joistik komputerowy dla osób niepełnosprawnych 1.pdf

Joystick komputerowy dla osób niepełnosprawnych

Joystick komputerowy

dla osób

niepełnosprawnych,

część 1

AVT−5007

Kontynuuj¹c podjÍty

w†zesz³ym roku temat

urz¹dzeÒ s³uø¹cych osobom

niepe³nosprawnym, proponujÍ

budowÍ joysticka do

komputera PC. Wprawdzie

projekt powsta³ z†myúl¹

o†osobach pokrzywdzonych

przez los, ale i†dla osÛb

sprawnych fizycznie uk³ad

moøe byÊ interesuj¹cy, bo

obs³ugiwany jest przez

dmuchanie, a nie przez

naciskanie przyciskÛw.

Josystick jest widziany

przez komputer jako stan-

dardowy, dwuosiowy joys-

tick z†dwoma przyciskami.

DziÍki temu poprawnie

wspÛ³pracuje z†kaødym

komputerem PC wyposaøo-

nym w† game port i†moøe

byÊ wykorzystywany

w†wiÍkszoúci gier na kom-

putery PC. Ca³a ìelektro-

nikaî joysticka mieúci siÍ

w†obudowie wielkoúci

paczki papierosÛw. Do

poprawnej pracy wystarcz¹ nie-

wielkie przechy³y urz¹dzenia

umieszczonego na g³owie lub

w†rÍce osoby obs³uguj¹cej. Prze-

chylanie g³owy (lub rÍki) do

przodu lub do ty³u oraz w†lewo

i†w†prawo powoduje tak¹ sam¹

reakcjÍ, jak wychylanie w†tych

kierunkach dr¹øka w†standardo-

wym joysticku.

Przyj¹³em za³oøenie, øe joys-

tick powinien umoøliwiaÊ zabawÍ

osobie ca³kowicie sparaliøowanej,

ktÛra moøe poruszaÊ jedynie g³o-

w¹. Dlatego joystick jest zaopat-

rzony w†czujnik pneumatyczny

z†ustnikiem. DmuchniÍcie w†rurkÍ

jest ìwidzianeî przez komputer

Tab.1. Podstawowe właściwości

joysticka:

W†porÛwnaniu z†îMyszk¹ kom-

puterow¹ dla osÛb niepe³nospraw-

nychî przedstawion¹ w†EP4/2000,

joystick jest bardziej rozbudowa-

ny. OprÛcz nowoczesnego dwu-

osiowego akcelerometru i†czujnika

ciúnienia z†precyzyjnym przetwor-

nikiem analogowo-cyfrowym za-

wiera dwa potencjometry cyfrowe.

Wszystkim steruje szybki procesor

o†architekturze RISC. Przesada?

Moøe i†tak, ale wystarczy zoba-

czyÊ rozradowanie gracza, ktÛry

pierwszy raz od wielu lat nie

musi tylko patrzeÊ jak graj¹ inni.

Moøe zagraÊ samodzielnie!

dwuosiowy, sterowany przechylaniem,

wyposażony w przełącznik pneumatyczny

zastępujący:

dmuchnięcie − pierwszy przycisk,

zassanie − drugi przycisk,

dwa dodatkowe wejścia dla standardowych

włączników,

zasilanie z game portu komputera,

pobór prądu: około 10mA.

Elektronika Praktyczna 4/2001

P R O J E K T Y

Joystick komputerowy dla osób niepełnosprawnych

+5V

ADXL202

U4 AD8402/100K/

14 13

1 1 12

100nF

SDI

CLK

SHDN

A W1

VDD VDD

OUTY

DB15(3)

100nF

OUTX

A W2

U1 AT90S2313

COM

COM ST

SCK/PB7

MISO/PB6

MOSI/PB5

PB4

OC1/PB3

PB2

AIN1/PB1

AINO/PB0

ICP/PD6

RST

PD0/RXD

PD1/TXD

XTAL2

XTAL1

PD2/INT0

PD3/INT1

PD4/T0

PD5/T1

DB15(6)

100nF

4 7 3

1.3M

+5V

USTAW

5,579545MHz

MF-R-010

DB15(1)

22pF

100µF

+5V

U3 UTI

OUT

SEL1

1 1 13

10k

DB15(2)

4 1

MPX10DP

-OUT

VCC

+OUT

GND

SEL2

SEL3

SEL4

SLO PD

CML

+5V

BC547

DUS_1

100nF

100k

100nF

10k

DB15(7)

BC547

DUS_2

Z45

DB15(4,5)

Rys. 1. Schemat elektryczny joysticka.

jak naciúniÍcie pierwszego klawi-

sza. Zassanie powietrza odpowia-

da naciúniÍciu drugiego klawisza.

Niezaleønie od tego, do joy-

sticka moøna pod³¹czyÊ dwa do-

datkowe wy³¹czniki. Joystick z†ta-

kimi przyciskami moøe z†powo-

dzeniem s³uøyÊ osobie sprawniej-

szej fizycznie. Modelowy egzem-

plarz wyposaøy³em w†uchwyt

z†wy³¹cznikami i†to wystarczy³o,

aby joystick uzyska³ pochlebn¹

opiniÍ wytrawnego gracza, jakim

jest niew¹tpliwie mÛj siedmiolet-

ni syn Micha³. Na stykach game

portu jest dostÍpne napiÍcie +5V,

zatem naturalne by³o wykorzysta-

nie go do zasilania joysticka.

pracy z†mikrokontrolerem. Ponad-

to, przy standardowym zasilaniu

(4,75...5,25V) pobiera niewiele

pr¹du (<1mA).

Akcelerometry zawarte w†uk³a-

dzie ADXL202 mog¹ mierzyÊ przy-

spieszenia w†zakresie ±2g. Czu-

³oúÊ przetwarzania jest sta³a i†wy-

nosi 12,5%/g z†tolerancj¹ ±2,5%.

Oznacza to, øe wspÛ³czynnik wy-

pe³nienia prostok¹tnego przebiegu

wyjúciowego zmienia siÍ o†oko³o

12,5% przy zmianie przyspiesze-

nia o†9,81m/s 2 .

Przy idealnie poziomym usta-

wieniu akcelerometru, przyspie-

szenie ziemskie mierzone przez

niego wynosi zero. WÛwczas wy-

pe³nienie przebiegu na wyjúciu

akcelerometru moøe wynosiÊ

25..75%. Tak duøy rozrzut war-

toúci spoczynkowej powoduje ko-

niecznoúÊ przeprowadzenia

wstÍpnej kalibracji. DziÍki proce-

sorowi jest to czynnoúÊ bardzo

prosta. Wystarczy nacisn¹Ê wy-

³¹cznik W1-USTAW. Wejúcie

PB2(14-U1) jest wÛwczas zwiera-

ne do masy, co program w†mik-

rokontrolerze odczytuje jako ø¹-

danie przeprowadzenia pomiarÛw

wzorcowych. Kiedy i w jakim

celu naleøy nacisn¹Ê ten przy-

cisk, dowiemy siÍ dok³adniej

w†czÍúci poúwiÍconej uruchamia-

niu joysticka.

Przy odchyleniu akceleromet-

ru od poziomu o†okreúlony k¹t

wartoúÊ sygna³u odpowiadaj¹ce-

mu przyspieszeniu roúnie zgod-

okres

sygna³u wyjúciowego wynosi oko-

³o 10,4ms. Wyjúcia akceleromet-

rÛw (9, 10-U2) s¹ do³¹czone bez-

poúrednio do wejúÊ procesora

INT0 (6-U1) i INT1 (7-U1).

Poza rezystorem ustalaj¹cym

R4, uk³ad ADXL202 potrzebuje do

poprawnej pracy tylko dwÛch ele-

mentÛw - kondensatorÛw filtruj¹-

cych C6 i†C7. Kondensatory te

okreúlaj¹ czas odpowiedzi czujni-

kÛw przyspieszenia. Kondensator

C6 filtruje sygna³ akcelerometru

w†jednej osi, podczas gdy C7 robi

to samo w†drugiej osi. PojemnoúÊ

tych kondensatorÛw wynosi

100nF. Przy takiej wartoúci po-

jemnoúci szumy na wyjúciu akce-

lerometrÛw s¹ znaczne i†mog¹

wynosiÊ kilkanaúcie tysiÍcznych g

(g - przyspieszenie ziemskie), ale

za to sygna³ na wyjúciu ustali siÍ

najpÛüniej po 20ms. Jak z†tego

wynika, w†projekcie joysticka naj-

wiÍkszy nacisk po³oøono na szyb-

koúÊ dzia³ania, a dok³adnoúÊ jest

na drugim miejscu.

Opis uk³adu

Schemat elektryczny joysticka

przedstawiono na rys. 1 . Moøna

na nim wyrÛøniÊ cztery bloki:

- czujnik przechy³u (U2),

- czujnik ciúnienia (S1) z†prze-

twornikiem (U3),

- procesor steruj¹cy (U1),

- interfejs wyjúciowy (U4, T1,

T2).

Czujnik przechy³u zrealizowa-

³em na uk³adzie ADXL202 firmy

Analog Devices. W†ceramicznej

14-nÛøkowej obudowie do monta-

øu powierzchniowego znajduj¹ siÍ

dwa ustawione prostopadle czuj-

niki przyspieszenia (akceleromet-

ry). Do pracy uk³adu potrzebne

jest niewiele elementÛw zewnÍtrz-

nych, a†dziÍki wyjúciom PWM

doskonale nadaje siÍ on do wspÛ³-

Elektronika Praktyczna 4/2001

nie z†wartoúci¹ sinusa k¹ta od-

chylenia. Dla 90 stopni sinus

osi¹ga wartoúÊ jeden i w tym

przypadku mierzone przyspiesze-

nie wyniesie ±1g. Zak³adaj¹c, øe

czujnik moøe odchylaÊ siÍ od

poziomu maksymalnie o 30 o

w†jedn¹ lub drug¹ stronÍ, zmiana

mierzonego przyspieszenia wy-

niesie od -0,5g do +0,5g.

Rezystor R4 ustala okres syg-

na³u wyjúciowego w†obu kana-

³ach. Przy wartoúci 1,3M

Joystick komputerowy dla osób niepełnosprawnych

napiÍciu wyjúciowemu mos-

tka. Znaj¹c te trzy czasy,

moøna precyzyjnie obliczyÊ

stopieÒ niezrÛwnowaøenia

mostka.

W†stanie spoczynkowym

wyjúcia PB0 (12-U1) i†PD5

(9-U1) s¹ na poziomie nis-

kim, co powoduje, øe tran-

zystory T1 i†T2 s¹ zatkane.

Procesor, ustawiaj¹c poziom

wysoki na wyjúciu PD5,

wymusza przewodzenie

tranzystora T1 i†zwarcie do

masy wyjúcia Z2. Stan taki

jest odczytywany przez

komputer jako naciúniÍcie

pierwszego przycisku joys-

ticka. Analogicznie, wys³anie je-

dynki na wyjúcie PB0 powoduje

przewodzenie tranzystora T2

i†zwarcie z†mas¹ wyjúcia Z7 zwi¹-

zanego z†drugim przyciskiem.

Wyjúcie Z2 moøe byÊ zwierane

z†mas¹ - niezaleønie od procesora

- wy³¹cznikiem pod³¹czonym do

z³¹cza DUS_1. Symulowanie dru-

giego przycisku jest moøliwe po

pod³¹czeniu wy³¹cznika do z³¹cza

DUS_2.

Gdy nie jest mierzone ciúnie-

nie, procesor ustawia na wyjúciu

PB3 (15-U1) poziom niski napiÍ-

cia. Taki stan na wejúciu /PD (11-

U3) powoduje uúpienie przetwor-

nika i†wy³¹czenie zasilania senso-

ra. DziÍki temu znacznie zmniej-

sza siÍ pr¹d pobierany przez ca³y

uk³ad. Rezystor R3 wymusza niski

poziom na tej linii natychmiast

po pojawieniu siÍ napiÍcia zasi-

laj¹cego.

Teraz przyjrzyjmy siÍ dok³ad-

niej uk³adowi wyjúciowemu.

W†zrozumieniu dzia³ania pomoøe

nam znajomoúÊ budowy game por-

tu w†komputerach PC. Schemat

jednego z†czterech kana³Ûw portu

pokazano na rys. 2 . Podstawo-

wym elementem jest timer 555.

W†praktyce stosuje siÍ uk³ad 558

zawieraj¹cy cztery timery w†jed-

nej obudowie.

Rzeczywiste wartoúci elemen-

tÛw mog¹ nieco odbiegaÊ od

pokazanych na schemacie. Praw-

da, øe zastosowane rozwi¹zanie

poraøa swoj¹ prostot¹? Przeúledü-

my pokrÛtce dzia³anie tego uk³a-

du. Procesor komputera, chc¹c

odczytaÊ po³oøenie joysticka, wy-

sy³a impuls zeruj¹cy. Impuls ten

powoduje roz³adowanie kondensa-

tora Ct, po czym zaczyna siÍ on

, gdy dr¹øek jest wy-

chylony w†prawo (lub wstecz).

Mierz¹c czas impulsu na wyjúciu

timera 555 moøna okreúliÊ w†przy-

bliøeniu rezystancjÍ potencjomet-

ru, a†co za tym idzie po³oøenie

dr¹øka. Zwykle dr¹øek moøna od-

chyliÊ o†oko³o 30 o ..45 o od pionu

w†kaød¹ stronÍ, co powoduje ob-

rÛt osi stowarzyszonego potencjo-

metru o†60 o ..90 o . Aby uzyskaÊ wy-

magany zakres zmian rezystancji,

stosuje siÍ potencjometry o†cha-

rakterystyce liniowej i†wartoúci

470k

Rys. 2. Schemat jednego kanału

game portu.

Kolejny blok to czujnik ciúnie-

nia S1 z†przetwornikiem analogo-

wo-cyfrowym U3. Ze wzglÍdu na

trudnoúci ze zdobyciem prze³¹cz-

nikÛw ciúnieniowych o†czu³oúci

rzÍdu 15mmHg (2kPa), reaguj¹-

cych na pod- i†nadciúnienie, za-

stosowa³em sprawdzone w†myszce

rozwi¹zanie z†czujnikiem ciúnie-

nia MPX10DP firmy Motorola

i†przetwornikiem analogowo-cyfro-

wym typu UTI firmy Smartec.

Konstrukcja sensora opiera siÍ

na klasycznym mostku rezystan-

cyjnym o†stopniu niezrÛwnowaøe-

nia zaleønym od przy³oøonego

ciúnienia. Czujnik jest wyposaøo-

ny w†dwa krÛÊce doprowadzaj¹ce

powietrze do komor z†dwÛch stron

membrany czujnikowej. Pod wp³y-

wem wystÍpuj¹cego ciúnienia

membrana siÍ odkszta³ca, co po-

woduje zmiany rezystancji úcieøek

napylonych na jej powierzchni.

Czujnik S1 jest zasilany z†uk³a-

du UTI(U3) przebiegiem prosto-

k¹tnym dostÍpnym na wyjúciach

E-F. Rzeczywista wartoúÊ napiÍcia

zasilaj¹cego mostek jest mierzona

na wejúciach A-B. NapiÍcie nie-

zrÛwnowaøenia wystÍpuje na wej-

úciach C-D.

Wyjúcie przetwornika jest pod-

³¹czone do pinu PD6(11-U1).

Uk³ad UTI pracuje w†trybie po-

miaru mostka rezystancyjnego

o†niezrÛwnowaøeniu mniejszym

niø ±4%. Czas pomiaru wynosi

oko³o 12ms. W†takim przypadku

na wyjúciu pojawia siÍ trÛjfazowy

przebieg, w†ktÛrym czas pierwszej

fazy T off umoøliwia pomiar offsetu

toru pomiarowego, czas drugiej

fazy T ab okreúla wartoúÊ napiÍcia

zasilaj¹cego mostek pomiarowy,

a†czas trzeciej fazy T cd odpowiada

przy ca³kowitym k¹cie ob-

rotu 270..300 o .

Na rys. 3 przedstawiono sche-

mat kompletnego z³¹cza game por-

tu . Warto zwrÛciÊ uwagÍ na nie-

jednoznacznoúÊ w†opisie wypro-

wadzenia nr 8. NiektÛre ürÛd³a

wskazuj¹ na ten pin jako nie

pod³¹czony (N.C.), inne przypisuj¹

mu napiÍcie zasilania (+5V). Sy-

tuacja jest podobna dla wyprowa-

dzeÒ numer 12 i†15, jeúli port

umieszczony na karcie I/O (pin

12) jest po³¹czony z†mas¹, a†15

pozostaje wolny. W†portach gier

na kartach muzycznych styki te s¹

wykorzystywane do komunikacji

z†urz¹dzeniami MIDI. Na wypro-

wadzeniu 12 jest sygna³ wyjúciowy

MIDI TXD, a†na 15 MIDI RXD.

Przyk³adowy schemat dwuosio-

wego joysticka z†dwoma przycis-

JOYSTICK A

JOYSTICK B

+5V

PRZYCISK 1A

PRZYCISK 1B

POTENCJOMETR XA

POTENCJOMETR XB

MASA

MASA (MIDI TXD)

MASA

POTENCJOMETR YB

POTENCJOMETR YA

PRZYCISK 2B

PRZYCISK 2A

N.C. (MIDI RXD)

+5V/N.C.

GNIAZDO DB15

Rys. 3. Złącze game portu.

Elektronika Praktyczna 4/2001

³adowaÊ przez po³¹czone szerego-

wo elementy Rt i†Pt. Czas trwania

impulsu wyjúciowego moøe byÊ

obliczony ze wzoru:

T†= 1,1*(Pt+Rt)*Ct

Rezystor Rt ogranicza pr¹d

tranzystora roz³adowuj¹cego

w†przypadku, gdy Pt jest zwarty.

Jedynie zmienn¹ wartoúÊ ma re-

zystancja potencjometru Pt, ktÛra

moøe przybieraÊ wartoúci od blis-

kich zeru przy wychyleniu dr¹øka

w†lewo (lub w†przÛd), do

100..150k

Joystick komputerowy dla osób niepełnosprawnych

cjometrÛw zastosowano ich elek-

troniczne odpowiedniki firmy

Analog Devices o†symbolu

AD8402-AN100. W†14-nÛøkowej

obudowie znajduj¹ siÍ dwa 256-

pozycyjne potencjometry RDAC

sterowane szeregow¹, trÛjprzewo-

dow¹ magistral¹ SPI. Dwa dodat-

kowe wejúcia umoøliwiaj¹ asyn-

chroniczne ustawienie potencjo-

metrÛw w†po³owie zakresu (/RS)

i†roz³¹czenie wyprowadzenia Ax

z†rÛwnoczesnym po³¹czeniem ìsu-

wakaî Wx z†koÒcÛwk¹ Bx

(\SHDN). Potencjometry s¹ produ-

kowane w†wersji jedno- (AD8400),

dwu- (AD8402) i†czterokana³owej

(AD8403). DostÍpne wartoúci re-

zystancji úcieøki to 1k

stosowano dodatkowy bezpiecznik

kasowalny B1 typu MultiFuse

firmy Bourns. Jest to element,

ktÛry juø przy niewielkim prze-

kroczeniu pr¹du znamionowego

(100mA dla MF-R-010) roz³¹cza

zabezpieczany obwÛd. Po usuniÍ-

ciu przyczyny zwarcia bezpiecz-

nik sam powraca do stanu pocz¹t-

kowego.

Zasilanie uk³adÛw scalonych

jest blokowane kondensatorami

C3, C4, C5 o†pojemnoúci 100nF

i†jednym kondensatorem elektroli-

tycznym C8 o†pojemnoúci 100

SW1

0..100k

SW2

WTYK DB15

Rys. 4. Schemat elektryczny

standardowego joysticka.

Tomasz Gumny, AVT

tomasz.gumny@ep.com.pl

kami pokazano na rys. 4 . Ze

wzglÍdu na tolerancjÍ elementÛw

Rt i†Ct oraz rÛøne zakresy zmien-

noúci Pt, nie moøna jednoznacz-

nie stwierdziÊ, jaki czas impulsu

odpowiada okreúlonemu po³oøe-

niu dr¹øka. Dlatego po pod³¹cze-

niu nowego joysticka do kompu-

tera konieczne jest przeprowadze-

nie kalibracji. Jak dokonaÊ takiej

kalibracji w†systemie Windows 95/

98, opiszemy w†czÍúci poúwiÍco-

nej uruchamianiu joysticka.

Teraz wrÛÊmy do naszego uk³a-

du. Zamiast tradycyjnych poten-

(-AN1),

DziÍkujÍ firmie ALFINE z†Poz-

nania za udostÍpnienie elemen-

tÛw firm Analog Devices

i†Bourns.

10k

(-AN10), 50k

(-AN50)

(-AN100).

ByÊ moøe niektÛrzy z†Was za-

uwaø¹, øe do zmiany czasu im-

pulsu wyjúciowego w†timerze 555

wystarczy proste ürÛd³o pr¹dowe

i†wcale nie jest konieczne stoso-

wanie takich - b¹dü co b¹dü -

z³oøonych elementÛw. Jeúli w†do-

datku bÍdzie to ürÛd³o sterowane

napiÍciowo z†wyjúcia akcelero-

metru, to okaøe siÍ, øe zbÍdny

jest mikrokontroler! W†zasadzie

zgadzam siÍ z†tym. Jest jednak

pewne ìaleî. Nie moøemy mieÊ

pewnoúci, czy w†jakiejú p³ycie

g³Ûwnej lub karcie düwiÍkowej

(zwykle tam znajduje siÍ game

port), nie zastosowano innej me-

tody pomiaru. W†dodatku, proce-

sor i†tak juø mamy, bo jest

konieczny do odczytywania czuj-

nika ciúnienia.

Sterowaniem zajmuje siÍ mik-

rokontroler AT90S2313 taktowany

z czÍstotliwoúci¹ 3,58MHz. Prze-

biegu zegarowego dostarcza rezo-

nator kwarcowy Q1 z†towarzysz¹-

cymi kondensatorami C1 i†C2. Ta

odmiana AVR-ka posiada 2kB pa-

miÍci programu, 128 bajtÛw pa-

miÍci RAM i†tyle samo pamiÍci

EEPROM.

Jak wczeúniej wspomnia³em,

napiÍcie zasilaj¹ce jest pobierane

z†komputera. NapiÍcie to wystÍ-

puje na styku 1 z³¹cza DB15 game

portu . Takie wyjúcia s¹ zazwyczaj

zabezpieczane wewn¹trz kompute-

ra miniaturowymi bezpiecznikami

topikowymi. Bezpieczniki te s¹

wlutowane w†obwÛd drukowany

i†w†przypadku przepalenia, moøe-

my mieÊ powaøne problemy z†ich

lokalizacj¹ i†wymian¹. Dlatego za-

Wzory p³ytek drukowanych w for-

macie PDF s¹ dostÍpne w Internecie

pod adresem: http://www.ep.com.pl/

?pdf/kwiecien01.htm oraz na p³ycie

CD-EP04/2001B w katalogu PCB .

WYKAZ ELEMENTÓW

Rezystory

R1, R2: 10k

/0,25W

R3: 100k

/0,25W

Kondensatory

C1, C2: 22pF

C3..C7: 100nF/63V

C8: 100

F/16V

Półprzewodniki

U1: AT90S2313−10PC (zaprogramo−

wany)

U2: ADXL202JQC

U3: UTI

U4: AD8402−AN100

S1: MPX10DP

T1, T2: BC547

Różne

Q1: rezonator kwarcowy

3,579545MHz

B1: bezpiecznik MF−R−010

Z1..Z3, Z45, Z6, Z7: kołki lutownicze

Z8, Z9: ARK2 do druku

U1: podstawka DIL20

U3: podstawka DIL16

U4: podstawka DIL14

W1: mikroprzełącznik do druku

Wtyk D−SUB 15pin z obudową

Kabel 6−żyłowy o długości 3m

Elektronika Praktyczna 4/2001

i†100k

R4: 1,3M

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: