專利名稱：基于mems加速度傳感器的無(wú)線耳機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種無(wú)線耳機(jī)，特別是一種基于MEMS加速度傳感器的無(wú)線耳機(jī)。
背景技術(shù)：
MEMS加速度傳感器是采用MEMS (微機(jī)械)和IC (集成電路)加工工藝生產(chǎn)的新型 加速度傳感器。它具有集成電路系統(tǒng)的許多優(yōu)點(diǎn)，吸收了多種學(xué)科發(fā)展的尖端成果?，F(xiàn)在 已有將MEMS加速度傳感器應(yīng)用到手機(jī)，大型測(cè)試(如石油勘探，航空測(cè)試)和汽車等領(lǐng)域 的產(chǎn)品。以蘋果iPhone和I^lm公司的Pre等熱門智能手機(jī)為例，它內(nèi)置一個(gè)加速度傳感 器感受人用手搖動(dòng)產(chǎn)生的加速度信號(hào)，并產(chǎn)生響應(yīng)(比如翻頁(yè)，功能切換)。除手機(jī)外，現(xiàn)有 的應(yīng)用加速度傳感器的產(chǎn)品一般造價(jià)高昂，難以被普通用戶接受，而手機(jī)采用的加速度傳 感器一般是一維的，如果能在耳機(jī)上實(shí)現(xiàn)二維和三維的控制，并且用頭部來(lái)進(jìn)行控制，這樣 不僅可以把人的手解放出來(lái)，還能為失去雙手的殘疾人提供方便。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是要提供一種基于MEMS加速度傳感器的無(wú)線耳機(jī)，解決現(xiàn)有 人們?cè)谟枚鷻C(jī)聽(tīng)音樂(lè)并在干其他事情時(shí)對(duì)音樂(lè)的操作無(wú)法把手解放出來(lái)以及失去雙手的 殘疾人使用MP3播放器的問(wèn)題。本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種基于MEMS加速度傳感器的無(wú)線耳機(jī)，包 括信號(hào)采集與發(fā)射模塊，信號(hào)接收與處理模塊，上位機(jī)處理軟件，通用串行總線，加速度傳 感器，人體工學(xué)輸入設(shè)備，音頻放大系統(tǒng)，上位機(jī)通信模塊，音頻流解析系統(tǒng)，音頻流發(fā)送系 統(tǒng)，全局快捷鍵設(shè)置系統(tǒng)。其特征在于采集與發(fā)射模塊與通用串行總線連接，采集與發(fā)射模 塊負(fù)責(zé)信號(hào)的采集與處理，信號(hào)接收與處理模塊負(fù)責(zé)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行分析以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)碼、 與上位機(jī)通信以及語(yǔ)音播放。本實(shí)用新型還有以下附加技術(shù)特征所述采集與發(fā)射模塊由加速度傳感器，人體工學(xué)輸入設(shè)備組成。所述信號(hào)接收與處理模塊由上位機(jī)處理軟件、音頻放大系統(tǒng)，上位機(jī)通信模塊組 成。本實(shí)用新型利用加速度傳感器單片機(jī)端口集線器TUSB2136為核心器件，與上位 機(jī)處理軟件共同構(gòu)成了一個(gè)具有多種功能的控制平臺(tái)。信號(hào)采集與發(fā)射模塊作為耳機(jī)的一部分封裝于頭戴式耳機(jī)中，設(shè)計(jì)中，此部分盡 量追求簡(jiǎn)潔。除了必要的電源管理、加速度傳感器與信號(hào)采集設(shè)備、音量控制設(shè)備、數(shù)據(jù)發(fā) 送與接收設(shè)備之外，其他的可以放在接收設(shè)備中實(shí)現(xiàn)的盡量不放在該設(shè)備實(shí)現(xiàn)。這樣有效 的避免了耳機(jī)的電池能量的浪費(fèi)，同時(shí)又不會(huì)使系統(tǒng)的功能受到損失。本系統(tǒng)采用電腦的 USB電源供電，保證了電源的穩(wěn)定。TUSB2136為具有集成通用功能控制器的2端口集線器， 可以實(shí)現(xiàn)讓接受設(shè)備被識(shí)別為USB音頻設(shè)備和人體工學(xué)輸入設(shè)備，實(shí)現(xiàn)音頻流的傳輸以及 控制信號(hào)的傳輸，從而達(dá)到接受音樂(lè)信號(hào)以及控制上位機(jī)的功能。以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說(shuō)明。

圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)框圖。圖2為本實(shí)用新型中上位機(jī)處理軟件結(jié)構(gòu)框圖。
具體實(shí)施方式
參見(jiàn)圖1，本實(shí)用新型的一種基于MEMS加速度傳感器的無(wú)線耳機(jī)的一種優(yōu)選實(shí) 例，包括信號(hào)采集與發(fā)射模塊1，信號(hào)接收與處理模塊2，上位機(jī)處理軟件3，通用串行總線 4，加速度傳感器5，人體工學(xué)輸入設(shè)備6，音頻放大系統(tǒng)7，上位機(jī)通信模塊8，采集與發(fā)射模 塊1與通用串行總線4連接，采集與發(fā)射模塊1負(fù)責(zé)信號(hào)的采集與處理，信號(hào)接收與處理模 塊2負(fù)責(zé)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行分析以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)碼、與上位機(jī)通信以及語(yǔ)音播放。上位機(jī)處理軟 件3負(fù)責(zé)音頻流解析系統(tǒng)9、音頻流發(fā)送系統(tǒng)10、全局快捷鍵設(shè)置系統(tǒng)11和通信部分的全 程處理任務(wù)，如圖2所示。所述采集與發(fā)射模塊1由加速度傳感器5，人體工學(xué)輸入設(shè)備6組成。所述信號(hào)接收與處理模塊2由上位機(jī)處理軟件3、音頻放大系統(tǒng)7，上位機(jī)通信模 塊8組成。本實(shí)施例利用加速度傳感器5單片機(jī)端口集線器TUSB2136為核心器件，與上位機(jī) 處理軟件3共同構(gòu)成了一個(gè)具有多種功能的控制平臺(tái)。信號(hào)采集與發(fā)射模塊1作為耳機(jī)的一部分封裝于頭戴式耳機(jī)中，設(shè)計(jì)中，此部分 盡量追求簡(jiǎn)潔。除了必要的電源管理、加速度傳感器5與信號(hào)采集設(shè)備、音量控制設(shè)備、數(shù) 據(jù)發(fā)送與接收設(shè)備之外，其他的可以放在接收設(shè)備中實(shí)現(xiàn)的盡量不放在該設(shè)備實(shí)現(xiàn)。這樣 有效的避免了耳機(jī)的電池能量的浪費(fèi)，同時(shí)又不會(huì)使系統(tǒng)的功能受到損失。本系統(tǒng)采用電 腦的USB電源供電，保證了電源的穩(wěn)定。TUSB2136為具有集成通用功能控制器的2端口集 線器，可以實(shí)現(xiàn)讓接受設(shè)備被識(shí)別為USB音頻設(shè)備和人體工學(xué)輸入設(shè)備6，實(shí)現(xiàn)音頻流的傳 輸以及控制信號(hào)的傳輸，從而達(dá)到接受音樂(lè)信號(hào)以及控制上位機(jī)的功能。本實(shí)施例的電源管理部分的電路以及500mA電流限制的自恢復(fù)保險(xiǎn)確保接收設(shè) 備以及電腦均不會(huì)因?yàn)槎搪饭收显斐山K止工作。發(fā)送設(shè)備的電源采用電池供電，電池供電 具有電流紋波小，但不允許大電流等特點(diǎn)，因此此部分的電路實(shí)現(xiàn)短路報(bào)警以及電流限制 功能。而接收設(shè)備的電源采用電腦的USB電源供電，USB電源具有電流穩(wěn)定、但超過(guò)最大電 流可能對(duì)主板造成損傷等事故，因此此部分的電路實(shí)現(xiàn)電流限制以及穩(wěn)壓功能。本實(shí)施例具有一個(gè)外加的音頻功放的功能，可以將音頻流用音頻功放播放或經(jīng)由 無(wú)線傳輸?shù)綗o(wú)線耳機(jī)中播放的功能通過(guò)單片機(jī)的機(jī)械式按鍵與人性化的界面予以選擇。采用TI公司的IW單聲道AB類音頻功率放大器TPA4861作為放大器。TPA4861具 有功耗小，效率高，低音效果好，具有關(guān)斷功能等特點(diǎn)，適合在本場(chǎng)合下使用。采用TI公司的TLC5620作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，將USB的音頻數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成模擬信 號(hào)，送給TPA5620，經(jīng)過(guò)放大之后輸出。如果選擇關(guān)閉功放功能，則單片機(jī)通過(guò)9013三極管搭建的簡(jiǎn)易非門將TPA4861的 SD引腳拉高，實(shí)現(xiàn)了關(guān)斷的功能。[0023]本實(shí)施例也具有雙聲道耳機(jī)插孔，可以使用聲卡中現(xiàn)有的數(shù)模轉(zhuǎn)換器件，直接將 聲音放大。信號(hào)采集與發(fā)射模塊1將MXC6202采集到的數(shù)據(jù)傳送給信號(hào)接收與處理模塊2之 后，接收與處理模塊2分析數(shù)據(jù)的特征，從中發(fā)現(xiàn)使用者的頭部的動(dòng)作，通過(guò)動(dòng)作的幅度作 出判斷，實(shí)現(xiàn)控制的功能。因?yàn)镸XC6202只能檢測(cè)2維方向上的加速度，而本實(shí)用新型設(shè)備中需要3維方向 上的加速度，故每組傳感器采用兩個(gè)相互垂直的傳感器組成陣列，忽略其中一個(gè)傳感器的 一維的數(shù)據(jù)之后即得到3維的數(shù)據(jù)。由于用戶的頭部時(shí)刻在動(dòng)，因此接收與處理模塊2需要采集具有特征的數(shù)據(jù)，將 通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的人在故意搖頭與故意點(diǎn)頭的時(shí)候的加速度的特征值是否達(dá)到閾值而判斷 用戶是自然做出來(lái)的還是故意做出來(lái)的。本實(shí)施例采用TI公司的具有集成通用功能控制器的2端口集線器TUSB2136搭建 了一個(gè)簡(jiǎn)易的USB HUB，用于實(shí)現(xiàn)電腦音頻與控制信號(hào)的雙重傳輸。與上位機(jī)采用USB通信 已經(jīng)成為一種不可避免的趨勢(shì)，因此本技術(shù)摒棄了傳統(tǒng)的串口與并口通信的方法，采用USB 方法。但是USB通信協(xié)議比較復(fù)雜，因此本技術(shù)通過(guò)盡可能讓本實(shí)用新型的設(shè)備成為計(jì)算 機(jī)可以識(shí)別的類型。而在USB協(xié)議中，USB音頻揚(yáng)聲器、USB人體工學(xué)輸入設(shè)備(6)這兩者最 符合本實(shí)用新型的需求，因此本技術(shù)采用兩者并用的方法，從而采用TUSB2136這款芯片。上位機(jī)處理軟件主要負(fù)責(zé)與設(shè)備進(jìn)行通信以及控制電腦的功能。上位機(jī)處理軟件 3的架構(gòu)如圖2所示，上位機(jī)處理軟件3主要負(fù)責(zé)USB上位機(jī)通信模塊8以及音頻流解析系 統(tǒng)9，音頻流發(fā)送系統(tǒng)10等音頻流的發(fā)送截獲與解析，全局快捷鍵設(shè)置系統(tǒng)11。當(dāng)信號(hào)接 收與處理模塊2插入電腦的USB接口之后，電腦中將會(huì)識(shí)別出兩個(gè)設(shè)備人體工學(xué)輸入設(shè)備 6以及音頻放大系統(tǒng)7設(shè)備。電腦將會(huì)采用系統(tǒng)中的服務(wù)與下位機(jī)通信，減少了大量的USB 通信協(xié)議代碼的書寫，同時(shí)提高了系統(tǒng)運(yùn)行的效率。本實(shí)用新型的程序皆采用C語(yǔ)言編寫。程序的主要思路是通過(guò)兩個(gè)方向加速度的 變化識(shí)別出人頭部的四個(gè)運(yùn)動(dòng)，分別是點(diǎn)頭、仰頭以及左右擺頭。識(shí)別出后向計(jì)算機(jī)輸入相 應(yīng)的鍵盤指令，用類似于全局快捷鍵設(shè)置系統(tǒng)11來(lái)控制相關(guān)功能。每隔一段固定時(shí)間測(cè)出 當(dāng)前兩個(gè)方向的加速度，對(duì)數(shù)據(jù)的處理設(shè)計(jì)如下為了識(shí)別當(dāng)前加速度，需要識(shí)別外部信號(hào) 的變化，如加速度的突然改變。而頭部在平常非有意運(yùn)動(dòng)時(shí)候會(huì)有些許的擺動(dòng)，不能要求佩 戴者一動(dòng)不動(dòng)，所以需要識(shí)別哪些是有意的哪些是無(wú)意的。因此簡(jiǎn)單的用相近時(shí)間的加速 度變化來(lái)表征頭部的有意擺動(dòng)顯然不合適。于是，采用計(jì)算加速度的平均值并將當(dāng)前加速 度與平均值的差值來(lái)識(shí)別頭部的有意運(yùn)動(dòng)。而采用普通計(jì)算平均值的方法時(shí)，一段時(shí)間后 由于之前加速度的權(quán)重越來(lái)越大，會(huì)使得平均值越來(lái)越難以改變，使得差值的可信度降低。 本技術(shù)改進(jìn)了平均值的算法，將前面的加速度平均值給予一個(gè)固定的權(quán)重X_P0WER。如對(duì)于 X方向的加速度平均值的算法X_Ave = (X_POWER*X_Ave+X_Axis)/(X_P0WER+1)；其中，前 面的X_Ave是當(dāng)前平均值，后面的X_Ave是測(cè)到前一個(gè)加速度時(shí)候的加速度。X.POWER是前 面X_Ave的權(quán)重，在程序中將其值取為29。這樣，所取的平均值就能夠很好的反應(yīng)前面一段 時(shí)間狀態(tài)的平均值，并有很好的可比性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)人在搖頭時(shí)候正向加速度會(huì)大于反 向加速度，這樣就可以借此區(qū)分兩個(gè)方向的搖頭。頭部運(yùn)動(dòng)時(shí)正向加速度與平均值的差值 幾乎都大于某一值，這樣就可以識(shí)別出頭部的四個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)了。程序如下[0030]if (X_Max-X_Ave > X_Ave-X_Min&&X_Max-X_Ave > CRITICAL_XPOINT) a = 1 ；此處 設(shè)定a的值為1，另外三種情況分別對(duì)應(yīng)a = 2，b = l，b = 2。賦值后就可以簡(jiǎn)化后面程序 的表達(dá)。采用程序t = l(^a+b;，這樣t的值1、2、11、12就分別代表四種頭部運(yùn)動(dòng)情況。 這樣就好控制了。然后根據(jù)判斷條件，將與之對(duì)應(yīng)的控制全局快捷鍵設(shè)置系統(tǒng)11的輸入信 號(hào)返回到計(jì)算機(jī)，這樣就可以控制音樂(lè)、PPt等的播放。人帶上耳機(jī)后頭部進(jìn)行晃動(dòng)即可對(duì)上位機(jī)進(jìn)行控制(現(xiàn)在暫定為控制音樂(lè)播 放)，向左搖頭即換上一首歌，向右搖頭即換下一首歌，點(diǎn)頭為暫停I播放，仰頭為切換歌詞 (全屏顯示)。功能可以由人來(lái)設(shè)定，它不需要任何外接軟件，即插即用，適合大眾習(xí)慣。通 過(guò)功能設(shè)定人們也可以用頭部擺動(dòng)來(lái)控制PPT演示和游戲。
權(quán)利要求1. 一種基于MEMS加速度傳感器的無(wú)線耳機(jī)，包括信號(hào)采集與發(fā)射模塊，信號(hào)接收與 處理模塊，通用串行總線，加速度傳感器，人體工學(xué)輸入設(shè)備，音頻放大系統(tǒng)，上位機(jī)通信模 塊，音頻流解析系統(tǒng)，音頻流發(fā)送系統(tǒng)，全局快捷鍵設(shè)置系統(tǒng)，其特征在于加速度傳感器與 人體工學(xué)輸入設(shè)備與信號(hào)采集和發(fā)射模塊連接，信號(hào)采集和發(fā)射模塊通過(guò)通用串行總線與 信號(hào)接收與處理模塊連接，信號(hào)接收與處理模塊連接有上位機(jī)通信模塊、音頻放大系統(tǒng)、音 頻流解析系統(tǒng)和音頻流發(fā)送系統(tǒng)，信號(hào)接收與處理模塊負(fù)責(zé)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行分析以及數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)碼、與上位機(jī)通信以及語(yǔ)音播放。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種基于MEMS加速度傳感器的無(wú)線耳機(jī)。通過(guò)內(nèi)置于無(wú)線耳機(jī)中的加速度傳感器MXC6202感受人頭部的運(yùn)動(dòng)，將人頭部的運(yùn)動(dòng)以類似瀏覽器鼠標(biāo)手勢(shì)的規(guī)則翻譯成相應(yīng)的指令，通過(guò)無(wú)線串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理終端，實(shí)現(xiàn)控制MP3播放器的上一首、下一首、暫停、繼續(xù)播放，手機(jī)的接聽(tīng)與拒接，PPT展示的下一張幻燈片、下一頁(yè)Word文檔等功能。本實(shí)用新型除了具有對(duì)殘疾人有輔助作用之特點(diǎn)外，在減少車禍的發(fā)生率，保護(hù)上班族的頸椎等方面也發(fā)揮著獨(dú)到的作用。
文檔編號(hào)H04R1/10GK201860428SQ201020263578
公開日2011年6月8日 申請(qǐng)日期2010年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月16日
發(fā)明者劉文浩, 劉祥, 高晨陽(yáng) 申請(qǐng)人:劉文浩, 劉祥, 高晨陽(yáng)