摘要：基于高端智能電視機(jī)的需求和發(fā)展趨勢(shì)，提出了基于HID 規(guī)范的體感游戲手柄，應(yīng)用于智能遙控器中的設(shè)計(jì)方案和實(shí)現(xiàn)方案。在對(duì)智能遙控器各個(gè)功能模塊分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了體感游戲手柄實(shí)現(xiàn)的硬件電路方案。根據(jù)自定義的數(shù)據(jù)包格式，介紹了在智能遙控器的RF 收發(fā)器端實(shí)現(xiàn)具有輸入和輸出功能的體感游戲手柄的軟件方案，詳細(xì)敘述了智能遙控器的RF 收發(fā)器端與電視機(jī)之間的通信過(guò)程，最終實(shí)現(xiàn)體感游戲手柄的功能。
USB（Universal Serial Bus，通用串行總線）具有高速度、低成本、低功耗、即插即用和使用維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，隨著USB應(yīng)用領(lǐng)域的逐步擴(kuò)大，USB 設(shè)備現(xiàn)在不但是計(jì)算機(jī)連接外圍設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)輸入/輸出，它也成為智能電視連接外圍設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)輸入/輸出。HID 是Human Interface Dvices 的縮寫(xiě)，即人機(jī)接口設(shè)備， 是USB 協(xié)議中最早提出并支持的一種設(shè)備類(lèi)，也是應(yīng)用最廣泛的一類(lèi)USB 設(shè)備， 典型的HID 設(shè)備有鍵盤(pán)和鼠標(biāo)等。USB 串行總線規(guī)范專(zhuān)門(mén)定義了HID 規(guī)范，只要設(shè)備符合HID 規(guī)范，就是HID 設(shè)備。操作系統(tǒng)自帶了HID 的驅(qū)動(dòng)程序，用戶(hù)無(wú)需去開(kāi)發(fā)很麻煩的驅(qū)動(dòng)程序，這使HID 設(shè)備能夠與操作系統(tǒng)方便快捷的建立通信。
這些優(yōu)點(diǎn)使得HID 設(shè)備在智能電視領(lǐng)域也得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，本論文就是研究基于HID 規(guī)范的六軸體感游戲手柄應(yīng)用于智能遙控器中的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。
1 工作原理
智能遙控器包括兩部分———遙控器和RF 接收器（Dongle），遙控器端和DONgle 端采用射頻通信協(xié)議進(jìn)行通信；而Dongle 端通過(guò)USB 接口與電視機(jī)連接， 它們之間通過(guò)USB協(xié)議進(jìn)行通信。依據(jù)HID 規(guī)范，在Dongle 端模擬出一個(gè)具有輸入和輸出功能的HID 體感游戲手柄， 與電視機(jī)通過(guò)USB協(xié)議進(jìn)行通信，從而將遙控器和體感游戲手柄合二為一。
Dongle 端與遙控器端對(duì)碼成功之后，它們之間就建立了通信。遙控器中體感游戲手柄功能的開(kāi)啟和關(guān)閉主要是通過(guò)電視機(jī)的反饋信息實(shí)現(xiàn)的。按下遙控器端的體感開(kāi)關(guān)鍵時(shí)，電視機(jī)收到信息立即發(fā)出反饋信息，使遙控器端的體感開(kāi)關(guān)指示亮，體感游戲手柄功能開(kāi)啟，用戶(hù)可用遙控器體驗(yàn)體感游戲， 電視機(jī)會(huì)根據(jù)游戲的進(jìn)度調(diào)用遙控器中的傳感器模塊、震動(dòng)模塊、Audio 模塊，實(shí)現(xiàn)遙控器和電視機(jī)之間的互動(dòng)；再按下遙控器端的體感開(kāi)關(guān)鍵時(shí)，電視機(jī)發(fā)出反饋信息使遙控器端的體感開(kāi)關(guān)指示燈滅，體感游戲手柄功能關(guān)閉。
體感游戲手柄的操作方式主要是按鍵和特殊動(dòng)作。在本系統(tǒng)中， 體感游戲手柄所需的按鍵與遙控器本身的按鍵復(fù)用，特殊動(dòng)作的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的射頻鍵值，當(dāng)有特殊動(dòng)作操作時(shí)，以按鍵鍵值的形式發(fā)送出去。另外，體感游戲手柄特殊動(dòng)作的功能可以用于操作智能電視機(jī)的TV 部分， 在體感游戲手柄模式下，遙控器通過(guò)計(jì)算傳感器的數(shù)據(jù)，檢測(cè)出向左右甩動(dòng)和向前甩動(dòng)一下、兩下4 個(gè)動(dòng)作，可作為切換圖片、音樂(lè)等使用。比如向右甩為后一曲，向左甩為前一曲，向前為播放暫停，向前快速兩下為退出。
2 系統(tǒng)組成
2.1 硬件系統(tǒng)
智能遙控器有許多功能，這里主要研究體感游戲手柄功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。涉及到的芯片主要有六軸傳感器———三軸加速計(jì)（G-Sensor）和三軸陀螺儀（Gyro）與MCU，采用的加速計(jì)是ADXL345，陀螺儀是IMU3000，MCU 是IA2E。Dongle 端采用的MCU 也是IA2E。
2.1.1 ADXL345、IMU3000 和IA2E 性能簡(jiǎn)介
ADXL345是一款小而薄的超低功耗三軸加速計(jì)，分辨率高（13 位），測(cè)量范圍達(dá)±16 g。可通過(guò)SPI（3 線或4 線）或I2C 數(shù)字接口訪問(wèn)，ADXL345 非常適合應(yīng)用于移動(dòng)設(shè)備。它可以在傾斜檢測(cè)應(yīng)用中測(cè)量靜態(tài)重力加速度，還可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)或沖擊導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)加速度。其高分辨率（3.9 mg/LSB），能夠測(cè)量不到1.0°的傾斜角度變化。
IMU-3000內(nèi)建了三軸陀螺儀與數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理硬件加速引擎，并具有第二條I2C 接口來(lái)連接外接數(shù)字加速器，以執(zhí)行完整的六軸融合算法。在應(yīng)用層面上，將線性及旋轉(zhuǎn)動(dòng)作合并為單一的數(shù)據(jù)流。透過(guò)整合之融合算法輸出，IMU-3000可減輕系統(tǒng)主處理器的密集運(yùn)動(dòng)處理演算，不須頻繁讀取運(yùn)動(dòng)感測(cè)數(shù)據(jù)，使之成為低成本、低功耗的微處理器。
IA2E是SYNIC 公司的無(wú)線音頻收發(fā)芯片，包含無(wú)線射頻收發(fā)模塊和USB 接口模塊， 其USB 模塊包含一個(gè)控制端點(diǎn)，兩個(gè)同步端點(diǎn)和一個(gè)雙向中斷端點(diǎn)。具有非常強(qiáng)的RF 抗干擾特性。無(wú)需任何軟件支持即可通過(guò)I2S、USB 等接口連接到電腦、電視、MP3 等設(shè)備。
2.1.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上， 遙控器和六軸傳感器是兩個(gè)分離的模塊， 這樣做的好處是傳感器模塊不影響遙控器的其他功能。
本論文主要介紹一下六軸傳感器模塊與MCU 之間的通信方式和Dongle 端模塊的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
首先，介紹傳感器模塊與MCU 之間的通信方式。它們之間通過(guò)簡(jiǎn)單的I2C 通信協(xié)議方式進(jìn)行通信。具有體感游戲手柄功能的智能遙控器的遙控器端功能模塊框圖如圖1 所示。
圖1 遙控器端功能模塊框圖
傳感器模塊與MCU 之間的電路連接方式如圖2 所示。由于傳感器模塊需要3.3 V 的電源， 而遙控器電路板上自帶的電池是5 V 的，所以還需要一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換電路。傳感器模塊中的G-sensor 產(chǎn)生X 軸、Y 軸和Z 軸方向的加速度數(shù)據(jù)，Gyro產(chǎn)生X 軸、Y 軸和Z 軸方向的角速度數(shù)據(jù)。MCU 通過(guò)I2C 總線不斷的輪詢(xún)傳感器模塊來(lái)獲取這些數(shù)據(jù)，并把這些數(shù)據(jù)分析整理成8 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)包， 再以2.4 GHz 射頻通信協(xié)議打包發(fā)送給Dongle 端。
圖2 傳感器與MCU 之間連接的電路圖
Dongle 端通過(guò)射頻收發(fā)模塊與遙控器端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)USB 總線與電視機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。Dongle 端模塊的硬件電路比較簡(jiǎn)單， 功能模塊框圖如圖3 所示， 采用單片機(jī)IA2E 作為它的MCU。由于IA2E 中包含了射頻收發(fā)模塊和USB 接口模塊，所以只需要一個(gè)MCU 即可。IA2E 集成了USB通訊中的底層協(xié)議， 具有省事的內(nèi)置固件模式和靈活的外置固件模式，它只是負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)交換，所以單片機(jī)程序設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)潔。另外，可以在Dongle 端設(shè)計(jì)LED 燈電路模塊，不僅美觀，而且可以輔助軟件更好地實(shí)現(xiàn)體感游戲手柄的功能， 還可以用來(lái)標(biāo)識(shí)電視機(jī)的工作狀態(tài)，保證Dongle 端做出正確的響應(yīng)。
圖3 Dongle 端功能模塊框圖
2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的體感游戲手柄具有輸入和輸出的功能，即它具有輸入和輸出HID 數(shù)據(jù)包。它不像鍵盤(pán)和鼠標(biāo)是標(biāo)準(zhǔn)的HID 設(shè)備，需要根據(jù)HID 規(guī)范自定義它的數(shù)據(jù)包格式。根據(jù)數(shù)據(jù)包的格式，寫(xiě)出其報(bào)告描述符，以保證在枚舉過(guò)程中正確識(shí)別出體感游戲手柄設(shè)備。Dongle 端分析整理從遙控器端獲取到的數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)備的報(bào)告描述符，識(shí)別出體感游戲手柄數(shù)據(jù)，并把這些數(shù)據(jù)整理成符合其輸入數(shù)據(jù)包格式的數(shù)據(jù)，然后Dongle 端再以USB 協(xié)議的通信方式，將整理好的數(shù)據(jù)傳輸給電視機(jī)。同時(shí)Dongle 端接收電視機(jī)反饋回來(lái)的數(shù)據(jù)信息， 并整理成符合其輸出數(shù)據(jù)包格式的數(shù)據(jù)，然后將信息反饋給遙控器端，遙控器端再作出相應(yīng)的響應(yīng)。
與所有HID 設(shè)備一樣，具有體感游戲手柄功能的智能遙控器Dongle 端的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)也主要包括以下4 個(gè)方面的工作：1）查找所有HID 設(shè)備；2）確定哪一個(gè)是用戶(hù)需要的HID 設(shè)備，并連接該設(shè)備；3）獲得HID 設(shè)備的信息；4）根據(jù)用戶(hù)需要，讀取HID 輸入報(bào)告或者寫(xiě)入HID 輸出報(bào)告。
智能遙控器中可能定義了多個(gè)HID 設(shè)備，需要使用兩個(gè)接口，接口0 用于實(shí)現(xiàn)其他HID 設(shè)備的功能，接口1 用于實(shí)現(xiàn)體感游戲手柄的功能。因此需要兩個(gè)非零端點(diǎn)，因?yàn)橥慌渲孟碌牟煌涌冢仨毷褂貌煌亩它c(diǎn)。而數(shù)據(jù)是通過(guò)非零端點(diǎn)進(jìn)行傳輸?shù)模w感游戲手柄的接口選用端點(diǎn)2 返回或發(fā)送報(bào)告數(shù)據(jù)。Dongle 端通過(guò)端點(diǎn)2 輸入向電視機(jī)返回體感游戲手柄的數(shù)據(jù)，電視機(jī)通過(guò)端點(diǎn)2 輸出中斷將反饋給遙控器的信息發(fā)出。
Dongle 插入后，怎樣讓電視機(jī)識(shí)別出USB 體感游戲手柄呢？設(shè)備枚舉的功能就是實(shí)現(xiàn)電視機(jī)識(shí)別設(shè)備的過(guò)程，只有枚舉成功了，電視機(jī)才能識(shí)別出設(shè)備，建立電視機(jī)與設(shè)備之間的通信。設(shè)備的枚舉過(guò)程都是通過(guò)端點(diǎn)0 實(shí)現(xiàn)的。電視機(jī)通過(guò)端點(diǎn)0 輸出中斷發(fā)出各種請(qǐng)求，數(shù)據(jù)存放在端點(diǎn)0 的輸出緩沖區(qū)中。Dongle 端讀取并分析端點(diǎn)0 輸出緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，然后通過(guò)端點(diǎn)0 輸入中斷做出相應(yīng)的響應(yīng)，數(shù)據(jù)存放到端點(diǎn)0輸入緩沖區(qū)中， 在電視機(jī)下一次發(fā)送IN 令牌包后，MCU 會(huì)自動(dòng)將端點(diǎn)0 輸入緩沖區(qū)數(shù)據(jù)返回給電視機(jī)。當(dāng)Dongle 端有多個(gè)報(bào)告描述符時(shí)，程序怎么知道電視機(jī)請(qǐng)求的是哪個(gè)呢？ 電視機(jī)要獲取報(bào)告描述符時(shí)，請(qǐng)求是發(fā)送到接口的。當(dāng)電視機(jī)發(fā)出發(fā)送到接口1 的報(bào)告描述符請(qǐng)求時(shí)，Dongle 端會(huì)返回體感游戲手柄的報(bào)告描述符數(shù)據(jù)給電視機(jī)， 從而成功完成枚舉過(guò)程。電視機(jī)識(shí)別出體感游戲手柄，建立它們之間的通信。
在本系統(tǒng)中，通過(guò)在芯片的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中添加USB 模塊，根據(jù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的功能特點(diǎn)，做出相應(yīng)設(shè)置并編譯，實(shí)現(xiàn)設(shè)備枚舉過(guò)程的功能及所需的代碼， 然后再根據(jù)設(shè)備的實(shí)際需求做相應(yīng)的修改， 在Dongle 端程序的主函數(shù)中初始化USB 模塊，就可以實(shí)現(xiàn)電視機(jī)識(shí)別Dongle，進(jìn)而識(shí)別出體感游戲手柄設(shè)備。Dongle 端程序主流程圖如圖4 所示。進(jìn)入主函數(shù)，MCU 首先完成一系列初始化，包括中斷配置和USB模塊初始化（開(kāi)始枚舉過(guò)程）。然后程序就處于一個(gè)無(wú)限循環(huán)中，實(shí)現(xiàn)電視機(jī)和設(shè)備之間的實(shí)時(shí)通信。
圖4 Dongle 端程序主流程
電視機(jī)和設(shè)備之間不是隨時(shí)都能夠進(jìn)行通信的，只有設(shè)置了非零配置之后才能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在無(wú)限循環(huán)中，首先判斷電視機(jī)和Dongle 端的通信是否準(zhǔn)備好，即設(shè)備的枚舉過(guò)程是否成功完成。這需要獲取配置值，進(jìn)行判斷，若配置值非零，說(shuō)明電視機(jī)和Dongle 端的通信已建立。Dongle 端不斷的獲取從遙控器端發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)備的設(shè)備描述符、配置描述符集合（包括斷點(diǎn)描述符、接口描述符等），分析整理后存放到相應(yīng)HID 設(shè)備的HID 包中， 然后通過(guò)USB 總線傳遞給電視機(jī)。
若按下體感開(kāi)關(guān)鍵，遙控器選擇的是體感游戲手柄功能；否則，遙控器選擇的是其他設(shè)備的功能。按下體感開(kāi)關(guān)鍵，電視機(jī)先通過(guò)端點(diǎn)2 輸出中斷發(fā)出反饋信息， 使遙控器端的體感開(kāi)關(guān)指示燈亮，體感游戲手柄功能打開(kāi)，然后遙控器可以發(fā)送體感游戲手柄數(shù)據(jù)給電視機(jī)。Dongle 端發(fā)送體感游戲手柄數(shù)據(jù)到端點(diǎn)2 之前，需要檢查端點(diǎn)2 是否處于空閑狀態(tài)，即里面是否還有數(shù)據(jù)未發(fā)送出去， 可以通過(guò)端點(diǎn)2 輸入中斷和總線復(fù)位中斷使端點(diǎn)2處于空閑狀態(tài)。如果端點(diǎn)2 輸入處于空閑狀態(tài)，就可以通過(guò)端點(diǎn)2 輸入返回體感游戲手柄數(shù)據(jù)給電視機(jī)了。電視機(jī)會(huì)根據(jù)游戲的進(jìn)度發(fā)出反饋信息， 調(diào)用遙控器的傳感器模塊、震動(dòng)模塊和Audio 模塊，實(shí)現(xiàn)遙控器和電視機(jī)之間的互動(dòng)。
3 結(jié)束語(yǔ)
本系統(tǒng)是基于HID 規(guī)范的六軸體感游戲手柄應(yīng)用于智能遙控器中的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，首先分析了這種體感游戲手柄的工作原理，然后從硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩方面提出了體感游戲手柄設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的方案。在智能遙控器中可能有多個(gè)HID設(shè)備功能的情況下，通過(guò)共用一個(gè)USB 接口再實(shí)現(xiàn)體感游戲手柄的功能。經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試驗(yàn)證表明，具有這種六軸體感游戲手柄功能的智能遙控器工作性能良好，完全可以取代普通的體感游戲手柄體驗(yàn)體感游戲。另外，可以基于此硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，遙控器端對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理后傳輸給Dongle 端，Dongle 端可以模擬實(shí)現(xiàn)其他功能， 譬如進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)空中鼠標(biāo)的功能。
