XMOVE3.0手持终端——综述:软硬件全部自行开发的彩屏体感控制器

     

编者注： X-MOVE是作者在业余时间于2010年6月份启动的以运动传感开发，算法和应用的平台，目前已经发展了三个版本，第四版的开发接近尾声。发布在博客园仅为交流技术，不存在商业目的，作者保留一切权利。

 

一. 综述

　　乔布斯曾经说过:做软件的人应该也制造属于自己的硬件.

　　不觉得每天给电脑,手机开发程序很不爽么? 为什么总是要"给别人打工",用别人的SDK? 小时候特别羡慕有文曲星的同学，也特别梦想自己做一个。

　　在大四这个理想也成为了现实。 我启动了我自己的体感项目XMOVE的2.0版本开发,其中非常重要的一部分便是手持终端的设计，抱歉到现在都没有起一个好名字。它集中了我大学四年所学的大部分学习成果，全部软硬件自行制作。时隔一年，我将该子系统的软硬件分类进行介绍，并有详细的文章介绍大家比较感兴趣的几个部分。

　  

 与XMOVE手持终端相关的介绍文章列表如下:

　　系统综述: 自制的彩屏手持动作感应终端

　　软件介绍(一):精简型嵌入式系统的菜单实现和任务切换　　

　　软件介绍(二):在2KB内存单片机上实现的彩屏GUI控件库

　　软件介绍(三):在2KB内存单片机上实现的俄罗斯方块

　　软件介绍(四):在2KB内存单片机上实现的超精简五子棋算法

　　软件介绍(五):在2KB内存的单片机上实现的T9中文输入法

 

二. 基本硬件描述

　　为了达到尽可能优质的硬件，我进行了四次PCB改板，耗费了不少资金（当然这是小事）。达到了以下的技术指标：

　　外形尺寸：80mm(长)*60mm(宽)*25mm(厚)

　　质量：67g(含电池)

　　电池容量：760mAH

　　工作电压：3.3V 充电电压：USB输入，5V

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　　CPU:TI 超低功耗MCU: MSP430F149  @8MHz

　　内存： 2KB RAM

　　存储器： 内置64KB Flash, 外置2Mbit图形存储器

　　传感器：三轴加速度计，三轴磁场计，三轴陀螺仪，气压计，实时时钟RTC

　　无线性能：2.4GHz无线射频功能，支持理论最大通信速率2Mbps，实测最大177kbps

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　　屏幕：320*240 2.4寸点阵LCD液晶屏（无触摸）

　　物理按键：正面6个按键，背面五个辅助按键。

　　LED:一路工作LED灯

　　接口：一路USB转串口输出，一路串口（最大115200bps）一路调试JTAG接口

　　一个机械开关

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　　物理续航能力：实测12小时连续工作

　　充电充满时间：未进行实测

三. 软件功能综述

　   1. 全新的体感功能:体感遥控器和内置的体感应用

　　本系统设计之初就是为了体感功能，在硬件上，它搭载了几乎所有实用的MEMS传感器：加速度计，陀螺仪，磁场计和气压计，远远超越作者开发时期消费级传感器的应用水平。内部集成了动作识别和传感器融合算法，因此可以精准的识别用户的三个方向的加速度和角速度，以及准确的姿态。通过气压计，可以计算和输出海拔高度（由于天气变化，绝对值仅作参考，但相对精度可达0.25m)。

　　作者在该系统的体感应用上做了两方面的努力：一方面，通过系统搭载的RF射频功能，作者将其与电脑实现无线连接，从而形成体感遥控器。

 

• 　　基于体感的3D空中鼠标
• 　　虚拟实景
• 　　体感游戏控制器。 它作为XMOVE 2.0版中的中心节点，可以管理其他XMOVE节点协同采集人体运动数据，从而完成复杂的人机交互：例如全身体感的使命召唤，街头霸王，极品飞车等体感应用。（在XMOVE综述中有详细的介绍，有兴趣请点击这里）

　　另一方面，作者在该平台上开发了诸多体感小应用。由于平台CPU和内存的限制（8MHz和2KB内存），这些应用简单而富有趣味：

• 　　体感菜单：用户通过旋转系统，系统便会根据姿态移动光标选择相关功能，当需要退出时摇晃即可退出应用
• 倾斜控制的俄罗斯方块，五子棋
• 通过旋转和倾斜实现的虚拟全键盘：可大大弥补只有6个物理按键的不足
• 体感旋转输入法，用户可以借助一个物理按键完成全部汉字和英文的输入操作
• 楼层和高度检测：用户可通过该系统精确的检测高度变化，精度实测可达0.25m
• 电子指南针和水准仪

   

　　2. 超低功耗优化的精简OS以及GUI界面库

　　系统搭载了作者亲自打造的嵌入式管理系统。具体的操作与实现在文集中有较详细说明。

　　

　　为了在2KB单片机上尽可能高效的开发和重用代码，我实现了精简的管理系统和底层API封装。开发新应用只需声明相应的数据结构，调用相关API即可。完整的API包括了传感器控制和读写，无线射频协议，GUI界面库，中断管理操作。

　　系统可以较好的管理来自键盘，RF，传感器等外部中断，并进行任务的切换和管理，在一定程度上满足实时性的要求。

　　为了尽可能减小功耗，除了在CPU选用上使用了TI的MSP430系列，在软件上也使用了很多技巧：动态CPU速度调节，RF休眠，和可调屏幕背光。系统在运行时尽可能处于低功耗，在用户静默状态（无加速度）时间超过阈值时自动休眠，在用户拿起系统后自动启动，以获得远低于市面上手机的最低功耗：平均30mA.

　　界面库对低频率CPU做了特别的优化，在显示上只刷新改变的部分，对图片做特殊处理，从而解决速度慢的问题。同时实现了较为人性化，使用方便的GUI界面库，具体请参考这里。

　　3. 完善的系统管理机制

　　除了以上的核心功能，系统提供了完整的用户接口：

• 　　时间显示和时间设定功能
• 传感器数据实时监视和校正
• 背光时长和强度设定
• 体感控制的设定选项
• 可设置的无线频段和发射强度
• CPU速度切换和管理
• 电池电压监测和低电压报警
• 用户管理：可设置开机密码。（真是闲的蛋疼的产物，还花了半个工作日调试）

   

　　用户可以根据需求动态的选择以上设定，并保存在可存储器中。

　　4. 其他功能

　　这些功能是作者在假期为了打发时光开发的应用，标记如下：

• 　　SD卡读取和MP3,WMA播放功能：使用了外部扩展板，应用是作者独立开发的
• 打砖块和贪吃蛇游戏

 　 想想这些功能花了我不少时间，到最后也仅仅是娱乐而已。

 四. 总结

　　在博客园写文章养成的有综述有总结的坏习惯。

　　这套系统是一个软硬件结合的案例，有其优点：软硬件开发结合紧密，互相优化。也有其缺点：封闭扩展性弱。如果还有时间，我希望能给它加入这些新功能：对文件系统的支持，多线程支持，多分辨率支持，彻底的硬件无关性，完整的无线组网协议包。

　　这套系统（仅仅是本文介绍的手持终端，而非整个XMOVE）综合起来花费了作者大四一年近500小时的开发时间。由于要做PCB，要焊接，要在简洁的像文本编辑器的IDE中写代码和调试，与其他传感器的通信和协同，还要面对数不清的外部困难，最终还是完成了。

　　对这个XMOVE平台的子项目而言，我本想做点商业开发的，但是，在整合和扩展才有希望的大环境之下，众多开源项目在坚持几年后都夭折了，何况是一个硬件限制极大，应用领域较窄，功能单一，接口封闭的子系统而已。也只能是作者闲暇时间的娱乐和锻炼编程水平的平台了。

　　有这点时间，何不做点iOS应用发到网上赚个饭钱？哈哈。以后很难再有时间在嵌入式开发上再投入更多精力了，转战通信领域和.NET开发。

　　有任何问题，欢迎随时交流。