CN201860428U - 基于mems加速度传感器的无线耳机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于MEMS加速度传感器的无线耳机。通过内置于无线耳机中的加速度传感器MXC6202感受人头部的运动，将人头部的运动以类似浏览器鼠标手势的规则翻译成相应的指令，通过无线串口将数据发送到数据处理终端，实现控制MP3播放器的上一首、下一首、暂停、继续播放，手机的接听与拒接，PPT展示的下一张幻灯片、下一页Word文档等功能。本实用新型除了具有对残疾人有辅助作用之特点外，在减少车祸的发生率，保护上班族的颈椎等方面也发挥着独到的作用。

Description

基于MEMS加速度传感器的无线耳机

技术领域

本实用新型涉及一种无线耳机，特别是一种基于MEMS加速度传感器的无线耳机。

背景技术

MEMS加速度传感器是采用MEMS(微机械)和IC(集成电路)加工工艺生产的新型加速度传感器。它具有集成电路***的许多优点，吸收了多种学科发展的尖端成果。现在已有将MEMS加速度传感器应用到手机，大型测试(如石油勘探，航空测试)和汽车等领域的产品。以苹果iPhone和Palm公司的Pre等热门智能手机为例，它内置一个加速度传感器感受人用手摇动产生的加速度信号，并产生响应(比如翻页，功能切换)。除手机外，现有的应用加速度传感器的产品一般造价高昂，难以被普通用户接受，而手机采用的加速度传感器一般是一维的，如果能在耳机上实现二维和三维的控制，并且用头部来进行控制，这样不仅可以把人的手解放出来，还能为失去双手的残疾人提供方便。

实用新型内容

本实用新型的目的是要提供一种基于MEMS加速度传感器的无线耳机，解决现有人们在用耳机听音乐并在干其他事情时对音乐的操作无法把手解放出来以及失去双手的残疾人使用MP3播放器的问题。

本实用新型的目的是这样实现的：一种基于MEMS加速度传感器的无线耳机，包括信号采集与发射模块，信号接收与处理模块，上位机处理软件，通用串行总线，加速度传感器，人体工学输入设备，音频放大***，上位机通信模块，音频流解析***，音频流发送***，全局快捷键设置***。其特征在于采集与发射模块与通用串行总线连接，采集与发射模块负责信号的采集与处理，信号接收与处理模块负责对接收信号进行分析以及数据转码、与上位机通信以及语音播放。

本实用新型还有以下附加技术特征：

所述采集与发射模块由加速度传感器，人体工学输入设备组成。

所述信号接收与处理模块由上位机处理软件、音频放大***，上位机通信模块组成。

本实用新型利用加速度传感器单片机端口集线器TUSB2136为核心器件，与上位机处理软件共同构成了一个具有多种功能的控制平台。

信号采集与发射模块作为耳机的一部分封装于头戴式耳机中，设计中，此部分尽量追求简洁。除了必要的电源管理、加速度传感器与信号采集设备、音量控制设备、数据发送与接收设备之外，其他的可以放在接收设备中实现的尽量不放在该设备实现。这样有效的避免了耳机的电池能量的浪费，同时又不会使***的功能受到损失。本***采用电脑的USB电源供电，保证了电源的稳定。TUSB2136为具有集成通用功能控制器的2端口集线器，可以实现让接受设备被识别为USB音频设备和人体工学输入设备，实现音频流的传输以及控制信号的传输，从而达到接受音乐信号以及控制上位机的功能。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的说明。

图1为本实用新型的结构框图。

图2为本实用新型中上位机处理软件结构框图。

具体实施方式

参见图1，本实用新型的一种基于MEMS加速度传感器的无线耳机的一种优选实例，包括信号采集与发射模块1，信号接收与处理模块2，上位机处理软件3，通用串行总线4，加速度传感器5，人体工学输入设备6，音频放大***7，上位机通信模块8，采集与发射模块1与通用串行总线4连接，采集与发射模块1负责信号的采集与处理，信号接收与处理模块2负责对接收信号进行分析以及数据转码、与上位机通信以及语音播放。上位机处理软件3负责音频流解析***9、音频流发送***10、全局快捷键设置***11和通信部分的全程处理任务，如图2所示。

所述采集与发射模块1由加速度传感器5，人体工学输入设备6组成。

所述信号接收与处理模块2由上位机处理软件3、音频放大***7，上位机通信模块8组成。

本实施例利用加速度传感器5单片机端口集线器TUSB2136为核心器件，与上位机处理软件3共同构成了一个具有多种功能的控制平台。

信号采集与发射模块1作为耳机的一部分封装于头戴式耳机中，设计中，此部分尽量追求简洁。除了必要的电源管理、加速度传感器5与信号采集设备、音量控制设备、数据发送与接收设备之外，其他的可以放在接收设备中实现的尽量不放在该设备实现。这样有效的避免了耳机的电池能量的浪费，同时又不会使***的功能受到损失。本***采用电脑的USB电源供电，保证了电源的稳定。TUSB2136为具有集成通用功能控制器的2端口集线器，可以实现让接受设备被识别为USB音频设备和人体工学输入设备6，实现音频流的传输以及控制信号的传输，从而达到接受音乐信号以及控制上位机的功能。

本实施例的电源管理部分的电路以及500mA电流限制的自恢复保险确保接收设备以及电脑均不会因为短路故障造成终止工作。发送设备的电源采用电池供电，电池供电具有电流纹波小，但不允许大电流等特点，因此此部分的电路实现短路报警以及电流限制功能。而接收设备的电源采用电脑的USB电源供电，USB电源具有电流稳定、但超过最大电流可能对主板造成损伤等事故，因此此部分的电路实现电流限制以及稳压功能。

本实施例具有一个外加的音频功放的功能，可以将音频流用音频功放播放或经由无线传输到无线耳机中播放的功能通过单片机的机械式按键与人性化的界面予以选择。

采用TI公司的1W单声道AB类音频功率放大器TPA4861作为放大器。TPA4861具有功耗小，效率高，低音效果好，具有关断功能等特点，适合在本场合下使用。

采用TI公司的TLC5620作为模数转换器件，将USB的音频数据流转换成模拟信号，送给TPA5620，经过放大之后输出。

如果选择关闭功放功能，则单片机通过9013三极管搭建的简易非门将TPA4861的SD引脚拉高，实现了关断的功能。

本实施例也具有双声道耳机插孔，可以使用声卡中现有的数模转换器件，直接将声音放大。

信号采集与发射模块1将MXC6202采集到的数据传送给信号接收与处理模块2之后，接收与处理模块2分析数据的特征，从中发现使用者的头部的动作，通过动作的幅度作出判断，实现控制的功能。

因为MXC6202只能检测2维方向上的加速度，而本实用新型设备中需要3维方向上的加速度，故每组传感器采用两个相互垂直的传感器组成阵列，忽略其中一个传感器的一维的数据之后即得到3维的数据。

由于用户的头部时刻在动，因此接收与处理模块2需要采集具有特征的数据，将通过实验测得的人在故意摇头与故意点头的时候的加速度的特征值是否达到阈值而判断用户是自然做出来的还是故意做出来的。：

本实施例采用TI公司的具有集成通用功能控制器的2端口集线器TUSB2136搭建了一个简易的USB HUB，用于实现电脑音频与控制信号的双重传输。与上位机采用USB通信已经成为一种不可避免的趋势，因此本技术摒弃了传统的串口与并口通信的方法，采用USB方法。但是USB通信协议比较复杂，因此本技术通过尽可能让本实用新型的设备成为计算机可以识别的类型。而在USB协议中，USB音频扬声器、USB人体工学输入设备(6)这两者最符合本实用新型的需求，因此本技术采用两者并用的方法，从而采用TUSB2136这款芯片。

上位机处理软件主要负责与设备进行通信以及控制电脑的功能。上位机处理软件3的架构如图2所示，上位机处理软件3主要负责USB上位机通信模块8以及音频流解析***9，音频流发送***10等音频流的发送截获与解析，全局快捷键设置***11。当信号接收与处理模块2***电脑的USB接口之后，电脑中将会识别出两个设备：人体工学输入设备6以及音频放大***7设备。电脑将会采用***中的服务与下位机通信，减少了大量的USB通信协议代码的书写，同时提高了***运行的效率。

本实用新型的程序皆采用C语言编写。程序的主要思路是通过两个方向加速度的变化识别出人头部的四个运动，分别是点头、仰头以及左右摆头。识别出后向计算机输入相应的键盘指令，用类似于全局快捷键设置***11来控制相关功能。每隔一段固定时间测出当前两个方向的加速度，对数据的处理设计如下：为了识别当前加速度，需要识别外部信号的变化，如加速度的突然改变。而头部在平常非有意运动时候会有些许的摆动，不能要求佩戴者一动不动，所以需要识别哪些是有意的哪些是无意的。因此简单的用相近时间的加速度变化来表征头部的有意摆动显然不合适。于是，采用计算加速度的平均值并将当前加速度与平均值的差值来识别头部的有意运动。而采用普通计算平均值的方法时，一段时间后由于之前加速度的权重越来越大，会使得平均值越来越难以改变，使得差值的可信度降低。本技术改进了平均值的算法，将前面的加速度平均值给予一个固定的权重X_POWER。如对于X方向的加速度平均值的算法：X_Ave＝(X_POWER*X_Ave+X_Axis)/(X_POWER+1)；其中，前面的X_Ave是当前平均值，后面的X_Ave是测到前一个加速度时候的加速度。X_POWER是前面X_Ave的权重，在程序中将其值取为29。这样，所取的平均值就能够很好的反应前面一段时间状态的平均值，并有很好的可比性。通过实验发现人在摇头时候正向加速度会大于反向加速度，这样就可以借此区分两个方向的摇头。头部运动时正向加速度与平均值的差值几乎都大于某一值，这样就可以识别出头部的四个方向的运动了。程序如下：

if(X_Max-X_Ave＞X_Ave-X_Min&&X_Max-X_Ave＞CRITICAL_XPOINT)a＝1；此处设定a的值为1，另外三种情况分别对应a＝2，b＝1，b＝2。赋值后就可以简化后面程序的表达。采用程序t＝10*a+b；，这样t的值1、2、11、12就分别代表四种头部运动情况。这样就好控制了。然后根据判断条件，将与之对应的控制全局快捷键设置***11的输入信号返回到计算机，这样就可以控制音乐、ppt等的播放。

人带上耳机后头部进行晃动即可对上位机进行控制(现在暂定为控制音乐播放)，向左摇头即换上一首歌，向右摇头即换下一首歌，点头为暂停|播放，仰头为切换歌词(全屏显示)。功能可以由人来设定，它不需要任何外接软件，即插即用，适合大众习惯。通过功能设定人们也可以用头部摆动来控制PPT演示和游戏。

Claims (1)

1.一种基于MEMS加速度传感器的无线耳机，包括信号采集与发射模块，信号接收与处理模块，通用串行总线，加速度传感器，人体工学输入设备，音频放大***，上位机通信模块，音频流解析***，音频流发送***，全局快捷键设置***，其特征在于加速度传感器与人体工学输入设备与信号采集和发射模块连接，信号采集和发射模块通过通用串行总线与信号接收与处理模块连接，信号接收与处理模块连接有上位机通信模块、音频放大***、音频流解析***和音频流发送***，信号接收与处理模块负责对接收信号进行分析以及数据转码、与上位机通信以及语音播放。 

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