擬與真人的對(duì)抗性的娛樂(lè)環(huán)境，語(yǔ)音播報(bào)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(qū)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(qū)動(dòng)和播放器都移植好后，在應(yīng)用程序中實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音播報(bào)功能。

5 數(shù)據(jù)采集處理部分

數(shù)據(jù)采集處理部分由S3C2440處理器控制實(shí)現(xiàn)。它通過(guò)判斷采集有效區(qū)中觸發(fā)裝置的觸發(fā)信號(hào)是否有效，控制壓力傳感器數(shù)據(jù)的采集。

5.1?采集擊打點(diǎn)觸發(fā)裝置的觸發(fā)信號(hào)

在運(yùn)行力量或速度模式時(shí)，需要不斷的掃描頭、胸?fù)舸虬存I的狀態(tài)，當(dāng)擊打按鍵閉合時(shí)，開(kāi)啟相應(yīng)壓力傳感器采集數(shù)據(jù)，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(tǒng)設(shè)計(jì)的主要部分，由該部分采集到的數(shù)據(jù)可以計(jì)算出出拳力量。

采集氣壓需要壓力傳感器和S3C2410的ADC轉(zhuǎn)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(duì)應(yīng)的輸出為0～5 V。

由于擊打氣袋時(shí)，氣袋內(nèi)部不同位置壓力變化不同，造成壓力傳感器采集的壓力數(shù)據(jù)和其距離擊打位置有關(guān)。為了降低由此引起的測(cè)量誤差，在頭、胸部分別安裝兩個(gè)獨(dú)立氣袋和傳感器。實(shí)驗(yàn)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(tǒng)對(duì)結(jié)果精度的要求。

由于硬件電路以及電源帶來(lái)的干擾，導(dǎo)致采集的電壓疊加了許多毛刺，對(duì)數(shù)據(jù)的處理帶來(lái)了很大的困難。并對(duì)大量數(shù)據(jù)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(dāng)擊打按鍵被擊中，這時(shí)記錄下規(guī)定時(shí)間內(nèi)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(xùn)練數(shù)據(jù)的保存

娛樂(lè)結(jié)果數(shù)據(jù)保存到開(kāi)發(fā)板NAND FLASH中，為結(jié)果回放提供數(shù)據(jù)。在開(kāi)始使用該系統(tǒng)前，提示是否覆蓋已有數(shù)據(jù)結(jié)果，如此可以確保有充足的NANDFLASH空間保存當(dāng)次結(jié)果數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)結(jié)果包括擊打位置、擊打力量。為了以后本系統(tǒng)更容易升級(jí)，采用數(shù)據(jù)庫(kù)SQLITE存放結(jié)果數(shù)據(jù)，以供結(jié)果回放時(shí)使用。

數(shù)據(jù)采集處理部分在軟件的實(shí)現(xiàn)上，分別編寫(xiě)了按鍵驅(qū)動(dòng)button．ko，ADC轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)adc．ko，該驅(qū)動(dòng)能通過(guò)設(shè)置，選擇采集兩路AD中那路。建立SQLITE數(shù)據(jù)庫(kù)，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)存取。

6?自動(dòng)出拳部分

自動(dòng)出拳分為檢測(cè)是否有遮擋物和出拳控制兩部分。是否出拳、出左右拳完全是隨機(jī)的，這樣增加了隨機(jī)不定性，可以達(dá)到更好的娛樂(lè)效果。

檢測(cè)遮擋物部分采用反射式光電開(kāi)關(guān)，當(dāng)光電開(kāi)關(guān)接收到遮擋物的反射信號(hào)，輸出高電平信號(hào)，否則輸出低電平信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)隔離光耦傳人處理器S3C2440。S3C2440收到存在遮擋物的有效信號(hào)后，產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)信號(hào)控制出拳裝置。該隨機(jī)信號(hào)將決定是否出拳、出左拳還是右拳。

出拳控制部分采用兩個(gè)直流電機(jī)來(lái)帶動(dòng)兩個(gè)機(jī)械臂完成出拳動(dòng)作。為了確保每次出拳時(shí)，機(jī)械臂在收回狀態(tài)時(shí)終止，在機(jī)械臂安裝一個(gè)能產(chǎn)生反饋信號(hào)的裝置。自動(dòng)出拳系統(tǒng)根據(jù)該反饋信號(hào)來(lái)確保完成一個(gè)出拳周期。

為了避免頻繁出拳，引起電機(jī)頻繁起停對(duì)電機(jī)本身的損害，同時(shí)不影響自動(dòng)出拳的娛樂(lè)效果，自動(dòng)出拳系統(tǒng)在連續(xù)出拳五次后，暫停隨后的兩次出拳，然后恢復(fù)自動(dòng)出拳。

該部分軟件實(shí)現(xiàn)包括：控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)和光電開(kāi)關(guān)信號(hào)采集驅(qū)動(dòng)、產(chǎn)生隨機(jī)信號(hào)并控制電機(jī)的用戶(hù)態(tài)程序。

7?結(jié)? 語(yǔ)

該系統(tǒng)適用于各個(gè)年齡層的人群，可以比較準(zhǔn)確地測(cè)量擊打力量，同時(shí)該系統(tǒng)本身的語(yǔ)音播報(bào)以及自動(dòng)出拳的功能使機(jī)器人的互動(dòng)性更加豐富，體現(xiàn)了該系統(tǒng)的娛樂(lè)性。該系統(tǒng)在Linux操作系統(tǒng)下開(kāi)發(fā)，結(jié)果保存采用SQLITE數(shù)據(jù)庫(kù)，這給今后功能的擴(kuò)展預(yù)留了很大空間。