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RISC-V MCU 导盲手套

2023-05-16

RISC-V MCU 导盲手套

  • 关于本文
  • 队伍名称
  • 第一部分 设计概述
    • 1.1 设计目的
    • 1.2 应用领域
    • 1.3 主要技术特点
    • 1.4 关键性能指标
    • 1.5 主要创新点
  • 第二部分 系统组成及功能说明
    • 2.1 整体介绍
    • 2.2 各模块介绍
  • 第三部分 完成情况及性能参数
    • 3.1 可通过手机蓝牙实现经纬度设定：
  • 第四部分 总结
    • 4.1 可扩展之处
    • 4.2 心得体会
  • 第五部分 相关链接
  • 第六部分 详细方案设计
    • 收集导航模块数据
    • 处理接收数据
    • 实现充放气
    • 实现蓝牙通信
  • 第七部分 总体代码

关于本文

本项目采用沁恒RISC-V板卡/芯片，参加了2022年（第五届）全国大学生嵌入式芯片与系统设计竞赛，应用赛道为中部赛区。秉承RISC-V开源精神，本队伍选择对作品开源。

队伍名称

一零二八队

第一部分 设计概述

1.1 设计目的

为帮助视障人群更好出行，本作品设计为一款便携可穿戴式设备——导盲手套，该设备基于沁恒赤菟平台和RT-thread物联网技术，根据北斗定位模块定位，当位置处于电子围栏内部，手套下方气囊充气产生触感，处于电子围栏外部气囊放气，使用者据此提示调整路线。

1.2 应用领域

可应用于盲人导航，未来可扩展用于VR技术。

1.3 主要技术特点

基于沁恒赤菟平台和RT-thread物联网技术，并用北斗数据地图定位和超声波检测加以辅助。使用时，该项目APP先通过定位与避障，规划出电子护栏的位置和方向，使用者到达附近后会得到语音提示，气囊随之变化，使用者可根据触感调整路线从而达到导盲效果。

1.4 关键性能指标

可通过手机蓝牙连接手套进行经纬度设定，划定区域，在到达指定经纬度区域内，手套可实现充气，提醒用户到达区域，离开区域后，手套可实现放气。

1.5 主要创新点

  1. 改变了传统的拐杖避障，采用更人性化更轻松的模式，给予盲人虚拟现实的体验和与人交互的可能。

  2. 结合北斗定位模块，提供防丢保障和科学的路径规划。

第二部分 系统组成及功能说明

2.1 整体介绍

本作品主要由四部分组成：沁恒赤菟开发板、Air530北斗定位模块、手套充放气控制模块、手套主体。沁恒开发板为主要信息处理模块，负责各模块间的信息交流和数据处理。Air530模块主要负责实时定位，向赤菟开发板提供经纬度数据。手套充放气控制模块通过电磁阀和气泵，实现手套的充放气功能。
导盲手套

2.2 各模块介绍

  1. 开发板采用沁恒官方提供的赤菟开发板；
    开发板

  2. 北斗定位模块采用合宙的Air530模块，精度高，连接快；
    合宙Air530

  3. 手套充放气模块为自主设计电路，采用了12V供压的电磁阀和气泵；
    电磁阀和气泵

  4. 手套主体采用了可以实现充放气的医疗康复手套。
    手套

第三部分 完成情况及性能参数

3.1 可通过手机蓝牙实现经纬度设定：

蓝牙发送
反馈信息

  1. 当进入划定区域时，手套充气，LED1亮起。

充气
当前位置

  1. 当离开划定区域时，手套放气，LED2亮起。
    放气
    当前位置

第四部分 总结

4.1 可扩展之处

  1. 手套充放气模块需12V供压，本作品使用3节18650电池实现，过于臃肿，可通过DC-DC升压模块，用一节电池完成12V供压。
  2. 手套充放气模块现阶段使用洞洞板简单实现，未来可使用PCB，缩小模块体积。
  3. 可通过增加超声波模块达到更精确实时的避障功能。
  4. 增加姿态传感功能，使得手套上方屏幕可根据手部姿态显示信息来提示路人。

4.2 心得体会

深入理解了北斗定位模块使用原理，学会了NMEA0183 协议及其使用，深入学习串口通信和RT-Thread操作系统使用。

第五部分 相关链接

Air530定位模块使用手册
NMEA0183 协议手册（中文）
项目gitee页面

第六部分 详细方案设计

收集导航模块数据

找到两个扩展接口D8和D9作为TX与RX，接收来自导航模块的数据。将两个端口重定向到USART3，波特率经查阅导航模块手册为9600

// USART3
rt_pin_mode(55, PIN_MODE_OUTPUT_AF_PP);  // PIND8 USART3_TX
rt_pin_mode(56, PIN_MODE_INPUT);         // PIND9 USARt3_RX
// 重定位
GPIO_PinRemapConfig(GPIO_FullRemap_USART3, ENABLE);
// 初始化USART3
USART_InitStruct.USART_BaudRate = 9600;
USART_InitStruct.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
USART_InitStruct.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
USART_InitStruct.USART_Parity = USART_Parity_No;
USART_InitStruct.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
USART_InitStruct.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
USART_Init(USART3, &USART_InitStruct);
// 使能串口3
USART_Cmd(USART3, ENABLE);

导航模块定时发送数据，采用接收中断方式接收数据

// 中断初始化
USART_ITConfig(USART3, USART_IT_RXNE, ENABLE);

处理接收数据

收到的数据遵循NMEA-0831协议，经查阅知所需数据（经纬度）在#GNRMC行。
由于接收中断为每个字符产生一次，故只需检测以”#”开头的行后面是否为”GNRMC”，然后将整行用字符串变量存储。

if(USART_GetITStatus(USART3, USART_IT_RXNE) != RESET)
 {
      USART_ClearITPendingBit(USART3,USART_IT_RXNE);
      tmp = USART_ReceiveData(USART3);
      if(tmp == '$' && flag == 0)
      {
          flag = 1;
      }
      if(flag && tmp != '$')
      {
          buf[index++] = tmp;
      }
      if(flag && (tmp == '$' || index == 100) && index > 3)
      {
          if(buf[0] == 'G' && buf[1] == 'N' && buf[2] == 'R')
          {
              strcpy(gnrmc, buf);
              printf("%s", gnrmc);
              rt_pin_write(AIR_IN_PIN, PIN_LOW);
              rt_pin_write(AIR_OUT_PIN, PIN_LOW);
              break;
          }
          index = 0;
          memset(buf, 0, sizeof(buf));
      }
  }

根据协议，利用数逗号方法，提取出N/S前的数字作为维度，提取出E/W前的数字作为经度

// 经纬度
longt = 0; lat = 0;
u_int8_t i, c, count = 0;
for(i = 0; i < 100; i++)
{
    c = gnrmc[i];
    if(c == ',') count++;
    if(count == 3)
    {
        c = gnrmc[i + 1];
        if(c >= '0' && c <= '9') lat = lat * 10 + (u_int32_t)(c - '0');
        else if(c == '.');
        else if(c == ',')
        {
            count++;
            i++;
        }
    }
    if(count == 5)
    {
        c = gnrmc[i + 1];
        if(c >= '0' && c <= '9') longt = longt * 10 + (u_int32_t)(c - '0');
        else if(c == '.');
        else if(c == ',') break;
    }
}

实现充放气

实际上利用两个扩展接口实现充放气功能，这里用两个LED灯指示。初始状态两个LED等均灭，进入范围后LED1亮，LED2灭；出范围后均亮
实现方法，直接判断读取到的当前经纬度是否在设置范围内
如果在范围内，开始充气，到界限后停止充气；出范围后，放气。

 if(longt <= longt_right && longt >= longt_left && lat <= lat_up && lat >= lat_down)
 {
     // 亮LED1
     rt_pin_write(LED1_PIN, PIN_LOW);
     rt_pin_write(LED2_PIN, PIN_HIGH);
     // 充气
     if(has_gas <= 4)
     {
         rt_pin_write(AIR_IN_PIN, PIN_HIGH);
         has_gas++;
     }
 }
 else
 {
     if(rt_pin_read(LED1_PIN) == 0)
     {
         // 亮LED2
         rt_pin_write(LED2_PIN, PIN_LOW);
         // 放气, 无论什么状态，放气 1个时间单位， 置充气位为0；
         if(has_gas)
         {
             rt_pin_write(AIR_OUT_PIN, PIN_HIGH);
             has_gas = 0;
         }

     }
 }

实现蓝牙通信

接收导航数据相同，另找两个扩展接口C2与C3作为TX与RX端，重定位为UART7，需要另打开蓝牙模式

    rt_pin_mode(32, PIN_MODE_INPUT_PULLUP);  //PINA7 BLUETOOTH MODE

在更改边界时，通过uart7向蓝牙发送信息，进行选择，信息的接收依旧使用rx中断接收

UART_SendString(UART7, "Change boundary? 1 - Yes  2- No");

// 发送当前经纬度
// 发送当前经纬度
char *s1 = "\r\nCurrent Latitude:    ",
     *s2 = "\r\nCurrent Longitude: ";
char t[20];
UART_SendString(UART7, s1);
itoa(lat, t, 10);
UART_SendString(UART7, t);
UART_SendString(UART7, s2);
itoa(longt, t, 10);
UART_SendString(UART7, t);

UART_SendString(UART7, "\r\nYour option: ");
u_int8_t op, count, print_flag;
u_int8_t num[20], index, c;
memset(num, 0, sizeof(num));

依次输入四个边界点，以’#’为中止

while(USART_GetITStatus(UART7, USART_IT_RXNE) == RESET);
 // 接收选择
 if(USART_GetITStatus(UART7, USART_IT_RXNE) != RESET)
 {
     USART_ClearITPendingBit(UART7, USART_IT_RXNE);
     op = USART_ReceiveData(UART7);
     if(op == '2')
     {
         UART_SendString(UART7, "2\r\nBoundary unchange!\r\n");
         return;
     }
     UART_SendString(UART7, "1\r\nInput the new boundary ended with '#':\r\n");
     // 1 - 维度上边界
     count = 1;
     print_flag = 1;
     index = 0;
     while(1)
     {
         if(print_flag)
         {
             switch(count)
             {
             case 1: UART_SendString(UART7, "Latitude_Up:        "); break;
             case 2: UART_SendString(UART7, "\r\nLatitude_Down:   "); break;
             case 3: UART_SendString(UART7, "\r\nLongitude_Left:   "); break;
             case 4: UART_SendString(UART7, "\r\nLongitude_Right: "); break;
             case 5: UART_SendString(UART7, "\r\nEnd!"); return;
             }
         }
         while(USART_GetITStatus(UART7, USART_IT_RXNE) == RESET);
         if(USART_GetITStatus(UART7, USART_IT_RXNE) != RESET)
         {
             USART_ClearITPendingBit(UART7, USART_IT_RXNE);
             c = USART_ReceiveData(UART7);
             print_flag = 0;
             num[index++] = c;
             if(c == '#')
             {
                 if(count == 1)      lat_up = to_int(num);
                 else if(count == 2) lat_down = to_int(num);
                 else if(count == 3) longt_left = to_int(num);
                 else if(count == 4) longt_right = to_int(num);
                 UART_SendString(UART7, num);
                 memset(num, 0, sizeof(num));
                 count++;
                 index = 0;
                 print_flag = 1;
             }
         }
     }
 }

第七部分 总体代码 

/* 该文件基于RT-thread系统，仅显示main.c内容 */
#include "ch32v30x.h"
#include <rtthread.h>
#include <rthw.h>
#include "drivers/pin.h"
#include <debug.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>

#define LED1_PIN    42   //PE11
#define LED2_PIN    43   //PE12

#define AIR_IN_PIN  57   //PD10
#define AIR_OUT_PIN 58   //PD11

#define CH_EDGE_IT_INIT 5

// 经纬度限界
u_int32_t longt_left, longt_right, lat_up, lat_down;

// 经纬度
u_int32_t longt, lat;

// 显示经纬度
u_int8_t started = 0;

// 更改限界中断间隔
u_int8_t change_edge_it = CH_EDGE_IT_INIT;

// 气体容量
u_int8_t has_gas = 0;

void Init_UART()
{
    //USART1
    rt_pin_mode(68, PIN_MODE_OUTPUT_AF_PP);  //PINA9  USART1_TX
    rt_pin_mode(69, PIN_MODE_INPUT);         //PINA10 USARt1_RX

    //USART3
    rt_pin_mode(55, PIN_MODE_OUTPUT_AF_PP);  //PIND8 USART3_TX
    rt_pin_mode(56, PIN_MODE_INPUT);         //PIND9 USARt3_RX

    // UART7
    rt_pin_mode(17, PIN_MODE_OUTPUT_AF_PP);  //PINC2 USART7_TX
    rt_pin_mode(18, PIN_MODE_INPUT);         //PINC3 USART7_RX
    rt_pin_mode(32, PIN_MODE_INPUT_PULLUP);  //PINA7 BLUETOOTH MODE

    USART_InitTypeDef USART_InitStruct;

    // 开时钟（USART1 TX-A9 RX-A10）
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1| RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_USART3| RCC_APB1Periph_UART7, ENABLE);

    GPIO_PinRemapConfig(GPIO_FullRemap_USART3, ENABLE);

    // 初始化USART3
    USART_InitStruct.USART_BaudRate = 9600;
    USART_InitStruct.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
    USART_InitStruct.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
    USART_InitStruct.USART_Parity = USART_Parity_No;
    USART_InitStruct.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
    USART_InitStruct.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
    USART_Init(USART3, &USART_InitStruct);

    // 使能串口3
    USART_Cmd(USART3, ENABLE);

    // 初始化USART1
    USART_InitStruct.USART_BaudRate = 115200;
    USART_InitStruct.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
    USART_InitStruct.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
    USART_InitStruct.USART_Parity = USART_Parity_No;
    USART_InitStruct.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
    USART_InitStruct.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
    USART_Init(USART1, &USART_InitStruct);

    // 使能串口1
    USART_Cmd(USART1, ENABLE);

    // 初始化USART7
    USART_InitStruct.USART_BaudRate = 9600;
    USART_InitStruct.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
    USART_InitStruct.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
    USART_InitStruct.USART_Parity = USART_Parity_No;
    USART_InitStruct.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
    USART_InitStruct.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
    USART_Init(UART7, &USART_InitStruct);

    // 使能串口7
    USART_Cmd(UART7, ENABLE);

    // 中断初始化
    USART_ITConfig(USART3, USART_IT_RXNE, ENABLE);
    USART_ITConfig(UART7,  USART_IT_RXNE, ENABLE);

}

void UART_SendByte(USART_TypeDef * USARTx,uint8_t data)
{
    USART_SendData(USARTx, data);
    while(!USART_GetFlagStatus(USARTx, USART_FLAG_TXE));
}

void UART_SendString(USART_TypeDef * USARTx,char* string)
{
    char *str = string;
    while(*str)
    {
        UART_SendByte(USARTx,*str);
        str++;
    }
}

u_int32_t to_int(u_int8_t *num)
{
    u_int8_t i;
    u_int32_t result = 0;
    for(i = 0; i < 20; i++)
    {
        if(num[i] == '#')
            return result;
        else
        {
            result = result * 10 + (num[i] - '0');
        }
    }
    return 0;
}

void change_edge()
{
    UART_SendString(UART7, "Change boundary? 1 - Yes  2- No");

    // 发送当前经纬度
    // 发送当前经纬度
    char *s1 = "\r\nCurrent Latitude:    ",
         *s2 = "\r\nCurrent Longitude: ";
    char t[20];
    UART_SendString(UART7, s1);
    itoa(lat, t, 10);
    UART_SendString(UART7, t);
    UART_SendString(UART7, s2);
    itoa(longt, t, 10);
    UART_SendString(UART7, t);


    UART_SendString(UART7, "\r\nYour option: ");
    u_int8_t op, count, print_flag;
    u_int8_t num[20], index, c;
    memset(num, 0, sizeof(num));

    while(USART_GetITStatus(UART7, USART_IT_RXNE) == RESET);
    // 接收选择
    if(USART_GetITStatus(UART7, USART_IT_RXNE) != RESET)
    {
        USART_ClearITPendingBit(UART7, USART_IT_RXNE);
        op = USART_ReceiveData(UART7);
        if(op == '2')
        {
            UART_SendString(UART7, "2\r\nBoundary unchange!\r\n");
            return;
        }
        UART_SendString(UART7, "1\r\nInput the new boundary ended with '#':\r\n");
        // 1 - 维度上边界
        count = 1;
        print_flag = 1;
        index = 0;
        while(1)
        {
            if(print_flag)
            {
                switch(count)
                {
                case 1: UART_SendString(UART7, "Latitude_Up:        "); break;
                case 2: UART_SendString(UART7, "\r\nLatitude_Down:   "); break;
                case 3: UART_SendString(UART7, "\r\nLongitude_Left:   "); break;
                case 4: UART_SendString(UART7, "\r\nLongitude_Right: "); break;
                case 5: UART_SendString(UART7, "\r\nEnd!"); return;
                }
            }
            while(USART_GetITStatus(UART7, USART_IT_RXNE) == RESET);
            if(USART_GetITStatus(UART7, USART_IT_RXNE) != RESET)
            {
                USART_ClearITPendingBit(UART7, USART_IT_RXNE);
                c = USART_ReceiveData(UART7);
                print_flag = 0;
                num[index++] = c;
                if(c == '#')
                {
                    if(count == 1)      lat_up = to_int(num);
                    else if(count == 2) lat_down = to_int(num);
                    else if(count == 3) longt_left = to_int(num);
                    else if(count == 4) longt_right = to_int(num);
                    UART_SendString(UART7, num);
                    memset(num, 0, sizeof(num));
                    count++;
                    index = 0;
                    print_flag = 1;
                }
            }
        }
    }
    return;
}

void Daomang()
{
    Init_UART();
    rt_pin_mode(LED1_PIN, PIN_MODE_OUTPUT);
    rt_pin_mode(LED2_PIN, PIN_MODE_OUTPUT);
    rt_pin_mode(AIR_IN_PIN, PIN_MODE_OUTPUT);
    rt_pin_mode(AIR_OUT_PIN, PIN_MODE_OUTPUT);

    uint8_t capcity = 100;
    char buf[capcity], gnrmc[capcity];
    uint8_t index, tmp;
    int flag;

    rt_pin_write(LED1_PIN, PIN_HIGH);
    rt_pin_write(LED2_PIN, PIN_HIGH);

    lat_up      = 30462290;      // 上
    lat_down    = 30462250;      // 下

    longt_left  = 120182900;     // 左
    longt_right = 120183100;     // 右

//    change_edge();

    while(1)
    {
        index = 0; flag = 0;
        memset(buf, 0, sizeof(buf));
        memset(gnrmc, 0, sizeof(gnrmc));
        while(1)
        {
            if(USART_GetITStatus(USART3, USART_IT_RXNE) != RESET)
            {
                USART_ClearITPendingBit(USART3,USART_IT_RXNE);
                tmp = USART_ReceiveData(USART3);
                if(tmp == '$' && flag == 0)
                {
                    flag = 1;
                }
                if(flag && tmp != '$')
                {
                    buf[index++] = tmp;
                }
                if(flag && (tmp == '$' || index == 100) && index > 3)
                {
                    if(buf[0] == 'G' && buf[1] == 'N' && buf[2] == 'R')
                    {
                        strcpy(gnrmc, buf);
                        printf("%s", gnrmc);
                        rt_pin_write(AIR_IN_PIN, PIN_LOW);
                        rt_pin_write(AIR_OUT_PIN, PIN_LOW);
                        break;
                    }
                    index = 0;
                    memset(buf, 0, sizeof(buf));
                }
            }
        }
        // 经纬度
        longt = 0; lat = 0;
        u_int8_t i, c, count = 0;
        for(i = 0; i < 100; i++)
        {
            c = gnrmc[i];
            if(c == ',') count++;
            if(count == 3)
            {
                c = gnrmc[i + 1];
                if(c >= '0' && c <= '9') lat = lat * 10 + (u_int32_t)(c - '0');
                else if(c == '.');
                else if(c == ',')
                {
                    count++;
                    i++;
                }
            }
            if(count == 5)
            {
                c = gnrmc[i + 1];
                if(c >= '0' && c <= '9') longt = longt * 10 + (u_int32_t)(c - '0');
                else if(c == '.');
                else if(c == ',') break;
            }
        }


        // 更改经纬度限界
        if(started == 0){
            started ++;
        }
        else if(started == 1){
            change_edge();
            started ++;
        }
        else{
            printf("Latitude:  %d\r\nLongitude: %d\r\n", lat, longt);
            printf("lau: %d\r\nlad: %d\r\nlol: %d\r\nlor: %d\r\n",lat_up,lat_down,longt_left,longt_right);
        }
        if(longt <= longt_right && longt >= longt_left && lat <= lat_up && lat >= lat_down)
        {
            // 亮LED1
            rt_pin_write(LED1_PIN, PIN_LOW);
            rt_pin_write(LED2_PIN, PIN_HIGH);
            // 充气
            if(has_gas <= 4)
            {
                rt_pin_write(AIR_IN_PIN, PIN_HIGH);
                has_gas++;
            }

        }
        else
        {
            if(rt_pin_read(LED1_PIN) == 0)
            {
                // 亮LED2
                rt_pin_write(LED2_PIN, PIN_LOW);
                // 放气, 无论什么状态，放气 1个时间单位， 置充气位为0；
                if(has_gas)
                {
                    rt_pin_write(AIR_OUT_PIN, PIN_HIGH);
                    has_gas = 0;
                }

            }
        }
    }
}

int main()
{
    rt_kprintf("\r\n MCU: CH32V307\r\n");
    rt_kprintf(" SysClk: %dHz\r\n",SystemCoreClock);
    rt_kprintf(" www.wch.cn\r\n");

    while(1)
    {
        rt_thread_mdelay(500);
    }
}
MSH_CMD_EXPORT(Daomang,test);
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