基于S3C2440處理器拳擊娛樂系統(tǒng)設(shè)計

基于S3C2440處理器拳擊娛樂系統(tǒng)設(shè)計

引? 言??

拳擊娛樂系統(tǒng)是為滿足廣大群眾的需要而設(shè)計，目前市場上還沒有模擬真人的對抗性的拳擊娛樂設(shè)備，該系統(tǒng)的出現(xiàn)使人們從枯燥的鍛煉中擺脫出來，能夠主動地投入到娛樂中。在人形靶的頭部正面和胸部正面各安裝一個擊打氣袋和壓力傳感器，當(dāng)語音提示可以開始擊打時，使用者可以全力擊打頭、胸部，同時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，由于該處理器價格低、功耗小、性能高，從而降低了整個系統(tǒng)的成本，便于市場的推廣。

在用戶界面的設(shè)計上，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)計以及今后的進(jìn)一步完善帶來了極大的方便。

1?拳擊健身娛樂系統(tǒng)簡介

拳擊娛樂系統(tǒng)主要由人形靶、用戶操作界面、語音播報、數(shù)據(jù)采集處理、自動出拳五部分組成。使用者擊打氣袋時，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，計算出使用者的出拳力量。語音播報用來提示、問候使用者并播報結(jié)果數(shù)據(jù)。自動出拳可以根據(jù)前方是否有遮擋物而隨機(jī)出拳還擊。語音播報和自動出拳的結(jié)合更豐富了該系統(tǒng)的互動性。

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)針對娛樂的要求設(shè)計了兩個擊打有效區(qū)：頭部、胸部。每個擊打有效區(qū)都由擊打氣袋、開關(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關(guān)，用來判斷前方是否有遮擋物，為自動出拳設(shè)備提供輸入信號。

3 用戶操作部分

用戶操作Qt／Embedded設(shè)計開發(fā)，界面更加人性化，簡單化，使不同人群快速學(xué)會使用。Qt／Embedded是專門為嵌入式設(shè)備上的圖形用戶接口和應(yīng)用開發(fā)設(shè)計的開發(fā)包，可以跨平臺運行在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)訪問的一段內(nèi)存儲針。Framebuffer驅(qū)動程序的實現(xiàn)分為兩個方面：一方面是對LCD及其相關(guān)部分的初始化，包括畫面在緩沖區(qū)的創(chuàng)建和對DMA通道的設(shè)置；另外一方面是對畫面緩沖區(qū)的讀寫，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)的開發(fā)。

該部分分為娛樂和結(jié)果回放兩部分。主界面如圖1所示。



娛樂部分有三種模式：壓力測試、力量模式、速度模式。壓力測試用來測試頭、胸氣袋壓力是否在合適范圍內(nèi)，壓力過高、過低進(jìn)行語音提示；壓力模式用來測試使用者力氣大??；速度模式用來測試使用者在一定時間內(nèi)擊打的有效拳數(shù)。

結(jié)果回放用來回放前段時間該系統(tǒng)使用情況，包括擊打位置和擊打力量兩部分信息。

4 語音播報部分

該部分負(fù)責(zé)播報使用提示、問候語和使用者的擊打結(jié)果。播報結(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，會發(fā)出仿真的擊打聲音；壓力測試時，壓力過高、過低的報警提示音；在開關(guān)機(jī)時，系統(tǒng)會播報問候語等。在模擬與真人的對抗性的娛樂環(huán)境，語音播報突出了趣味性，提高了娛樂效果。

該部分是由專用的語音芯片UDA1341來完成的。在Linux下完成此功能，首先需要編譯UDA1341的驅(qū)動，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開發(fā)板上。驅(qū)動和播放器都移植好后，在應(yīng)用程序中實現(xiàn)語音播報功能。

5 數(shù)據(jù)采集處理部分

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

5.1?采集擊打點觸發(fā)裝置的觸發(fā)信號

在運行力量或速度模式時，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，開啟相應(yīng)壓力傳感器采集數(shù)據(jù)，同時清除擊打按鍵的閉合狀態(tài)。

該部分在硬件上采用了CD4093來鎖存按鍵的狀態(tài)，并且使用芯片75452來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)計的主要部分，由該部分采集到的數(shù)據(jù)可以計算出出拳力量。

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，對應(yīng)的輸出為0～5 V。

由于擊打氣袋時，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量誤差，在頭、胸部分別安裝兩個獨立氣袋和傳感器。實驗證明該方案在一定程度上減小了誤差，能滿足本娛樂拳擊系統(tǒng)對結(jié)果精度的要求。

由于硬件電路以及電源帶來的干擾，導(dǎo)致采集的電壓疊加了許多毛刺，對數(shù)據(jù)的處理帶來了很大的困難。并對大量數(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，該方法具有編程簡單，濾波效果好的特點。

當(dāng)擊打按鍵被擊中，這時記錄下規(guī)定時間內(nèi)采集的電壓值，通過中值濾波去除毛刺，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

娛樂結(jié)果數(shù)據(jù)保存到開發(fā)板NAND FLASH中，為結(jié)果回放提供數(shù)據(jù)。在開始使用該系統(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，采用數(shù)據(jù)庫SQLITE存放結(jié)果數(shù)據(jù)，以供結(jié)果回放時使用。

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

6?自動出拳部分

自動出拳分為檢測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)到更好的娛樂效果。

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

出拳控制部分采用兩個直流電機(jī)來帶動兩個機(jī)械臂完成出拳動作。為了確保每次出拳時，機(jī)械臂在收回狀態(tài)時終止，在機(jī)械臂安裝一個能產(chǎn)生反饋信號的裝置。自動出拳系統(tǒng)根據(jù)該反饋信號來確保完成一個出拳周期。

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

該部分軟件實現(xiàn)包括：控制電機(jī)驅(qū)動和光電開關(guān)信號采集驅(qū)動、產(chǎn)生隨機(jī)信號并控制電機(jī)的用戶態(tài)程序。

7?結(jié)? 語

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