基于EV54Y39A PIC-IOT WA的手指数量检测功能开发(MPLAB+ADC)

news2024/7/4 4:49:55

项目介绍

基于 Microchip 的 EV54Y39A PIC-IOT WA 开发板，通过板卡上集成的光照传感器，将板卡平放后，每秒对挥动的手指数量进行检测。在较强光源下，可准确识别挥动的手指数量。

👉 MPLAB X IDE

硬件介绍

PIC-IoT WA硬件概述：

控制器包含两个主要组件：PIC微控制器（PIC24FJ128GA705）和Wi-Fi模块（WINC1510）。PIC24F是一款低功耗的16位微控制器，时钟频率为32MHz，具有集成的12位ADC。Wi-Fi模块采用Microchip的ATWINC1510，是低功耗认证的IoT网络控制器。
板载ATECC608的密码协处理器。用于生成私钥和公钥，私钥用于加密发送的每条消息，而公钥可与服务提供商（如Google IoT cloud或AWS）共享。
板载传感器包括TEMT6000X01光传感器和MCP9808温度传感器。光传感器连接到PIC控制器的10位ADC，温度传感器通过I2C接口测量-20℃至100℃之间的温度，典型精度为0.25℃。
PIC IoT WA开发板可通过微型USB端口或4.2V锂电池供电，同时具有板上编程仿真器和调试器（PKOB）支持一路串口和一个IO的逻辑分析功能。

PIC-IOT WA

项目设计

开发环境及工程参考

本项目使用 Microchip 官方的 MPLAB X IDE 开发。项目所用到的工具链、库或 packs 如下：

编译器：xc16 v1.50，这个版本的编译器确保编译通过
Packs: PIC24F-GA-GB_DFP 1.9.336、PKOB nano 1.13.715
MCC Content Libraries：
1. MCC core 5.7.1
2. PIC24 / dsPIC33 MCUs 1.171.4
3. Board Support Library 1.12.0

总体流程图

工程总体流程
进行系统初始化以后，先启动周期为1s的定时器，该定时器自动重载，在其回调函数中打印识别的手指数目 count，之后清零并进入 IDLE 态。工程主体为一个 while(1) 循环的 FSM，用一个全局变量记录系统状态：

每次都会先读取光照传感器的数据，并根据此次与上次读数的差值，进入其他的状态
在 IDLE 态中，当差值小于一个负阈值时，进入 NEGA 态，此时识别到光照降低，这说明有手指遮挡。其余情况没有手指遮挡，状态不转移。当定时器触发时，打印出此时的识别数目并将 count 清零，系统重新进入 IDLE 态。
在 NEGA 态中，当差值大于一个正阈值时，进入 POS 态，此时识别到光照增加，这说明手指移开了，count++。在 NEGA 态中，若保持光照读数相对稳定，这说明该手指还未完全经过传感器，状态不转移。当定时器触发时，打印出此时的识别数目并将 count 清零，系统重新进入 IDLE 态。
在 POS 态中，只有当差值又一次小于负阈值时，进入 NEGA 态，此时识别到光照降低，这说明又有手指遮挡。若保持光照读数相对稳定或增加，这说明并没有新的手指遮挡。当定时器触发时，打印出此时的识别数目并将 count 清零，系统重新进入 IDLE 态。

由于测量周期是1s，即便测量状态没有变化，定时器回调也会将状态、变量全部重置。在 FSM 中，只需要处理有效的测量的统计逻辑即可。

硬件基本配置

根据手册可知，板载光照传感器与ADC AN8（RB12）相连。检测的周期设计为1秒，如此，需要一个定时器 TMR1。其次，还需要串口以供调试与结果显示。在MCC中，IO口设置如下图所示：

外设配置
RB10/11供调试使用。串口设置为9600 8N1，RC8 UITX 需要勾选“Start High”，勾选“Redirect printf to UART”。

光照传感器读取

需要修改一下默认的 ADC1 配置。根据下方提示，修改“Conversion Clock”为2即可。

ADC1配置修改
根据生成的ADC示例，可以修改实现光照传感器数据的读取。

uint16_t get_light_sensor(void)
{
    int i;
    uint16_t conversion;

    ADC1_Enable();
    ADC1_ChannelSelect(LIGHT_SENSOR);
    ADC1_SoftwareTriggerEnable();
    //Provide Delay
    for(i = 0; i < 1000; i++){}
    ADC1_SoftwareTriggerDisable();
    while(!ADC1_IsConversionComplete(LIGHT_SENSOR));
    conversion = ADC1_ConversionResultGet(LIGHT_SENSOR);
    ADC1_Disable();

    return conversion;
}

定时器

如下图所示配置，设置 TMR1 为1s周期定时器。

1s周期定时器设置
在定时器的回调函数 periodic_handler 中，打印 count 手指数目，而后清零并将状态设置为 APP_STATE_IDLE。在主循环之前创建定时器，定时器超时设置为 0xF423，在主循环内需要调用 timeout_callNextCallback() 以检查回调。

static uint32_t periodic_handler(void)
{
    printf("Finger count: %d\n", count);
    appState = APP_STATE_IDLE;
    count = 0;

    return 0xF423;
}

int main(void)
{
    // initialize the device
    SYSTEM_Initialize();
    timerStruct_t periodic_timer = {periodic_handler, NULL};
    timeout_create(&periodic_timer, 0xF423);

    while (1)
    {
        timeout_callNextCallback();
        main_app();
    }

    return 1;
}

检测逻辑

当手指遮挡时，光照减小，前后两次读数的差值为负数，反之为正数。因此，设置一个合适的阈值 LIGHT_TRIGGER_THRES，用于判断是否发生了这两种变化，同时也可以过滤掉读数不稳定的影响。该值需要根据实际环境进行调整。

#define LIGHT_TRIGGER_THRES     (50)

系统分为三个状态，用全局变量 appState 记录。同时，需要几个参数记录传感器的数值以及手指数目。

typedef enum {
    APP_STATE_IDLE,
    APP_STATE_DETECTED_NEGA,
    APP_STATE_DETECTED_POS
} appStates_e;

static appStates_e appState = APP_STATE_IDLE;
static uint16_t light1 = 0;
static uint16_t light2 = 0;
static float light_prev1 = 0.;
static int count = 0;

反复读取光照传感器数据，读取最近的两次数据取平均值作为此次测量的结果，并与上次读数作差。根据该差值进行状态跳转：

处于 APP_STATE_IDLE 时，当差值 delta 小于负阈值 LIGHT_TRIGGER_THRES 时，进入 APP_STATE_DETECTED_NEGA，此时检测到有手指遮挡，光照降低。其余情况下，均不会有手指遮挡，状态不转移。
处于 APP_STATE_DETECTED_NEGA 时，当 delta 大于正阈值 LIGHT_TRIGGER_THRES 时，进入 APP_STATE_DETECTED_POS，此时说明手指移开了，计数+1。其余情况下，手指还未完全经过传感器，因此差值不够大（可以过滤毛刺情况）或者为负，状态均不转移。
处于 APP_STATE_DETECTED_POS 时，当 delta 又一次小于负阈值 LIGHT_TRIGGER_THRES 时，进入 APP_STATE_DETECTED_NEGA，此时又有手指遮挡。其余情况下，说明光照无较大变化或者光照变强，这说明没有手指遮挡或手指逐渐远离，状态均不跳转。
测量周期为1s，定时器超时后，将打印出计数结果 count 并清零，同时状态转移至 APP_STATE_IDLE，进行下一次测量。

void main_app(void)
{
    float delta;
    float light;
    
    light1 = get_light_sensor();
    light2 = get_light_sensor();
    light = (light1 + light2) / 2;
    delta = light - light_prev1;
    light_prev1 = light;

    switch(appState) {
        case APP_STATE_IDLE:
        {
            if (delta < -LIGHT_TRIGGER_THRES) {
                appState = APP_STATE_DETECTED_NEGA;
            }
            break;
        }
        case APP_STATE_DETECTED_NEGA:
        {
            if (delta > LIGHT_TRIGGER_THRES) {
                count++;
                appState = APP_STATE_DETECTED_POS;
            }
            break;
        }
        case APP_STATE_DETECTED_POS:
        {
            if (delta < -LIGHT_TRIGGER_THRES) {
                appState = APP_STATE_DETECTED_NEGA;
            }
            break;
        }
    }
}