CN100483321C - 以平板显示器为书写平面的无线定位电子白板 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种以平板显示器为书写平面的无线定位电子白板，涉及到采用超声红外定位技术的电子白板。包含超声红外信号发射笔、接收器和信号处理器，该信号处理器包括微处理器，其分别连接可变增益放大器、脉冲成形电路、脉冲合成电路和峰值保持器。优点在于：在发射笔中，对红外发射信号做特殊处理，接收处理器可以滤除红外噪声的影响；在超声信号的接收处理电路中，采用了自适应控制技术，可以抵抗超声信号传播过程中的衰落，能够以平板显示器表面作为书写平面。

Description

以平板显示器为书写平面的无线定位电子白板

技术领域

本发明涉及到采用超声红外定位技术的电子白板，尤其是涉及到以类似平板显示器的具有强烈红外噪声和引起超声信号衰落的介质为书写平面的无线定位电子白板。

背景技术

电子白板能够记录书写过程中发射笔在白板(或其它书写平面)上的运动轨迹，从而获得书写内容，并且能够将书写内容通过通讯总线传送给其它设备，例如计算机和打印机。

采用超声红外定位技术的电子白板一般包括发射笔105和信号接收处理器101两部分，其中信号接收处理器101由左信号接收器102、右信号接收器103和信号处理器104组成，为使系统正常工作，还需要安装有专用软件的PC机109配合工作，各组成部分的相互关系如图1所示。

书写过程中，发射笔105定期发射红外和超声信号，信号接收处理器101中的左信号接收器102和右信号接收器103分别接收红外和超声信号并进行放大、滤波后，送至信号处理器104，信号处理器104分别提取红外和超声信号到达左信号接收器102和右信号接收器103的时间差，并将其发送给装有专用软件的PC机109，由PC机109计算发射笔105的坐标(也就是书写笔迹)，并进行显示、识别、打印等工作。

为了确定发射笔105在书写板面108上的坐标，须确定发射笔105分别与左信号接收器102和右信号接收器103的距离1、r。已知左信号接收器102和右信号接收器103的距离为L，并假设左信号接收器102的坐标为(0，0)，右信号接收器103的坐标为(L，0)，则发射笔105的位置坐标由下式求得。

$x=\frac{L^2+l^2-r^2}{2L}---\left(1\right)$

y＝(r²-x²)^1/2                   (2)

距离1和r等于左信号接收器102和右信号接收器103分别接收到红外和超声信号之间的时间差与超声波的传播速度乘积。红外信号在空气中的传播速度(3×10⁸米/秒)远大于超声信号的传播速度(340米/秒左右)，所以这样做产生的误差不会带来任何实质性的影响。

为保证定位准确，要求红外和超声信号到达时刻的测量精度不低于1微秒。

在以平板显示器为书写平面的情况下，有如下问题：

平板显示器工作过程中，会不断发射红外线，左信号接收器102和右信号接收器103接收到发射笔105发射的红外信号的同时，还接收到平板显示器工作过程发射的红外信号，干扰系统的红外信号，使信号处理器104不能正确测量红外信号到达的时刻；

平板显示器工作过程中，表面发热，温度可达50℃，这使得超声信号传播过程中产生衰落，左信号接收器102和右信号接收器103的输出信号幅度变化剧烈，导致信号处理器104不能准确获得超声信号的到达时间。

发明内容

本发明提供一种以平板显示器为书写平面的无线定位电子白板，以解决平板显示器工作过程中不断发射红外线和表面发热、导致信号处理器不能准确获得超声信号的到达时间产生定位不准确的问题。本发明采取的技术方案是：

包含超声红外信号发射笔206、左信号接收器202、右信号接收器203和信号处理器204，其中左信号接收器202、右信号接收器203分别固定连接在平板显示器205的左右两上端，该信号处理器通过数据线207与PC机208连接，该平板显示器通过数据线209与该PC机连接，信号处理器204包括微处理器一200分别连接可变增益放大器一251和可变增益放大器二252、脉冲成形电路一261和脉冲成形电路二262、脉冲合成电路一281和脉冲合成电路二282，峰值保持器一271和峰值保持器二272分别和信号处理器204连接；由可变增益调整放大电路251、峰值保持器271、微处理器一组成自适应增益调整电路；该自适应增益调整电路中，峰值保持器271的峰值跟踪误差为0.1V，微处理器一200控制模块控制A/D转换器，A/D转换器的位数为8位，采样速率≥100Kbps，控制采样保持器的采样与保持，增益参数调整；微处理器一200通过A/D转换器采集峰值保持器输出的信号峰值，用系统规定的信号的最大峰值除以该采样的峰值，商便为需要调整的增益值，调整时间小于20μS；发射笔206上安装红外发射传感器307和超声发射传感器308，该超声信号和红外信号按一定时序发送，红外信号为两个固定时间间隔t的红外脉冲，时间间隔为60μS≤t≤120μS。

本发明的一种实施方式是，信号处理器负责超声信号与红外信号的接收与解码，红外信号根据发射笔发射方式进行解码，克服平板显示器所发射的红外干扰，超声信号接收采用自适应增益调整技术克服平板显示器表面温度升高对超声信号的衰减；红外信号的接收解码采用精确计时，在固定时间内连续记录所有红外脉冲的下降沿与上升沿的时刻，计时周期小于0.2us，利用记录的下降沿与上升沿提取真正的红外信号。

本发明中信号处理电路包括两路可变增益放大器、两路超声信号峰值保持器、两路超声信号脉冲成形电路和超声红外脉冲合成电路，两个接收电路的输出分别作为可变增益放大器、超声信号峰值保持器的输入，可变增益放大器的输出作为超声信号脉冲成形电路的输入，超声信号峰值保持器的输出接至微处理器一的A/D输入，两个接收电路红外输出信号分别与超声信号脉冲成形电路输出的信号一起经过超声红外脉冲合成电路后，形成两路带有红外和超声脉冲的数字信号送至微处理器一。

其中可变增益放大器、超声信号脉冲成形电路的工作受微处理器一控制，在微处理器一的控制下，信号处理电路完成以下任务：超声信号峰值保持器输出有效的超声脉冲的峰值，送至微处理器一进行A/D转换；根据微处理器一的指令，调整可变增益放大器的放大倍数，以便使输出的超声信号幅度基本恒定；超声信号脉冲成形电路将超声模拟信号转换为数字信号，数字信号的前沿的起始时刻为超声信号的第二个正半周中幅度刚刚大于2V的时刻，后沿为超声脉冲结束的时刻；超声红外脉冲合成电路将两路红外信号以“或”的关系合成一路，再将此红外信号分别和数字化后的超声信号以“或”的关系复合成一路，送至微处理器一。

微处理器一完成以下工作：对两路复合后的超声红外信号进行采样，滤除外界红外噪声，确认红外信号到达的时刻，测量两个红外脉冲的间隔；对两路复合后的超声红外信号进行采样，测量超声信号的传播时延，也就是超声信号和红外信号之间的时间差；获得当前超声信号的传播时延后，存储，并输出控制信号，使峰值保持电路输出当前脉冲的的峰值，并且进行数据采集，获得信号接收器当前输出的超声信号的峰值；根据当前超声信号的峰值，调整可变增益放大器，使下一超声信号输出幅度稳定；将测量到的超声信号传播时延及红外脉冲间隔通过数据总线传送给计算机。

本发明的优点在于：在发射笔中，对红外发射信号做特殊处理，接收处理器可以滤除红外噪声的影响；在超声信号的接收处理电路中，采用了自适应控制技术，可以抵抗超声信号传播过程中的衰落，能够以平板显示器表面作为书写平面。

附图说明

图1是现有的采用超声红外定位技术的电子白板的结构示意图。

图2是本发明的结构示意图。

图3是本发明的发射笔电路原理框图。

图4是本发明的发射笔红外和超声激励信号的时序图。

图5是本发明左信号接收器202，右信号接收器203以及信号处理器204的电路原理框图。

图6是本发明开环自适应增益控制电路原理图。

图7是本发明峰值保持器电路原理图

图8A、图8B是本发明自适应增益控制电路的相关波形图。

图9是本发明红外处理电路接收到信号波形图。

具体实施方式

如图2所示，本发明由以下部分组成：发射笔206、平板显示器框架201，左信号接收器202、右信号接收器203、信号处理器204，为了使系统正常工作，需要PC机208和作为书写平面及PC机208显示器的平板显示器205，信号处理器204通过USB数据线207与PC机连接，平板显示器通过VGA数据线209与PC机连接，平板显示器与平板显示器框架201连接。

发射笔210的结构与普通超声红外定位电子白板所用的发射笔相同。如：

发射笔包括笔壳、笔芯、薄膜开关组件、电池、电路板、超声和红外发射传感器及其安装座等部件，所有部件均安装在笔壳内。

超声和红外发射传感器的安装座安装在发射笔的头部，其轴向应是一圆形或其它形状的空腔，便于接触体从空腔内伸出，并能够接触书写平面。

笔芯是一空心塑料壳体，外形与白板笔相同，书写过程中不能留下书写痕迹。其头部从传感器安装座的轴向空腔中伸出，可以接触书写平面，尾部与薄膜开关组件接触，在书写过程中，尾部将顶住薄膜开关组件，并使薄膜开关接通。

上述发射笔的结构保证了：在书写过程中或用发射笔点击书写平面时、也就是发射笔在工作的状态下，即正常人正常用力情况下，确保薄膜开关能够可靠接通；在非工作状态下，薄膜开关处于断开状态；传感器的安装座对超声和红外信号传播的影响尽可能小；在发射笔绕垂直书写平面轴旋转过程中，超声和红外信号的强度没有明显的的变化。

电路原理框图如图3所示。

电池301始终向微处理器二305、超声驱动电路306和红外驱动电路304供电，微处理器二305平时处于休眠状态，利用内部的看门狗，每隔10毫秒唤醒一次，唤醒后，即检测开关的状态，如开关没有闭合，不作任何操作，转入休眠状态；如检测到开关闭合，说明处于书写状态，输出红外和超声激励信号后，进入休眠状态。

红外和超声激励信号的时序如图4所示。红外激励信号由两个脉冲组成红外激励脉冲一401和红外激励脉冲二401，脉冲前沿间距100微秒(μS)，脉冲的持续时间为8微秒，超声激励信号403的前沿与红外激励脉冲一401前沿的时间间隔为800微秒。发射连续两个固定间隔的红外脉冲的目的是消除红外干扰。

发射笔的电路具有：在薄膜开关处于断开状态时，消耗电流不大于100μA；薄膜开关处于接通状态时，以固定的周期发出红外和超声信号的激励脉冲，使超声和红外传感器分别发射超声信号和红外信号，为防止干扰，超声激励信号要滞后于红外激励信号800μS；在薄膜开关由断开状态转换到接通状态后，能够检测电池的供电电压是否过低，如过低，则通过红外信号将电池电压低的信息传送给信号接收处理器；红外信号由连续的两个固定时间间隔的脉冲组成，时间间隔为50～120μS。

左信号接收器202或右信号接收器203均安放在塑料壳体内，并且分别安装在平板显示器205的书写平面的左上角和右上角，塑料壳体内层有金属涂层，具有良好的屏蔽性能。其中超声传感器和红外感器均指向各自所在角的对角线，以保证：无论发射笔位于书写平面上何处，每一个超声传感器均能有效接收发射笔所发射的超声信号，当信号强时，前置放大电路的输出信号不能出现饱和现象，当信号弱时，信噪比不会影响到后期的处理；无论发射笔位于书写平面上何处，两个红外传感器之中至少有一个能够有效地接收发射笔所发射的红外信号。

左信号接收器202，右信号接收器203以及信号处理器204的电路原理框图如图5所示。

以左信号接收器为例，左信号接收器的电路包括：左超声接收传感器211、左红外接收传感器231、左超声前置放大器221和左红外放大电路241。电路拓扑以及元件选型与普通的超声电子白板无异。传感器接收到发射笔所发射的超声和红外信号后，对其进行放大，通过连接电缆送至信号处理器204。左信号接收器202或右信号接收器203有四根引线，分别为电源、地、红外输出信号和超声输出信号，为减少传输过程中外界干扰的影响，采用屏蔽线。

信号处理器204的电路是整个系统的核心模块，包括可变增益放大器一251和可变增益放大器二252，脉冲成形电路一261和脉冲成形电路二262，脉冲合成电路一281和脉冲合成电路二282，峰值保持器一271和峰值保持器二272，微处理器一200。

平板显示器工作过程中，会产生大量热量，使屏幕表面温度升高，导致超声在传播过程中产生衰落，在50个超声发射周期内，幅度变化可达20dB，并且变化过程是连续的。针对此种情况，以左接收器为例，设计的开环自适应增益控制电路原理如图6所示。

在图6中的开环自适应增益控制电路包括峰值保持器一271、微处理器一200和可变增益放大器一251，输入信号601分别接至峰值保持器一271和可变增益放大器一251的信号输入端，峰值保持器一271的输出端和控制端接至微处理器一200的A/D输入端口和I/O输出端口，可变增益放大器251的增益控制端接至微处理器一200的I/O输出端口。

可变增益放大器一251的增益控制级别为256级，可以用可变增益集成运算放大器构成，集成的可变增益运算放大器可以电压控制型或电流控制型，也可以用普通的运算放大器与数字定位计构成可变增益放大器。

输入信号601是经过左前置放大器后的超声信号。峰值保持器一271的电路原理图如图7所示。

图7中峰值保持器一的特性为：

●在控制信号为“hold”情况下，当输入信号幅度大于输出信号幅度时，输出信号跟随输入信号；当输入信号幅度小于输出信号幅度时，输出信号保持不变。

●在控制信号为“sample”情况下，输出信号跟随输入信号。

峰值保持器的峰值保持器控制信号606由微处理器提供，在图7中，峰值保持器一271的工作状态与峰值保持器控制信号606如下：

 

峰值保持器控制信号606电平	峰值保持器271工作状态
		‘1’高电平	‘sample’采样
‘0’低电平	‘hold’保持

可变增益放大器的放大倍数由微处理器根据峰值保持器的输出信号幅度大小进行控制。

输入信号601、峰值保持器输出信号604、峰值保持器控制信号606以及输出信号的波形609及时序如图8A所示。图8A中，610为超声信号609的整形后的波形，611为整形后的波形610与红外信号复合后的信号。

假设601是开始书写后的首个超声信号，在此之前，应接收到红外基准信号，在接收到红外基准信号之后，微处理器通过I/O口，改变可变增益放大器的增益，由于在此之前未曾接收到超声信号，所以增益为预先确定的某一固定值；同时将峰值保持器的控制信号的状态由“sample”变为“hold”。在超声信号到达之后，可变增益放大器按照设置好的增益对输入信号601进行放大，输出信号为609；同时，峰值保持器工作在峰值保持状态，其输出604为输入信号601的峰值。输出信号609经过后期处理电路后，还要送至微处理器，由微处理器提取超声信号到达的时刻，并进行必要的运算处理。在601脉冲消失后，峰值保持器的输出仍为601的峰值，微处理器采集该峰值并存储，之后将峰值保持器控制信号的状态由“hold”变为“sample”，峰值保持器的降为零。

在第二个红外基准信号到达之后，微处理器将峰值保持器的控制信号的状态由“sample”变为“hold”，并通过I/O口，改变可变增益放大器的增益，微处理器根据前一超声信号即601的峰值，确定当前放大器的增益，目的是保证将要来到的超声信号即602的输出信号609的幅度与前一超声信号的输出信号609的幅度相同，可变增益放大器输出信号609的峰值应为一常数。

增益参数调整原理如下：

微处理器通过A/D采样采集当前峰值保持器输出信号604，其数值表征当前周期的超声信号的峰值，记作A_x。令系统的期望峰值(系统定义的最大峰值)为A_max，下一周期超声信号的增益为

A＝Amax/Ax                                 (3)

自适应增益调整的结果如图8A，图8B所示。

书写过程中信号笔的位置在不断变化，这会导致输入超声信号的幅度的变化，平板显示器发热也使信号幅度产生更大的变化。上述原因导致可变增益放大器输出信号的峰值不可能保持恒定。考虑到输入信号幅度的变化是连续的，所以输出信号峰值虽然不能保持恒定，但能够限定在一个比较小的范围内波动。这种波动不影响超声信号到达时刻的准确测量也就克服了平板显示器工作过程中发热的影响。

平板显示器表面产生的红外干扰是周期为毫秒级的窄脉冲，脉冲宽度为4～20微秒，而发射笔发射的红外信号的宽度被限制在6～12微秒范围内，针对此种情况，令发射的红外信号为时间间隔固定为100微秒的双窄脉冲，即可抑制平板显示器表面产生的红外干扰。

采用精确定时，定时精度小于等于0.2μS，定时使用微处理器一200自带的捕捉功能模块，用两个捕捉模块，一个捕捉红外脉冲的下降沿，一个捕捉红外脉冲的上升沿，在不停止定时器的情况下准确捕捉定时器的定时值。

接收过程中，当接收到任何一个红外脉冲后，记录脉冲下降沿和上升沿到达的时刻，继续接收120微秒内的下一个红外脉冲，直到前一脉冲结束后120微秒内没有任何脉冲出现，一个完整的接收过程结束。如在一个接收过程中，只能接收到一个脉冲，说明为干扰信号，丢弃，重新开始接收。当一个接收过程接收到两个或三个脉冲后，说明接收到了有效信号，开始译码。

接收到信号波形如图9所示。

可能出现两种情况：

情况1

只接收到两个脉冲(脉冲3没有出现)，译码规则如下：

if(t3-t1)≥99μs

  then T＝t3-100μs

else T＝t1

end

其中T为第一个红外脉冲到达的时刻。

情况2

接收到三个脉冲，译码规则如下：

计算s1＝|t3-t1-100|、S2＝|t5-t1-100|、s3＝|t5-t3-100|

寻找s1、s2、s3中的最小值smin

if s1＝smin   then   T＝t1

else  if s2＝smin   then    T＝t1

     else if  s3＝smin   then T＝t3

          end

     end

end

如果s1和s3同为最小值，再计算

s4＝|t4-t2-100|、s6＝|t6-t4-100|

if  s4<s6    then  T＝t1

else  T＝t3

end

上述译码方法已经考虑了干扰脉冲的宽度，采用该方法后，可以滤除平板显示器表面的红外干扰。

Claims (2)

1、一种以平板显示器为书写平面的无线定位电子白板，包含超声红外信号发射笔(206)、左信号接收器(202)、右信号接收器(203)和信号处理器(204)，其中左信号接收器(202)、右信号接收器(203)分别固定连接在平板显示器(205)的左右两上端，该信号处理器通过数据线(207)与PC机(208)连接，该平板显示器通过数据线(209)与该PC机连接，其特征在于：信号处理器(204)包括微处理器一(200)分别连接可变增益放大器一(251)和可变增益放大器二(252)、脉冲成形电路一(261)和脉冲成形电路二(262)、脉冲合成电路一(281)和脉冲合成电路二(282)，峰值保持器一(271)和峰值保持器二(272)分别和信号处理器(204)连接；由可变增益调整放大电路(251)、峰值保持器(271)、微处理器一组成自适应增益调整电路；该自适应增益调整电路中，峰值保持器(271)的峰值跟踪误差为0.1V，微处理器一(200)控制模块控制A/D转换器，A/D转换器的位数为8位，采样速率≥100Kbps，控制采样保持器的采样与保持，增益参数调整；微处理器一(200)通过A/D转换器采集峰值保持器输出的信号峰值，用系统规定的信号的最大峰值除以该采样的峰值，商便为需要调整的增益值，调整时间小于20μS；发射笔(206)上安装红外发射传感器(307)和超声发射传感器(308)，该超声信号和红外信号按一定时序发送，红外信号为两个固定时间间隔t的红外脉冲，时间间隔为60μS≤t≤120μS。

2、如权利要求1所述的以平板显示器为书写平面的无线定位电子白板，信号处理器负责超声信号与红外信号的接收与解码，其特征在于：红外信号根据发射笔发射方式进行解码，克服平板显示器所发射的红外干扰，超声信号接收采用自适应增益调整技术克服平板显示器表面温度升高对超声信号的衰减；红外信号的接收解码采用精确计时，在固定时间内连续记录所有红外脉冲的下降沿与上升沿的时刻，计时周期小于0.2us，利用记录的下降沿与上升沿提取真正的红外信号。

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