Автор работы: Пользователь скрыл имя, 07 Декабря 2014 в 12:36, дипломная работа
Одним из перспективных направлений развития органов управления и ввода информации является ввод информации с помощью пространственных жестов руки, удерживающей КПК. Однако данный метод ввода информации ещё не реализован, нет информации как по сенсорам, с помощью которых можно реагировать на изменение угловой ориентации КПК, так и по организации взаимодействия этих сенсоров с программным обеспечением КПК. В рамках данного дипломного проекта реализована идея управления программным обеспечением КПК фирмы Palm Inc. с помощью инерционных сенсоров и специального программного обеспечения, позволяющего по показаниям этих сенсоров судить о выполнении определённых жестов.
ВВЕДЕНИЕ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ 3
1.1 ВВЕДЕНИЕ 3
1.2 ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ НА ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ 4
2 РАЗРАБОТКА МОДУЛЯ ИНЕРЦИОННОГО СЕНСОРА 8
2.1 ПРЕДЛОЖЕНИЕ И ОБОСНОВАНИЕ ПОДХОДА К СОЗДАНИЮ СЕНСОРА 8
2.2 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ МОДУЛЯ ИНЕРЦИОННОГО СЕНСОРА 9
2.3 ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ 12
2.3.1 Акселерометр 12
2.3.2 Магниторезистивный сенсор 14
2.3.3 АЦП 17
2.3.4 ЦАП 21
2.3.5 Температурный датчик 23
2.3.6 Операционный усилитель 25
2.3.7 Мультиплексор 29
2.3.8 Схема сброса 31
2.3.9 ПЛИС 32
2.3.10 Микроконтроллер 34
2.4 ПРИНЦИП РАБОТЫ МОДУЛЯ ИНЕРЦИОННОГО СЕНСОРА 37
2.5 РАСЧЕТ ПОТРЕБЛЯЕМОЙ МОЩНОСТИ 39
3 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА НАЧАЛЬНОЙ КАЛИБРОВКИ МОДУЛЯ ИНЕРЦИОННОГО СЕНСОРА 41
3.1 ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ НАЧАЛЬНОЙ КАЛИБРОВКИ МОДУЛЯ ИНЕРЦИОННОГО СЕНСОРА 41
3.2 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА НАЧАЛЬНОЙ КАЛИБРОВКИ ИНЕРЦИОННОГО СЕНСОРА 41
3.3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЯ РАЗРАБОТАННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА НАЧАЛЬНОЙ КАЛИБРОВКИ ИНЕРЦИОННОГО СЕНСОРА 55
4 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ИНЕРЦИАЛЬНЫМИ ПРИЛОЖЕНИЯМИ 58
4.1 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ОПРОСА МОДУЛЯ ИНЕРЦИОННОГО СЕНСОРА И ФИЛЬТРАЦИИ ПОЛУЧЕННЫХ ПОКАЗАНИЙ 58
4.2 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА РАСПОЗНАВАНИЯ БАЗОВЫХ ДВИЖЕНИЙ FLIP 61
4.3 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ВЫДЕЛЕНИЯ БАЗОВЫХ ДВИЖЕНИЙ PUSH 65
5 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ НАПИСАНИЯ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ ПРИЛОЖЕНИЙ 68
5.1 СПЕЦИФИКА РАЗРАБОТКИ ПРИЛОЖЕНИЙ ДЛЯ ОПЕРАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ PALM OS 4.0 68
5.2 РАЗРАБОТКА РАЗДЕЛЯЕМОГО РЕСУРСА БАЗЫ ДАННЫХ ИНЕРЦИОННОГО СЕНСОРА 72
5.3 РАЗРАБОТКА ДЕМОНСТРАЦИОННОГО ИНЕРЦИАЛЬНОГО ПРИЛОЖЕНИЯ 74
6 ПЛАНИРОВАНИЕ И ОЦЕНКА ЗАТРАТ СОЗДАНИЯ ПРОГРАММНОГО ПРОДУКТА 81
6.1 СМОЛЯНАЯ ЯМА ПРОГРАММИРОВАНИЯ 81
6.2 СЕТЕВОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ 82
6.3 СОЗДАНИЕ СТРУКТУРНОЙ ТАБЛИЦЫ РАБОТ 83
6.4 РАСЧЕТ ЗАТРАТ НА СОЗДАНИЕ ПРОГРАММНОГО ПРОДУКТА 87
6.4.1 Расчет затрат на непосредственную разработку программного комплекса 87
6.4.2 Расчет затрат на изготовление опытного образца программного продукта 89
6.4.3 Расчет затрат на технологию 90
6.4.4 Затраты на ЭВМ 90
6.4.5 Общие затраты на создание программного продукта 91
7 ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ И ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ 93
7.1 ВВЕДЕНИЕ В ПРОИЗВОДСТВЕННУЮ И ЭКОЛОГИЧЕСКУЮ БЕЗОПАСНОСТЬ 93
7.2 ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ РАЗРАБОТКЕ, ПРОИЗВОДСТВЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ УСТРОЙСТВ 94
7.2.1 Микроклимат лаборатории 94
7.2.2 Требования к уровням шума и вибрации 96
7.2.3 Электробезопасность 97
7.2.4 Требование к защите от статического электричества и излучений при работе за компьютером. 98
7.2.5 Требования к освещению на рабочем месте 100
7.2.6 Воздействие вредных веществ при пайке 102
7.2.7 Психофизические факторы 103
7.2.8 Эргономика рабочего места 103
7.3 РАСЧЕТ ИСКУССТВЕННОГО ОСВЕЩЕНИЯ НА РАБОЧЕМ МЕСТЕ 104
7.4 ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ 106
8 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 108
9 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 109
Рис. 2.3 Микросхема HMC1023, вид снизу.
Таблица 2.4
Описание выводов микросхемы HMC1023
Pin |
Мнемоника |
Описание вывода |
1 |
Y-Out- |
Отрицательный вывод моста Y |
2 |
S/R- |
Установка/Сброс - |
3 |
Y-Off+ |
Положительный вывод моста смещения по оси Y |
4 |
Z-Off+ |
Положительный вывод моста смещения по оси Z |
5 |
Z-Off- |
Отрицательный вывод моста смещения по оси Z |
6 |
X-Off+ |
Положительный вывод моста смещения по оси X |
7 |
X-Off- |
Отрицательный вывод моста смещения по оси X |
8 |
X-Out+ |
Положительный вывод моста X |
9 |
X-Out- |
Отрицательный вывод моста X |
10 |
S/R+ |
Установка/Сброс + |
11 |
Z-Out+ |
Положительный вывод моста Z |
12 |
Z-Out- |
Отрицательный вывод моста Z |
13 |
VCC |
Питание |
14 |
Y-Out+ |
Положительный вывод моста Y |
15 |
GND |
Общий |
16 |
Y-Off- |
Отрицательный вывод моста смещения по оси Y |
В качестве АЦП лучше всего использовать микросхему AD7864AS-2 фирмы Analog Devices. Это 4-х канальный, высокоскоростной, 12-и битный АЦП, отличительными особенностями которого являются:
Высокая скорость (1.25 ms).
Одновременное аналого-цифровое преобразование с четырёх каналов.
Несколько диапазонов входных значений (от 0 до 2.5В, и от 0 до 5В).
Высокоскоростной параллельный интерфейс.
Низкое энергопотребление.
Энергосберегающий режим.
Защита от превышения диапазона входного напряжения на аналоговых входах.
Основные характеристики микросхемы приведены в табл. 2.5. расположение выводов изображено на рис. 2.3. Описание выводов микросхемы приведено в табл. 2.6.
Таблица 2.5
Основные характеристики микросхемы AD7864AS-2
Характеристика |
Значение |
Единица измерения |
Комментарий |
Разрешение цифрового выхода |
12 |
бит |
|
Относительная точность |
±1 |
LSB |
Максимум |
Нелинейность |
±0.9 |
LSB |
Максимум |
Диапазон входных, аналоговых, напряжений |
+2.5, +5 |
В |
|
Входное сопротивление |
9 |
кОм |
В диапазоне входного напряжения: 0 – 5 В |
Время преобразования |
1.65 |
ms |
|
Напряжение питания |
+5 |
В |
|
Потребляемый ток |
24 20 |
mA mA |
Нормальный режим Энергосберегающий режим |
Потребляемая мощность |
120 100 90 20 |
mW mW mW mW |
Макс. Нормальный режим Макс. Энергосберегающий режим Тип. Нормальный режим Тип Энергосберегающий режим |
Рис. 2.4 Микросхема AD7864, вид сверху.
Таблица 2.6
Описание выводов микросхемы AD7864AS-2
Pin |
Мнемоника |
Описание |
1 |
BUSY |
Выход занят. Сигнал установлен, пока идёт преобразование. |
2 |
FRSTDATA |
Первый цифровой выход. Когда сигнал установлен, указатель регистра выходных данных указывает на Register 1 |
3 |
|
Старт преобразования. Положительный перепад на данном входе сигнализирует о начале аналого-цифрового преобразования |
4 |
|
Устройство выбрано. Устройство активно, когда на данном сигнале низкий потенциал. |
5 |
|
Считка данных. Низкий потенциал на данном выводе говорит о том, что данные можно считывать. |
6 |
|
Запись данных. Данный сигнал запирает выводы DB0 – DB3 и по их содержимому выбирает регистр канала. |
7-10 |
SL1-SL4 |
Аппаратный выбор каналов. С помощью данных выводов можно задать последовательность каналов. |
11 |
/S SEL |
Аппаратный/Программный выбор каналов. В состоянии 0 – последовательность каналов устанавливается сигналами SL1-SL4, в состоянии 1 – последовательность каналов задаётся регистром каналов. |
12 |
AGND |
Общий (аналоговый). |
13-16 |
VIN4X ,VIN3X |
Аналоговые входы. |
17 |
AGND |
Общий (аналоговый). |
18-21 |
VIN2X ,VIN1X |
Аналоговые входы. |
22 |
|
Переключатель в режим пониженного энергопотребления (пониженное энергопотребление включено при низком потенциале). |
23 |
VREFGND |
Reference Ground. |
24 |
VREF |
Reference Input/Output. |
25 |
AVDD |
Питание (аналоговое). |
26 |
AGND |
Общий (аналоговый). |
27 |
/EXT CLK |
Переключатель Внешнее/Внутреннее тактирование. |
28 |
CLKIN |
Тактовый вход (для внешнего тактирования). |
29-34 |
DB11-DB6 |
Цифровые выходы. Биты 11-6. |
35 |
DVDD |
Питание (цифровое). |
36 |
VDRIVE |
Питание цепи цифровых выходов, сигналов BUSY, и FIRSTDATA. |
37 |
DGND |
Общий (цифроовой). |
38,39 |
DB5, DB4 |
Цифровые выходы. Биты 5 и 4. |
40-43 |
DB3-DB0 |
Цифровые выходы. Биты 3-0. |
44 |
|
Преобразование завершено. Если сигнал имеет низкий уровень – преобразование завершено. |
В качестве ЦАП будем использовать микросхему AD7305BRU фирмы Analog Devices. Это 4-х канальный 8-и битный ЦАП, отличительными особенностями которого являются:
4
8-и битных ЦАП в одном
Компактный размер.
Быстрый параллельный интерфейс.
Низкое энергопотребление
Основные характеристики микросхемы AD7305BRU приведены в табл. 2.7. Расположение выводов изображено на рис. 2.4. Описание выводов приведено в табл. 2.8.
Таблица 2.7
Основные характеристики микросхемы AD7305BRU
Характеристика |
Напр. пит 3В |
Напр. пит. 5В |
Напр. пит. ±5В |
Единицы измерения |
Разрешение |
8 |
8 |
8 |
бит |
Интегральная нелинейность |
±1 |
±1 |
±1 |
LSB |
Дифференциальная нелинейность |
±1 |
±1 |
±1 |
LSB |
Опорное входное сопротивление |
7.5 |
7.5 |
7.5 |
кОм |
Опорная входная емкость |
5 |
5 |
5 |
пФ |
Диапазон выходного напряжения |
-5.5 - +3 |
-5.5 - +5 |
-5.5 - +5 |
В |
Выходной ток |
±3 |
±3 |
±3 |
мА |
Напряжение логического нуля |
0.6 |
0.8 |
0.8 |
В мин. |
Напряжение логической единицы |
2.1 |
2.4 |
2.4 |
В макс. |
Положительный ток питания |
6 |
6 |
6 |
мА |
Отрицательный ток питания |
6 |
мА | ||
Потребляемая мощность |
15 |
30 |
60 |
мВт |
Рис. 2.5 Микросхема AD7305BRU, вид сверху.
Таблица 2.8
Описание выводов микросхемы AD7305BRU
Pin |
Мнемоника |
Описание |
1 2 3 4 5 6 7-14 15 16 17 18 19 20 |
VOUTB VOUTA VSS VREF GND DB7-DB0 А1 А0/SHDN VDD VOUTD VOUTC |
Выход канала B Выход канала A Отрицательное напряжение питания Опорный вход Общий Строб ЦАП преобразования Цифровые входы Запись данных в регистр Бит адреса №1 Бит адреса №0 / Аппаратное выключение Положительное напряжение питания Выход канала D Выход канала C |
В качестве температурного датчика будем использовать микросхему TMP03 фирмы Analog Devices. Отличительными особенностями этой микросхемы являются:
Всего 3 вывода
Модулированный последовательный цифровой выход
Широкий диапазон измеряемой температуры
Низкое энергопотребление
Основные характеристики микросхемы TMP03 приведены в табл. 2.9. Расположение выводов изображено на рис. 2.5. Описания выводов приведены в табл. 2.10.
Таблица 2.9
Основные характеристики микросхемы TMP03
Характеристика |
Мин. значение |
Типичное значение |
Макс. значение |
Единицы измерения |
Температурная ошибка |
1 |
3 |
ºС | |
Температурная линейность |
0.5 |
ºС | ||
Стабильность показаний при постоянной температуре на 1000 часов работы |
0.5 |
ºС | ||
Напряжение питания |
4.5 |
7 |
В | |
Ток питания |
0.9 |
1.3 |
мА |
Рис. 2.6 Микросхема TMP03, вид сверху.
Таблица 2.10
Описание выводов микросхемы TMP03
Pin |
Мнемоника |
Описание |
1 2 3 4-8 |
DOUT V+ GND NC |
Цифровой выход Питание Общий Не используется |
В качестве операционных усилителей будем использовать микросхемы AD8534AR и AD623BR фирмы Analog Devices. Отличительными особенностями микросхемы AD8534AR являются:
Основные характеристики микросхемы AD8534AR приведены в табл. 2.11. Расположение выводов изображено на рис. 2.6. Описание выводов приведено в табл. 2.12.
Таблица 2.11
Основные характеристики микросхемы AD8534AR
Характеристика |
Мин. значение |
Типичное значение |
Макс. значение |
Единицы измерения |
Напряжение смещения |
25 |
мВ | ||
Входной ток |
5 |
50 |
мВ | |
Входной ток смещения |
1 |
25 |
пА | |
Диапазон входного напряжения |
0 |
3 |
В | |
Высокое выходное напряжение |
2.8 |
2.92 |
В | |
Низкое выходное напряжение |
60 |
100 |
мВ | |
Выходной ток |
±250 |
мА | ||
Плотность шума по напряжению F = 1 кГц F = 10 кГц |
45 30 |
нВ/ нВ/ | ||
Плотность шума по току F = 1 кГц |
0.05 |
пА/ |