关于嵌入式应用的一篇外文翻译

1、带有CREATE USB接口的教学互动平台代替用户图形平台应用在音乐交互设计中 Dan Overholt摘 要CREATE USB接口, 或CUI, 是一个促进新乐器和其他互动艺术项目开发的研究与教学工具。在教学音乐及相关媒体艺术方面，提出了一个极强的响应控制方法，一个与传统HCI不同的设计理论。一个名为媒体接口技术的新课题被提出，给予学生必要的工程专业知识和审美意识来创造成功的输入/输出设备，在音乐合成或其他交互算法上描绘功能。1 介绍在加州大学圣芭芭拉分校电子艺术技术及媒体艺术和技术程序研究中心的研究生课程，我们使用新的比喻将艺术互动与物理世界及虚拟境界联系起来。我们开发新技术，计算产生无

2、数的音乐方式和视觉艺术；但为了提出这些技术，我们必须创造新的传感器，并建立接口，以更好地掌握其控制与产生。CREATE USB接口允许我们结合身体动作和程序使其与数字表达相符。为了简化虚拟与现实世界连接的这一过程，CUI需要提供基本的电子传感器捕捉输入或控制执行器输出。CUI配备了一个USB接口，电源/活动LED灯，一个复位按钮，一个编程按钮，外部传感器连接引脚以及一个引脚扩展区域。这块板的核心是PIC18F4550，灵活的微控制器由微芯技术公司制造。PIC18F4550是由十三个A/D输入端，十八个通用I/O端口，内置USB支持，以及像RISC这样的高效的指令集组成。CUI电路只使用其中一个

3、PIC的I/O端口；其余端口可以作为连接到传感器/执行器或其它电路区兴建原型的用户应用。 图1.CREATE USB接口v1.0CUI为其他电子艺术作品提供了一个灵活、易于扩展的平台。它允许权宜界面的新原型开发，并在很多商业解决方案中具有优势这是一些成本较低的、直接的USB传输（没有MIDI或串行接口所需），可通过USB电缆供电，电路和固件可以完成从零开始的“本地”设计，由于在底层（如固件细节和中断处理）有芯片（本身）的（固件库）支持。2 媒体接口技术课程媒体接口技术课程旨在探讨电脑音乐，视觉艺术，反应迅速的高性能系统，以及环境和互动的传感器装置技术使用。学生获得当前技术的深入分析，取得经验，

4、来研究和发展他们自己工作中的定制传感器系统。它介绍了许多传感器技术的原理和操作，并讨论其在新的乐器、手势的人机接口、视觉与空间艺术的应用。它涵盖了包括模拟/数字电子在内的计算机接口系统与人为因素及交互方式相结合的设计。这是一个带有实验室和学生项目的应用理论课程，可以在后续过程中作为独立研究。课程内容包括：音乐媒体艺术的人机交互设计理论微控制器编程与定制传感器设计模拟到数字的转换与RF无线系统传感器应用与信号调节电路人机工程学、触觉与新兴接口技术压力，位置，光，惯性，电容，磁，超声波传感技术通信协议，信号处理，特征提取和映射方案包括音乐/声音，互动视觉及运动控制/机器人的输出方式2.1 课程动机

5、/目标计算方面的技术突破影响了音乐和工程，开放式表达的可能性远远超出了前几代。这特别影响我们的思维方式和艺术生产，但在很多情况下的用户互动已沦为简单的开始/停止或点/点击范式。缺乏现实世界和数字世界之间的连接严重限制了可能的交互用户的数量因此，本课程着重延长带有新奇实时接口的计算机系统。它旨在给学生提供新互动系统生产的思想和技术技能的概念框架。课程目标就是通过传感器技术的应用领域，比如新的视听接口，音乐/声音处理和空间化系统，互动装置/虚拟环境，2D/3D视频和图形接口及其他创新设备来交互操作电脑系统。预计该课程将导致作为最后一个项目的一个新接口的完成样机。成功完成本课程的学生将有机会体验通过

6、一个完整周期做原始接口的设计、试制、评估和测试。该系统显示在任期应探讨出物理作用和音乐/视觉/空间的关系，并以书面报告/网站形式来描述意图及对界面的评价。2.2 音乐互动设计框架媒体接口技术课程由媒体艺术和技术项目部，CREATE（音乐系），以及加州大学圣芭芭拉分校的艺术系提供支持。因此，本课程涉及超出音乐互动的更广泛的问题，但许多学生把项目重点放在音乐互动设计上。事实上，课程可能在某种程度上偏向涉及声音互动的设计框架，那也是由于作者在音乐接口方面的背景更坚固。有些问题在关于音乐互动设计框架的讨论中被普遍提出，其中包括：如何生成来自传感器接口的艺术表达？如何提高传感器调解内容的互动体验？如何控

7、制自由形式表达的结构？类似对于新媒体艺术的多种形式这些问题往往具有普遍性，是音乐人机交互与传统人机交互在不同设计理论方面的优秀指标。今天的数字技术为声音合成提供了极具吸引力的新方法，但典型的人机界面（点击、确认、开或关输入）缺乏具表现力的细微差别和必要的微妙（工程术语的准确度和精密度）对其进行实时有效的操纵。有了合适的框架，学生可以尝试通过设计带有CUI的更灵活的控制方法和装置来解决自己的工作。作者本身的工作是关于CUI的研究,涉及尝试匹配乐声在有形交互方面通过高度敏感的人类感知输入设备的新接口设计。从纯粹的反应系统中可看出区别，用来展示一些自主权或其他不可能完全控制的固有行为。尽管自治系统有

8、时会有些有趣的输出（例如：算法音乐），但笔者的研究往往侧重于维持大多的智力在一个人类系统而非机器系统，而将CUI作为发掘新的人类潜能的手段。有这样一个人，他努力做了一个非音乐的例子：高性能特技遥控飞机的发展，这架飞机带有新技术工具， 其中R/C飞行员掌握的技能水平已超过一个最有成就的开真飞机的飞行员。 2.3 CUI研讨会一系列的工作室已开发，用于探索使用CUI的新媒体互动接口设计。最近，2006年5月31日到6月3日有一个24天的CUI研讨会在STEIM, 阿姆斯特丹电器乐工作室举行（见图2）。其他几个场地的类似研讨会也在规划阶段，而CUI将用于Adrian Freed 和 Michael

9、Zbyszynski教的传感器车间艺术和表演，时间是在7月24日28日，加州大学伯克利分校的新音乐和音频技术中心（CNMAT）。作为艺术家，我们总是面临调查、提出新技术并纳入我们工作的挑战，同时结合这些找到我们自己的声音或表达方式。研讨会将在进程中给予帮助。 图2.STEIM的超越黑客工作室虽然这些研讨会的必要性比UCSB的媒体接口技术课程更小，他们的目的是通过提供必须的实践经验提供加速学习模式来建立渠道为实现其进一步发展，当研讨会的参与者实现自己的项目的时候。他们的目的是那些对实时软件工具已经有一些专业知识的参与者的选择，即Max/MSP/Jitter, SuperCollider, PD等

10、等,并给工作室提出一个鼓舞人心的方法以得到带有他们数字视听的“动手”数据。 3 CUI教学平台有许多实际问题包括电子原型建设等通常涉及实验课程。其中最常见的问题是设备程序员需要更新嵌入式微控制器固件。CUI解决这个问题是利用一个“引导程序”允许学生通过USB连接加载新固件到他们的CUI。这只需通过重置CUI并一直按住程序按钮就可完成。上传新的固件时状态指示灯闪烁，与此同时，另一个重置CUI运行新的代码。在课堂上，调试过程加快，因为没必要从电路中取出微控制器并等待程序员。CUI固件的编译是使用从微芯上获取的免费的C18编译器和开发环境MPLAB，在Windows（或Macintosh上的Virt

11、ual PC）上运行。然而，它并不需要经常修改CUI固件。虽然学生在媒体接口技术课程上将学习这样做的必要步骤，许多简单的以传感器为基础的（仅输入）接口可利用我们已经为CUI开发的默认固件进行开发。这对那些在加州大学圣芭芭拉分校以外使用CUI的人来说是特别有用的，一方面是因为他们不需要另外购买设备编程器便能更新固件，另一方面默认固件程序与很多其他的传感器和主机“开箱即用”。3.1 HID与串行数据传输CUI使用一部分所谓HID的USB规格，对于人体学输入设备，就像今天的许多即插即用的外设一样。它可以在OS X，Windows和Linux主机上运作，枚举作为多轴、多键的游戏控制器类型的设备，从而用

12、程序简单的收集数据，如Pd, Max/MSP/Jitter, Super Collider以及其他支持USB游戏控制器的程序。它以100Hz的速率发送更新，默认固件配置发送所有的13个模拟输入和12个数字输入到电脑主机。模拟输入使用具有10位精度的PIC单片机的内部A/D转换器进行采样。事实上，PIC微控制器用于CUI的内置USB支持，而不是依赖另一个芯片通过USB中继数据是其主要优势之一。许多其他接口（如Arduino, Wiring, Gainer等）使用无需硬件USB支持的微控制器，依托FTDI（未来技术设备）公司制造的芯片将传统的微控制器的串行端口转换为USB兼容数据。因此，他们不能作

13、为一个真正的HID设备。HID协议对当今的现代化电脑很重要，尤其音乐接口可能被认为是意义重大的，因为其延迟和抖动可以远低于使用“虚拟COM端口”的风格转移的设备。同时，那些标准鼠标/键盘/操纵杆的厂家也使用HID，所以CUI利用固体调试主机驱动程序确保他不会表现出笔者未曾见过的虚拟COM端口的怪异行为。例如，对于苹果OS X，HID设备驱动程序是OS系统最低水平的一部分，使用有线内核内存来存储接收自HID设备的数据。此外，如果一个带有CUI的设备原型装置开始推广和销售，说明大部分工程已经完成，因为它已经是一个真正的USB即插即用设备。使用HID协议进行USB传输有很多好处，但目前有一个警告大多

14、数主机平台上往往把重点完全围绕他们的HID输入事件的支持，使输出到主机的CUI通过HID作为未来执行情况，或使用专有力量反馈协议。对于项目使用CUI去驱动传动器就像灯光或电机有三种不同的方法可供使用。首先，将CUI固件改变为一个通用的（双向）HID设备而不是一个游戏控制器类型的设备；然后，使用力反馈从主机发送数据到CUI；第三，退后一步到虚拟COM端口的风格转移，这种情况下CUI完全就是固件。 不幸的是，至今项目都没有良好的支持，例如像Max/MSP/Jitter, Super Collider, PD等这种为了反馈协议或是一般的HID。有些学生已经用C+语言写好主机程序并发送数据到CUI，当

15、它用一般的HID固件（纽曼2005）编程。未来的工作可能会解决这个问题通过为流行的主机应用程序创建自定义的对象/插件。有一个供Max/MSP下载的力反馈对象（Kosma）有CUI的有限支持（通过模拟罗技力反馈协议），但对于协议本身有一些内置的限制。因此，由于缺乏这种方案双向HID软件支持，对于需要输出的装置和其他设备，现在最简单的方法就是使用虚拟的COM端口转移方向（在Max通过串行对象或在PD安装Java对象）。用这种方法的一个例子是用一个自定义固件写CUI通过设置12个LED的亮度水平，使用PWM(脉冲宽度调制)将它连接到数字输出引脚以响应从Max/MSP或任何能够发送串行数据的程序发出的

16、串行命令。除了加州大学圣芭芭拉分校的媒体接口技术课程，CUI教学法正被其他一些机构使用，如德国的Kunsthochschule für Medien Köln以及纽约市立学院。世界各地使用CUI的数量持续增加，预建/引导加载板与默认固件（即用型传感器输入）发送给那些支付他们航运费用（约50美元/个）的人。大学课程可以在获得预建CUI或裸电路板之间选择，如果他们自己能够做表面贴装焊接可以只选择材料清单。媒体接口技术课程的学生用一个模板，锡膏制造CUI，一个煎锅来做表面贴装部件，并在过程中学习一些“贸易招数”。3.2 项目个案研究 本节探讨一些在加州大学圣芭芭拉分校的媒体接口技

17、术课程使用CUI的示例项目，有些已经提到过两次，一次在2005年，另一次在2006年。大部分项目已完成联机文档，在本论文的参考文献中也会列出，因此不在这里提及太多细节。这些特定的项目只有在那些最直接相关的音乐交互设计的课程网站上可以看到，当然还有很多其他项目（来自2005年的媒体接口技术课程项目）。请访问网站查看更多项目。 图3.August Black玩El LecheroEl Lechero（黑色）是一个工具以及物理计算机接口，它混合操纵杆的功能使其带有手风琴或键盘器乐的感觉。两个木块，每个有4个压力敏感键，系在第三个中心块的两个旋转接头。用手拿着两个木块的外部，一个作为手指键同时在它的两

18、个旋转支点展开El Lechero。该仪器采用磁性（霍尔效应）传感器和嵌入式CUI。这个设计源自乐器并适应面向声音和图像的电子化演出。 图4.Graham Wakefield和Wesley Smith的混音设备混音设备（Wakefield,Smith 2005）就是一个例子，它是同时在一个CUI中使用输入和输出的仪器。它的设计源于创建者的欲望，将上世纪最关键的音频技术发明与混合对象合并。这是一个错综复杂的网络音频技术，基于一个转盘层，电吉他弦以及光学声曲目。转盘转速受CUI控制采用力反馈协议，一个场效应晶体管调节电流的驱动转盘电机。红外光学传感器连接到CUI将数据传回电脑主机，从而产生声音控制

19、转盘。 图5.Haru Ji与 Lance Putnam的 Airemin 接口,顶部展示的是一个3-d模型， 底部带有嵌入式CUI.Airemin是一个USB音乐接口，它能测量物体红外感应的距离。它的灵感来自于渴望拥有一个紧凑的、易于处理的特雷门状装置。它可以像一个表演者一样用另一只手表演或扫描任何其他对象。设备在顶部增加了一个拇指按钮，在后面增加了一个手指拨号。该装置有效地为用户提供两个连续控制轴和一个启动/停止事件的扳机。3-D建模程序玛雅被用来建造一个设备的虚拟模型，由此产生的文件被送交到三维打印机（Z公司）作物理对象。界面的第一个标题为Airecell，允许表演者控制声音和图像，由蜂

20、窝式声音制造图形元素组成在海上漂流的噪音。这些电池脉动响应用户交互，正弦谐波发出声音，并用Super Collider发出声音，用OpenGL产生图形。图6.笔者自己的BoingBoing接口BoingBoing是一个新的音乐表演接口，由作者给音乐家提供内置四个有传感器设备的乒乓球组成。弹簧的振动频率低于20Hz，从而使音乐具备不同寻常的性质，如碰撞，反弹，颤抖，抖动和晃动等。表演者可以通过提高或降低相应的杆调整每个球的弹簧常数。每个球包含一个2轴加速度计，还有简单的旋钮来调整其他参数的合成。所有传感器数据通过CUI发送给计算机。“Quiver”，BoingBoing的第一个作品，在2005年

21、11月10日的CREATE音乐会上与Lance J. Putnam 和 Wesley一起表演。3.3 现状与未来发展CUI的一个最近发展是一种无线射频插件，通过使用蓝牙与主机进行通信。蓝牙收发器由SparkFun电子制造，电池是锂离子型，非常类似用于iPod的那些。还有一些增加补充的小尺寸CUI，如图7所示。蓝牙数据是通过一个在Max/ MSP / Jitter程式或PD上的虚拟COM端口从电脑主机上接收，并实现所有CUI上的模拟和数字输入都为100Hz的更新率。虽然，与USB相比蓝牙功能实现需要不同的固件，但用户可以通过引导程序在USB和蓝牙之间自由切换。图7.无线CUI的蓝牙收发器和锂离子

22、充电电池最近，另一项CUI性能以外的发展是利用苹果的远程控制协议通过基座连接器控制iPod。这是一个将用于即将到来的合作安装以及其他未来项目的特征。还有许多其他事态发展目前也正在进行，例如I2C通信总线的支持，一个用于微控制器和传感器交流的协议，以及SPI，另一个用于类似LCD显示器这种设备的流行协议。所有这些项目进展（包括硬件增加和自定义固件版本）都公开来源，以提高致力于CUI工作的这些人的整个团体。4 结论使用CREATE USB接口进行的音乐交互设计教学给学生带来广泛的背景合作，并公开人机交互作用对音乐表现以及其他艺术领域在技术和理论两方面的影响。加州大学圣芭芭拉分校媒体艺术和技术部门的媒体接口技术课程的主要目标是提供必要的技术技能，设计和建立成功的接口，为音乐交互设计和视觉与空间艺术开发一个概念框架，并在包括新接口设计以及绘制成音乐、视觉