隨著計(jì)算機(jī)的普及，電子筆作為新興的人機(jī)交互工具發(fā)展迅速。在國(guó)內(nèi)，漢王公司在手寫(xiě)識(shí)別方面一直居領(lǐng)先地位，引領(lǐng)著國(guó)內(nèi)電子筆的發(fā)展。國(guó)外則將筆跡與辦公軟件關(guān)聯(lián)起來(lái)，建立了數(shù)字墨水的概念。2001年6月，愛(ài)立信宣布推出世界上第一支數(shù)字筆—— Chat2penCHA-30。該產(chǎn)品充分利用了藍(lán)牙(Bluetooth)無(wú)線技術(shù)和GPRS網(wǎng)絡(luò)，可傳輸手寫(xiě)文本并與移動(dòng)電話、計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行互動(dòng)通信。雖然它的外觀和書(shū)寫(xiě)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(jiàn)的點(diǎn)模式“讀”出它的位置。這些信息通過(guò)藍(lán)牙和 GPRS移動(dòng)電話，消費(fèi)者即可同時(shí)在紙上以數(shù)字方式書(shū)寫(xiě)。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(guò)移動(dòng)電話、PC或掌上電腦(PDA)隨時(shí)發(fā)送手寫(xiě)便條。畫(huà)下來(lái)或?qū)懴聛?lái)的任何內(nèi)容都可以立刻傳送，信息處理變得更個(gè)性化，且因無(wú)需使用字母輸入而大大簡(jiǎn)化了發(fā)送文本信息的過(guò)程。
作為電子筆背后的關(guān)鍵技術(shù)，筆跡識(shí)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(shí)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(jié)構(gòu)和算法復(fù)雜。圖像識(shí)別型電子筆應(yīng)用圖像識(shí)別算法識(shí)別安放在筆頭部分的微型攝像機(jī)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(fù)原。加速度型電子筆應(yīng)用運(yùn)動(dòng)學(xué)算法，通過(guò)對(duì)加速度的運(yùn)算獲得筆尖的運(yùn)動(dòng)軌跡，結(jié)合筆跡分析算法即可將筆跡復(fù)現(xiàn)出來(lái)，因而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。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(dǎo)體的MMA7260Q三軸低量級(jí)加速度傳感器實(shí)現(xiàn)了筆觸的空間定位。無(wú)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(wú)線USB網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器件，只要在PC端將Cypress 的Encore2 無(wú)線USB網(wǎng)橋連接到PC機(jī)的USB口，電子筆即可向PC機(jī)進(jìn)行單向的數(shù)據(jù)傳輸。
1 硬件規(guī)劃
在本設(shè)計(jì)中，使用MMA7260Q測(cè)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(jì)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(hào)后，使用片上ADC完成電壓信號(hào)到加速度數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換并進(jìn)行信號(hào)的與處理，最后通過(guò)SPI接口發(fā)送到無(wú)線USB接口芯片CYRF6934，將數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)進(jìn)行后處理。
系統(tǒng)使用高能鋰電池供電。為了獲得盡可能長(zhǎng)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(cè)到電子筆處于靜止?fàn)顟B(tài)后，微控制器軟件將使無(wú)線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(nèi)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(dá)40MIPS。其模擬外設(shè)包括多達(dá)10通道的采樣率為1MSPS、分辨率為12bit的精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、一個(gè)溫漂優(yōu)于10ppm/℃的精密帶隙基準(zhǔn)電壓源。其他外設(shè)包括片內(nèi)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(gè)I2C,用于下載/調(diào)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(dá)45MHz,片內(nèi)晶體振蕩器和片內(nèi)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封裝可以顯著減小電路板尺寸，使其比大多數(shù)單片機(jī)更適合于對(duì)體積和功耗要求較為苛刻的系統(tǒng)。
在本設(shè)計(jì)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(cè)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(hào)。
ADuC7022的串行接口提供了SPI、UART、I2C接口。ADuC7022的I/O口為復(fù)用接口，用戶通過(guò)設(shè)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 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(dǎo)體推出的單芯片型三軸低量級(jí)加速度傳感器，可以精確地測(cè)量X、Y、Z三個(gè)方向下低量級(jí)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(jí)(g)的重力加速度靈敏度進(jìn)行設(shè)計(jì)。MA7260Q使用MEMS工藝制造，在6mm×6mm×1.45mm的體積內(nèi)集成了加速度傳感器和低通濾波、溫度補(bǔ)償?shù)刃盘?hào)調(diào)理電路，而且預(yù)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(yùn)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(yīng)，另外還提供快速啟動(dòng)和休眠模式。這些特性極大地延長(zhǎng)了電子筆電池的續(xù)航能力并能為外觀設(shè)計(jì)預(yù)留足夠的空間。
SEL1和SEL2為靈敏度選擇輸入引腳，對(duì)應(yīng)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(hào)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(duì)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(shè)置了RC濾波器，用于濾除內(nèi)部開(kāi)關(guān)濾波電容時(shí)鐘的干擾，提高測(cè)量的精度。
