CN101853111B - 超声波互动电子白板系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于将传感器应用于计算机与外界交流的技术，尤其涉及到利用超声波传感器制作的超声波互动电子白板系统。本发明包括白板、信号笔、计算机，其要点在于信号笔发射红外编码信号及超声波信号，接收信号的计算机中含有：a)超声信号前置放大电路；b)红外信号前置放大电路；c)A/D采样电路与数字滤波电路；d)红外信号解码运算部分、超声波波形识别运算部分；e)USB通信部分由PDIUSB12芯片组成，与PC进行USB协议通信，把超声波从发出到接收的时间上传给PC机进行运算，对红外信号解码运算、超声波波形识别运算，并将运算结果形成指令给计算机，将结果显示到白板上。本发明突破了超声波幅值限定，增大超声波互动电子白板有效书写面积，支持对角线0-120时的电子白板。
Description
技术领域
本发明属于将传感器应用于计算机与外界交流的技术，尤其涉及到利用超声波传感器制作的超声波互动电子白板系统。
背景技术
随着互动多媒体技术的发展与应用，电子触摸屏在现实生活中普及化应用，人机交互方式的多样化提供给用户极大的方便，互动电子白板系统是将人机交互应用在大屏幕显示领域的人机交互系统，广泛用于教学、会议、办公，配合互动电子白板软件，可以实现无尘粉笔、电子化备课、教学、课堂教学互动等功能，丰富教学内容，提高了教学质量。
超声波是指频率在20Khz以上，人耳不能激起正常听觉反应的机械振动波，超声波在空气中传播时能量衰减比较厉害，这样对检测超声波是非常不利的。
中国专利文献CN 1595348A公开了一种遥控无线定位电子白板系统，申请号为200410010955.1，利用接收的超声波幅度来确定超声波达到超声波接收器的时间，由于超声波在不同距离，不同方位，超声波接收器幅度差异较大，需要采用特殊的PVDF膜来增强发射功率，采用提高放大倍数、可变增益放大器，使得白板系统在外界噪音干扰下，产生定位误差，导致系统不能正常工作。
中国专利文献CN 1595349A公开了一种基于软件无线电原理的电子白板系统，申请号为200410010956.6，采用基于高阶循环统计量的正交解调算法，对超声波信号进行处理，利用正交解调算法，可以提高时延提取的准确性，但是仍然解决不了在同一个点超声波信号发射笔倾斜后，由于超声波两个接收部件接收到不一样超声波信号，而产生的时延误差，导致在信号笔运行中出现定位偏差现象。
中国专利文献CN 1740958A公开了一种超声波定位控制装置及其方法，申请号为200510076769.2，采用鉴相器鉴别的调制信号，并且根据信号的相位特征判断出触摸点的位置，然后利用数学公式进行计算，这个方法可以降低超声波前置硬件处理的复杂度，但是同时也增加软件的复杂程度，引入更多误差，导致电子笔在运行中定位坐标在一定范围内抖动现象，无法精准定位。
中国专利文献CN 101029931A公开了一种超声波定位装置及其定位方法，申请号为200710026504.0，采用自动增益电路将各个接收方向上的超声波信号放大，并通过脉冲转换电路转换成脉冲信号，采用这个方法其本质还是采用幅值鉴定方法，由于超声波在不同距离，不同方位，超声波接收器幅度差异较大，从而提取时延误差的产生是不可避免的，且在外界噪音干扰下，产生定位误差，导致系统不能正常工作。
以上四个专利都只能支持对角线80-90时左右的电子白板有效使用面积。
发明内容
本发明的目的在于克服上述互动电子白板系统存在缺点，提供一种不受外界干扰，能精确定位、接收、判断信号笔所发的信号的超声波互动电子白板系统。
本发明所采用的技术方案为超声波互动电子白板系统，包括白板、信号笔、计算机，其要点在于信号笔发射红外编码信号及超声波信号，所述的超声波波形方程为：
F(x)＝x*sin(x)当0＜x＜t/2，其中t为超声波波形延续时间
F(x)＝(t-x)*sin(t-x)当t/2＜x＜t，其中t为超声波波形延续时间
其中Py1，Py2，Py3，Py4，Py5，Py6为超声波0＜x＜t/2内的周期峰值，令超声波周期为T
则Py1＝(T/4)*sin(T/4)---------------------1
Py2＝(T/4+T)*sin(T/4+T)-----------------2
Py3＝(T/4+2T)*sin(T/4+2T)---------------3
Py4＝(T/4+3T)*sin(T/4+3T)---------------4
Py5＝(T/4+4T)*sin(T/4+4T)---------------5
Py6＝(T/4+5T)*sin(T/4+5T)---------------6
由公式2/1、3/2、4/3、5/4、6/5得
S1＝Py2/Py1＝(T/4+T)*sin(T/4+T)/(T/4)/sin(T/4)＝4.346
S2＝Py3/Py2＝(T/4+2T)*sin(T/4+2T)/(T/4+T)/sin(T/4+T)＝1.7923
S3＝Py4/Py3＝(T/4+3T)*sin(T/4+3T)/(T/4+2T)/sin(T/4+2T)＝1.441
S4＝Py5/Py4＝(T/4+4T)*sin(T/4+4T)/(T/4+3T)/sin(T/4+3T)＝1.300
S5＝Py6/Py4＝(T/4+5T)*sin(T/4+5T)/(T/4+4T)/sin(T/4+4T)＝1.2392
同时在信号笔中设定了特定的红外编码波形，接收信号的计算机中含有：
a)超声信号前置放大电路；
b)红外信号前置放大电路；
c)A/D采样电路与数字滤波电路；
d)红外信号解码运算部分、超声波波形识别运算部分；
e)USB通信部分由PDIUSB12芯片组成，与PC进行USB协议通信，把超声波从发出到接收的时间上传给PC机进行运算，计算机收到信号笔发出的信号后，排除杂波干扰，对红外信号解码运算、超声波波形识别运算，并将运算结果形成指令给计算机，计算机再将结果显示到白板上。
对红外进行编码时，可以设定为有效的编码为4个连续高电平，前2个高电平与后两个高电平之间宽度作为红外编码信号，即t＝Pr2-Pr1，根据t＝Pr2-Pr1的宽度可以断定是否为电子笔发出的红外信号，其中t的时间范围为180μs＜t＜360μs。
超声波前置放大与红外信号前置放大电路，由LMV822运算放大器组成前置放大电路。
A/D采样电路与数字滤波电路，由DSP与多通道高速A/D采用芯片组成，其中A/D采样芯片采用4通道TLV1562，DSP采用TMS320VC5509进行数字滤波。
DSP对A/D采用的红外波形，与红外信号编码波形进行比对，比对结果相类似，则判断为接收到信号笔发出的红外信号，启动计时，并开始接收并处理超声波信号。
要进行超声波波形识别，并计算出两个超声波接收头接收到超声波信号的接收时间，DSP接收到L路超声波信号，R路超声波信号，分别计算出S1、S2、S3、S4、S5，与S1’、S2’、S3’、S4’、S5’，从S1、S2、S3、S4、S5，与S1’、S2’、S3’、S4’、S5’中，选择两个值最为接近的两个点，Sx与Sx’，以这两个点所对应的计时时间Tl，Tr作为超声波从发出到达两路超声波接收时间。
本发明的原理在于：信号笔在白板板面书写时，会先发出红外编码信号，并同时发送出超声波波形信号，由于光线传送速度极快可以忽略不计，红外接收传感器接收到微弱的红外信号，经过红外前置放大器放大后，把放大后的信号给A/D芯片进行采样，得到8位的数字信号，经过DSP的滤波算法，消除环境中红外干扰之后，再次对数字信号进行解码，判断是否为超声波与红外发射笔发出的红外信号，如果是超声波与红外笔发出的红外信号，则开始接收L、R两路超声波信号，超声波在空气中传输到达两个超声波接收头，超声波传感器产生微弱的电信号，经过超声波前置放大电路放大，把放大后的超声波给A/D芯片进行采样，得到L、R两路超声波8位的数字信号，经过DSP滤波算法，消除环境中杂波信号，提取40Khz的超声波信号数据，DSP在记录超声波波形幅值同时也记录时间，根据拉格朗日中值原理，求取得超声波正半周各个波峰，并记录波峰时间，这样子两路超声波的波峰值及其波峰时间都是已知了，根据以下公式
S1＝Py2/Py1＝(T/4+T)*sin(T/4+T)/(T/4)/sin(T/4)＝4.346
S2＝Py3/Py2＝(T/4+2T)*sin(T/4+2T)/(T/4+T)/sin(T/4+T)＝1.7923
S3＝Py4/Py3＝(T/4+3T)*sin(T/4+3T)/(T/4+2T)/sin(T/4+2T)＝1.441
S4＝Py5/Py4＝(T/4+4T)*sin(T/4+4T)/(T/4+3T)/sin(T/4+3T)＝1.300
S5＝Py6/Py4＝(T/4+5T)*sin(T/4+5T)/(T/4+4T)/sin(T/4+4T)＝1.2392
我们可以进行L、R两路超声波进行比对，找出相同的S值，并且获得相同S值的时间tl，tr，其中tl，tr就是我们想要得到超声波时延。
根据tl、tr利用三角定位公式可以求解出超声波与红外发射笔距离超声波接收器的距离。
本系统的主要思想就是要突破超声波幅值限制，因为超声波在空气传输，在不同距离，不同方位，超声波与红外发射笔与电子白板的倾斜程度不同都将产生L、R两路超声波接收幅值不同，从而导致了超声波时延的误差，本发明主要是探索了超声波波形规律，计算出超声波波形方程为f(x)＝x*sin(x)，利用该波形方程进行超声波波峰比对，突破了超声波幅值对比误差，达到了即使L、R两路超声波接收的超声波波形幅值相差较大，也可以准确计算出L、R波峰的时延。
本系统另外一个突破就是红外信号编码，由于超声波互动电子白板在现实环境中很容易受到光的干扰，比如日关灯、太阳管、投影仪、显示器发出光线的干扰，这种干扰其频谱带很宽，普通的高低电平编码基本是无法抵消这种干扰，所以提出连续两串高低电平编码，通过计算这两串高低电平编码之间的时间，来判断是否为超声波与红外发射笔发出的红外信号。
本发明突破了超声波幅值限定，可以增大超声波互动电子白板有效书写面积，可以支持对角线0-120英寸任意尺寸的电子白板。
附图说明
图1为本发明信号笔发送红外编码信号图
图2为本发明信号笔发送超声波信号波形图及其波形方程
图3为本发明超声波与红外接收信号处理图
图4为本发明硬件结构图
图5为本发明程序流程图
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型进行详细的描述
如图1、图2、图3、图4、图5所示，超声波互动电子白板系统，包括白板、信号笔、计算机，信号笔用于发射超声波信号与红外编码信号。
1)信号笔先发送红外编码信号如图1所示
2)信号笔发送红外编码信号之后，发送超声波信号，如图2所示。
3)超声波信号接收电路如图3，如图4，接收到超声波波形图2，该超声波波形方程为：
F(x)＝x*sin(x)当0＜x＜t/2，其中t为超声波波形延续时间
F(x)＝(t-x)*sin(t-x)当t/2＜x＜t，其中t为超声波波形延续时间
其中Py1，Py2，Py3，Py4，Py5，Py6为超声波0＜x＜t/2内的周期峰值，令超声波周期为T
则Py1＝(T/4)*sin(T/4)---------------------1
Py2＝(T/4+T)*sin(T/4+T)-----------------2
Py3＝(T/4+2T)*sin(T/4+2T)---------------3
Py4＝(T/4+3T)*sin(T/4+3T)---------------4
Py5＝(T/4+4T)*sin(T/4+4T)---------------5
Py6＝(T/4+5T)*sin(T/4+5T)---------------6
由公式2/1、3/2、4/3、5/4、6/5得
S1＝Py2/Py1＝(T/4+T)*sin(T/4+T)/(T/4)/sin(T/4)＝4.346
S2＝Py3/Py2＝(T/4+2T)*sin(T/4+2T)/(T/4+T)/sin(T/4+T)＝1.7923
S3＝Py4/Py3＝(T/4+3T)*sin(T/4+3T)/(T/4+2T)/sin(T/4+2T)＝1.441
S4＝Py5/Py4＝(T/4+4T)*sin(T/4+4T)/(T/4+3T)/sin(T/4+3T)＝1.300
S5＝Py6/Py4＝(T/4+5T)*sin(T/4+5T)/(T/4+4T)/sin(T/4+4T)＝1.2392
其波形如图2所示，超声波波形有两个阶段一个阶段为振幅不断上升的阶段，另外一个阶段为振幅不断下降的衰减阶段，由于不同超声波接收传感器，其余振不同，其衰弱阶段会不一样，所以采用超声波上升阶段作为特征阶段，进行波形识别。
4)超声波接收与信号处理中含有：
a)超声信号前置放大电路；
b)红外信号前置放大电路；
c)A/D采样电路与数字滤波电路；
d)红外信号解码运算部分、超声波波形识别运算部分；
e)USB通信部分由PDIUSB12芯片组成，与PC进行USB协议通信，把超声波从发出到接收的时间上传给计算机进行运算，计算机收到信号笔发出的信号后，排除杂波干扰，对红外信号解码运算、超声波波形识别运算，并将运算结果形成指令给计算机，计算机再将结果显示到白板上。
5)红外信号编码发射，如图1，红外编码为持续的4个高电平脉冲，前2个高电平脉冲与后2个高电平脉冲的时间差t＝Pr2-Pr1，根据t来判断是否为超声波与红外发射笔发出的红外编码，其中t的时间范围为180μs＜t＜360μs。t＝180μs表示超声波与红外发射笔的按下、t＝240表示弹起。
6)超声波前置放大与红外信号前置放大电路，一般由LMV822运算放大器组成，A/D采样电路与数字滤波电路，由DSP与多通道高速A/D采用芯片组成，其中A/D采样芯片采用4通道TLV1562，DSP采用TMS320VC5509进行数字滤波。
红外接收传感器接收到红外编码信号后，经过前置放大后，把模拟信号发送给A/D采样芯片TLV1562进行采样，转换成数字信号，并暂存在TMS320VC5509芯片的RAM中，TMS320VC5509对采样的数字信号进行滤波，提取有效的红外信号，屏蔽环境红外干扰信号，计算出前2个高电平脉冲与后两个高电平脉冲的时间差t＝Pr2-Pr1，判断t的值，进行超声波与红外发射笔的书写、弹起、按键的识别及其处理。
DSP对A/D采用的红外波形，与红外信号编码波形进行比对，比对结果相类似，则判断为接收到信号笔发出的红外信号，启动计时，并开始接收并处理超声波信号。
7)进行超声波波形识别方法，并计算出两个超声波接收头接收到超声波信号的接收时间，DSP接收到L路超声波信号，R路超声波信号，分别计算出S1、S2、S3、S4、S5，与S1’、S2’、S3’、S4’、S5’，从S1、S2、S3、S4、S5，与S1’、S2’、S3’、S4’、S5’中，选择两个值最为接近的两个点，Sx与Sx’，以这两个点所对应的计时时间Tl，Tr作为超声波从发出到达两路超声波接收时间。
即现在RAM存储有L、R两路超声波正波峰值，L路：LPy1，LPy2、LPy3、LPy4、LPy5，及其对于时间点LT1，LT2，LT3，LT4，LT5，求出LS1，LS2，LS3，LS4，LS5；
R路：RPy1，RPy2、RPy3、RPy4、RPy5，及其对于时间RT1，RT2，RT3，RT4，RT5，求出RS1，RS2，，RS3，RS4，RS5；
从LS1，LS2，LS3，LS4，LS5与RS1，RS2，，RS3，RS4，RS5找出最相近的两个值，及其对应时间点Tl，Tr，则Tl，Tr则为我们所要求的。
由于LS1，LS2，LS3，LS4，LS5与RS1，RS2，，RS3，RS4，RS5是波峰幅值比，其值与波形幅值无直接关系，所以通过此算法可以解决超声波在不同距离、不同方位、及其超声波与红外发射笔倾斜而产生的L、R两超声波接收信号相差太大的问题，这样子无需加大笔的发射功率，可以把超声波与红外发射笔做到很小巧。
当DSP识别到是超声波与红外发射笔发出的红外编码信号后，会切换A/D采用芯片TLV1562对L、R两路超声波信号同时进行采样，获取L、R超声波8位的数字信号，并把数据存储到DSP TMS320VC5509的RAM中，TMS320VC5509对采样的两路超声波信号进行数字滤波，提取40Khz的超声波数字信号数据，并存储在RAM，然后利用中值定理，计算中两路数字波形中的正峰值，存储各峰值的时间点在RAM中。
DSP TMS320VC5509计算出Tl、Tr后通过USB接口芯片PDIUSB12把这两个数据上传给PC机，PC机接收到数据后，对这两个数据进行三角定位计算出超声波与红外发射笔距离超声波接收器的位置，其计算公式如下
根据三角函数公式
arcA＝arccos((1000*1000+Tr*Tr-Tl*Tl)/2000/Tr)；
X＝Tr*cos(2.3561944901923-arcA)；
Y＝Tr*Sin(2.3561944901923-arcA)；
计算出X，Y即为超声波与红外信号发射笔的相对位置
计算得出的X、Y还不是PC机鼠标真实位置坐标，必须经过PC机屏幕显示分辨率的计算后，才能得到鼠标坐标位置、超声波与红外发射笔的对应位置，其公式如下
要把超声波与红外发射笔位置转换成PC机的鼠标位置，要进行定位换算，Mx为x方向换算比例，My为y方向换算比例，Dx为屏幕x方向分辨率，Dy为屏幕y方向分辨率，则PC鼠标的位置为x’，y’
x’＝X*Mx/Dx
y’＝Y*My/Dy
本发明的保护范围并不限于上述实施例，凡与本发明的技术方案相同或者等同的技术内容落入其保护范围内。
Claims (8)
1.超声波互动电子白板系统，包括白板、信号笔、计算机，其特征在于信号笔发射红外编码信号及超声波信号，所述的超声波波形方程为：
F(x)＝x*sin(x)当0＜x＜t/2，其中t为超声波波形延续时间，
F(x)＝(t-x)*sin(t-x)当t/2＜x＜t，其中t为超声波波形延续时间，
其中Py1，Py2，Py 3，Py4，Py5，Py6为超声波0＜x＜t/2内的周期峰值，令超声波周期为T，
则Py1＝(T/4)*sin(T/4)---------------------1
Py2＝(T/4+T)*sin(T/4+T)-----------------2
Py3＝(T/4+2T)*sin(T/4+2T)---------------3
Py4＝(T/4+3T)*sin(T/4+3T)---------------4
Py5＝(T/4+4T)*sin(T/4+4T)---------------5
Py6＝(T/4+5T)*sin(T/4+5T)---------------6
由公式2/1、3/2、4/3、5/4、6/5得：
S1＝Py2/Py1＝(T/4+T)*sin(T/4+T)/(T/4)/sin(T/4)＝4.346
S2＝Py3/Py2＝(T/4+2T)*sin(T/4+2T)/(T/4+T)/sin(T/4+T)＝1.7923
S3＝Py4/Py3＝(T/4+3T)*sin(T/4+3T)/(T/4+2T)/sin(T/4+2T)＝1.441
S4＝Py5/Py4＝(T/4+4T)*sin(T/4+4T)/(T/4+3T)/sin(T/4+3T)＝1.300
S5＝Py6/Py4＝(T/4+5T)*sin(T/4+5T)/(T/4+4T)/sin(T/4+4T)＝1.2392
同时在信号笔中设定了特定的红外编码波形，接收信号的计算机中含有：
a)超声信号前置放大电路；
b)红外信号前置放大电路；
c)A/D采样电路与数字滤波电路；
d)红外信号解码运算部分、超声波波形识别运算部分；
e)USB通信部分由PDIUSB12芯片组成，与PC进行USB协议通信，把超声波从发出到接收的时间上传给计算机进行运算，计算机收到信号笔发出的信号后，排除杂波干扰，对红外信号解码运算、超声波波形识别运算，并将运算 结果形成指令给计算机，计算机再将结果显示到白板上。
2.根据权利要求1所述的超声波互动电子白板系统，其特征在于，对红外进行编码时，可以设定为有效的编码为4个连续高电平，前2个高电平结束时间点Pr1与后两个高电平起始时间点Pr2之间时间宽度t作为红外编码信号，即t＝Pr2-Pr1，根据t＝Pr2-Pr1的宽度可以断定是否为电子笔发出的红外信号，其中t的时间范围为180μs＜t＜360μs。
3.根据权利要求1所述的超声波互动电子白板系统，其特征在于，超声波前置放大与红外信号前置放大电路，由LMV822运算放大器组成前置放大电路。
4.根据权利要求1所述的超声波互动电子白板系统，其特征在于，A/D采样电路与数字滤波电路，由DSP与多通道高速A/D采样芯片组成，其中A/D采样芯片采用4通道TLV1562，DSP采用TMS320VC5509进行数字滤波。
5.根据权利要求4所述的超声波互动电子白板系统，其特征在于，DSP对A/D采用的红外波形，与红外信号编码波形进行比对，比对结果相类似，则判断为接收到信号笔发出的红外信号，启动计时，并开始接收并处理超声波信号。
6.根据权利要求4所述的超声波互动电子白板系统，其特征在于，要进行超声波波形识别，并计算出两个超声波接收头接收到超声波信号的接收时间，DSP接收到L路超声波信号，R路超声波信号，分别计算出L路的S1、S2、S3、S4、S5，与R路的S1’、S2’、S3’、S4’、S5’，从S1、S2、S3、S4、S5，与S1’、S2’、S3’、S4’、S5’中，选择两个值最为接近的两个点，Sx与Sx’，以这两个点所对应的计时时间Tl，Tr作为超声波从发出到达两路超声波接收时间。
7.根据权利要求1所述的超声波互动电子白板系统，其特征在于，信号笔，用于发射超声波信号与红外编码信号，且先发送红外编码信号，延时一定时间后，再进行超声波信号发射。
8.根据权利要求7所述的超声波互动电子白板系统，其特征在于，所述的延时一定时间为延时600μs。
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