體感算法多功能藍牙遙控器設計方案

隨著三網(wǎng)融合［1］的推進，多功能電視機頂盒已經(jīng)進入了千家萬戶。電視除了能夠收看電視節(jié)目外，視頻點播、瀏覽網(wǎng)頁、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（或電視機頂盒）中。因此，僅具有按鍵功能的紅外線遙控器已經(jīng)無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音模塊，引入了體感控制算法，并以藍牙協(xié)議作為通信方式，設計了一款具有體感控制功能的多功能遙控器。
　　1 系統(tǒng)總體設計
　　系統(tǒng)總體設計框圖如圖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)字陀螺儀和地磁計的數(shù)據(jù)通過I2C總線傳至HL1010的8051微控制器，經(jīng)過濾波和體感算法的處理，轉(zhuǎn)化為主機服務端可用的數(shù)據(jù)，由HL1010的藍牙控制器傳至主機服務端。8051微控制器對鍵盤模塊進行鍵盤掃描，將鍵值通過藍牙發(fā)送至主機服務端外，還可以進行簡單的音頻壓縮和解碼，并通過藍牙控制器和語音模塊，完成遙控器和主機服務端的語音傳輸。遙控器中加入了E2PROM，用以存儲程序和初始化數(shù)據(jù)以及藍牙通信所需的重連信息。電源管理模塊用以管理各個模塊之間的電源，達到節(jié)能和延長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 硬件設計
　　2.1 HL1010接口及外圍電路
　　HL1010為藍牙控制芯片，其特點是：除了具有獨立的藍牙控制核心外，還集成了一顆8051微控制器核心；具有28個獨立的GPIO，兩路語音輸入輸出通道；集成了I2C和SPI控制器，便于外圍設備的擴展；內(nèi)部固化了鍵盤掃描固件，可以通過簡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，分別通過軟件來控制加速度傳感器、數(shù)字陀螺儀、地磁計、E2PROM、揚聲器、振動電機等模塊的開關，以達到節(jié)能的作用；Pin44、45、48、49、50為語音模塊接口，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［2］。
　　2.2 傳感器模塊
　　表1為本設計中傳感器的部分參數(shù)，三個傳感器都通過I2C總線與主控芯片進行交互，電路設計較為簡單。
　　
　　3 軟件設計
　　3.1 體感算法
　　體感功能中最常用的是空中鼠標，即通過遙控器在空中的揮舞來控制屏幕中鼠標的運動，同時通過遙控器按鍵實現(xiàn)鼠標按鍵的操作，從而使用戶能在遠距離的三維空間中獲得鼠標的操作功能。為了實現(xiàn)空中鼠標的功能，本文采用陀螺儀和加速度傳感器。通過對陀螺儀得到的角速度數(shù)據(jù)分析得出遙控器的運動狀態(tài)，作為空中鼠標的主要數(shù)據(jù)；通過對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)進行分析，得到遙控器所處的姿態(tài)，從而對陀螺儀的數(shù)據(jù)進行坐標轉(zhuǎn)換。陀螺儀所得數(shù)據(jù)中與重力加速度平行的方向為Y軸，與重力加速度垂直的為X軸，使最終空中鼠標的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)化關系為：
　　ai=asRis （1）
　　其中，Ris為遙控器相對于大地系的余弦陣，其表達式為：
　　
　　經(jīng)過坐標轉(zhuǎn)換后，無論使用者如何將遙控器握在手中（正握，反握，豎立，倒立等），空中鼠標的運動僅與使用者手臂的運動方向有關，而與遙控器的運動方向無關。
　　算法的主要流程為：（1）對角速度進行采樣，并進行數(shù)字濾波；（2）對加速度進行采樣，并進行數(shù)字濾波；（3）通過加速度傳感器數(shù)據(jù)對陀螺儀的坐標軸進行旋轉(zhuǎn)；（4）計算鼠標兩個軸的偏移量；（5）通過鍵盤掃描得到鼠標按鍵鍵值；（6）通過HID協(xié)議將鍵值發(fā)送給服務端。數(shù)據(jù)流程如圖2所示。