基于体感算法的新型蓝牙遥控器的设计

随着三网融合[1]的推进，多功能电视机顶盒

已经进入了千家万户。电视除了能够收看电视节

目外，视频点播、浏览网页、多媒体游戏、视频通

话等功能也已经或即将被引入现代电视(或电视

机顶盒)中。因此，仅具有按键功能的红外线遥控

器已经无法满足如此众多的功能需求。为此，本

文在普通遥控器的按键功能上增加了体感模块

和语音模块，引入了体感控制算法，并以蓝牙协

议作为通信方式，设计了一款具有体感控制功能

的多功能遥控器。

1系统总体设计

系统总体设计框图如图1所示。系统以HL1010芯

片为控制核心，数字加速度传感器、数字陀螺仪和地磁计的数据通过I2C总线传至HL1010的8051微控制器，经过滤波和体感算法的处理，转化为主机服务端可用的数据，由HL1010的蓝牙控制器传至主机服务端。8051微控制器对键盘模块进行键盘扫描，将键值通过蓝牙发送至主机服务端外，还可以进行简单的音频压缩和解码，并通过蓝牙控制器和语音模块，完成遥控器和主机服务端的语音传输。遥控器中加入了E2PROM，用以存储程序和初始化数据以及蓝牙通信所需的重连信息。电源管理模块用以管理各个模块之间的电源，达到节能和延长电池使用寿命的作用。此外，串口接口为HL1010烧录程序的接口。

基于体感算法的新型蓝牙遥控器的设计

寇凡1，盛怀茂2，王直杰1

（1.东华大学信息科学与技术学院，上海201600；

2.汉凌微电子有限公司，上海200120）

摘要：提出了一种具有体感控制功能的多功能遥控器的设计方案。遥控器通过蓝牙与主机通信,数字加速度传感器、数字陀螺仪和磁力计的数据通过体感算法处理后，实现对空中鼠标以及体感游戏的控制。在此基础上，遥控器还加入了键盘和语音传输功能。经测试证明，该方案是可行的。

关键词：体感算法；蓝牙通信；遥控器

中图分类号：TN919.6+文献标识码：A文章编号：0258-7998(2012)04-0031-03 Design of novel bluetooth remote controller based on somatosensory algorithm

Kou Fan1，Sheng Huaimao2，Wang Zhijie1

(1.College of Information Science and Technology,Donghua University,Shanghai201600，China；

2.Hanlynn Technologies,Shanghai200120，China)

Abstract：A design of multifunctional remote controllor which has somatosensory function was proposed.It was connected with service though bluetooth.Data from a digital accelerometer,a magnetometer and a digital gyroscope was processed by somatosensory algorithm.Therefore,air mouse function and control of somatosensory video games were realized.Besides,keyboard input and voice function were added.And its feasibility was verified by a set of samples.

Key words：somatosensory algorithm；bluetooth；remote controllor

R is =cos θcos Ψsin φsin θcos Ψ-cos φsin Ψcos φsin θcos Ψ+sin φsin Ψ

cos θsin Ψsin φsin θsin Ψ+cos φcos Ψcos φsin θsin Ψ-sin φcos Ψ-sin θsin θcos θcos φcos !"""""""#

$%%%%%%%&

θ

(2)

表1传感器部分参数

传感器型号输出方式测量量程测量维数/轴输出位数/(bit/轴)

输出精度采样频率/kHz 通信方式

加速度传感器

LIS3DH 数字输出

2g/6g 可选量程

310

0.002g 或0.006g

1~5可选I 2C/SPI 可选

陀螺仪

L3G4200D 数字输出

±250/500/2000dps

316

最高0.008dps/bit

100/200/400/800可选

I 2C/SPI 可选

地磁计

MMC3120MR 数字输出

±2Gauss

3200.002Gauss/bit

400I 2C/SPI 可选

2硬件设计

2.1HL1010接口及外围电路

HL1010为蓝牙控制芯片，其特点是：除了具

有独立的蓝牙控制核心外，还集成了一颗8051微控制器核心；具有28个独立的GPIO ，两路语音输入输出通道；集成了I 2

C 和SPI 控制器，便于

外围设备的扩展；内部固化了键盘扫描固件，可以通过简单的寄存器读写完成键盘扫描。

利用HL1010的外围电路，其中，GPIO10～GPIO17作为键盘行扫描，GPIO30～GPI-O37作为键盘列扫描；GPIO20～

GPIO27为电源管理GPIO ，分别通过软件来控制加速度传感器、数字陀螺仪、地磁计、E 2PROM 、扬声器、振动电机

等模块的开关，以达到节能的作用；Pin44、45、48、49、50为语音模块接口，pin23、24为I 2

C 接口。其余引脚为芯片

的供电和射频匹配电路。HL1010的外围电路可参考文献[2]。

2.2传感器模块

表1为本设计中传感器的部分参数，三个传感器

都通过I 2C 总线与主控芯片进行交互，电路设计较为简单。

3软件设计

3.1体感算法

体感功能中最常用的是空中鼠标，即通过遥控器在空中的挥舞来控制屏幕中鼠标的运动，同时通过遥控器按键实现鼠标按键的操作，从而使用户能在远距离的三维空间中获得鼠标的操作功能。为了实现空中鼠标的功能，本文采用陀螺仪和加速度传感器。通过对陀螺仪得到的角速度数据分析得出遥控器的运动状态，作为空中鼠标的主要数据；通过对加速度传感器提供的加速度（主要是判断重力加速度的方向）数据进行分析，得到遥控器所处的姿态，从而对陀螺仪的数据进行坐标转换。陀螺仪所得数据中与重力加速度平行的方向为Y 轴，与重力加速度垂直的为X 轴，使最终空中鼠标的Y 轴与重力加速度的平行方向始终一致、X 轴与重力加速度的垂直方向始终一致。其数学方法如下[3-4]：

遥控器的加速度为a s ，大地系加速度为a i ，两者的转化关系为：

a i =a s R is (1)

其中，R is 为遥控器相对于大地系的余弦阵，其表达式为：

遥控器在大地系下的角速度则为：

β=T s ω=

1sin φtan θcos φtan θ0cos φ-sin φ0

sin φ

cos θ

cos φcos θ!""""""""""#

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ωx ωy ωz

!"""""""#

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(3)

其中，β=[φθΨ]T 为O s x s y s z s 相对于O i x i y i z i 的欧拉角，

T s 为转换矩阵。

经过坐标转换后，无论使用者如何将遥控器握在手中(正握，反握，竖立，倒立等)，空中鼠标的运动仅与使用者手臂的运动方向有关，而与遥控器的运动方向无关。

算法的主要流程为：(1)对角速度进行采样，并进行数字滤波；(2)对加速度进行采样，并进行数字滤波；(3)通过加速度传感器数据对陀螺仪的坐标轴进行旋转；

(4)计算鼠标两个轴的偏移量；(5)通过键盘扫描得到鼠

标按键键值；(6)通过HID 协议将键值发送给服务端。数

据流程如图2所示。

3.2状态机

软件通过状态机控制遥控器处于不同的工作状态。该状态机包括配对状态、重连状态、连接状态和休眠状态。遥控器状态示意图如图3所示。

（1）睡眠状态。系统开机首先进入睡眠模式，当按下任意按键（配对键除外）或者摇动遥控器时，遥控器被唤醒，如果遥控器中已经存有重连信息（最近一次与之配对的主机信息，包括BD Address 和Pin Code ）并且电量足够则进入重连状态，否则继续停留在睡眠状态。在睡眠状态中，遥控器将关闭8051微控制器、蓝牙控制器、加速度传感器、地磁传感器、E 2PROM 、语音模块以及所有LED ，键盘和数字陀螺仪仍保持工作，但会降低采样频率，用作唤醒系统之用。

（2）重连状态。进入重连状态后，遥控器读取重连信