凌空翻页器的设计与应用.docx

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凌空翻页器的设计与应用

1引言

1.1研究背景与意义

目前高校的多媒体投影教室的装备和使用也越来越多，由于其图、声、文并茂深得学校和学生的喜欢，但是其使用也暴露出一个问题，为了控制演示进度，老师必须亲自用键盘或鼠标近距离操作电脑，因此在演示过程中，老师一直都只能活动在电脑附近很小的区域，甚至就坐在电脑旁边。

这样不仅局限了老师自身的活动空间，还增大了老师与学生的距离，使得原本生动的多媒体演示缺乏重要的亲和力和沟通性，也使得老师的思维由于要进行键盘操作而影响到讲课的连贯性，另外，老师的肢体语言也没有充分表现出来。

能否有一种装置解决上述问题呢?

根据这个问题，研制出了基于USB接口的短距离无线翻页控制系统设备，目的主要是为了解决传统的演示操作方式带来的种种弊端，使得老师彻底摆脱空间的束缚。

在教学的整个过程中，老师可以在教室里边随意走动，可以走到学生当中，进行沟通，从而实现演示无线，沟通无限的最佳演示效果，使得多媒体教学更加方便灵活，整个教学过程更加自然、亲和、人性化。

1.2凌空翻页器的基本原理

人体都有恒定的体温,一般在37°C,所以会发出特定波长10µm左右的红外线,热释电红外探头就是靠探测人体发射的10µm左右的红外线而进行工作的。

人体发射的10µm左右的红外线通过菲泥尔透镜增强后聚集到红外感应源上。

红外感应源通常采用热释电元件,这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡,向外释放电荷,后续电路经检测处理后就能通过USB传到PC机中，从而使PPT发生翻页。

又因为翻页器分左右翻，所以需要两个完全相同的热释电红外传感器，分别作为左感应手和右感应手。

1.3红外线概述

1.3.1红外线简介

近二十年来，红外辐射技术已成为一门迅速发展的新兴技术科学。

它已广泛应用于生产，科研，军事，医学等各个领域。

红外辐射技术是发展测量技术、遥感技术和空间科学技术的重要手段。

红外辐射俗称红外线，又称红外光，它是一种人眼看不见的光线。

但实际上它和其他任何光线一样，也是一种客观存在的物质。

任何物体，只要它的湿度高于绝对零度，就有红外线向周围空间辐射。

它的波长介于可见光和微波之间，它的波长范围大致在0.75um~100um的频谱范围之内。

相对应的频率大致在4×1014~3×1011之间，红外线与可见光、紫外线、χ射线、γ射线和微波、无线电波一起构成了整个无限连续的电磁波谱，在红外技术中，一般将红外辐射分为四个区域，即近红外区、中红外区、远红外区和极远红外区。

0.77um~3um为近红外区，3um~30um为中红外区，30um~1000um为远红外区。

这里所说的远近是指红外辐射在电磁波谱中与可见光的距离。

红外辐射的物理本质是热辐射。

物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，红外辐射的能量就越强。

研究发现，太阳光谱各种单色光的热效应从紫色光到红色光是逐渐增大的，而且最大的热效应出现在红外辐射的频率范围内，因此人们又将红外辐射称为热辐射或热射线。

红外线在通过云雾等充满悬浮离子的物质时不易发生散射，有较强的穿透能力，还具有抗干扰能力强、易于产生、对环境影响小、不会干扰临近的无线电设备的特点，因而被广泛应用。

目前红外发射器件（红外发光二极管）发出的是峰值波长0.88um~0.94um之间的近红外光，红外接收器件（光敏二极管、光敏三极管）的受光峰值波长为0.88um~0.94um之间，恰好与红外发光二极管的光峰值波长相匹配。

红外光具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性。

能全部吸收投射到它表面的红外辐射的物体称为黑体；能全部反射的物体称为镜体；能部分反射、部分吸收的物体称为灰体。

严格地讲，在自然界中，不存在黑体镜体和透明体。

1.3.2红外传感器的分类

常见红外传感器可分为热传感器和光子传感器。

a）热传感器

热传感器是利用入射红外辐射引起传感器的温度变化，进而使有关物理参数发生相应的变化，通过测量有关物理参数的变化来确定红外传感器所吸收的红外辐射。

热探测器的主要优点是相应波段宽，可以在室温下工作，使用简单。

但是，热传感器相应时间较长，灵敏度较低，一般用于低频调制的场合。

热传感器主要类型有：

热敏传感器型，热电偶型，高莱气动型和热释放电型四种。

1）热敏电阻型传感器

热敏电阻是由锰、镍、钴的氧化物混合后烧解而成的，热敏电阻一般制成薄片状，当红外辐射照射在热敏电阻上，其温度升高，电阻值减少。

测量热敏电阻值变化的大小，即可得知入射的红外辐射的强弱，从而可以判断产生红外辐射物体的温度。

2）热电偶型传感器

热电偶是由热电功率差别较大的两种材料构成。

当红外辐射到这两种金属材料构成的闭合回路的接点上时，该接点温度升高。

而另一个没有被红外辐射辐照的接点处于较低的温度，此时，在闭合回路中将产生温差电流。

同时回路中产生温差电势，温差电势的大小，反映了接点吸收红外辐射的强弱。

利用温差电势现象制成的红外传感器称为热电偶型红外传感器，因其时间常数较大，相应时间较长，动态特性较差，调制频率应限制在10HZ以下。

3）莱气动型传感器

高莱气动型传感器是利用气体吸收红外辐射后，温度升高，体积增大的特性，来反映红外辐射的强弱。

它有一个气室，以一个小管道与一块柔性薄片相连。

薄片的背向管道一面是反射镜。

气室的前面附有吸收模，它是低热容量的薄膜。

红外辐射通过窗口入射到吸收模上，吸收模将吸收的热能传给气体，使气体温度升高，气压增大，从而使柔镜移动。

在室的另一边，一束可见光通过栅状光栏聚焦在柔镜上，经柔镜反射回来的栅状图像又经过栅状光栏投射到光电管上。

当柔镜因压力变化而移动时，栅状图像与栅状光栏发生相对位移，使落到光电管上的光量发生改变，光电管的输出信号也发生变化，这个变化量就反映出入射红外辐射的强弱。

这种传感器的特点是灵敏度高，性能稳定。

但响应时间性长，结构复杂，强度较差，只适合于实验室内使用。

4）热释电型传感器

热释电型传感器是一种具有极化现象的热晶体或称“铁电体”。

铁电体的极化强度（单位面积上的电荷）与温度有关。

当红外线辐射照射到已经极化的铁电体薄片表面上时，引起薄片温度升高，使其极化强度降低，表面电荷减少，这相当于释放一部分电荷，所以叫做热释电型传感器。

如果将负载电阻与铁电体薄片相连，则负载电阻上便产生一个电信号输出。

输出信号的大小，取决于薄片温度变化的快慢，从而反映入射的红外辐射的强弱。

由此可见，热释电型红外传感器的电压响应率正比于入射辐射变化的速率。

当恒定的红外辐射照射在热释电传感器上时，传感器没有电信号输出。

只有铁电体温度处于变化过程中，才有电信号输出。

所以，必须对红外辐射进行调制（或称斩光），使恒定的辐射变成交变辐射，不断的引起传感器的温度变化，才能导致热释电产生，并输出交变的信号。

b）光子传感器

光子传感器是利用某些半导体材料在入射光的照射下，产生光子效应，使材料电学性质发生变化。

通过测量电学性质的变化，可以知道红外辐射的强弱。

利用光子效应所制成的红外传感器。

统称光子传感器。

光子传感器的主要特点灵敏度高，响应速度快，具有较高的响应频率。

但其一般须在低温下工作，探测波段较窄。

按照光子传感器的工作原理，一般可分为内光电和外光电传感器两种，后者又分为光电导传感器、光生伏特传感器和光磁电传感器等三种。

1）外光电传感器（

器件）

当光辐射在某些材料的表面上时，若入射光的光子能量足够大时，就能使材料的电子逸出表面，这种现象叫外光电效应或光电子发射效应。

光电二极管、光电倍增管等便属于这种类型的电子传感器。

它的响应速度比较快，一般只需几个毫微秒。

但电子逸出需要较大的光子能量，只适宜于近红外辐射或可见光范围内使用。

2）光电导传感器（

器件）

当红外辐射照射在某些半导体材料表面上时，半导体材料中有些电子和空穴可以从原来不导电的束缚状态变为能导电的自由状态，使半导体的导电率增加，这种现象叫光电导现象。

利用光电导现象制成的传感器称为光导传感器，如硫化铅、硒化铅、锑化铟、碲隔汞等材料都可制光电导传感器。

使用光电导传感器时，需要制冷和加一定的偏压，否则会使响应率降低，噪声大，响应波段窄，以致使红外线传感器损坏。

2凌空翻页器概述

2.1凌空翻页概述

凌空翻页器是在USB无线翻页系统的工作原理上完成的，它们之间的区别是凌空翻页器加了两个完全相同的热释电红外传感器，分别作为左感应手和右感应手。

USB翻页器原理是发射装置上的信号产生、编码、发射电路和无线电信号产生发射信号。

接收装置的信号接收、取出信号、解码、处理。

单片机CY7C68013的原理结构应用，单片机与计算机的USB接口通信，单片机固件程序的设计，射频接收芯片的原理与应用，发射电路和接收电路的设计调试，整个系统的联调工作。

如图2.1,2.2所示。

图2.1发射器功能部件

图2.2接收器功能部件

短距离无线技术的范围很广，在一般意义上，只要通信收发双方通过无线电波传输信息，并且传输距离限制在较短的范围内，通常是几十米以内，就可以称为短距离无线通信。

短距离无线通信技术的特征:

低成本、低功耗和对等通信，是短距离无线通信技术的三个重要特征和优势。

首先，低成本是短距离无线通信的客观要求，因为各种通信终端的产销量都很大，要提供终端间的直通能力，没有足够低的成本是很难推广的。

其次，低功耗是相对其它无线通信技术而言的一个特点，这与其通信距离短这个先天特点密切相关，由于传播距离近，遇到障碍物的几率也小，发射功率普遍都很低，通常在1毫瓦量级。

最后，对等通信是短距离无线通信的重要特征，有别于基于网络基础设施的无线通信技术。

终端之间对等通信，无须网络设备进行中转，因此空中接口设计和高层协议都相对比较简单，无线资源的管理通常采用竞争的方式。

2.2本设计用到的软件工具

KeilC51：

随着硬件的发展，51单片机软件工具已经有C级编译器。

目前常用的FranklinC51和KeilCsl二种，这二种C51编译器略有差别。

PROTEL：

PROTEL是PORTEL公司在20世纪80年代末推出的电路行业的CAD软件，它当之无愧地排在众多EDA软件的前面，是电路设计者的首选软件。

它较早在国内使用，普及率也最高，几乎所有的电路公司都要用到它。

早期的PROTEL主要作为印刷板自动布线工具使用，运行在DOS环境，对硬件的要求很低，在无硬盘286机的IM内存下就能运行。

它的功能较少，只有电原理图绘制与印刷板设计功能，印刷板自动布线的布通率也低。

现在的PROTEL己发展PROTEL99以上了，是个庞大印制电路板软件，完全安装有200多MB，是个完整的全方位电路设计系统，它包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印刷电路板设计（包含印刷电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电路表格生成、支持宏操作等功能，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如ORCAD、PSPICE、EXCEL等。

使用多层印制线路板的自动布线，可实现高密度PCB的100%布通率。

2.3主要技术指标

系统技术指标:

a）有效距离—大于等于15m。

b）热释电红外传感器迟延—小于等于0.25。

c）工作温度—20～+70℃。

d）误码率—小于10～5。

e）工作电压—发送器:

3V[电池供电]。

f）最大功耗—发送器:

80袱〔电池提供）。

3热释电红外传感器简介和数据传输的实现

3.1热释电型传感器

热释电型传感器是一种具有极化现象的热晶体或称“铁电体”。

铁电体的极化强度（单位面积上的电荷）与温度有关。

当红外线辐射照射到已经极化的铁电体薄片表面上时，引起薄片温度升高，使其极化强度降低，表面电荷减少，这相当于释放一部分电荷，所以叫做热释电型传感器。

如果将负载电阻与铁电体薄片相连，则负载电阻上便产生一个电信号输出。

输出信号的大小，取决于薄片温度变化的快慢，从而反映入射的红外辐射的强弱。

由此可见，热释电型红外传感器的电压响应率正比于入射辐射变化的速率。

当恒定的红外辐射照射在热释电传感器上时，传感器没有电信号输出。

只有铁电体温度处于变化过程中，才有电信号输出。

所以，必须对红外辐射进行调制（或称斩光），使恒定的辐射变成交变辐射，不断的引起传感器的温度变化，才能导致热释电产生，并输出交变的信号。

3.1.1热释电红外传感器组成

热释电红外传感器由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。

如按照探测元的数目来分，热释电红外传感器有单元、双元和四元等几种，用于人体探测的红外传感器采用双元或四元式结构。

按照热释电红外传感器的用途来分，有以下几种：

用于测量温度的传感器，它的工作波长为1～20μm；用于火焰探测的传感器，它的工作波长为4.35±0.15μm；用于人体探测的传感器。

如图3.1所示。

图3.1热释电红外线传感器的结构及内部电路

3.1.2菲涅尔透镜

菲涅尔镜片是根据法国光物理学家FRESNEL发明的原理采用电镀模具工艺和PE（聚乙烯）材料压制而成。

镜片（0.5mm厚）表面刻录了一圈圈由小到大，向外由浅至深的同心圆，从剖面看似锯齿线刻录的深感应距离远，焦距近。

红外光线越是靠进同心环光线越集中而且越强。

同一行的数个同心环组成一个垂直感应区，同心环之间组成一个水平感应段。

垂直感应区越多垂直感应角度越大；镜片越长感应段越多水平感应角度就越大。

区段数量多被感应人体移动幅度就小，区段数量少被感应人体移动幅度就要大。

不同区的同心圆之间相互交错，减少区段之间的盲区。

区与区之间，段与段之间，区段之间形成盲区。

由于镜片受到红外探头视场角度的制约，垂直和水平感应角度有限，镜片面积也有限。

镜片从外观分类为：

长形、方形、圆形，从功能分类为：

单区多段、双区多段、多区多段。

当人进入感应范围，人体释放的红外光透过镜片被聚集在远距离A区或中距离B区或近距离C区的某个段的同心环上，同心环与红外线探头有一个适当的焦距，红外光正好被探头接收，探头将光信号变成电信号送入电子电路驱动负载工作。

整个接收人体红外光的方式也被称为被动式红外活动目标探测器。

  镜片主要有三种颜色：

一、聚乙烯材料原色，略透明，透光率好，不易变形。

二、白色主要用于适配外壳颜色。

三、黑色用于防强光干扰。

镜片还可以结合产品外观注色，使产品整体更美观。

3.1.3热释电红外传感器的主要技术参数

工作电压:

常用的热释电红外传感器工作电压范围为3～15V。

工作波长:

通常为7.5～14μm。

源极电压:

通常为0.4～1.1V，R=47kΩ。

输出信号电压:

通常大于2.0V。

检测距离:

常用热释电红外传感器检测距离约为6～10m。

水平角度:

约为120。

工作温度范围:

－10℃～＋40℃。

3.2数据传输的实现

3.2.1从主机端接收数据

为了发送数据到USB外围设备，主机会在数据之后发出OUT令牌包。

如果外围设备还有容量空间，并能无错误地接收数据，就会回复ACK，让主机知道。

如果正处在忙状态，则以NAK来取代传输。

假如发现了一个错误，则不传输任何信息。

对于后两种情况，主机会在稍后传输数据。

3.2.2发送数据到主机

USB设备不会“自然地”将数据传输到主机上，为了传输,EZ-USBFX2的固件或外围逻辑任何时候都能装载数据到EZ-USBFX2端点缓冲区并完成打包。

但是，直到主机端发出IN的设备请求，这些数据才会从设备传送的主机端。

如果主机一直不发IN令牌，则这些数据就永远也发不出去，是否还保存在EZ-USBFX2端点缓冲区就不一定了。

3.2.3设备枚举

即插即用的USB设备实现了真正意义上的即插即用，哪怕你的计算机正在使用。

在每一个USB设备的内部都有一个设备描述符表，其中包含了设备全部的要求和特性。

当一个USB设备插入计算机后，USB主机端将会执行认证程序，这个过程被称为设备枚举。

设备枚举只要有以下五个步骤：

a）主机通过预设的地址0向设备发送获取描述符的请求（GetDescriptor）来获得设备描述符。

每一个刚连接上的设备都必须响应0地址的请求。

b）设备响应请求，将ID数据发送到主机端，确认自己连上了。

c）主机向设备发送设置地址的请求（SetAddress），分配给设备一个唯一的通讯地址，可以与其他设备区分开来。

d）主机通过新分配的地址向设备发送更多的索要描述符的请求，进一步了解设备的信息，包括端点数目，电力要求，带宽要求，需要什么样的驱动程序，等等。

e）加载符合USB指定的PID（产品码）和VID（制造商码）的驱动程序。

3.2.4USB带宽

每一个USB设备都有一个串行接口引擎（SIE）连接到USB数据线（D+和D-）。

设备通过这个引擎发送或者接收数据。

在图3－6中介绍了SIE工作的基本情况。

SIE的功能是对信息包PID进行译码，利用传输的CRC位进行错误检测，并且传输下载数据到USB设备。

当设备发送数据时，SIE接受设备的控制命令和数据，把数据打包成标准数据包，通过D+和D-传输到主机端。

由于USB采用了自时钟数据格式（NRZI），为了保证在串行数据传输的品质，SIE会在适当的地方插入位，这个动作称之为填充。

显然这一动作是由FX2的SIE控制的。

FX2的一个突出的特性就是它的运行配置是“软件”式的，取代了以往需要ROM或者可烧写存储器的要求。

取而代之的是一片内置的RAM内存，它包含了内部程序、数据RAM，可通过USB总线本身来下载运行，并且可赋予设备基本特性。

这样做使FX2的工作方式更加灵活，升级和修改变得很容易实现。

FX2中设计“前卫”的SIE还有一项附加的功能就是它可完全独立地完成设备枚举的任务。

因为它一系列内置的配制和描述符，即使在没有装载任何程序的情况下，FX2也可以作为一个完整的USB设备完成程序下载和对CPU进行复位的任务。

这种增强的SIE功能也使得用EZ-USBFX2进行开发的用户非常方便，缩短了开发周期。

3.3USB协议和数据传输的实现

随着USB的发展，许多半导体公司推出自己的USB芯片。

Cypress半导体公司的EZ-USB系列芯片以其良好的性能和独特的设计在USB接口开发领域中占有重要的位置。

其中EZ-USB中的FX2系列是Cypress半导体公司的第一代高速USB系列，可以用USB2.0最大数据传输率传输。

与EZ-USB1.1相比，EZ-USBFX2可提供更高的性能和更高的集成水平，包括提高40倍的480Mb/s的信号速率。

该芯片基于成熟的EZ-USBFX芯片开发，通过集成的发送器、SIE、8051微控制器、存储器和可编程的I/O接口，提供USB2.0支持。

这是一种完全集成的USB2.0方案，具有USB2.0的全带宽功能。

3.3.1EZ-USBFX2简介

由于篇幅限制，本论文不可能详细地介绍EZ-USBFX2单片机。

所以本论文只详细介绍涉及到的芯片功能，其余的详情请参阅论文后所列举的参考资料。

Cypress半导体的EZ-USBFX2是一种单芯片USB2.0接口芯片。

它的结构与先前的EZ-USBFX系列类似。

虽然它保留了很多EZ-USBFX的架构，但是一些组成部分经过了改进和重新设计用以实现USB2.0更高的传输速率。

Cypress半导体的EZ-USBFX2芯片与FX系列最大的区别就是支持USB2.0协议所规定的高带宽。

FX2为很多应用提供了一个高度集成的解决方案。

如图3.2所示。

同EZ-USBFX一样，EZ-USBFX2有以下特征：

a）一个集成的，高性能的CPU，这个CPU是在工业标准的8051处理器的基础上改进的。

b）一种基于RAM的软件架构，允许无限制的设置和升级。

c）全速的吞吐量。

端点，缓冲区以及传输速率针对协议均没有特殊限制。

d）自动地处理绝大多数USB协议的内容，这样大大简化了代码学习和开发的难度。

图3.2FX2128-pin简化结构图

FX2将USB接口所需要的智能处理都集成到一个芯片中。

如图3-2所示，一个集成的差分信号接收器连接到USB的D+和D-的数据线上。

一个串口引擎对串行数据进行解码和编码，同时还负责USB所需要的错误校验，位填充和其他一些信号级的处理。

SIE把并行数据通过USB接口发出或接收。

为了配合实现USB2.0的高带宽，FX2端点的FIFO和SlaveFIFO（用来与外界通讯）是统一的存储空间，以减少内部传输需要的时间。

FX2的CPU是一个增强型的8051，它执行地更快，也有一些功能上的扩展。

它使用内部RAM来存储程序和数据。

较高级别的USB通讯通常对带宽的要求不是很高，所以FX2的CPU非常适合处理这些复杂的协议。

但是，通过CPU不能实现USB2.0所提供的高带宽。

因此，CPU通常在高带宽应用中是不参与数据传输过程的，数据在端点FIFO和外部接口间传输。

简言之，CPU配置好接口后，就脱离数据传输路径，USB通过FIFO直接与外部通信。

3.3.2HID设备

HID简介：

HID设备是USB协议中最早提出并支持的一种设备类。

HID设备可以作为低速、全速或者高速设备来使用。

HID设备一般要求每个用户的输入都能得到及时响应。

因此HID设备普遍采用中断传输，用于对USB设备发出的少量数据进行及时响应。

4系统总体设计

4.1总体方案

a）信号发出：

信号由热释电红外传感器产生并发出，产生的A，B编码信号分别代表往前翻页和往后翻页，由于其采用频段低，波长长，无线电绕射等特征比较明显，故遥控的方向感不明显。

同时内置红外头和红外供电电路。

b）信号接收：

热释电红外传感器模块收到信号之后，将数字信号传给单片机，单片机将接收到的数字信号进行解码处理后，再传给USB处理芯片，USB芯片按照USBI.1协议将数据传给计算机，计算机则通过USB总线所检测到的USB设备后所安装的相应设备驱动程序，从而控制相应动作。

无线电模块可以保证在室内巧米范围内正常收发，而且由于模块采用对信号的编码和解码机制对设备进行标记，不会造成相邻使用者互相干扰的情况，又由于采用国家开放频段，故避免了频率协调的问题。

c）计算机响应：

计算机接收到的信号为能直接驱动即PPT等应用软件翻页的控制信号，其控制功能相当于一个键盘的PgUp和PgDn键。

USB接口的应用在计算机，通信行业越来越普遍，即插即用是其特别优点，采用合适的接口芯片和单片机固件编程，可以在WINDOWS98以上的系统上使用，不需要驱动程序。

对于使用者来说，象使用U盘一样的方便。

具体设计:

本文利用315M的射频电路，编解码采用PT2262/2272编解码芯片，利用CY7C68013单片机实现了一个短距离无线操作控制系统，通过编解码芯片的地址编码实现无线翻页器之间的互不干扰。

无线电子教鞭系统共分为两部分:

热释电红外发送器和USB接收器。

其原理模拟计算机键盘的“PgUp”和“PgDn”二个功能键，通过无线315M的RF模块实现无线控制的目的。

实现流程:

a）通过无线电发射装置对控制信号进行编码并发出;该无线电发射装置带有红外发射器的功能，方便教师使用。

b）无线电信号接收装置接收到控制信号，将信号解码，然后传给单片机理。

c）单片机对信号进行处理后传给USB芯片，然后按照USBI.1协议传递计算机，计算机识别和响应相应的工作指令，通过USB总线与上位的计算机实现互相通信。

d）计算机接收从USB接口传来的指令，自动完成对多媒体讲稿的控制;最终无线电子教鞭可以方便使用者全方位的（可以跨越障碍物）、互不干扰地（对信号进行了编码和解码处理）控制多种讲稿（Powerpoint、Word等）的前进和后退（也可以增加其他控制功能，例如控制各种程序之间的切换等）。

无线USB控制系统设计如图4.1所示。

该系统包括发射部分、接收部分、USB接口等三部分。

USB