專利名稱：基于軟件無線電原理的電子白板系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用超聲紅外進行定位的電子白板。尤其涉及可有效抑制噪聲的干擾，保證時延提取的準確性的電子白板。
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，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。當用信號筆書寫時，因為信號筆與系統的超聲接收傳感器的距離不斷變化，所以系統接收的超聲信號的幅度也不斷變化。從而導致接收到的超聲波的幅度具有隨機性，系統僅通過超聲波幅度確定的時延的隨機性也大，因而這種系統的精確性較差。
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，它的體積小，更加輕便。
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，但是使信號筆的結構變得復雜。
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。
專利6,335,723和專利6,414,673精確確定信號筆位置坐標的處理方法上是一致的，即無論確定相位還是時延，對它們的精確測定都通過提取信號筆所發出的超聲波的波形性特征來保證的。上述專利在沒有外界噪聲或者較弱的噪聲干擾情況下具有較高的精度。但當環境噪聲干擾較強的情況下，則定位精度較差甚至系統不能正常工作。
采用上述技術的無線定位電子白板存在如下主要問題第一，當信號傳輸環境惡劣，存在強噪聲干擾時，提取的時延的誤差較大，筆跡質量差；第二，只能記錄筆的筆跡，而不能體現筆峰和筆意，記錄筆跡的自然度較差。
發明內容
本發明提供一種基于軟件無線電原理的電子白板系統，以解決現有的超聲紅外聯合定位的電子白板在較強環境噪聲下的分辨率下降的問題。目的是在強噪聲中保持良好的性能，同時在不增加信號筆復雜度的情況下，利用超聲波的包絡的特征提取時延。
本發明是通過以下技術方案實現的它包括信號發射裝置、筆劃感應器、普通電子白板和PC機，其中信號發射裝置包括信號筆、板擦，筆劃感應器共有兩個接收處理器，它們分別在白板系統的兩個不同的位置，信號筆或板擦在工作時發出超聲和紅外信號，其中超聲信號作為系統的定位信號，紅外信號作為系統的時間基準。筆劃感應器的兩個接收處理器接收到信號筆或板擦的發射信號后，對紅外和超聲信號進行信號處理，確定信號筆或板擦分別與兩個接收處理器的距離，進而得到信號筆或板擦在白板上的位置坐標。
本發明的信號筆或板擦的顏色信息通過紅外信號編碼發射給筆劃感應器。
本發明的筆劃感應器完成信號的接收、處理和無線傳送三個功能。信號的接收由相應的信號接收處理器完成，信號接收處理器接收到信號筆或板擦發出的紅外信號和超聲信號后，作簡單的放大，筆劃感應器的信息處理模塊60開始對信號進行處理。
信號處理模塊60包括CPLD芯片38、FLASH存儲器40、數字信號處理器DSP芯片41和串并轉換芯片42，信號處理模塊60接收兩路A/D轉換芯片輸出的超聲信號，在經過CPLD芯片38處理后，由DSP芯片41提取超聲信號時延信息。其中，系統的程序放入FLASH存儲器40中。DSP芯片41同時接收信號筆發射的紅外信號和遙控器發送的無線信號。DSP芯片41提取出信號筆的位置信息和信號筆的顏色后，通過串并轉換芯片42將提取的信息發送給無線RS-232模塊，最終送給PC機。本系統的信號處理采用軟件無線電的設計思想，對硬件部分進行壓縮，通過利用軟件的方法實現硬件功能。本發明的信號處理模塊，嵌入了系統的核心算法，實現對信號的處理，減少了硬件部分。信號處理模塊的程序流程為信號處理模塊60首先和PC機建立通信聯系。信號處理模塊60對通過接收到紅外信號采集提取出信號筆發出的顏色，并通過算法提取超聲波的時延信息。信號處理模塊60計算出信號筆的位置坐標后，將信號筆的位置信息和顏色信息傳給PC機，同時開始重復接收信號筆發出的信息。
本系統的算法的主要思想是，對接收信號采用基于高階循環統計量的信號處理方法進行正交解調，有效抑制噪聲和干擾的影響，然后對提取的超聲波的包絡取出其斜率最大點，并結合超聲波的過零點確定系統的時延參考點，進而完成準確的定位坐標計算。筆劃感應器從信號筆或板擦發出的紅外信號中提取信號筆或板擦的顏色編碼。
筆劃感應器采用無線連接的方式，將處理后的結果傳輸給PC機，由PC機完成電子白板上的書寫內容的存儲、打印和傳輸等功能。
本發明的有益效果主要體現在以下幾點第一，采用軟件無線電的思想，剔除了利用幅度提取時延的電路，并可使前端放大電路簡化，降低硬件成本，提高系統的可靠性。
第二，系統采用了信號處理模塊，可以通過改變模塊的程序來改變系統對信號的處理方式，進而提高了系統的更新換代的能力。
第三，采用了基于高階循環統計量的正交解調算法，有效抑制噪聲的干擾，保證了時延提取的準確性。
第四，采用無線RS-232模塊，信號接收處理與系統計算機之間沒有線路連接，使系統配置靈活。
圖1為本發明的信號筆結構示意2為本發明的信號筆電路原理示意3為本發明的信號筆的具體電路原理4為本發明的板擦結構示意圖；圖5為本發明的板擦電路原理示意圖；圖6為本發明的信號筆或板擦的微處理器的程序流程框圖；圖7為本發明的電子白板結構示意圖；圖8為本發明的筆劃感應器電路原理示意圖；圖9為本發明的信號處理模塊的程序流程框圖；圖10為本發明的超聲放大電路A電路原理圖；圖11為本發明紅外放大整形電路A電路原理圖；圖12為本發明的信號處理模塊原理示意圖；圖13為本發明的電子白板基本原理示意圖。
具體實施例方式
包括信號發射裝置、筆劃感應器、普通電子白板和PC機，其中信號發射裝置包括信號筆、板擦，筆劃感應器共有兩個接收處理器，信號筆結構如圖1所示，用信號筆書寫時，普通白板筆8受到白板板面的作用力后擠壓薄膜觸壓式開關2，薄膜觸壓式開關2受力閉合，鈕扣電池1處于接通狀態，這為薄膜印刷電路板3的電路提供電源，薄膜印刷電路板3上的電路開始工作，進而激發紅外傳感器4和超聲傳感器8，發出紅外和超聲信號。
如圖2所示，當薄膜觸壓式開關2閉合，薄膜印刷電路板3通電后，微處理器發出固定周期的脈沖信號驅動紅外信號發射電路50和超聲信號發射電路52，通過紅外傳感器4和超聲傳感器8將信號發射出去，使系統的接收器周期性的接收到信號筆的信號以確定其位置。同時發射出去的紅外信號中包含信號筆的顏色信息。
信號筆的具體電路原理圖如圖3所示，微處理器51周期性發射一定寬度的脈沖驅動器體管Q2和Q3，脈沖經晶體管放大后驅動紅外傳感器D1、D2、D3和D4，發出紅外信號。同時，微處理器51周期性發射一定寬度的脈沖驅動Q1，并經過變壓器T1選頻放大后驅動超聲傳感器8，發出超聲波信號。
板擦的結構如圖4所示，板擦的底面為絨刷16，用于擦除白板板面的筆跡。當板擦擦除筆跡的過程當中，通過絨刷16，薄膜觸壓式開關11受壓閉合，鈕扣電池10處于接通狀態，印刷電路板13通電工作，激發紅外傳感器12和超聲傳感器15，發出紅外和超聲信號。
如圖5所示，當薄膜觸壓式開關11閉合，板擦上的印刷電路板13的通電后，微處理器54發出驅動脈沖驅動紅外信號發射電路53和超聲信號發射電路，進而激發紅外傳感器12和超聲傳感器15，發出紅外信號和超聲信號，紅外信號中包含板擦的顏色信息—白色。同信號筆一樣，電子白板系統為了時刻確定板擦的位置，微處理器54發射的驅動脈沖是周期性的。板擦的具體電路原理圖與信號筆相似，在本實施例中不再重復給出。
信號筆或板擦的微處理器的程序流程框圖如圖6所示。信號發射筆工作開始，微處理器設置I/O口。微處理器通過其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或板擦的顏色信息，板擦的顏色信息為白色。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，并延時一段時間。延時時間到后，微處理器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。
電子白板的結構如圖7所示，普通書寫白板25為電子白板的書寫區域，其外沿用白板邊框24包住。普通書寫白板25的左上角、右上角為筆劃感應器20的兩個接收器接收處理器二62和接收處理器一63。筆劃感應器20為本發明的信號接收處理部分。普通書寫白板25的左側為指示燈21和控制按鈕22，指示燈21用于顯示系統是否通電，是否在工作狀態，控制按鈕22則完成新建白板、上翻頁、下翻頁和白板打印的功能。白板上安裝控制按鈕的目的是方便使用者對系統的操作。無線RS-232接口在普通書寫白板25的左下側，完成筆劃感應器與系統的PC機64的無線連接。整個白板由白板支架26支撐。
電子白板的基本原理如圖13所示，為了確定信號筆或板擦61在普通書寫白板25上的坐標，須確定信號筆或板擦61分別與接收處理器262和接收處理器一63的距離l、r。已知接收處理器二62與接收處理器一63的間距為L，并假設接收處理器二62的坐標為(0，0)，接收處理器一63的坐標為(L，0)，則信號筆或板擦61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，只需得到信號筆或板擦61發出的超聲信號從信號筆或板擦61的位置分別傳播到接收處理器二62和接收處理器一63的時延，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。時延的提取由筆劃感應器20完成。
筆劃感應器20的原理如圖8所示，筆劃感應器20可分為接收處理器一63和接收處理器二62兩部分。當信號筆或板擦發出超聲和紅外信號時，接收處理器一63的超聲傳感器A27和接收處理器二62的超聲傳感器B29接收超聲信號，并分別經過超聲放大電路A32和超聲放大電路B34的簡單放大。A/D轉換器A37和A/D轉換器B39分別對放大后的超聲信號進行采樣，采樣數據送入信號處理模塊60，A/D轉換器可采用TLC1572C芯片。接收處理器一63的紅外傳感器A28和接收處理器二62的紅外傳感器B30接收紅外信號，傳感器接收的紅外信號分別經過紅外放大整形電路A33和紅外放大整形電路B35的放大整形后復合為一路信號送入信號處理模塊60。已知在空氣中紅外信號的傳播速度遠遠高于超聲信號的傳播速度，則在白板區域內，紅外信號從信號筆或板擦到筆劃感應器20的接收傳感器之間的傳播時間可以忽略不計。假設信號筆或板擦同時發射紅外信號和超聲信號，可以認為筆劃感應器20接收到紅外信號的時刻即為超聲信號發射時刻，即以紅外信號為系統的時間基準，確定超聲信號到達筆劃感應器的時刻即可確定超聲波的傳播時延，進而確定信號筆或板擦的位置坐標。
超聲放大電路A31和超聲放大電路B33相同，本專利僅以超聲放大電路A31作具體說明。超聲放大電路A31電路原理圖如圖8所示。超聲傳感器A26接收信號筆或板擦所發射的超聲信號，并加到場效應管Q1上。場效應管Q1的輸出經過兩級放大電路放大，其中第一級放大電路為低通濾波放大電路。
紅外放大整形電路A32和紅外放大整形電路B34相同，本實施例僅以紅外放大電路A32作具體說明。紅外放大電路A32電路原理圖如圖11所示。紅外傳感器A27接收信號筆或板擦發射的紅外信號，并經由放大器TLC084構成的兩級帶通放大器放大，最后由整形電路將模擬的紅外信號變為數字信號。
信號處理模塊的程序流程框圖如圖9。信號處理模塊60首先和PC機建立通信聯系。信號處理模塊60對通過接收到紅外信號采集提取出信號筆發出的顏色，并通過算法提取超聲波的時延信息。信號處理模塊60計算出信號筆的位置坐標后，將信號筆的位置信息和顏色信息傳給PC機，同時開始重復接收信號筆發出的信息。
信號處理模塊60的原理如圖12所示，本發明采用信號處理模塊60是系統利用軟件無線電的設計思想的集中體現，通過信號處理模塊的算法實現對超聲和紅外信號的處理，大量的減少了前端的模擬電路部分。信號處理模塊60接收兩路A/D轉換芯片輸出的超聲信號，在經過CPLD芯片38處理后，由DSP芯片41提取超聲信號時延信息。其中，系統的程序放入FLASH存儲器40中。DSP芯片41同時接收信號筆發射的紅外信號和遙控器發送的無線信號。DSP芯片41提取出信號筆的位置信息和信號筆的顏色后，通過串并轉換芯片42將提取的信息發送給無線RS-232模塊，最終送給PC機。FLASH存儲器40可采用AT29LV256芯片，用于存儲信號處理模塊60的算法程序。CPLD38可采用EPM3032A芯片，用于內部設閾值判斷，即端點檢測，用于判斷超聲波信號是否到達，以便DSP芯片41接收，并在一定程度上消除噪聲的影響，DSP41可采用TMS320VC5402芯片。CPLD芯片38同時完成DSP芯片41與串并轉換芯片42之間的邏輯轉換功能。串并轉換芯片42可采用TA550C芯片。
經過CPLD芯片38閾值判斷后，并不能完全抑制噪聲對超聲波信號的干擾。特別當白板系統處于較強的環境噪聲影響下，電子白板系統的定位精度大大降低，甚至不能完成書寫功能。由于超聲波的包絡所含的頻率較低，外界噪聲的包絡所含的頻率較高，本實施例采用基于高階循環統計量的信號處理方法對接收信號進行正交解調，有效的抑制了噪聲的影響，提取出不含環境噪聲的超聲波包絡。處理后的超聲波信號由定位算法得到信號筆的位置坐標。由于超聲波的包絡的起始部分和末尾部分的斜率較小，包絡的中間部分斜率較大，因此在包絡的中間部分選擇一點作為超聲波到達筆劃感應器20的參考點引起的時延誤差較小。本實施例選擇超聲波包絡中斜率最大的點為臨時時延參考點，為了進一步減小誤差，選擇離臨時時延參考點最近的超聲波的過零點為最終的時延參考點。在實際的離散數據中，往往沒有超聲波的過零點，本實施例中應用插值方法求出過零點，從而得到精確的時延，利用公式(1)和(2)計算出信號筆或板擦的位置坐標。DSP芯片41同時對信號筆的紅外編碼信號進行解碼，信號筆的顏色信息。
DSP芯片41從板擦的紅外信號中提取出板擦的顏色信息，并結合板擦的位置坐標，完成對記錄的筆跡的擦除工作。
本實施例可以通過改變信號處理模塊60的程序對系統進行升級。
如圖8所示，無線RS-232模塊23將信號處理模塊60處理得到的信息無線傳輸給PC機64，由PC機64軟件完成白板內容存儲、打印、網絡傳輸和控制功能。
權利要求
1.一種基于軟件無線電原理的電子白板系統，包括信號發射裝置、筆劃感應器、普通電子白板和PC機，其中信號發射裝置包括信號筆、板擦，筆劃感應器包括兩個接收處理器，其特征在于筆劃感應器的信號處理模塊[60]包括CPLD芯片[38]、FLASH存儲器[40]、數字信號處理器DSP[41]和串并轉換芯片[42]，接收兩路A/D轉換芯片輸出的超聲信號的CPLD芯片[38]連接DSP芯片，由DSP芯片[41]提取超聲信號時延信息，放入系統程序的FLASH存儲器[40]連接DSP芯片，DSP芯片[41]同時接收信號筆發射的紅外信號和遙控器發送的無線信號，DSP芯片[41]連接串并轉換芯片[42]，通過其將提取的信息輸出。
2.根據權利要求1所述的基于軟件無線電原理的電子白板系統，其特征在于信號處理模塊[60]通過基于高階循環統計量的信號處理方法，對超聲波信號進行正交解調，提取出超聲波的包絡，結合超聲波的過零點，確定超聲波的傳播時延。
3.根據權利要求2所述的基于軟件無線電原理的電子白板系統，其特征在于，信號處理模塊[60]利用提取出的超聲波的包絡和超聲波的過零點來確定系統的時延參考點。
4.根據權利要求3所述的基于軟件無線電原理的電子白板系統，其特征在于，信號處理模塊[60]選擇超聲波包絡中斜率最大的點為臨時時延參考點，為了進一步減小誤差，選擇離臨時時延參考點最近的超聲波的過零點為最終的時延參考點。
5.根據權利要求4所述的基于軟件無線電原理的電子白板系統，其特征在于信號處理模塊[60]應用插值方法求出精確的過零點。
6.根據權利要求1所述的基于軟件無線電原理的電子白板系統，其特征在于CPLD芯片[38]內部設置端點檢測，以判斷筆劃感應器[20]是否接收到超聲波信號。
7.根據權利要求1所述的基于軟件無線電原理的電子白板系統，其特征在于筆劃感應器[20]與PC機[64]采用的無線連接方式。
8.根據權利要求7所述的基于軟件無線電原理的電子白板系統，其特征在于筆劃感應器[20]與PC機[64]之間的連接采用無線RS-232模塊連接。
全文摘要
本發明涉及一種基于軟件無線電原理的電子白板系統，屬于可有效抑制噪聲的干擾，保證時延提取的準確性的電子白板。包括信號發射裝置、筆劃感應器、普通電子白板和PC機，其中信號發射裝置包括信號筆、板擦，筆劃感應器包括兩個接收處理器，信號處理模塊包括CPLD芯片、FLASH存儲器、數字信號處理器DSP和串并轉換芯片。本發明的有益效果主要體現在采用軟件無線電的思想，剔除了利用幅度提取時延的電路，并可使前端放大電路簡化，降低硬件成本，提高系統的可靠性。采用了基于高階循環統計量的正交解調算法，有效抑制噪聲的干擾，保證了時延提取的準確性。
文檔編號G06F3/033GK1595349SQ20041001095
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