基于加速度传感器的电子笔系统的设计

摘要

作为新兴的人机交互工具，电子笔具有广泛的应用空间。伴随着微机电系统(MEMS，MicroElectro-MechanicalSystem)技术的不断成熟，单芯片三轴向加速度传感器的上市，加速度型电子笔以其低廉的价格，更加人性化的设计必将带来更多的创新性。 本文着眼于以上的问题，对加速度型电子笔进行了分析和研究。加速度型电子笔应用运动学原理，通过对加速度的运算可以获得笔尖的运动轨迹，结合运动学原理即可将笔迹复现出来，硬件结构简单，易于实现。 MMA7260QT是Freescale公司设计开发的基于微机电系统(MEMS)的三轴向低重力加速计，是专门为便携式消费类的电子产品而设计的，它能在XYZ三个轴向上以极高的灵敏度读取低重力水平的震动、坠落、移动、倾斜、放置和摇摆，它是业界中的第一个单芯片三轴向加速度传感器。本文基于MMA7260QT对电子笔的主要组成模块进行了硬件和软件的设计。其中电源模块采用USB总线供电，USB总线电源最大给设备提供5V电压，500mA电流，基本可以满足系统正常工作时所需要的电源供应。 USB数据采集就是通过USB总线上传数据。USB通信芯片采用PHILIPS公司的USB接口芯片PDIUSBD12，该芯片通常用于基于微控制器的系统并与微控制器通过高速通用并行接口进行通信，也支持本地DMA。利用LabVIEW编制的基于加速度传感器的电子笔系统的数据采集应用程序，把USB总线和LabVIEW语言紧密结合起来的数据采集系统集成了两者的优点。USB总线可以实现对外部数据高速的、实时的采集，把采集的数据传送到主机后再通过LabVIEW的功能模块顺利实现数据的保存。 加速度到位移理论上要经过两次积分变换，积分变换在时域里实现采用的是梯形求积的数值积分法或其他直接积分方法。本文通过MATLAB采用积分在频域里实现，基本原理是首先将采集到的信号作傅里叶变换，然后将变换的结果在频域里进行积分变换，最后经傅里叶逆变换得到积分后的时域信号。 文章的最后还对三维空间投影进行了分析，要想将我们在三维空间里的位移曲线在二维空间里显示出来，就必须要降低其维度。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章电子笔概述

1.1课题背景及其意义

1.2国内外电子笔的发展

1.3选题的意义和研究重点

1.3.1选题的意义

1.3.2课题的研究重点内容

1.4本文的组织

第2章基于加速度传感器电子笔系统的设计

2.1电子笔系统组成

2.2 MCU及电源模块

2.2.1 MSP430结构概述

2.2.2系统复位、中断和运行模式

2.2.3 A/D转换器

2.2.4.电源模块

2.3三轴加速度传感器模块

2.3.1三轴加速度传感器MMA7260特性

2.3.2三轴加速度传感器MMA7260结构及设计要求

第3章LabVIEW与USB数据通信模块设计

3.1 USB数据通信芯片PDIUSBDl2的特点和内部结构

3.1.1 PDIUSBD12主要特性

3.1.2内部结构

3.1.3 PDIUSBD12引脚说明

3.1.4 PDIUSBD12的典型连接

3.2 USB固件程序设计

3.2.1 PDIUSBD12固件结构

3.2.2 PDIUSBD12固件程序

3.2.3编写固件程序要注意的问题

3.3 USB底层驱动程序设计

3.3.1 NI-VISA简介

3.3.2 USB RAW设备读写的操作次序

3.3.3上位机LabVIEW程序

第4章MATLAB在信号处理中的应用

4.1 MATLAB简介

4.2信号预处理方法

4.2.1采样数据的标定变换

4.2.2消除多项式趋势项

4.2.3采样数据的平滑处理

4.3数字滤波处理方法

4.3.1数字滤波

4.3.2数字滤波的频域方法

4.3.3数字滤波的时域方法简介

4.3.4窗函数

4.4信号的积分变换

第5章空间投影

5.1投影

5.1.1平行投影

5.1.2透视投影

5.2关于投影变换

第6章总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

附录空间数据及其处理过程

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢