隨著三網(wǎng)融合[1]的推進，多功能電視機頂盒已經(jīng)進入了千家萬戶。電視除了能夠收看電視節(jié)目外，視頻點播、瀏覽網(wǎng)頁、多媒體游戲、視頻通話等功能也已經(jīng)或即將被引入現(xiàn)代電視(或電視機頂盒)中。因此，僅具有按鍵功能的紅外線遙控器已經(jīng)無法滿足如此眾多的功能需求。為此，本文在普通遙控器的按鍵功能上增加了體感模塊和語音模塊，引入了體感控制算法，并以藍牙協(xié)議作為通信方式，設計了一款具有體感控制功能的多功能遙控器。

1 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)總體設計框圖如圖1所示。系統(tǒng)以HL1010芯片為控制核心，數(shù)字加速度傳感器、數(shù)字陀螺儀和地磁計的數(shù)據(jù)通過I2C總線傳至HL1010的8051微控制器，經(jīng)過濾波和體感算法的處理，轉化為主機服務端可用的數(shù)據(jù)，由HL1010的藍牙控制器傳至主機服務端。8051微控制器對鍵盤模塊進行鍵盤掃描，將鍵值通過藍牙發(fā)送至主機服務端外，還可以進行簡單的音頻壓縮和解碼，并通過藍牙控制器和語音模塊，完成遙控器和主機服務端的語音傳輸。遙控器中加入了E2PROM，用以存儲程序和初始化數(shù)據(jù)以及藍牙通信所需的重連信息。電源管理模塊用以管理各個模塊之間的電源，達到節(jié)能和延長電池使用壽命的作用。此外，串口接口為HL1010燒錄程序的接口。


2 硬件設計

2.1 HL1010接口及外圍電路

HL1010為藍牙控制芯片，其特點是：除了具有獨立的藍牙控制核心外，還集成了一顆8051微控制器核心；具有28個獨立的GPIO，兩路語音輸入輸出通道；集成了I2C和SPI控制器，便于外圍設備的擴展；內部固化了鍵盤掃描固件，可以通過簡單的寄存器讀寫完成鍵盤掃描。

利用HL1010的外圍電路，其中，GPIO10～GPIO17作為鍵盤行掃描，GPIO30～GPI-O37作為鍵盤列掃描；GPIO20～GPIO27為電源管理GPIO，分別通過軟件來控制加速度傳感器、數(shù)字陀螺儀、地磁計、E2PROM、揚聲器、振動電機等模塊的開關，以達到節(jié)能的作用；Pin44、45、48、49、50為語音模塊接口，pin23、24為I2C接口。其余引腳為芯片的供電和射頻匹配電路。HL1010的外圍電路可參考文獻[2]。

2.2 傳感器模塊

表1為本設計中傳感器的部分參數(shù)，三個傳感器都通過I2C總線與主控芯片進行交互，電路設計較為簡單。


3 軟件設計

3.1 體感算法

體感功能中最常用的是空中鼠標，即通過遙控器在空中的揮舞來控制屏幕中鼠標的運動，同時通過遙控器按鍵實現(xiàn)鼠標按鍵的操作，從而使用戶能在遠距離的三維空間中獲得鼠標的操作功能。為了實現(xiàn)空中鼠標的功能，本文采用陀螺儀和加速度傳感器。通過對陀螺儀得到的角速度數(shù)據(jù)分析得出遙控器的運動狀態(tài)，作為空中鼠標的主要數(shù)據(jù)；通過對加速度傳感器提供的加速度（主要是判斷重力加速度的方向）數(shù)據(jù)進行分析，得到遙控器所處的姿態(tài)，從而對陀螺儀的數(shù)據(jù)進行坐標轉換。陀螺儀所得數(shù)據(jù)中與重力加速度平行的方向為Y軸，與重力加速度垂直的為X軸，使最終空中鼠標的Y軸與重力加速度的平行方向始終一致、X軸與重力加速度的垂直方向始終一致。其數(shù)學方法如下[3-4]：

遙控器的加速度為as，大地系加速度為ai，兩者的轉化關系為：

ai=asRis(1)
其中，Ris為遙控器相對于大地系的余弦陣，其表達式為：


經(jīng)過坐標轉換后，無論使用者如何將遙控器握在手中(正握，反握，豎立，倒立等)，空中鼠標的運動僅與使用者手臂的運動方向有關，而與遙控器的運動方向無關。

算法的主要流程為：(1)對角速度進行采樣，并進行數(shù)字濾波；(2)對加速度進行采樣，并進行數(shù)字濾波；(3)通過加速度傳感器數(shù)據(jù)對陀螺儀的坐標軸進行旋轉；(4)計算鼠標兩個軸的偏移量；(5)通過鍵盤掃描得到鼠標按鍵鍵值；(6)通過HID協(xié)議將鍵值發(fā)送給服務端。數(shù)據(jù)流程如圖2所示。


3.2 狀態(tài)機

軟件通過狀態(tài)機控制遙控器處于不同的工作狀態(tài)。該狀態(tài)機包括配對狀態(tài)、重連狀態(tài)、連接狀態(tài)和休眠狀態(tài)。遙控器狀態(tài)示意圖如圖3所示。

（1）睡眠狀態(tài)。系統(tǒng)開機首先進入睡眠模式，當按下任意按鍵（配對鍵除外）或者搖動遙控器時，遙控器被喚醒，如果遙控器中已經(jīng)存有重連信息（最近一次與之配對的主機信息，包括BD Address和Pin Code）并且電量足夠則進入重連狀態(tài)，否則繼續(xù)停留在睡眠狀態(tài)。在睡眠狀態(tài)中，遙控器將關閉8051微控制器、藍牙控制器、加速度傳感器、地磁傳感器、E2PROM、語音模塊以及所有LED，鍵盤和數(shù)字陀螺儀仍保持工作，但會降低采樣頻率，用作喚醒系統(tǒng)之用。

（2）重連狀態(tài)。進入重連狀態(tài)后，遙控器讀取重連信息并嘗試與最近一次配對的主機進行重連。如果重連成功則進入工作狀態(tài)，如果多次重連失敗則重新進入睡眠狀態(tài)。在重連狀態(tài)中，加速度傳感器、地磁傳感器、數(shù)字陀螺儀和語音模塊將被關閉。

（3）配對狀態(tài)。在任意狀態(tài)下，如果用戶按下配對鍵（工作模式下需要長按配對鍵），則遙控器清除重連信息并進入可發(fā)現(xiàn)狀態(tài)。這時主機可以發(fā)現(xiàn)遙控器，并進行配對操作。在可發(fā)現(xiàn)狀態(tài)中，加速度傳感器、地磁傳感器、數(shù)字陀螺儀和語音模塊將被關閉。

（4）連接狀態(tài)。進入工作狀態(tài)后，如果用戶長時間不使用遙控器，系統(tǒng)會增長sniff的間隔來降低功耗，最后會使系統(tǒng)進入睡眠狀態(tài)。如果主機主動斷開，連接系統(tǒng)則進入睡眠狀態(tài)，如果連接意外斷開，則系統(tǒng)會進入重連狀態(tài)。在工作狀態(tài)中，遙控器會根據(jù)不同的報文格式來選擇所需的傳感器和模塊并控制是否給其供電，而且選擇不同的sniff間隔以減少功耗。

通過樣機的使用和測試，本設計方案中的遙控器解決了一般體感遙控器存在的主要問題[5]：(1)做到了高性能與低成本的平衡：HL1010中的8051微控制器不僅滿足了遙控器的性能要求，與一般的藍牙控制芯片比較，不需要在外部另加微控制器，大大降低了成本；(2)有良好的抗環(huán)境干擾：方案中選用的藍牙通信技術具有高速、高帶寬和高保真等特點，并且運用調頻技術可有效地防干擾；(3)功耗低：遙控器通過電源管理模塊、狀態(tài)機控制和連接時的長短sniff狀態(tài)切換，有效降低了功耗，睡眠狀態(tài)時電流在100 ?滋A以下，空中鼠標狀態(tài)下，短sniff時電流為5 mA左右，長sniff時電流為1 mA左右；(4)良好的用戶體驗：空中鼠標中加入了體感算法后，用戶無論以什么姿勢握住遙控器都可以輕松地控制鼠標，加入了防抖程序后空中鼠標可以過濾掉用戶手部的細微抖動，增加了控制的精確度，在縮短sniff間隔后遙控器可以做到每1000幀/s以上的報告速率，可以完成某些高要求的體感游戲的控制。遙控器中的鍵盤功能和語音功能實現(xiàn)比較簡單，并且與體感算法無關。