遙控無線定位電子白板系統的制作方法

專利名稱：遙控無線定位電子白板系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種可通過遙控器控制的無線定位電子白板。所謂無線定位電子白板，就是基于超聲和紅外聯合定位的電子白板，其遙控裝置就是對無線定位電子白板進行遠距離操作的設備。
背景技術：
電子白板系統廣泛應用于教學、辦公、會議、遠程教育的場合中。根據其工作原理可分為掃描式電子白板、觸摸式電子白板、激光電子白板和無線定位電子白板。其中基于超聲波和紅外信號進行定位的無線定位電子白板具有體積小，重量輕，搬運安裝方便，同時具有較高的分辨率的優點。無線定位電子白板系統一般包括信號筆、板擦、普通白板、筆劃感應器、計算機和投影儀等。無線定位電子白板的基本原理是應用超聲波和紅外信號的聯合定位來確定信號筆或板擦在白板上的位置。信號筆或板擦工作時發出超聲波和紅外信號，筆劃感應器接收到紅外信號和超聲波，由于紅外信號在空氣中的傳播速度遠遠高于超聲波的傳播速度，因此在白板區域內，可以忽略紅外信號的傳播時間，以紅外信號作為系統時間基準，確定超聲波在白板區域內的傳播時間、時延，進而確定信號筆或板擦與筆劃感應器的距離，最終得到信號筆或板擦在白板上的坐標。電子白板的信號筆用于書寫功能，板擦用于擦除白板和系統軟件記錄的筆跡。
Yonald Chery等的專利《Stylus for Use with Transcription System》，美國專利，專利號為6,111,565，利用接收的超聲波的幅度來確定超聲波到達筆劃感應器的時間。為保證幅度穩定，需要增大信號筆的發射功率，因而不可避免的要采用變壓器，導致信號筆的體積重量加大。
Holtzman的專利《Marking Device for Electronic Presentation Board》，美國專利，專利號為5,866,856，對電子白板的信號筆的模具進行了改進，相比美國專利6,111,565種的信號筆，結構緊湊，體積小，輕便。
Robert P.Wood等的專利《Transducer Signal Waveshaping System》，美國專利，專利號為6,118,205，設計一種特殊的信號筆驅動電路，信號筆發出具有特殊波形特征的超聲波。
Robert P.Wood等的專利《Transmitter Pen Location System》，美國專利，專利號為6,335,723，利用信號筆產生的超聲波的特殊波形特征，通過處理器提取出波形特征，從而準確提取出超聲波的傳播時延。該方法避免了利用超聲波幅度提取時延的困難，但是運算量大，筆跡跟蹤速度受限制，同時使信號筆的電路變得復雜。
Robert P.Wood等的專利《Transmitter Pen Location System》，美國專利，專利號為6,414,673，在專利6,335,723的基礎上對筆劃感應器進行了改進，筆劃感應器包括如下三種形式。
第一種，筆劃感應器有兩個接收器，每個接收器分別包括兩個超聲波接收傳感器，通過測量超聲波信號在兩個傳感器上的相位差確定信號筆在白板上的坐標。
第二種，筆劃感應器有三個接收器，每個接收器為一個超聲波接收傳感器，以某一傳感器為參考，通過確定超聲波信號分別到達另兩個傳感器與參考傳感器的時延差來確定信號筆在白板系統上位置。
第三種，筆劃感應器只有一個接收器，接收器包含兩個超聲波接收傳感器和一個紅外傳感器，系統通過確定超聲波到達兩個超聲接收傳感器的相位差和超聲波到達接收器的時延來確定信號筆的坐標。
采用上述技術的無線定位電子白板存在的主要問題是(1)書寫者在書寫過程中，必須回到PC機前，才能完成界面操作，使用起來不方便。
(2)在利用超聲波幅度提取時延的方法中，由于采用了變壓器提高信號筆發射功率，使其體積增加，從而導致使用不便。
(3)在利用超聲波形特征提取時延的方法中，一方面筆的復雜程度提高，另一方面，降低了筆跡跟蹤速度。
上述專利中沒有涉及到用于遠距離操作電子白板的遙控裝置。

發明內容
本發明提供一種帶有遙控功能的無線定位電子白板系統，解決現有的無線定位電子白板操作上的不便。本發明采取的技術方案本發明從結構上可分為筆劃感應器11、信號筆15、板擦16、遙控器17和白板18，其中筆劃感應器11由左信號接收器12、右信號接收器13和信號處理器14組成。
遙控器可采用通用的無線電遙控器，至少應具有四個按健，并通過調制模塊402和天線403將遙控信息發送出去。遙控器也可采用通用的紅外遙控裝置。
信號筆15由電池21、機械開關22、薄膜線路板23、紅外發射傳感器27和超聲發射傳感器28組成，其中在薄膜線路板上有紅外驅動電路24、超聲驅動電路26和微處理器25。該薄膜線路板與紅外發射傳感器27和超聲發射傳感器28連接，該薄膜線路板上包括微處理器25、該微處理器與紅外驅動電路24和超聲驅動電路26連接。機械開關用于控制電池的供電電路，處于常開狀態，在書寫過程中，機械開關22受力閉合，使電池21通過它向薄膜電路板23供電，微處理器25發出固定周期的脈沖信號經紅外驅動電路24和超聲驅動電路26放大后，驅動紅外發射傳感器27和超聲發射傳感器28，使二者分別發送紅外和超聲信號，筆劃感應器11周期性的接收到信號筆15發送的信號以確定其位置。
板擦16的電路與信號筆的電路完全一致，僅僅紅外信號中附帶的顏色信息為白色。在利用板擦擦去白板上的書寫內容的同時，在系統中也清除了相應的書寫內容。
在利用信號筆15于白板18上進行彩色書寫和繪畫的同時，信號筆15還要發送超聲信號和紅外信號給筆劃感應器11，紅外信號中包含信號筆15的顏色信息，利用紅外信號的寬度區分不同的顏色。筆劃感應器11中左信號接收器12和右信號接收器13對接收到的超聲和紅外信號進行放大，然后送至信號處理器14，對其進行處理，采集筆的顏色信息和左右兩路時延信息，該時延信息就是從信號筆15發送超聲信號開始，到左信號接收器12和右信號接收器13分別接收到超聲信號的時間。信號處理器14將采集到的顏色信息和時延信息通過通信接口39傳送到PC機19中，并在屏幕上以適當的方式顯示，板擦16實際上是一只特殊的信號筆15。
用戶可以通過遙控器17控制PC機19完成一些常用的操作，而不必回到計算機前。遙控器17將遙控信息以無線方式傳送到信號處理器14，再由其通過通信接口39傳遞到PC機19中，完成相應的操作。
為了確定信號筆15或板擦16在白板18上的坐標，須確定信號筆15或板擦16分別與左信號接收器12和右信號接收器13的距離l、r。已知左信號接收器12和右信號接收器13的距離為L，并假設左信號接收器12的坐標為(0，0)，右信號接收器13的坐標為(L，0)，則信號筆15或板擦16的位置坐標由下式求得。
x=L2+l2-r22L---(1)]]>y＝(r2-x2)1/2(2)為求得距離l和r，只需得到信號筆15或板擦16自發出超聲信號起到左信號接收器12和右信號接收器13分別接收到超聲信號之間的時間差，也就是時延。由于超聲波的傳播速度為一常數，則傳播時延與傳播速度的乘積即為所需求的距離。左信號接收器12和右信號接收器13以接收到信號筆15或板擦16發射的紅外信號611的時刻作為發送超聲信號的起始時刻，因為在信號筆15或板擦16中，紅外和超聲信號同時發射，而紅外信號在空氣中的傳播速度，每秒三十萬公里遠大于超聲信號的傳播速度，每秒三百四十米左右，所以這樣做產生的誤差不會帶來任何實質性的影響。
筆劃感應器11由左信號接收放大器12、右信號接收放大器13和信號處理器14組成。信號處理器14包括兩個相同的能消除外界噪聲和超聲反射波產生的窄脈沖的窄脈沖濾波器一371、窄脈沖濾波器二372，該窄脈沖濾波器一371、窄脈沖濾波器二372分別與脈沖成形電路一361、脈沖成形電路二362連接，該兩個脈沖成形電路產生的數字脈沖信號經兩個窄脈沖濾波器處理后分別送到脈沖合成電路一381、脈沖合成電路二382中，遙控接收電路310與單片機30連接。當信號筆15或板擦16發出超聲和紅外信號時，左信號接收放大器12的超聲傳感器311和右信號接收放大器13的超聲傳感器312接收超聲信號，并分別經過前置放大器321和322進行濾波放大。兩路超聲信號經前置放大后，分別送至可變增益放大器351和352，再經脈沖成形電路361和362后，變為規范的數字信號，通過窄脈沖濾波器371、372，濾除因反射等原因形成的寬度小于預定值的窄脈沖干擾。
左右信號接收器12、13中的紅外傳感器331、332接收到信號筆15或板擦16發出的紅外信號，將其轉換為電信號后，分別送至紅外整形放大電路341、342，經處理后的紅外信號與窄脈沖濾波器371、372的輸出信號一起送至脈沖合成電路381、382，將同一側的超聲和紅外信號復合成一路，送入單片機30。
單片機30根據復合后的信號，測量紅外脈沖的脈沖寬度，提取顏色信息；測量紅外脈沖691與超聲脈沖692之間的時間差，也就是超聲時延693，并將測量結果通過通信接口39發送給帶有白板軟件的PC機19，最終完成書寫內容的實時記錄。
將單片機30根據前一超聲脈沖的時延確定當前可變增益放大器321和322的放大倍數，從而保證超聲信號的幅度不會隨著信號筆15或板擦16位置的改變而有較大波動。每次落筆后第一個超聲信號到達之前，可變增益放大器321和322的放大倍數被預置成固定倍數。
脈沖成形電路361、362的工作受單片機30控制，單片機30通過控制脈沖成形電路361、362的使能端，實現對其工作時機的控制。使能端的控制信號如圖6中65所示，每次落筆后無法預知第一個超聲信號到達的時間段，因而第一階段的使能信號在全部時間段內，也就是兩個紅外信號之間的時間段有效，而對于第二個及以后的超聲脈沖，可以根據前一超聲信號的到達時刻，確定可能的時間段，使能信號僅在該時間段內有效，這樣脈沖成形電路361、362僅在正確的超聲信號可能到達的時間段內，才有信號輸出，其他的時間段內，被封鎖成固定電平。如不對脈沖成形電路361、362的工作時機加以控制，其輸出信號將如圖6中64所示，可見如果有足夠強的噪聲信號，也可由反射引起，落在正確超聲信號之前，無法消除，從而帶來巨大的誤差。
外界噪聲和超聲反射波會帶來巨大的測量誤差，超聲信號放大倍數的越高，噪聲和反射波對系統的影響越明顯，最終可能導致系統不能正常工作。上述控制手段可以消除外界噪聲和超聲反射波對系統的影響，因而可以通過提高超聲信號的放大倍數來彌補信號筆15和板擦16超聲發射功率的降低，這樣在信號筆15電路中不必采用變壓器提高發射功率，減小了信號筆15的外形尺寸。
本發明的有益效果主要體現是利用無線遙控方式操作PC機的軟件界面，增加了用戶使用的方便性。通過增加窄脈沖濾波器371、372和控制脈沖成形電路361、362的工作時機，消除了外界噪聲和超聲反射波對系統的影響，有利于減小信號筆的體積。


圖1為本發明的系統組成示意圖；圖2為本發明的遙控器框3為本發明的信號筆及板擦電路原理示意圖；圖4為本發明的信號發射筆的微處理器25的流程框5為本發明的筆劃感應器的電路原理示意圖；圖6為本發明的單片機30的流程框7為本發明的信號筆結構示意圖；圖8為本發明的板擦結構示意圖；圖9為本發明的窄脈沖濾波器原理示意10為本發明的時序圖具體實施方式
實施例1如圖1所示本發明從結構上可分為筆劃感應器11、信號筆15、板擦16、遙控器17和白板18，其中筆劃感應器11由左信號接收器12、右信號接收器13和信號處理器14組成。
圖2所示，遙控器可采用通用的無線電遙控器，至少應具有四個按健按健1、按健2、按健3、按健4，分別代表新建白板、上翻頁、下翻頁、白板打印四種遙控功能，并通過調制模塊402和天線403將遙控信息發送出去。
信號筆15由電池21、機械開關22、薄膜線路板23、紅外發射傳感器27和超聲發射傳感器28組成，其中在薄膜線路板上有紅外驅動電路24、超聲驅動電路26和微處理器25。該薄膜線路板與紅外發射傳感器27和超聲發射傳感器28連接，該薄膜線路板上包括微處理器25、該微處理器與紅外驅動電路24和超聲驅動電路26連接。
信號筆15的一種結構如圖7所示。信號筆殼45是一中空的封閉殼體，有內外兩層壁，普通白板筆46置于內壁所圍成的空腔內，在內外壁之間安裝薄膜線路板23，紅外發射傳感器27和超聲發射傳感器28安裝在信號筆殼45的頭部，電池盒42通過轉軸43與信號筆殼45連接在一起，并通過卡扣44使二者固定牢靠。松開卡扣后，電池盒42可以圍繞轉軸43向外張開，方便更換普通白板筆46。
在電池盒42內裝有電池21和機械開關22，電池21采用27A型電池，橫向放置，通過兩端向外引線，方便更換電池21，同時電池蓋41與電池21之間不必有電連接，電池蓋41與電池盒42采用螺旋接口。
機械開關可以采用薄膜開關，也可采用通用的行程小于1.5毫米的微動開關。
紅外發射傳感器27一共有四只，等間距分布在信號筆殼45頭部外圓，如果紅外發射傳感器27的發射角度大于120°，也可采用三只等間距排列，紅外發射傳感器的驅動電流為8mA。超聲發射傳感器28采用全向薄膜傳感器(PVDF)，其固有頻率為40KHz，采用通用的PVDF驅動電路。
板擦16的結構如圖8所示。在板擦外殼52中裝有薄膜電路板23、機械開關22和電池21，超聲發射傳感器28和紅外發射傳感器27安裝在板擦外殼52的頭部。頂桿53與絨刷54是一體的，固定在板擦外殼52的頭部，但是有一定的間隙，在用板擦16擦除白板18上的書寫內容時，絨刷54帶動頂桿53向上運動，使機械開關22閉合，電池21向薄膜電路板23供電，使其正常工作。電池放置方式與信號筆15相同，板擦螺旋蓋51與板擦外殼52采用螺旋聯接。板擦16內電路及元件與信號筆15完全相同。
信號發射筆的微處理器25的流程框圖如圖7所示，信號發射筆工作開始，微處理器25設置I/O口。微處理器235通過其I/O口輸出一定寬度的紅外脈沖，延時一段時間后I/O口輸出第二個紅外脈沖，兩個脈沖的時間間隔作為信號筆的顏色信息。I/O口輸出第二個紅外脈沖并延時一段時間后，I/O口輸出超聲脈沖驅動超聲驅動電路237，并延時一段時間。延時時間到后，微處理器235重新開始發送驅動脈沖驅動紅外和超聲發射傳感器，這樣周期性的進行，直到信號筆不工作。
筆劃感應器11的電路原理框圖如圖3所示，筆劃感應器11由左信號接收放大器12、右信號接收放大器13和信號處理器14組成。信號處理器14包括兩個相同的能消除外界噪聲和超聲反射波產生的窄脈沖的窄脈沖濾波器一371、窄脈沖濾波器二372，該窄脈沖濾波器一371、窄脈沖濾波器二372分別與脈沖成形電路一361、脈沖成形電路二362連接，該兩個脈沖成形電路產生的數字脈沖信號經兩個窄脈沖濾波器處理后分別送到脈沖合成電路一381、脈沖合成電路二382中，遙控接收電路310與單片機30連接。
當信號筆15或板擦16發出超聲和紅外信號時，左信號接收放大器12的超聲傳感器311和右信號接收放大器13的超聲傳感器312接收超聲信號，并分別經過前置放大器321和322進行濾波放大。兩路超聲信號經前置放大后，分別送至可變增益放大器351和352，輸出波形如圖6中63所示，再經脈沖成形電路361和362后，變為規范的數字信號，輸出波形如圖6中66所示，通過窄脈沖濾波器371、372，濾除因反射等原因形成的寬度小于預定值的窄脈沖干擾，輸出波形如6中68所示，窄脈沖濾波器371、372的功能也可由軟件在單片機30中實現。
左右信號接收器12、13中的紅外傳感器331、332接收到信號筆15或板擦16發出的紅外信號，將其轉換為電信號后，分別送至紅外整形放大電路341、342，經處理后的紅外信號與窄脈沖濾波器371、372的輸出信號一起送至脈沖合成電路381、382，將同一側的超聲和紅外信號復合成一路，輸出波形如圖6中69所示，送入單片機30。
單片機30根據復合后的信號，測量紅外脈沖691如圖6的脈沖寬度，提取顏色信息；測量紅外脈沖691與超聲脈沖692之間的時間差，也就是超聲時延693，并將測量結果通過通信接口39發送給帶有自板軟件的PC機19，最終完成書寫內容的實時記錄。
將單片機30根據前一超聲脈沖的時延確定當前可變增益放大器321和322的放大倍數，從而保證超聲信號的幅度不會隨著信號筆15或板擦16位置的改變而有較大波動。每次落筆后第一個超聲信號到達之前，可變增益放大器321和322的放大倍數被預置成固定倍數。
脈沖成形電路361、362的工作受單片機30控制，單片機30通過控制脈沖成形電路361、362的使能端，實現對其工作時機的控制。使能端的控制信號如圖6中65所示，每次落筆后無法預知第一個超聲信號到達的時間段，因而第一階段的使能信號在全部時間段內，也就是兩個紅外信號之間的時間段，有效，而對于第二個及以后的超聲脈沖，可以根據前一超聲信號的到達時刻，確定可能的時間段，使能信號僅在該時間段內有效，這樣脈沖成形電路361、362僅在正確的超聲信號可能到達的時間段內，才有信號輸出，其他的時間段內，被封鎖成固定電平。如不對脈沖成形電路361、362的工作時機加以控制，其輸出信號將如圖6中64所示，可見如果有足夠強的噪聲信號，也可由反射引起，落在正確超聲信號之前，無法消除，從而帶來巨大的誤差。
外界噪聲和超聲反射波會帶來巨大的測量誤差，超聲信號放大倍數的越高，噪聲和反射波對系統的影響越明顯，最終可能導致系統不能正常工作。上述控制手段可以消除外界噪聲和超聲反射波對系統的影響，因而可以通過提高超聲信號的放大倍數來彌補信號筆15和板擦16超聲發射功率的降低，這樣在信號筆15電路中不必采用變壓器提高發射功率，減小了信號筆15的外形尺寸。
在筆劃感應器11中，超聲傳感器311、312采用接收角度大于90°陶瓷傳感器，前置放大器321、322采用與超聲傳感器311、312配套的低噪聲放大電路。紅外整形放大電路341、342則采用通用的低噪聲放大電路，并采用TTL門電路進行整形。
可變增益放大器351、352可以是同相或者反相運算放大電路，反饋電阻采用數字電位計，數字電位計的輸出阻抗受單片機30控制，通過調整數字電位計的輸出實現增益的改變。
脈沖成形電路361、362采用TTL電路實現，單片機30通過控制TTL電路的使能端來控制脈沖成形電路361、362的工作時機。
窄脈沖濾波器371、372的結構如圖9所示，其輸入信號為脈沖成形電路361、362的輸出信號，分成兩路，一路送至可重復觸發的單穩態觸發器71，另一路與71的輸出一起送至與門72。可重復觸發的單穩態觸發器71根據輸入信號產生固定寬度的負脈沖，輸出波形為圖6中67，經與門后，寬度小于固定寬度的輸入脈沖消失，輸出波形為圖10中68。，使其工作在單脈沖發生器狀態即可。
為使電路結構簡單，在筆劃感應器11中采用單電源供電。
單片機30的流程框圖如圖5所示。單片機30首先和PC機建立通信聯系。單片機30對通過接收到紅外信號采集提取出信號筆發出的顏色和接收遙控器發出的遙控信息，并提取超聲波的時延信息。由于信號筆的位置變化，超聲傳感器311、312接收到的超聲信號強弱變化較大，單片機30控制可變增益放大器351、352，調整超聲信號的強弱。單片機30對脈沖合成電路381、382輸出的脈沖信號進行濾波，濾除信號中夾雜的干擾的窄脈沖，即窄脈沖濾波器，同樣也可通過硬件實現窄脈沖濾波器。最后，單片機30將時延等信息傳給PC機，同時開始重復接收信號筆發出的信息。
實施例2窄脈沖濾波器371、372中單穩態觸發器71也可采用8253定時計數器實現。
實施例3窄脈沖濾波器371、372中單穩態觸發器71也可采用專用芯片74XX122。
實施例4遙控器17可采用紅外遙控器。
權利要求
1.一種遙控無線定位電子白板系統，包括筆劃感應器[11]、信號筆[15]、板擦[16]、和普通書寫白板[18]，其特征在于它還包括遙控器[17]，該遙控器可采用通用的無線電遙控器，至少應具有四個按健，具有將遙控信息發送出去的調制模塊[402]和天線[403]。
2.根據權利要求1所述的遙控無線定位電子白板系統，其特征在于筆劃感應器[11]包括左信號接收器[12]、右信號接收器[13]和信號處理器[14]。
3.根據權利要求2所述的遙控無線定位電子白板系統，其特征在于信號處理器[14]包括兩個相同的能消除外界噪聲和超聲反射波產生的窄脈沖的窄脈沖濾波器一[371]、窄脈沖濾波器二[372]，該窄脈沖濾波器一[371]、窄脈沖濾波器二[372]分別與脈沖成形電路一[361]、脈沖成形電路二[362]連接，該兩個脈沖成形電路產生的數字脈沖信號經兩個窄脈沖濾波器處理后分別送到脈沖合成電路一[381]、脈沖合成電路二[382]中。
4.根據權利要求3所述的遙控無線定位電子白板系統，其特征在于窄脈沖濾波器一[371]、窄脈沖濾波器二[372]硬件實現可采用可編程計數器/定時器8253或8254實現可重復觸發單穩態觸發器。
5.根據權利要求4所述的遙控無線定位電子白板系統，其特征在于窄脈沖濾波器一[371]、窄脈沖濾波器二[372]硬件實現進一步可采用專用芯片74XX122，實現可重復觸發單穩態觸發器。
6.根據權利要求3所述的遙控無線定位電子白板系統，其特征在于窄脈沖濾波器一[371]、窄脈沖濾波器二[372]中與門可以根據輸入信號和可重復觸發單穩態觸發器的輸出信號的電平以及下級電路需要的電平，更換為與非門、或門、或非們、異或門、異或非門、同或門和同或非門中的一種。
7.根據權利要求2所述的遙控無線定位電子白板系統，其特征在于筆劃感應器11通過控制脈沖成形電路一[361]、脈沖成形電路二[362]的工作時機，使其僅在超聲信號到達的時間內才能有信號輸出。
8.根據權利要求7所述的遙控無線定位電子白板系統，其特征在于控制脈沖成形電路一[361]、脈沖成形電路二[362]的工作時機是通過控制該兩個脈沖成形電路的使能端來控制該控制脈沖成形電路的工作時機。
9.根據權利要求7所述的遙控無線定位電子白板系統，其特征在于遙控器[7]可采用紅外遙控器。
全文摘要
本發明涉及一種遙控無線定位電子白板系統，屬于通過遙控器控制的無線定位電子白板。包括筆劃感應器11、信號筆15、板擦16、和普通書寫白板18，還包括遙控器17，該遙控器可采用通用的無線電遙控器，至少應具有四個按健，具有將遙控信息發送出去的調制模塊和天線。有益效果主要體現是利用無線遙控方式操作PC機的軟件界面，增加了用戶使用的方便性。通過增加窄脈沖濾波器和控制脈沖成形電路的工作時機，消除了外界噪聲和超聲反射波對系統的影響，有利于減小信號筆的體積。
文檔編號G06F3/00GK1595348SQ20041001095
公開日2005年3月16日 申請日期2004年6月28日 優先權日2004年6月28日
發明者王樹勛 申請人:王樹勛