智能手勢識別手套系統(tǒng)的硬件設(shè)計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u24573智能手勢識別手套系統(tǒng)的硬件設(shè)計案例 119141.1硬件總體架構(gòu) 1109781.2信號采集端的設(shè)計與實現(xiàn) 4314233.2.1微處理器模塊 414963.2.2傳感器模塊 6147673.2.3電源模塊 1138943.2.450Hz陷波器的設(shè)計 12107981.3手勢識別端的設(shè)計與實現(xiàn) 14313763.3.1無線通信模塊 1424883.3.2語音合成模塊 16283583.3.3顯示模塊 1735141.4小結(jié) 18硬件平臺的設(shè)計是保證系統(tǒng)實現(xiàn)基本功能的基礎(chǔ)，搭建一個完整的硬件平臺系統(tǒng)不僅可以使系統(tǒng)達到協(xié)調(diào)工作的目的，滿足系統(tǒng)對性能的需求，同時還能夠使系統(tǒng)具有一定的抗干擾能力和穩(wěn)定性。1.1硬件總體架構(gòu)智能手勢識別手套系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上可以分為手勢信號采集端和手勢識別端兩個部分。按具體功能來劃分，本系統(tǒng)硬件部分可以分為7個單元，分別是手指信號采集單元、信號處理單元、MCU運算單元、運動姿態(tài)采集單元、手勢識別單元、語音合成單元和電源管理單元，其硬件電路結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。圖3-1整體硬件結(jié)構(gòu)圖具體來說，本系統(tǒng)以普通手套為載體，信號采集端和手勢識別端兩個部分之間采用ZigBee進行無線傳輸。本文選用STM32F103單片機作為處理核心，用于對傳感器進行數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理等操作，并且具有控制外圍電路的功能。信號采集端主要由Flex2.2彎曲度傳感器電路和集成加速度計、陀螺儀的六軸傳感器MPU-6050電路以及ZigBee的發(fā)送端電路組成，負責對手勢信號的采集、處理與發(fā)送；手勢識別端則主要由ZigBee接收端電路、語音合成電路、LCD1602顯示電路組成，負責對手勢數(shù)據(jù)的處理、分類識別以及語音播報。此外，還有為系統(tǒng)供電的電源電路作為系統(tǒng)正常工作的保障。信號采集端和手勢識別端電路的布局設(shè)計如圖3-2和圖3-3所示：圖3-2信號采集端電路布局圖3-3手勢識別端電路布局其中，每個器件的功能如下：Flex2.2彎曲度傳感器：用于采集手指關(guān)節(jié)的彎曲度，采集的是電壓信號；Zigbee無線傳輸模塊發(fā)送端：用于將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給手勢識別端；MPU-6050傳感器：其內(nèi)部集成了3軸加速度計和3軸陀螺儀，分別用于采集手勢動作的加速度和角速度信息；LM324電壓跟隨器：放大彎曲度傳感器得到的電壓信號，并且具有穩(wěn)壓效果，提高獲取電壓信號的精度；STM3F103：信號采集端的微處理器，用于對采集到的手勢信號進行處理；AMS117低壓差穩(wěn)壓器：用于獲取穩(wěn)定的電源電壓；LCD1602顯示屏：將手勢識別結(jié)果顯示在液晶屏上；Zigbee無線傳輸模塊接收端：用于接收信號采集端發(fā)送過來的手勢數(shù)據(jù)；語音合成模塊：實現(xiàn)對手勢的識別后通過語音的形式進行播報；復位按鍵：用于重新啟動手勢識別端；JTAG程序調(diào)試接口：用于向芯片中燒錄程序。1.2信號采集端的設(shè)計與實現(xiàn)信號采集端的主要功能包括傳感器對手勢信號的采集和微控制器對手勢數(shù)據(jù)的處理等。同時智能手套作為可穿戴式的設(shè)備，進行硬件搭建時對器件的尺寸和便攜性有著較為嚴格的要求。在實現(xiàn)系統(tǒng)功能時還要綜合考慮影響智能手套的成本、功耗、精確性、穩(wěn)定性、易穿戴性5大因素進行器件的選型。微處理器模塊微處理器是整個智能手勢識別手套設(shè)備的核心。信號采集端的微處理器需要完成獲取傳感器的原始數(shù)據(jù)對其進行處理，然后通過ZigBee無線傳輸將數(shù)據(jù)發(fā)送到手勢識別端的任務(wù)。手勢識別端的微處理器則需要完成對手勢數(shù)據(jù)的接收、處理、分類識別的任務(wù)，并且以語音、顯示等形式將識別結(jié)果呈現(xiàn)出來。所以對于微處理器的選擇不僅需要其具備一定的運行速度、邏輯處理能力和計算能力，還需要具備可以和傳感器以及其他模塊進行通信的接口。與傳統(tǒng)的51單片機相比，STM32單片機憑借其超高的性價比以及豐富的外設(shè)資源等優(yōu)勢越來越受到研究人員的青睞。本文采用的微處理器為意法半導體公司（STMicroelectronics）所生產(chǎn)的STM32F103VET6微控制器。其內(nèi)部構(gòu)造如圖3-4所示。圖3-4STM32F103VET6內(nèi)部構(gòu)造圖STM32F103系列處理器使用ARM新一代價格低廉的嵌入式處理器Cortex-M3作為內(nèi)核，是一款增強型高性能的多功能處理芯片。該處理器采用LQFP封裝，大小為14mm×14mm，體積較小[39]。在本系統(tǒng)中，傳感器采集到的原始數(shù)據(jù)采用IIC總線協(xié)議與控制器進行數(shù)據(jù)傳輸，STM32F103帶有的多種通信接口中恰好包含2個標準的IIC通信接口，完全滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆２⑶移涔╇婋妷簽?.0V-1.6V，睡眠模式、待機模式、停機模式3種工作模式配合使用，大大降低了系統(tǒng)的功耗，延長了系統(tǒng)的待機時間。此外其內(nèi)置32K到128K字節(jié)的高速存儲器閃存，時鐘頻率達到了72MHz。作為同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品，開發(fā)人員可以進行個性化應(yīng)用設(shè)計，完全能夠滿足系統(tǒng)的設(shè)計需求。圖3-5STM32F103VET6原理圖傳感器模塊傳感器是信號采集端獲取手勢動作原始數(shù)據(jù)的關(guān)鍵器件，本設(shè)計利用運動傳感器采集手勢動作產(chǎn)生的加速度信息和角速度信息發(fā)送給控制器，利用彎曲度傳感器采集手指的姿態(tài)信息并發(fā)送給控制器。Flex2.2彎曲度傳感器對于彎曲度傳感器的選擇，本文選用了5根Flex2.2彎曲度傳感器。這種彎曲度傳感器采用一種柔韌性特殊電阻材料，具有超薄的封裝，非常輕便，可以很好的貼合在被測物體表面，并且不會影響物體的正常使用。當傳感器因外力產(chǎn)生形變時，其阻值會隨著彎曲程度的增加而增加，通過電阻的變化獲得手指彎曲數(shù)據(jù)。該傳感器可以承受360度以上的彎曲，在正常不彎曲的情況下，它的導通電阻為9KΩ，隨著彎曲程度的增大，阻值也會逐漸增大，當彎曲度達到90度時，導通電阻約為14KΩ，彎曲度達到180度時，阻值約為22KΩ[40]。本文中選用的的彎曲度傳感器總長度為90mm，其實際測量長度為70mm，能夠很好的覆蓋五根手指的活動范圍。圖3-6Flex2.2彎曲度傳感器實物圖本系統(tǒng)對Flex2.2彎曲度傳感器的應(yīng)用，是采用電阻分壓的方法，將電阻值的變化轉(zhuǎn)化為電壓值的變化，再經(jīng)過運算放大器得到輸出比較穩(wěn)定的電壓。以一根手指上的Flex2.2彎曲度傳感器為例，F(xiàn)lex2.2傳感器信號采集電路如圖3-7所示。利用電壓跟隨器高輸入阻抗，低輸出阻抗的特點，該跟隨放大電路采用電壓跟隨進行阻抗匹配，方便AD對數(shù)據(jù)的采集。圖3-7Flex2.2彎曲度傳感器采集電路LM324系列器件是帶有真正的差分輸入四運算放大器。芯片內(nèi)部由4個獨立的高增益內(nèi)部頻率補償運算放大器構(gòu)成。和應(yīng)用在單電源場合的標準運算放大器相比，其具有不錯的性價比。該四運算放大器的工作電壓范圍在1.0-32V之間，并且產(chǎn)生非常小的靜態(tài)電流。共模輸入范圍包括負電源，從而免去了在一些應(yīng)用場合中需要采用外部偏置元件的情況。不同的手勢導致Flex2.2彎曲度傳感器的彎曲程度不同，從而產(chǎn)生不同的電阻值，通過與上面的定值電阻分壓，最后獲得不同的電壓值。式3-1給出了輸出電壓值：（3-1）圖3-8電阻分壓電路原理圖MPU-6050傳感器系統(tǒng)需要帶有測量加速度和角速度信息功能的傳感器用于對手部運動信息的采集。本文選擇InvenSense公司生產(chǎn)的MPU-6050傳感器，圖3-9為MPU-6050軸向示意圖。在5mm×5mm×1mm的微小體積中不僅集成了16位分辨率的加速度計和陀螺儀，可以直接將采集到的模擬量通過A/D轉(zhuǎn)換輸出數(shù)字量，還嵌有獨立的數(shù)據(jù)處理單元，具有一定的數(shù)據(jù)處理能力，可以快速進行姿態(tài)解算，方便開發(fā)。圖3-9MPU-6050傳感器軸向示意圖此外官方還提供了DMP固件庫，可以通過IIC接口連接磁力計等第三方傳感器，用來配合陀螺儀的輔助測量，具備靈活的通訊方式[41]。傳感器模塊內(nèi)部自帶電壓穩(wěn)定電路，能夠兼容1.3V/5V的嵌入式系統(tǒng)，連接方便。總結(jié)起來，MPU-6050能夠很好的符合系統(tǒng)對傳感器在體積、處理性能、通訊能力等方面的要求。MPU-6050傳感器的工作參數(shù)如表3-1所示。表3-1MPU-6050傳感器工作參數(shù)表參數(shù)名稱具體運行參數(shù)數(shù)據(jù)采樣速率100Hz加速度精度16bit加速度測量范圍-2g~+2g加速度非線性度0.5%陀螺儀精度16bit陀螺儀測量范圍-250°/s~+250°/s陀螺儀非線性度0.2%IIC地址0x68IIC通信速率400KMPU-6050傳感器的原理是通過內(nèi)置的陀螺儀根據(jù)角動量守恒原理來測量角速度，然后對其進行時間積分，從而得到繞坐標軸旋轉(zhuǎn)的角度。公式3-2為陀螺儀測量角度的計算公式，式中θk為當前的角度值；θk-1為上一個測試周期的值；ωk為測量得到的角速度值；ωbias_k為測量得到的角速度的偏移值；dt為積分采樣周期。（3-2）內(nèi)置的加速度計的作用是用來測量靜止狀態(tài)下的三軸加速度，如圖3-10所示。公式3-3為姿態(tài)角計算公式。其中Gx、Gy、Gz分別為X、Y、Z軸上的加速度，ρ、φ、Θ分別為Gx、Gy、Gz與重力加速度的夾角。圖3-10加速度計測量示意圖（3-3）MPU-6050傳感器同步輸出的六軸數(shù)據(jù)包括3軸加速度和3軸角速度信息，考慮到加速度計和陀螺儀具有不同的特性，所以一般選擇將兩個傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合，得到更高精度的姿態(tài)角信息。姿態(tài)角又稱歐拉角，由航向角(Yaw)、橫滾角(Roll)和俯仰角(Pitch)組成[44]。采集到的數(shù)據(jù)首先進入運動處理器DMP中進行處理，轉(zhuǎn)化得到四元數(shù)，輸出后結(jié)合模塊內(nèi)部的姿態(tài)解算器，在卡爾曼濾波算法的配合下得到姿態(tài)角。從而可以以較高的測量精度快速、穩(wěn)定的輸出當前環(huán)境下的模塊姿態(tài)。MPU-6050總是以從機設(shè)備的身份通過IIC接口與系統(tǒng)芯片相連接。連接主設(shè)備的邏輯電平接上拉電阻通過VDD引腳置為高電平。圖3-11為MPU-6050的原理圖，其雙線接口由串行數(shù)據(jù)線（SDA）和串行時鐘線（SCL）組成。MPU-6050在通過400kHz的IIC總線與微控制器通信時只需SCL和SDA兩條通信線便可完成，節(jié)約了單片機的接口資源的同時擁有較高的數(shù)據(jù)傳輸速度。本系統(tǒng)在設(shè)計時SDA接微控制器的P11引腳，SCL接微控制器的P10引腳。圖3-11MPU-6050傳感器原理圖電源模塊為了給系統(tǒng)供電，電源部分嵌入了如下電子模塊：5根Flex2.2彎曲度傳感器、LM324運放模塊、MPU-6050傳感器和STM32F103微處理器模塊。電源供電的各個模塊工作電壓均為1.3V。而本設(shè)計為了提供穩(wěn)定且持久的電壓，達到持久耐用的目的，在考慮體積大小，便攜等因素，最終確定采用鋰電池作為供電電源。為了匹配系統(tǒng)各個模塊的工作電壓，得到穩(wěn)定的1.3V輸出電壓，本文設(shè)計采用AMS1117-1.3V低壓差穩(wěn)壓芯片對電路進行穩(wěn)壓，為系統(tǒng)各個模塊供電。從而達到電量充足、待機時間長、電壓穩(wěn)定的目的。此電源模塊如下圖3-12所示：圖3-12電源模塊原理圖50Hz陷波器的設(shè)計智能手勢識別手套系統(tǒng)屬于穿戴設(shè)備，要直接與人的手部進行接觸，而手部周圍電磁環(huán)境復雜，會有相當高的50Hz工頻干擾以差模形式進入到電路中，其幅值最高能達到毫伏級，遠大于手勢信號的幅值，并且由于它非常容易引入到系統(tǒng)電路當中，對后端的ADC采集造成很大影響。所以設(shè)計50Hz截止頻率的陷波器來減小工頻信號的干擾顯得尤為重要。陷波器是帶阻濾波器中的一種，帶阻濾波器是在保證某特定頻率以外的信號不受影響的情況下，大幅度衰減特定頻率范圍內(nèi)的信號，典型的帶阻濾波器有雙T有源濾波器。雙T網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)決定了兩個T型網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)是對稱的。本文針對50Hz工頻信號，設(shè)計雙T有源濾波器來濾除工頻噪聲，減小工頻信號的干擾。圖3-13為50Hz雙T有源濾波器電路示意圖。圖3-1350Hz陷波器電路圖其中，陷波器的中心頻率為：（3-4）經(jīng)過理論計算與對稱性，取R1、R2、R3、R4的阻止均為10KΩ，可知：（3-5）該陷波器的設(shè)計目的是只濾除50Hz的工頻信號，保留其他頻率的信號。陷波器的選擇取決于陷波器的品質(zhì)因素Q。較高的品質(zhì)因素Q對應(yīng)著窄阻帶，較低的品質(zhì)因素Q則對應(yīng)著寬阻帶。所以需使品質(zhì)因素Q的值變大。圖中的運算放大器部分將輸出信號反饋回網(wǎng)絡(luò)，因為該反饋是正反饋，所以它可以實現(xiàn)頻率增強，這樣阻帶就會變窄，從而增大品質(zhì)因素Q。Q值的計算公式為：（3-6）其中F為電路反饋系數(shù)：（3-7）本文選取R6=56KΩ，R5=5.1KΩ，根據(jù)公式，經(jīng)計算可知：F=0.92，Q=1.125。此時，陷波器可以有效1.3手勢識別端的設(shè)計與實現(xiàn)手勢識別端主要實現(xiàn)手勢數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)慕邮?、手勢的分類識別、對識別結(jié)果的語音播報和顯示等功能。無線通信模塊在智能手勢識別手套系統(tǒng)中，信號采集端獲取的手勢數(shù)據(jù)由傳感器進行采集，經(jīng)過處理器STM32F103VET6的處理后需要發(fā)送到手勢識別端進行分類識別。作為可穿戴設(shè)備的智能手套，如果采用有線通信方式進行數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)的靈活性會受到限制，不能滿足系統(tǒng)在便攜性、易穿戴性等方面的要求，不可避免的存在缺點。無線通信方式的傳輸媒介主要是無線電波。通過無線通信進行數(shù)據(jù)傳輸使通訊距離也會變得更遠，并且減少了設(shè)備之間的連線，使手勢識別端的安裝更為靈活。很適合用于信號采集端和手勢識別端之前的數(shù)據(jù)傳輸。目前，常見的短距離無線通信方式主要有藍牙（Bluetooth）、Wifi、ZigBee等。藍牙（Bluetooth）是一種較為常見的適用于短距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線通訊技術(shù)標準。經(jīng)過多年來不斷的發(fā)展更新，針對不同的應(yīng)用場合，設(shè)計出了多個標準。目前在產(chǎn)品設(shè)計中通用較多的是藍牙2.0，它的通訊速率為2Mbps，傳輸距離能夠達到10米。具有傳輸速度較快，距離遠、功耗低等特點；Wifi是一種將電子設(shè)備與無線局域網(wǎng)連接的技術(shù)。傳輸距離可達100米，使用頻段在2.4GHz。它的使用成本低，傳輸速度快，一般在11Mbps以上。但是Wifi的設(shè)計復雜，設(shè)置繁瑣，安全性低。目前在智能家居控制領(lǐng)域的應(yīng)用較多。對于對傳輸速率要求不高的無線通訊，基于IEEE802.15.4標準的ZigBee技術(shù)效果顯著。它的傳輸距離短，具有功耗低、成本低、低復雜度、穩(wěn)定可靠等特點，有著不錯的性價比[45]。在農(nóng)業(yè)、汽車、軍工等領(lǐng)域的遠程控制方面得到了廣泛應(yīng)用。其性能主要有以下幾個方面：ZigBee技術(shù)的成本低：ZigBee無線傳輸相對比較簡單，雖然傳輸速率不大，但是完全能夠滿足數(shù)據(jù)量較小的傳輸，其低廉的價位是眾多用戶選擇它的主要原因。功耗低：ZigBee的通訊距離短，速率低，所以其功耗也比較低。與藍牙、Wifi技術(shù)相比，在同等電量下，ZigBee的連續(xù)工作時間遠遠長于其他兩種技術(shù)。延遲短：ZigBee激活時間很短，同時較短的通信時延大大降低了系統(tǒng)的響應(yīng)時間，均在毫秒級別，對提高系統(tǒng)的實時性有很大幫助。組網(wǎng)特性：每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)有65000個節(jié)點，具備大規(guī)模的組網(wǎng)能力，豐富其拓展應(yīng)用。表3-2無線通訊方式對比無線通信方式藍牙BluetoothWifiZigbee傳輸距離10-100米100米左右10-75米傳輸速度1-3Mb/s11-54Mb/s250kb/s功耗較低較高較低安全性較高較差中等表3-2對以上三種無線通訊方式進行了對比，通過對幾種無線通信方式特點的對比分析，綜合考慮系統(tǒng)的成本、傳輸距離和速率等因素，本文最終選用ZigBee無線通信方式進行信號采集端到手勢識別端的數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)采用TI公司生產(chǎn)的ZigBee芯片CC2530，將采集處理后的彎曲度、加速度、角速度信息發(fā)送給CC2530，通過射頻方式發(fā)送給接收端。語音合成模塊語音合成模塊的用途是將手勢識別結(jié)果通過語音的形式播報出來。CN-TTS語音合成模塊內(nèi)部集成度高，兼容常見的主流單片機。其內(nèi)置XFS5152CE芯片，具有語音編解碼功能，可以進行中英文文本和數(shù)字的語音合成。CN-TTS的使用方便靈活，支持IIC、UART、SPI3種通信方式。通常通過TTL串口發(fā)送GBK編碼的形式實現(xiàn)語音合成，單次最多可合成4K字節(jié)的文本。憑借壓縮率高、失真率低、延時短等特點，使其在語音通信、語音存儲等需要對語音進行合成處理的場合非常適用。模塊通過UART串口與控制器進行數(shù)據(jù)通訊，從而將手勢識別結(jié)果轉(zhuǎn)換成語音進行播報。硬件連接如下圖3-14所示：圖3-14語音模塊硬件連接圖揚聲器安裝在手勢識別端電路板的背面。經(jīng)過數(shù)字處理后的語音信號功率較低，不能驅(qū)動揚聲器，所以本文設(shè)計TPA2005D1音頻功放電路提高