許 爽，孫炎輝，丁紀(jì)峰，崔艷秋

(大連民族學(xué)院信息與通信工程學(xué)院，遼寧大連 116605)

基于ARM的少數(shù)民族文字手寫(xiě)輸入系統(tǒng)設(shè)計(jì)

許 爽，孫炎輝，丁紀(jì)峰，崔艷秋

(大連民族學(xué)院信息與通信工程學(xué)院，遼寧大連 116605)

設(shè)計(jì)了一種基于ARM的少數(shù)民族文字手寫(xiě)輸入系統(tǒng)。以S3C2440A嵌入式微處理器為核心，對(duì)手寫(xiě)板的書(shū)寫(xiě)筆跡進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和預(yù)處理。利用USB接口與上位機(jī)通信，具有使用方便、傳輸速度快和穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，上位機(jī)將采集到的筆跡信息轉(zhuǎn)換為漢字或圖形等，顯示并且保存，保證了書(shū)寫(xiě)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。

ARM;少數(shù)民族文字;手寫(xiě)輸入系統(tǒng);嵌入式微處理器;USB

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，便攜式智能化的電子消費(fèi)品已經(jīng)正式走入了普通人的生活，其傳統(tǒng)的按鍵操作方式已經(jīng)越來(lái)越不能滿(mǎn)足要求，而手寫(xiě)輸入的方式因?yàn)槠浞先说淖匀涣?xí)慣，簡(jiǎn)單直接，受到用戶(hù)的歡迎，成為近年來(lái)電子技術(shù)的熱門(mén)研究方向。手寫(xiě)板作為最簡(jiǎn)單直接的人機(jī)交互手段，在智能設(shè)備中有重要作用。傳統(tǒng)的8/16位MCU的手寫(xiě)板，其MCU內(nèi)核性能比較低，而新興的精簡(jiǎn)指令集ARM系列處理器，相比于傳統(tǒng)的復(fù)雜指令集處理器，功耗更低、計(jì)算能力更強(qiáng)大，近年來(lái)在嵌入式領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用［1－3］。

中國(guó)是一個(gè)多民族、多語(yǔ)言、多文化的國(guó)家，大約有30種文字。民族文字是發(fā)揚(yáng)傳承民族文化的載體，信息化程度不斷發(fā)展對(duì)于少數(shù)民族文化是一種機(jī)遇。和世界上其它復(fù)雜文字如阿拉伯文、希伯萊文、泰文、印度的文字進(jìn)行比較，民族文字的信息化程度還處在相對(duì)比較落后的水平。而ARM處理器的廣泛應(yīng)用為少數(shù)民族文字實(shí)時(shí)化的輸入、輸出和編輯等提供了可靠的保證。針對(duì)ARM處理器功能多樣性的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于ARM的少數(shù)民族文字手寫(xiě)輸入系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、可靠性高和實(shí)時(shí)性好的特點(diǎn)。

1 少數(shù)民族文字手寫(xiě)輸入系統(tǒng)的總體機(jī)構(gòu)

少數(shù)民族文字手寫(xiě)輸入系統(tǒng)由4個(gè)模塊組成，包括觸摸屏模塊、書(shū)寫(xiě)信息顯示模塊、USB通信模塊和核心處理器模塊。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原理如圖1。

圖1 少數(shù)民族文字手寫(xiě)輸入系統(tǒng)的原理框圖

觸摸屏模塊主要由電阻式觸摸屏和觸摸屏控制器組成，負(fù)責(zé)筆跡數(shù)據(jù)信息的采集，為后面的識(shí)別提供原始的數(shù)據(jù)。觸摸屏控制器ADS7846根據(jù)控制系統(tǒng)的命令向觸摸屏發(fā)出對(duì)應(yīng)的指令，然后接受從觸摸屏返回的模擬信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成精確的數(shù)字信號(hào)，傳回給控制系統(tǒng)。

書(shū)寫(xiě)信息顯示模塊主要由320×240像素的TFT液晶顯示屏和液晶顯示屏控制器組成。液晶顯示屏控制器收到控制系統(tǒng)傳來(lái)的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化成液晶屏的點(diǎn)像素?cái)?shù)據(jù)，從而在液晶屏上顯示出來(lái)。顯示模塊可以幫助書(shū)寫(xiě)者更好的書(shū)寫(xiě)，也使得輸入的筆跡直觀(guān)可見(jiàn)。

USB通信模塊是由S3C2440A中內(nèi)部集成的USB控制器以及外圍電路組成，USB通信系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)把采集到的大量書(shū)寫(xiě)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確快速地傳輸給PC機(jī)終端進(jìn)行保存和處理，以便進(jìn)行后續(xù)工作。

核心處理器選擇三星公司的ARM9內(nèi)核處理器S3C2440A。負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行控制，包括對(duì)書(shū)寫(xiě)信息顯示模塊、觸摸屏模塊及USB通信模塊的控制，還包括坐標(biāo)的映射、采集點(diǎn)數(shù)據(jù)的平滑濾波預(yù)處理等。

1.1 觸摸屏的工作原理

觸摸屏模塊中采用的電阻式觸摸屏基層是玻璃，在玻璃上面涂有一層透明氧化金屬(ITO氧化銦)導(dǎo)電層，導(dǎo)電層上面再蓋有一層玻璃或是外表面硬化處理的光滑塑料層，它的內(nèi)表面也涂有一層ITO導(dǎo)電層，他們之間有許多細(xì)小的透明隔離點(diǎn)把兩導(dǎo)電層隔開(kāi)絕緣，每當(dāng)有筆或是手指按下時(shí)，兩個(gè)導(dǎo)電層就相互接

觸，從而形成了回路，通過(guò)測(cè)量觸點(diǎn)的電壓值經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后就可以得到其在屏幕上的坐標(biāo)值［4］。

導(dǎo)電層的兩端都涂有一條銀膠，組成了工作面的一組電極。上下兩個(gè)導(dǎo)電層一個(gè)是水平方向，一個(gè)是豎直方向，分別用來(lái)測(cè)量X和Y的坐標(biāo)位置。在水平面上的電極稱(chēng)為X+電極和X－電極，在豎直平面的電極稱(chēng)為Y+電極和Y－電極，如圖2。工作時(shí)，兩個(gè)電極根據(jù)測(cè)量需要提供參考電壓或是作為測(cè)量端對(duì)接觸點(diǎn)的位置進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)測(cè)量接觸到點(diǎn)X坐標(biāo)的時(shí)候，導(dǎo)電層上的X+電極和X－電極分別接上參考電壓和地;Y電極不加電壓，那么X電極間會(huì)形成均勻的電壓分布，用Y+電極作為測(cè)量點(diǎn)，得到的電壓值通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后就可對(duì)應(yīng)地判斷出接觸點(diǎn)X的坐標(biāo)。Y坐標(biāo)亦是類(lèi)似，只需改成對(duì)Y電極加電壓而X電極不加電壓即可。X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)的計(jì)算公式分別為

其中VREF為內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器上的參考電壓，可以接VCC作為參考電壓［5］。

圖2 觸摸屏內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 壓力測(cè)量

觸摸屏?xí)鴮?xiě)信息時(shí)需要有壓力測(cè)量，壓力測(cè)量有兩個(gè)作用:消除書(shū)寫(xiě)抖動(dòng)造成的數(shù)據(jù)冗余;為服務(wù)器提供豐富的認(rèn)證信息［6］。

壓力測(cè)量首先要送打開(kāi)測(cè)量X通道的命令字0x90，返回得到的數(shù)字值即為X坐標(biāo)，再送打開(kāi)測(cè)量Y通道的命令字0xD0，得到的值為Y坐標(biāo)。同理送打開(kāi)Z1，Z2的命令字0xB0、0xC0得到 Z1、Z2的值，通過(guò)轉(zhuǎn)換公式(3)得到壓力測(cè)量電阻值

式中，RXPlate是X軸電阻值大小，與觸摸屏的性能參數(shù)有關(guān);XPosition是X坐標(biāo)值。Z1、Z2是經(jīng)12位A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字值，是指接觸點(diǎn)間兩層ITO氧化膜的電阻值大小。壓力測(cè)量后就完成了在某一個(gè)時(shí)刻的三維信息采集。

1.3 觸摸屏驅(qū)動(dòng)原理

觸摸屏一種常用工作方式為等待中斷模式。當(dāng)觸摸屏控制器處于等待中斷模式下時(shí)，實(shí)際上是在等待觸摸筆的點(diǎn)擊。在觸摸筆點(diǎn)擊到觸摸屏上時(shí)，控制器產(chǎn)生中斷信號(hào)(INC_TC)。中斷產(chǎn)生之后，在中斷服務(wù)程序中就可以設(shè)置適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換模式。但是在這種模式下，當(dāng)產(chǎn)生中斷后，需要查詢(xún)中斷向量表，程序代碼較多，比較復(fù)雜。因此在設(shè)計(jì)中采用了自動(dòng)X/Y軸坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模式。

觸摸屏工作在自動(dòng)X/Y軸坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模式時(shí)，設(shè)置AUTO_PST=1且XY_PST=0。其工作流程圖如圖3。當(dāng)觸摸筆按下觸摸屏?xí)r，觸摸屏控制器自動(dòng)地切換X軸坐標(biāo)和Y軸坐標(biāo)并讀取兩個(gè)坐標(biāo)軸方向上的坐標(biāo)。由于書(shū)寫(xiě)筆記信息時(shí)觸摸屏采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)非常多，所以在設(shè)計(jì)中取5個(gè)鄰近點(diǎn)的均值做濾波平滑預(yù)處理得到輸出信息，而相鄰2個(gè)點(diǎn)的X軸和Y軸坐標(biāo)差的閾值為(4，2)。最后將把轉(zhuǎn)化的坐標(biāo)數(shù)據(jù)點(diǎn)在LCD上顯示，同時(shí)通過(guò)USB傳輸，把坐標(biāo)數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)上。RTouch。

圖3 觸摸屏工作流程圖

1.4 LCD 驅(qū)動(dòng)原理

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，LCD利用顯示點(diǎn)像素的原理，顯示書(shū)寫(xiě)信息。TFT液晶顯示屏上顯示單個(gè)像素的函數(shù)很簡(jiǎn)潔，只需要 LCD_BUFFER［(y)］［(x)］=c這一個(gè)指令就可以實(shí)現(xiàn)。其原因就是在設(shè)置好各個(gè)LCD寄存器之后，通過(guò)將 LCD_BUFFER地址與 LCDBANK以及 LCDBASEU、LCDBASEL對(duì)應(yīng)之后，通過(guò)改變LCD_BUFFER里不同單元存儲(chǔ)的像素顏色值，即可在LCD相應(yīng)位置上做出顯示。那么在應(yīng)用不同LCD的時(shí)候，只需對(duì)LCDCONx以及LCDSADDRx做出相應(yīng)的配置，再創(chuàng)建一個(gè)數(shù)組，做出相應(yīng)的地址映射即可。LCD工作流程圖如圖4。

圖4 LCD工作流程圖

2 觸摸屏與LCD坐標(biāo)映射關(guān)系

觸摸屏控制器獲得的X坐標(biāo)與Y坐標(biāo)值僅是當(dāng)前觸摸點(diǎn)電壓值經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字值，沒(méi)有實(shí)用價(jià)值，而且LCD與觸摸屏二者的坐標(biāo)原點(diǎn)并不重合。因此觸摸屏與LCD的坐標(biāo)不是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，如果想得到體現(xiàn)LCD坐標(biāo)的觸摸屏位置，程序需要坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，把觸摸屏坐標(biāo)映射到LCD上［7］。如圖5為二者映射關(guān)系示意圖。

圖5 觸摸屏與LCD坐標(biāo)映射關(guān)系圖坐標(biāo)軸

二者轉(zhuǎn)換關(guān)系如下:

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

如圖6的(a)、(b)、(c)和(d)是四種少數(shù)民族文字手寫(xiě)輸入系統(tǒng)的上位機(jī)輸出結(jié)果。(a)是漢字的輸出結(jié)果，(b)是彝族文字中的“楚”字，(c)是仡佬族文字中的“和”字，(d)是朝鮮族文字中的“你好”倆字。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出實(shí)驗(yàn)中采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成筆跡信息的輸出結(jié)果清晰，穩(wěn)定性好，準(zhǔn)確性高。

圖6 少數(shù)民族文字上位機(jī)輸出結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

基于ARM的少數(shù)民族文字手寫(xiě)輸入系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)書(shū)寫(xiě)筆跡的實(shí)時(shí)采集，將觸摸屏采集的模擬量變成數(shù)字信息并對(duì)筆跡信息進(jìn)行處理，對(duì)觸摸屏坐標(biāo)到LCD顯示坐標(biāo)的映射顯示關(guān)系?；贏RM的少數(shù)民族文字手寫(xiě)輸入系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，保證了各種民族文字書(shū)寫(xiě)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。

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Handwriting Input Systems Design of Minority Languages Based on ARM

XU Shuang，SUN Yan－h(huán)ui，DING Ji－feng，CUI Yan－qiu
(College of Information ＆ Communication Engineering，Dalian Nationalities University，Dalian Liaoning 116605，China)

China is a multi－ethnic，multilingual and multicultural country.Languages of ethnic minorities are a carrier to carry forward the heritage of national culture.ARM processor is widely used which provides a reliable guarantee for the real－ time input，output，and editing of ethnic minority languages.According to the characteristics of functional diversity of the ARM processor，a handwriting input system of Minority Languages based on ARM is designed.The S3C2440A，an embedded microprocessor，is as the core of this system，which collects realtime data of handwriting pad and finishes preprocessing.The collected data is send to PC through Universal Serial Bus interface，which has convenience faster transmission speed and higher stability.Then the collected handwriting information is converted to a Chinese character or graphics to display and save，which can ensure the stability，accuracy and real－ time of handwriting.

ARM;minority languages;handwriting input system;embedded microprocessor;Universal Serial Bus

TP391

A

1009－315X(2012)05－0456－04

2012－01－05;最后

2012－06－11

國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題(2009BAH41B05);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(DC110309);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(DC110324)。

許爽(1978－)，女，遼寧大連人，講師，主要從事圖像處理與模式識(shí)別研究。

(責(zé)任編輯 劉敏)