基于旋轉編碼器的多媒體定位展示系統的設計

林永宏

摘 要：為解決大背景圖像、沙盤模型等需要局部虛擬顯示的問題，文章提出了基于旋轉編碼器的定位展示系統的設計方案，實現了多媒體圖像按照絕對地址移動和定位的虛擬演示。該設計在低成本、安裝和維護簡便的定位虛擬展示領域有相當的應用前景。

關鍵詞：旋轉編碼器；定位展示；單片機

中圖分類號：TH12 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）27-0076-03

Abstract： In order to solve the problem that large background image and sand table model need local virtual display， this paper presents a design scheme of positioning display system based on rotary encoder， which realizes virtual demonstration of moving and positioning of multimedia image according to absolute address. The design has a considerable application prospect in the field of positioning virtual display， which is low-cost， easy to install and maintain.

Keywords： rotary encoder； positioning display； single chip microcomputer

引言

隨著體驗經濟和信息時代的到來，展示設計已經從靜態轉向動態，從物質實體轉向非物質實體，從現實轉向虛擬，從一維轉向多維的方向發展，呈現出用戶參與互動以及數字虛擬化等特點[1][2]。展示銷售特別是在房屋銷售的過程中展示方式更是直接影響到了房屋的銷售，國內外大都普遍采用建筑沙盤模型來給房屋消費者呈現房屋的一系列外觀情況[3]，將沙盤模型和現在科技結合在一起，向購房者展現出房屋更多的功能[4]，無疑將帶動購房參與的積極性。除了基于web/GIS[5]外，當前的定位展示系統大部分采用激光三維定位[3]、多媒體機對標射頻識別（Radio Frequency Identification， RFID）技術[6]等，這些系統都存在設計實施成本較高，安裝復雜度高，系統調試困難等問題，而本設計中采用旋轉編碼器作為定位傳感器的實現方法，則具有成本低、安裝維護方便的特點。

1 系統總體設計

1.1 基于旋轉編碼器的定位展示系統

在大背景圖像或實景如沙盤需要左右推動的細節展示，或者條形小圖片或實景圖片的移動和局部虛擬放大顯示以及其他的多媒體互動式展示和細節講解的場合，我們可以采用如下圖1所示的工作方式，圖中MAX，MIN分別代表左右移動的邊界。安裝在輪子上的多媒體機在軌道上左右推動，其上面顯示的內容與后面的實景相對應，實現虛擬與現實的定位對應展示。

在圖1中與多媒體機連接的輪子中，其軸上附帶了一個基于旋轉編碼器定位裝置，其示意圖如圖2所示。旋轉編碼器是通過其轉軸旋轉，經編碼器內部電路產生相位差可達90度的正、反轉計數脈沖，且旋轉編碼器的輸出脈沖寬度隨著旋轉轉速變化，即轉速越高，其脈沖寬度越窄。通常每圈計數脈沖數量有360個、500個、1000個等多種，用戶可根據精度需要進行選擇[7]。

1.2 系統工作原理

當人們推動多媒體機左右移動時，該定位裝置會給多媒體機顯示軟件一個當前的顯示定位，根據該定位數據，圖像軟件可以虛擬的顯實我們需要了解的具體內容和更詳細的圖樣，系統工作原理圖如圖3所示。在該設計中增加絕對地址的存儲，可以使系統圖像顯示位置不受開關電源的影響。

通過以上設計我們可以看到：多媒體機通過滑輪安裝在無長度限制的軌道上面；左、右推動帶動旋轉編碼器中心軸轉動，輸出A、B信號的不同編碼；A、B編碼信號進入數字邏輯電路（或單片機）進行編碼順序的判斷，對左右位移量進行“加、減”操作；對多媒體機產生的位移絕對地址量進行存儲，以便在任何開機時刻，圖像仍然停在原來的位置；當多媒體機被推動到MIN位置，觸發微動開關則圖像絕對地址置“0”；第一次使用時應當先置“0”，再推至MAX位置，系統會顯示MAX（最左邊）最大的絕對地址量并存儲在flash中，軌道的總長度除以這個最大值就是圖像移動的“分辨率”；定位模塊通過數字邏輯電路（或單片機）輸出帶有絕對地址的USB或串口信號；多媒體機的圖像顯示軟件接收USB或串口的絕對移動地址數據，實現圖像的移動和顯示。

2 軟硬件設計

2.1 硬件選擇

我們在設計中選擇USB PIC單片機系列作為定位模塊數字電路的核心，其配備功能強大的12 MIPS RISC內核、自編程閃存存儲器以及納瓦節能技術，片上全速USB 2.0接口包括一個片上收發器和一個并行流端口，能把數據直接傳送到外部的外設，可以在本系統定位數據的采集、判斷和存儲應用中發揮獨立控制器的作用。具體的芯片選擇為：PIC18F2550和PIC18F2455：28引腳SOIC和SDIP[8]，旋轉編碼器分辨率-編碼器以每旋轉360度提供多少的通或暗刻線稱為分辨率，也稱解析分度、或直接稱多少線，一般在每轉分度5～10000線，在定位展示領域由于暫留時間更多，所以不需要很高的分辨率[9]，由于實際系統定位移動速度并不快，所以我們在設計的實驗過程中我們可以選用簡單可靠的鼠標編碼器作為替代，將脈沖輸出作為上述單片機的端口輸入進行計數。

2.2 設計算法及軟件

2.2.1 最大左、右移動速度的計算

我們按照人的眼睛視網膜上的視神經的反應時間，圖片的移動最大速度不能過高，一般人們的視覺暫留時間0.05-0.2秒，所以我們可以得出以下公式：S代表移動速度（單位：米/秒），MAX代表定位展示模塊的最大計數值（無單位），L代表軌道長度（單位：米）。

S=L/（0.05*MAX）

2.2.2 編碼的計數與判斷

3 結束語

通過該方案的設計和實際應用，在定位展示項目中，可以不受軌道的限制，基于旋轉編碼器的定位模塊成本較低，可以滿足一定時間內的虛擬顯示的定位需求，而且安裝和維護比較方便，該設計方案在大背景圖像或實景細節展示介紹、條形小圖片或實景圖片的移動和放大顯示、多媒體互動式展示和細節講解的場合具有廣泛的借鑒意義。

參考文獻：

[1]陳志剛，耿濤，等.淺談產品交互式展示設計[J].大眾文藝，2011（09）：84-109.

[2]陳志剛，李世國.虛擬環境中的三維用戶界面研究[J].包裝工程，2010（02）：37-40.

[3]劉曉薇.建筑沙盤定位展示系統的設計與實現[D].廈門大學，2014.

[4]徐德勝，黃玉全.沙盤模型在建設領域的功用初探[J].山西建筑，2010，26（1）：51-52.

[5]任曉梅，崔杜武.基于WebGIS的樓盤展示系統的設計與實現[J].陜西師范大學學報（自然科學版），2004，6（32）：188-191.

[6]KlausFinkenzeller.射頻識別技術[M].吳曉峰，陳大才，譯.第三版.北京：電子工業出版社，2006.

[7]邱宏安，朱治富.一種高精度旋轉編碼器單片機計數電路的實現[J].計算機自動測量與控制，2000，03：51-55.

[8]https：//www.microchip.com/wwwproducts/en/PIC18F2550

[9]王小祥.增量式旋轉編碼器的簡介與應用[J].數字技術與應用，2016，10：118-119.