基于STM32的元宇宙VR头戴式显示系统设计.pdf

1引言虚拟现实（Virtual Reality,VR）技术1被视为元宇宙（Metaverse）2最重要的入口技术。受到元宇宙的带动，VR 产业也自然迎来爆发式发展。目前，元宇宙 VR 技术已经广泛应用于娱乐游戏、军事、医疗等领域3。本研究主要采用调查法分析当代社会对元宇宙虚拟现实系统设备的需求，据此开发一款元宇宙 VR 头戴式显示系统，使 VR 视觉图像能正常显示。基于 STM32F407 微控制器4开发体感手持式遥控终端。通过 Android Studio 和 MDK 等开发环境编写代码，实现人机交互，对虚拟现实显示终端进行控制，再通过测试法，测量基本功能是否达到要求。2系统设计方案本设计元宇宙 VR 头戴式显示系统的结构功能框图如图 1 所示。系统主要包括元宇宙 VR 头戴式显示终端 APP 和手持式遥控终端两部分。系统具体功能如下：1）头戴式显示终端 APP：包括全息视频、3D 视基于 STM32 的元宇宙 VR 头戴式显示系统设计*高菲1，申华1，王莉1，潘鹤明2（1.大连东软信息学院智能与电子工程学院，大连 116023；2.大连东软信息学院科研部，大连 116023）摘要:为迎合元宇宙 VR 技术快速发展的大背景，设计一款元宇宙 VR 头戴式显示系统。系统包括终端 APP 和手持式遥控终端。显示终端 APP 采用 Android 技术设计；手持式遥控设备采用STM32 嵌入式微控制器技术实现。通过手持式遥控终端控制 APP 采集头戴式显示终端里陀螺仪、方向感应器传递的数据，再通过蓝牙模块传输给手持遥控终端，实现视角、场景的切换。利用陀螺仪采集手持式遥控端运动数据，实现体感遥控功能。另外增设 2.4GHz 无线通信功能，兼容市面上现有的元宇宙 VR 一体机。本设计具有一定的节约性、创新性和实际应用价值。关键词：STM32 单片机；元宇宙；虚拟现实；头戴式显示系统；遥控终端DOI：10.3969/j.issn.1002-2279.2023.04.013中图分类号:TP391文献标识码:A文章编号：1002-2279（2023）04-0047-04Design of Metaverse VR Head-Mounted Display SystemBased on STM32GAO Fei1,SHEN Hua1,WANG Li1,PAN Heming2(1.School of Intelligence&Electronic Engineering,Dalian Neusoft University of Information,Dalian 116023,China;2.Research Department,Dalian Neusoft University of Information,Dalian 116023,China)Abstract:In order to meet the background of the rapid development of Metaverse VR technology,aMetaverse VR head-mounted display system is designed.The system includes terminal APP and handheldremote control terminal.The display terminal APP is designed with Android technology.The handheldremote control device is realized by STM32 embedded microcontroller technology.The handheld remotecontrol terminal controls the APP to collect the data transmitted by the gyroscope and the direction sensorin the head-mounted display terminal,and then transmits the data to the handheld remote control terminalthrough the Bluetooth module,so as to switch the viewing angle and the scene.Using gyroscope to collectthe motion data of handheld remote control terminal,the somatosensory remote control function is realized.In addition,2.4 GHz wireless communication function is added,which is compatible with the existingMetaverse VR all-in-one machine on the market.The design is economical,innovative and practical.Key words:STM32;Metaverse;VR;HMD;RCT基金项目：大连东软信息学院科技创新奖补项目(TIFP202304)作者简介：高菲（1986），女，吉林省通化市人，副教授，博士在读，主研方向：计算机视觉。收稿日期：2023-02-28*微处理机MICROPROCESSORS第 4 期2023 年 8 月No.4Aug.，2023微处理机2023 年频播放、元宇宙场景体验、VR 游戏这四个功能子界面。此外还有设置、用户信息等其他 APP 通用功能。2）手持式遥控终端：包括主控模块、蓝牙模块、陀螺仪模块、2.4GHz 无线模块、摇杆按键和小型液晶屏等。本设计可以使用户不必购买价格昂贵的 VR 头显系统，而直接使用现有的价格便宜的带菲涅尔透镜的 VR 头戴式显示器机械外壳5，将用户的手机直接装入外壳中。用户手机只需安装本设计开发的APP，连接本设计研发的手持式遥控设备，即可体验元宇宙 VR 世界，具体包括全息投影、3D 视频、VR游戏、元宇宙场景等功能6。3遥控终端硬件电路设计3.1STM32 主控模块STM32 主控模块主要实现信号的分析与处理，保证遥控终端系统运行，其电路图如图 2 所示。采用 STM32F407 作为主控芯片，其中晶振和无极性电容组成时钟电路，为主控芯片工作提供时钟信号。3.3V 电源与 GND 之间的多个电容也是电源滤波电路，滤除电路中的干扰信号，为电路提供稳定的电源。图中的多个电容为退耦电容，其主要作用是为有源器件提供一个局部的稳定直流电源，降低开关噪声在电路板上的传播，将产生的噪声信号引导到公共地上。上拉电阻 R18和 C30组成系统复位电路。晶振电路、复位电路、主控芯片以及电源共同构成主控电路的最小系统电路。特别地，由于STM32 主控芯片的引脚数量比较多，故将构成最小系统电路的多个引脚单独引出绘制电路原理图，以使电路结构更加清晰，电路原理图的可读性更强。3.2陀螺仪运动数据采集电路为增强用户的沉浸感，采用体感式遥控 APP 界面实现功能选择和 VR 游戏畅玩。本设计的手持式遥控设备增设了 MPU6050 陀螺仪传感器电路。MPU6050 内部集成了加速度计与陀螺仪，避免了轴间差的问题，且具有体积小、灵敏度高等优点7。该芯片内置数字运动处理器（DMP）硬件加速引擎，通过 I2C 接口，向手持式遥控设备的主控芯片实时输出完整的 9 轴融合的姿态演算数据，非常适于检测人手部姿态动作8。通过该传感器，不仅可以降低处理运算给主控制器带来的负担，而且速度更快，实时性更高。通过 MDK IDE 软件编程实现 I2C 总线在传送数据过程中的三种信号：开始信号、结束信号和应答信号。陀螺仪传感器电路原理图如图 3 所示。3.3摇杆和按键交互电路摇杆和按键用来实现全息视频或 3D 视频场景旋转以及 VR 游戏人或物品的交互，还可通过 APP的设置修改摇杆和按键的功能，进行用户个性化设置。摇杆内部是 X 和 Y 轴两方向的可调电位器。摇杆在不同位置，接入电路的电阻值不同，分压大小不同，因此可以通过主控芯片的 2 路模数转换器 ADC采集 X 和 Y 轴两个方向的电压值，以此判断摇杆位置。例如 X 轴摇杆移动到最底端为最大分压 3.3V，移动到最顶端为最小分压 0V；其他位置通过 X 和 Y轴两路电压值联动读取。使用主控芯片普通的 GPIO引脚读取按键按下或未按下的位值，摇杆电位器示意图和具体电路原理图如图 4 所示。图 2STM32 主控模块电路图图 1系统结构功能框图APP主界面主控模块摇杆和按键等小型液晶屏全息视频3D视频无线元宇宙场景/VR游戏显示终端APP手持式遥控终端蓝牙模块2.4GHz无线模块陀螺仪蜂鸣器图 3陀螺仪 MPU6050 电路图窑48窑4 期3.4无线通信电路无线通信模块包括蓝牙与 2.4GHz 无线两部分，电路图如图 5 所示。蓝牙模块用来实现与头戴式显示终端的无线通信，实现人机交互。采用 HC-05 主从一体蓝牙串口芯片，支持波特率范围为 48001382400b/s，可与各种带蓝牙功能的手机、电脑、蓝牙主机等智能终端配对。蓝牙模块通过串口通信协议与主控芯片进行通信。RX 与 TX 分别接上拉电阻和二极管。上拉电阻可以使引脚即使在未连接外部组件的时候也能保持确定的逻辑电平，有外部信号时跟随外部信号；二极管保证两根数据线上的数据为单向传输。使用蓝牙来进行数据透传，是为了实现手持遥控设备的按键、摇杆等数据无线传输到显示终端，既方便用户的操作，又保证了设备的便携性和良好的体验感。2.4GHz 无线模块是附加模块，兼容市面上常用的 VR 一体机无线操作功能。可在具备 Android 系统的 VR 一体机中安装本设计开发的 APP，再通过2.4GHz 模块实现遥控通信。该模块通过 SPI 通信协议与主控芯片通信。3.5电源管理电路手持式遥控终端涉及处理的电源信号共有三个：电池电压、5V 和 3.3V。3.3V 和 5V 电压信号由3.7V 微型锂电池通过升压和降压电路获得。模块的具体电路原理图如图 6 所示。图中，通过升压电路，3.7V 微型锂电池通过肖特基二级管 D2整流并通过滤波电路输入到后端的升压电路中。升压电路使用的芯片型号为 BL8530，该芯片是一款采用电压型脉冲频率调制（PFM）控制模式的开关型 DC-DC 升压稳压芯片。PFM 控制电路是 BL8530 的核心，其根据其他模块传递的输入电压信号、负载信号和电流信号来控制功率管的开关，从而达到控制电路恒压输出的作用。降压电路则是选用低压差线性稳压（LDO）芯片SPX3819-3.3 来实现的，它的噪声、功耗都较低，而精度较高，是常用的 LDO 芯片。输入和输出的电容起到滤除不同频率的噪声纹波的作用。图 6 中的 U4是锂电池充电芯片，型号为 PJ4054，适合于 USB 充电规格，其内部是 MOSFET 构造，无需外部接电阻和二极管即可稳定工作。根据芯片手册，需保证 PROG 端电压，因此将其通过电阻稳定接入 USB 输入电压 VCC 端。IN 端为 USB 充电电压输入端，通过电容滤除 USB 端口插拔带来的噪声纹波。J2是预留的 USB 接口，便于后续 USB 外部设备接入手持式遥控设备。4软件流程设计软件设计主要包含头戴式显示终端 APP 的全息场景再现、立体 3D 电影播放和 VR 游戏等功能，以及手持式遥控终端的嵌入式软件设计两大部分。全息场景再现、立体 3D 电影播放等 VR 功能通过 Android 系统开发，主要利用谷歌 VR 开源代码实现，具体设计步骤流程为：1）首先，运行主程序，进入主活动，通过更新或查看文件列表，选择 VR 视频类型的文件；读入视频成功后，通过调用相关的多媒体播放器方法对多媒体进行设置；图 4摇杆电位器转电压示意图及电路图(b)2.4GHz图 5无线通信模块电路图(a)蓝牙图 6电源管理电路图高菲等：基于 STM32 的元宇宙 VR 头戴式显示系统设计窑49窑微处理机2023 年图 7头戴式显示终端 APP 界面2）调用“多媒体播放器设置数据源”Mediaplayer.setDataSource()方法以设置视频文件的路径；3）通过“多媒体播放器准备”Mediaplayer.prepare()方法将多媒体播放器 Mediaplayer 对象置为准备状态；4）通过“多媒体播放器启动”Mediaplayer.start()方法播放视频，此时可以进行音量、进度的调节，以及暂停播放、重置播放等操作。5）播放完成后，多媒体播放器 Mediaplayer 对象将进入“播放完成”PlaybackCompleted 状态，此时可以选择其他视频文件，进行新视频的播放或退出。手持交互终端 STM32 软件设计流程为：先进行系统时钟和 OLED 等各个模块的初始化，以备系统后续调用，随后驱动 HC-05 蓝牙模块，并与头戴式显示终端 Android APP 进行配对。配对成功后通过串口向头戴式显示终端发送陀螺仪和摇杆按键等控制数据，实现交互。5系统实现通过界面设计开发，头戴式显示终端 APP 界面如图 7 所示。通过 PCB 布线，绘制印制电路板，最终采购元器件焊接测试电路板。手持式交互终端的印制电路板正反面与整体成品的实物图如图 8 所示。对系统进行测试，包括：蓝牙配对、Wi-Fi 联网、FPV（First Person View，第一人称主视角）图传、路由器配置、元宇宙 VR 显示功能等。经测试，系统各项功能均已实现，运行状况稳定。6结束语本设计功能符合用户需求，能够完成 VR 图像显示、全息场景再现、3D 电影播放、VR 游戏等功能。操作简便，实景展现真实，系统功能全面。未来可以在该系统的远程图像传输实时性的提高和操作界面上继续加以改善，并改进设计原理，优化系统功能，致力于呈现更加完善的元宇宙虚拟现实世界。参考文献：1高颖,连明,苏蒍,等.无人机操纵模拟训练中的 VR 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