基于SPCE061A的盲人導(dǎo)向儀的設(shè)計(jì)

摘 要: 本文介紹了使用16位單片機(jī)SPCE061A設(shè)計(jì)的一個(gè)盲人導(dǎo)向系統(tǒng)的過(guò)程。在硬件電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用了PIN公司的PNI-11096芯片組模塊進(jìn)行導(dǎo)向，選擇了一款SPLC501的點(diǎn)陣式LCD顯示屏進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。該系統(tǒng)還可以外接其他功能模塊，在導(dǎo)航系統(tǒng)、盲人拐杖、汽車內(nèi)置設(shè)備等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞: 16位單片機(jī)SPCE061A 盲人導(dǎo)向系統(tǒng) 數(shù)據(jù)校正

1.引言

盲人導(dǎo)向儀是為盲人指引方向的重要儀器，也可作為指南針，而指南針是航海航行的重要儀器，也是人們外出旅行、考察的必備工具。本方案使用16位單片機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)和SPLC501液晶模組，可以實(shí)現(xiàn)圖形及文字顯示當(dāng)前方向，語(yǔ)音播報(bào)方向，方向校正，顯示日期、時(shí)間，有秒表、鬧鐘、語(yǔ)音報(bào)時(shí)等功能。

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其功能

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

盲人導(dǎo)向儀系統(tǒng)框圖如圖1所示，該系統(tǒng)以16位單片機(jī)SPCE061A為數(shù)據(jù)處理核心，外擴(kuò)SPLC501液晶模組，利用電子導(dǎo)向模組得到與正北方向沿順時(shí)針?lè)较虻膴A角，在液晶屏上顯示角度信息。

2.2各模塊功能以及硬件實(shí)現(xiàn)

2.2.1電子導(dǎo)向模塊

如圖2所示，電子導(dǎo)向模組由兩個(gè)磁性傳感器SEN-S65和一個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片PNI-11096構(gòu)成。磁性傳感器SEN-S65里面包含一個(gè)LR振蕩電路，當(dāng)磁性傳感器SEN-S65與地球磁感線平行方向夾角發(fā)生變化時(shí)，LR振蕩電路的磁感應(yīng)系數(shù)也會(huì)發(fā)生變化。驅(qū)動(dòng)芯片PNI-11096通過(guò)磁性傳感器SEN-S65磁感應(yīng)系數(shù)的變化可以計(jì)算出磁性傳感器與地球磁感線之間的夾角，驅(qū)動(dòng)芯片PNI-11096最多可以連接三個(gè)磁性傳感器SEN-S65，這三個(gè)磁性傳感器SEN-S65方向互為垂直，這樣就可以測(cè)量在三維方向上與地球磁感線的夾角，從而得到當(dāng)前的三維方向。只要電子導(dǎo)向模組得到水平方向上與地球磁感線的夾角就可以測(cè)得方向了，因此驅(qū)動(dòng)芯片PNI-11096上使用了兩個(gè)磁性傳感器SEN-S65。

電子導(dǎo)向模組采用SPI接口輸入與輸出，16位單片機(jī)使用I/O口模擬SPI接口與電子導(dǎo)向模組通訊。電子導(dǎo)向模組在每個(gè)時(shí)鐘周期的上升沿，鎖存數(shù)據(jù)。

2.2.2液晶顯示模塊

液晶顯示模塊采用的SPLC501型圖形點(diǎn)陣式液晶顯示器。液晶顯示器(LCD)具有顯示信息豐富，功耗低，體積小，重量輕，超薄，無(wú)輻射等許多其他顯示器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于微處理器控制的智能儀表、儀器和低功耗電子產(chǎn)品中。LCD可分為段位式、字符式和點(diǎn)陣式。其中，段位式LCD和字符式LCD只能用于字符和數(shù)字的簡(jiǎn)單顯示，不能滿足圖形曲線和漢字顯示的要求。本文中所采用的MG12864型點(diǎn)陣式液晶顯示器不僅可以顯示字符和數(shù)字，而且可以顯示各種圖形、曲線與漢字，并且可以具有實(shí)現(xiàn)屏幕上下左右滾動(dòng)、反轉(zhuǎn)、閃爍、動(dòng)畫等功能。

2.2.3 SPCE061A核心處理模塊

本系統(tǒng)采用SPCE061A開發(fā)板作為數(shù)據(jù)處理核心，通過(guò)向電子導(dǎo)向模組發(fā)送不同的命令字，得到X軸和Y軸磁性傳感器的測(cè)量值，經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得到電子導(dǎo)向模組與正北方向的順時(shí)針夾角。并將處理后的數(shù)據(jù)在SPLC501液晶模組上進(jìn)行顯示。

3.系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

3.1電子導(dǎo)向模塊的軟件實(shí)現(xiàn)

電子導(dǎo)向模塊的軟件實(shí)現(xiàn)主要由PNI11096驅(qū)動(dòng)程序和導(dǎo)向功能程序兩部分組成。

PNI11096驅(qū)動(dòng)程序PNI_Driver主要是用來(lái)模擬SPI時(shí)序完成對(duì)PNI11096的控制及讀取數(shù)據(jù)，16位單片機(jī)SPCE061A是通過(guò)I/O口模擬SPI接口與電子導(dǎo)向模組通信。PNI11096驅(qū)動(dòng)程序包括兩個(gè)函數(shù)，PNI11096初始化函數(shù)F_PNI_11096_Init PNI，PNI11096讀取函數(shù)F_PNI_11096_Read。PNI11096驅(qū)動(dòng)程序函數(shù)PNI_Driver的程序流程如圖3所示。

導(dǎo)向功能程序主要是用來(lái)實(shí)現(xiàn)命令的發(fā)送與接收、數(shù)據(jù)校正、圖形顯示，以及方向數(shù)值顯示。電子導(dǎo)向模塊在接收到系統(tǒng)發(fā)送的命令字后，根據(jù)命令讀取x和y軸的數(shù)據(jù)，然后將得到的x和y軸的值進(jìn)行校正，根據(jù)校正后的值進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算，將得到的結(jié)果返回系統(tǒng)。導(dǎo)向功能程序的核心部分在于誤差的校正。

在理想狀態(tài)下，X軸測(cè)量數(shù)據(jù)與Y軸測(cè)量數(shù)據(jù)變化范圍都應(yīng)是-32768—32767之間，X軸數(shù)據(jù)與Y軸數(shù)據(jù)組成的坐標(biāo)剛好構(gòu)成一個(gè)正圓形，但實(shí)際測(cè)量中，X軸測(cè)量數(shù)據(jù)與Y軸測(cè)量數(shù)據(jù)最大值或最小值均達(dá)不到-32768—32767這個(gè)范圍，則導(dǎo)致這兩個(gè)數(shù)據(jù)組成坐標(biāo)構(gòu)成的圖形成為一個(gè)中心不在原點(diǎn)的橢圓形。通過(guò)計(jì)算x軸和y軸的偏移量和測(cè)量數(shù)據(jù)的極大極小值，為了得到準(zhǔn)確的方向值我們必須對(duì)電子導(dǎo)向模組返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，將橢圓調(diào)整為正圓形，圖4(a)和圖4(b)為顯示了測(cè)量坐標(biāo)圖在校正前后的對(duì)比情況。

從電子導(dǎo)向模組得到X軸方向和Y軸方向測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)較正后，根據(jù)公式angle=atan(y/x)就可以計(jì)算出電子導(dǎo)向模組與正北方向的順時(shí)針夾角了。還有一個(gè)問(wèn)題是要根據(jù)角度所在的不同的象限，對(duì)求得的角度值加以修正。角度值修正程序的示意性代碼如下所示:

Ratio=yRevise/xRevise;

if(角度值小于0)

{

Ratio=0 - Ratio;

使用反正玄函數(shù)計(jì)算角度值;

}

else if(角度值在第一象限)

{

return 360 - Angle;

}

else if(角度值在第二象限))

{

return 180 + Angle;

}

else if(角度值在第三象限))

{

return 180 - Angle;

}

else (角度值在第四象限))

{

return Angle;

}

3.2液晶顯示模塊的軟件實(shí)現(xiàn)

液晶顯示模塊SPLC501的驅(qū)動(dòng)程序由5個(gè)部分組成，分別為底層驅(qū)動(dòng)程序文件SPLC501Driver_IO.inc、SPLC501Driver_IO.asm;用戶API 功能接口函數(shù)文件SPLC501User.h、SPLC501User.c、DataOSforLCD.asm。各文件的主要功能如下。

SPLC501Driver_IO.inc:該文件為底層驅(qū)動(dòng)程序的頭文件，主要對(duì)使用到的寄存器(如端口控制寄存器等)進(jìn)行定義，還對(duì)SPCE061A與SPLC501液晶顯示模組的接口進(jìn)行配置;用戶可以根據(jù)自已的需求來(lái)配置此文件，但要使端口的分配符合實(shí)際硬件的接線。

SPLC501Driver_IO.asm:該文件為底層驅(qū)動(dòng)程序，負(fù)責(zé)與SPLC501液晶顯示模組進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)，主要包括端口初始化、寫控制指令、寫數(shù)據(jù)、讀數(shù)據(jù)等函數(shù);這些函數(shù)僅供SPLC501User.c調(diào)用，不建議用戶在應(yīng)用程序中調(diào)用這些函數(shù)。

SPLC501User.h:該文件為用戶API功能函數(shù)文件的頭文件，主要對(duì)一些記住符進(jìn)行定義，以及配置LCD的一些設(shè)置，另外該文件里還對(duì)SPLC501User.c中的函數(shù)作了外部聲明，用戶需要使用LCD的API功能函數(shù)時(shí)，需要把該文件包含在用戶的C文件中。

SPLC501User.c:文件中定義了針對(duì)LCD顯示的各種API功能函數(shù)。

DataOSforLCD.asm:該文件中提供了一些供API功能函數(shù)調(diào)用的數(shù)據(jù)處理子程序，主要完成顯示效果的疊加、畫圓偏差量的計(jì)算等。

3.3 SPCE061A核心處理模塊的軟件實(shí)現(xiàn)

SPCE061A核心處理模塊主要由鍵盤掃描程序和系統(tǒng)主程序兩部分組成。

鍵盤掃描程序先通過(guò)調(diào)用Key_Init()函數(shù)對(duì)鍵盤進(jìn)行初始化，然后通過(guò)函數(shù)Key_Scan()對(duì)鍵盤進(jìn)行掃描，若發(fā)現(xiàn)有按鍵按下，則使用Key_GetValue()函數(shù)獲得按鍵值，并保存下來(lái)供系統(tǒng)調(diào)用。

程序運(yùn)行后首先初始化各個(gè)硬件模塊，校正指南針模組，然后程序進(jìn)入主循環(huán)，不停地讀取指南針模組的方向并顯示，同時(shí)進(jìn)行按鍵掃描，根據(jù)按鍵進(jìn)入相應(yīng)的功能模塊。主程序流程圖如圖5所示。

4.結(jié)語(yǔ)

本文利用16位單片機(jī)SPCE061A強(qiáng)大的處理能力，配合電子導(dǎo)向模組設(shè)計(jì)了一個(gè)語(yǔ)音播報(bào)盲人導(dǎo)向儀，此系統(tǒng)可以完成圖形及文字顯示當(dāng)前方向，語(yǔ)音播報(bào)方向，方向校正，顯示日期、時(shí)間，有秒表、鬧鐘、語(yǔ)音報(bào)時(shí)等功能，對(duì)開發(fā)一款功能豐富的盲人導(dǎo)向儀系統(tǒng)，有一定的參考價(jià)值。語(yǔ)音播報(bào)盲人導(dǎo)向儀可以快速添加到各種產(chǎn)品中，作為成熟系統(tǒng)的子模塊，其應(yīng)用在導(dǎo)航系統(tǒng)、盲人拐杖、汽車內(nèi)置設(shè)備等諸多領(lǐng)域。

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