体感算法多功能蓝牙遥控器设计方案

随着三网融合［1］的推进，多功能电视机顶盒已经进入了千家万户。电视除了能够收看电视节目外，视频点播、浏览网页、多媒体游戏、视频通话等功能也已经或即将被引入现代电视（或电视机顶盒）中。因此，仅具有按键功能的红外线遥控器已经无法满足如此众多的功能需求。为此，本文在普通遥控器的按键功能上增加了体感模块和语音模块，引入了体感控制算法，并以蓝牙协议作为通信方式，设计了一款具有体感控制功能的多功能遥控器。
　　1 系统总体设计
　　系统总体设计框图如图1所示。系统以HL1010芯片为控制核心，数字加速度传感器、数字陀螺仪和地磁计的数据通过I2C总线传至HL1010的8051微控制器，经过滤波和体感算法的处理，转化为主机服务端可用的数据，由HL1010的蓝牙控制器传至主机服务端。8051微控制器对键盘模块进行键盘扫描，将键值通过蓝牙发送至主机服务端外，还可以进行简单的音频压缩和解码，并通过蓝牙控制器和语音模块，完成遥控器和主机服务端的语音传输。遥控器中加入了E2PROM，用以存储程序和初始化数据以及蓝牙通信所需的重连信息。电源管理模块用以管理各个模块之间的电源，达到节能和延长电池使用寿命的作用。此外，串口接口为HL1010烧录程序的接口。
　　
　　2 硬件设计
　　2.1 HL1010接口及外围电路
　　HL1010为蓝牙控制芯片，其特点是：除了具有独立的蓝牙控制核心外，还集成了一颗8051微控制器核心；具有28个独立的GPIO，两路语音输入输出通道；集成了I2C和SPI控制器，便于外围设备的扩展；内部固化了键盘扫描固件，可以通过简单的寄存器读写完成键盘扫描。
　　利用HL1010的外围电路，其中，GPIO10～GPIO17作为键盘行扫描，GPIO30～GPI-O37作为键盘列扫描；GPIO20～GPIO27为电源管理GPIO，分别通过软件来控制加速度传感器、数字陀螺仪、地磁计、E2PROM、扬声器、振动电机等模块的开关，以达到节能的作用；Pin44、45、48、49、50为语音模块接口，pin23、24为I2C接口。其余引脚为芯片的供电和射频匹配电路。HL1010的外围电路可参考文献［2］。
　　2.2 传感器模块
　　表1为本设计中传感器的部分参数，三个传感器都通过I2C总线与主控芯片进行交互，电路设计较为简单。
　　
　　3 软件设计
　　3.1 体感算法
　　体感功能中最常用的是空中鼠标，即通过遥控器在空中的挥舞来控制屏幕中鼠标的运动，同时通过遥控器按键实现鼠标按键的操作，从而使用户能在远距离的三维空间中获得鼠标的操作功能。为了实现空中鼠标的功能，本文采用陀螺仪和加速度传感器。通过对陀螺仪得到的角速度数据分析得出遥控器的运动状态，作为空中鼠标的主要数据；通过对加速度传感器提供的加速度（主要是判断重力加速度的方向）数据进行分析，得到遥控器所处的姿态，从而对陀螺仪的数据进行坐标转换。陀螺仪所得数据中与重力加速度平行的方向为Y轴，与重力加速度垂直的为X轴，使最终空中鼠标的Y轴与重力加速度的平行方向始终一致、X轴与重力加速度的垂直方向始终一致。其数学方法如下［3-4］：
　　遥控器的加速度为as，大地系加速度为ai，两者的转化关系为：
　　ai=asRis （1）
　　其中，Ris为遥控器相对于大地系的余弦阵，其表达式为：
　　
　　经过坐标转换后，无论使用者如何将遥控器握在手中（正握，反握，竖立，倒立等），空中鼠标的运动仅与使用者手臂的运动方向有关，而与遥控器的运动方向无关。
　　算法的主要流程为：（1）对角速度进行采样，并进行数字滤波；（2）对加速度进行采样，并进行数字滤波；（3）通过加速度传感器数据对陀螺仪的坐标轴进行旋转；（4）计算鼠标两个轴的偏移量；（5）通过键盘扫描得到鼠标按键键值；（6）通过HID协议将键值发送给服务端。数据流程如图2所示。