基于ARM嵌入式及MPU—6050的體感光立方

鐘山　黃鵬　王銳　代鵬　肖茹雙

摘要：在傳統(tǒng)單片機(jī)控制的光立方基礎(chǔ)上，使用高精度陀螺加速度計(jì)MPU-6050對(duì)光立方使用者的手指姿態(tài)進(jìn)行判斷。為解決單片機(jī)數(shù)據(jù)解算速度問(wèn)題，主控系統(tǒng)采用STM32F103ZET6芯片，通過(guò)藍(lán)牙將MPU-6050的原始數(shù)據(jù)發(fā)送至嵌入式主控系統(tǒng)。嵌入式主控系統(tǒng)MPU-6050原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)模型，得出使用者的手指姿態(tài)。當(dāng)使用者的做出不同手勢(shì)時(shí)，光立方顯示對(duì)應(yīng)動(dòng)畫(huà)，實(shí)現(xiàn)了手勢(shì)控制光立方的目的。

關(guān)鍵詞：光立方；藍(lán)牙；MPU-6050；手勢(shì)識(shí)別

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）01-0046-02

0 引言

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，LED顯示屏廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，大多數(shù)LED都是二維顯示屏，由于應(yīng)用的不斷加深，三維LED顯示技術(shù)應(yīng)運(yùn)而出，這就是LED光立方[1]，光立方是一種通過(guò)單片機(jī)控制的LED三維顯示陣列，一般的光立方為8×8×8模式，由單片機(jī)、鎖存器、譯碼器等電器元件驅(qū)動(dòng)，利用單片機(jī)控制外部電路進(jìn)行并行輸出，通過(guò)層選和位選控制每一個(gè)LED燈的開(kāi)關(guān)，每一幀圖像一般持續(xù)50ms左右，在不斷的圖像切換過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)連續(xù)的動(dòng)畫(huà)效果。

1 體感光立方硬件設(shè)計(jì)

光立方主要通過(guò)STM32F103ZET6[2]作為主控芯片，附加外圍電路，MPU-6050 通過(guò)藍(lán)牙通信的方式將數(shù)據(jù)傳輸至主控，主控芯片通過(guò)兩片74HC245芯片擴(kuò)展接口，一片74HC245芯片通過(guò)74HC138譯碼器實(shí)現(xiàn)光立方層選，另一片74HC245芯片通過(guò)將數(shù)據(jù)串行傳輸至8片74HC595芯片級(jí)聯(lián)的驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)位選。通過(guò)不斷的刷新畫(huà)面，實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫(huà)效果。如圖1所示。

1.1 嵌入式主控STM32F103ZET6

STM32F103系列使用高性能的 ARM Cortex -M3的RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器（高達(dá)512K字節(jié)的閃存和64K字節(jié)的 SRAM），豐富的增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。所有型號(hào)的器件都包含3個(gè)12位的ADC、4個(gè)通用16位定時(shí)器和2個(gè)PWM定時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá)2個(gè)IIC接口、3個(gè)SPI接口、2個(gè)IIS接口、1個(gè)SDIO接口、5個(gè) USART接口、一個(gè)USB接口和一個(gè)CAN接口。STM32F103系列工作于-40°C至+105°C的溫度范圍，供電電壓2.0V至3.6V，一系列的省電模式保證低功耗應(yīng)用的要求。本系統(tǒng)中使用該系列嵌入式系統(tǒng)主要用于MPU-6050原始數(shù)據(jù)的處理和手勢(shì)姿態(tài)的判別，并輸出對(duì)應(yīng)動(dòng)畫(huà)。

1.2 六軸加速度計(jì)MPU-6050

MPU-6050為全球首例整合性6軸運(yùn)動(dòng)處理組件，它集成了3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計(jì)，免除了組合陀螺儀與加速度計(jì)之間時(shí)軸差的問(wèn)題。本文采用MPU-6050作為體感模塊[3]，通過(guò)藍(lán)牙模塊將原始數(shù)據(jù)傳輸至嵌入式主控系統(tǒng)，在嵌入式主控系統(tǒng)中對(duì)MPU-6050的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，得到X，Y，Z軸加速度，然后分別對(duì)其X，Y，Z軸加速度求解反余弦函數(shù)，得到X，Y，Z軸傾角，從而計(jì)算出當(dāng)前光立方位置信息。計(jì)算過(guò)程如圖2所示。

1.3 74HC595驅(qū)動(dòng)電路

本文使用8片74HC595[4]作為位選驅(qū)動(dòng)電路。74HC595是一個(gè)8位串行輸入、并行輸出的位移緩存器：并行輸出為三態(tài)輸出。在SCK 的上升沿，串行數(shù)據(jù)由SDL輸入到內(nèi)部的8位位移緩存器，并由Q7'輸出，而并行輸出則是在LCK的上升沿將在8位位移緩存器的數(shù)據(jù)存入到8位并行輸出緩存器。當(dāng)串行數(shù)據(jù)輸入端OE的控制信號(hào)為低使能時(shí)，并行輸出端的輸出值等于并行輸出緩存器所存儲(chǔ)的值。而當(dāng)OE為高電位，也就是輸出關(guān)閉時(shí)，并行輸出端會(huì)維持在高阻抗?fàn)顟B(tài)。

1.4 APM4953驅(qū)動(dòng)電路

APM4953內(nèi)部包含兩個(gè)獨(dú)立的，P溝道金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管。它有超低的導(dǎo)通電阻，適用于LED顯示驅(qū)動(dòng)，也可以做PWM開(kāi)關(guān)和負(fù)載開(kāi)關(guān)。本文所設(shè)計(jì)光立方為層共陽(yáng)接口，通過(guò)74HC138譯碼器輸出控制APM4953驅(qū)動(dòng)電路[5]層選。

2 程序流程

在主控系統(tǒng)成功初始化之后，對(duì)MPU-6050進(jìn)行自檢，若自檢成功，則開(kāi)始接收來(lái)自藍(lán)牙串口的MPU-6050原始數(shù)據(jù)，自檢不成功，重新進(jìn)行系統(tǒng)初始化。在接收到原始數(shù)據(jù)后，主控系統(tǒng)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成傾角計(jì)算，姿態(tài)判斷，并且輸出對(duì)應(yīng)動(dòng)畫(huà)。在完成一幀圖像后，重新接收新的原始數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫(huà)效果。軟件流程圖如圖4所示。

3 結(jié)語(yǔ)

本文在傳統(tǒng)的光立方基礎(chǔ)上，創(chuàng)新采用了6軸加速度計(jì)MPU-6050，通過(guò)藍(lán)牙將MPU-6050原始數(shù)據(jù)發(fā)送給嵌入式主控系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)MPU-6050數(shù)據(jù)的一系列處理，成功實(shí)現(xiàn)了光立方使用者手指姿態(tài)的判斷，并且根據(jù)不同的姿態(tài)輸出不同的動(dòng)畫(huà)，完成了傳統(tǒng)光立方不具備的體感功能，這是對(duì)于光立方的一種創(chuàng)新改進(jìn)，對(duì)于廣大光立方愛(ài)好者具有相當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)意義，同時(shí)具有一定的市場(chǎng)價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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Abstract：On the basis of optical cube controlled by traditional single chip computer， the finger gesture of optical cube user is judged by using high precision gyro accelerometer MPU-6050. In order to solve the problem of data processing speed of single chip computer， the master control system uses STM32F103ZET6 chip， and transmits the original data of MPU-6050 to the embedded master control system through Bluetooth. The original data of the embedded master control system MPU-6050 is processed， and the gesture of the user's finger is obtained according to the preset data model. When the user makes different gestures， the optical cube displays corresponding animation， which realizes the purpose of controlling the optical cube by gestures.

Key words：optical cube； bluetooth； MPU-6050； gesture recognition