CN1595348A - 遥控无线定位电子白板系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种遥控无线定位电子白板系统，属于通过遥控器控制的无线定位电子白板。包括笔划感应器11、信号笔15、板擦16、和普通书写白板18，还包括遥控器17，该遥控器可采用通用的无线电遥控器，至少应具有四个按健，具有将遥控信息发送出去的调制模块和天线。有益效果主要体现是：利用无线遥控方式操作PC机的软件界面，增加了用户使用的方便性。通过增加窄脉冲滤波器和控制脉冲成形电路的工作时机，消除了外界噪声和超声反射波对系统的影响，有利于减小信号笔的体积。

Description

遥控无线定位电子白板系统

技术领域

本发明涉及一种可通过遥控器控制的无线定位电子白板。所谓无线定位电子白板，就是基于超声和红外联合定位的电子白板，其遥控装置就是对无线定位电子白板进行远距离操作的设备。

背景技术

电子白板系统广泛应用于教学、办公、会议、远程教育的场合中。根据其工作原理可分为扫描式电子白板、触摸式电子白板、激光电子白板和无线定位电子白板。其中基于超声波和红外信号进行定位的无线定位电子白板具有体积小，重量轻，搬运安装方便，同时具有较高的分辨率的优点。无线定位电子白板系统一般包括信号笔、板擦、普通白板、笔划感应器、计算机和投影仪等。无线定位电子白板的基本原理是应用超声波和红外信号的联合定位来确定信号笔或板擦在白板上的位置。信号笔或板擦工作时发出超声波和红外信号，笔划感应器接收到红外信号和超声波，由于红外信号在空气中的传播速度远远高于超声波的传播速度，因此在白板区域内，可以忽略红外信号的传播时间，以红外信号作为系统时间基准，确定超声波在白板区域内的传播时间、时延，进而确定信号笔或板擦与笔划感应器的距离，最终得到信号笔或板擦在白板上的坐标。电子白板的信号笔用于书写功能，板擦用于擦除白板和系统软件记录的笔迹。

Yonald Chery等的专利《Stylus for Use with Transcription System》，美国专利，专利号为6,111,565，利用接收的超声波的幅度来确定超声波到达笔划感应器的时间。为保证幅度稳定，需要增大信号笔的发射功率，因而不可避免的要采用变压器，导致信号笔的体积重量加大。

Holtzman的专利《Marking Device for Electronic Presentation Board》，美国专利，专利号为5,866,856，对电子白板的信号笔的模具进行了改进，相比美国专利6,111,565种的信号笔，结构紧凑，体积小，轻便。

Robert P.Wood等的专利《Transducer Signal Waveshaping System》，美国专利，专利号为6,118,205，设计一种特殊的信号笔驱动电路，信号笔发出具有特殊波形特征的超声波。

Robert P.Wood等的专利《Transmitter Pen Location System》，美国专利，专利号为6,335,723，利用信号笔产生的超声波的特殊波形特征，通过处理器提取出波形特征，从而准确提取出超声波的传播时延。该方法避免了利用超声波幅度提取时延的困难，但是运算量大，笔迹跟踪速度受限制，同时使信号笔的电路变得复杂。

Robert P.Wood等的专利《Transmitter Pen Location System》，美国专利，专利号为6,414,673，在专利6,335,723的基础上对笔划感应器进行了改进，笔划感应器包括如下三种形式。

第一种，笔划感应器有两个接收器，每个接收器分别包括两个超声波接收传感器，通过测量超声波信号在两个传感器上的相位差确定信号笔在白板上的坐标。

第二种，笔划感应器有三个接收器，每个接收器为一个超声波接收传感器，以某一传感器为参考，通过确定超声波信号分别到达另两个传感器与参考传感器的时延差来确定信号笔在白板系统上位置。

第三种，笔划感应器只有一个接收器，接收器包含两个超声波接收传感器和一个红外传感器，系统通过确定超声波到达两个超声接收传感器的相位差和超声波到达接收器的时延来确定信号笔的坐标。

采用上述技术的无线定位电子白板存在的主要问题是：

(1)书写者在书写过程中，必须回到PC机前，才能完成界面操作，使用起来不方便。

(2)在利用超声波幅度提取时延的方法中，由于采用了变压器提高信号笔发射功率，使其体积增加，从而导致使用不便。

(3)在利用超声波形特征提取时延的方法中，一方面笔的复杂程度提高，另一方面，降低了笔迹跟踪速度。

上述专利中没有涉及到用于远距离操作电子白板的遥控装置。

发明内容

本发明提供一种带有遥控功能的无线定位电子白板系统，解决现有的无线定位电子白板操作上的不便。本发明采取的技术方案：

本发明从结构上可分为笔划感应器11、信号笔15、板擦16、遥控器17和白板18，其中笔划感应器11由左信号接收器12、右信号接收器13和信号处理器14组成。

遥控器可采用通用的无线电遥控器，至少应具有四个按健，并通过调制模块402和天线403将遥控信息发送出去。遥控器也可采用通用的红外遥控装置。

信号笔15由电池21、机械开关22、薄膜线路板23、红外发射传感器27和超声发射传感器28组成，其中在薄膜线路板上有红外驱动电路24、超声驱动电路26和微处理器25。该薄膜线路板与红外发射传感器27和超声发射传感器28连接，该薄膜线路板上包括微处理器25、该微处理器与红外驱动电路24和超声驱动电路26连接。机械开关用于控制电池的供电电路，处于常开状态，在书写过程中，机械开关22受力闭合，使电池21通过它向薄膜电路板23供电，微处理器25发出固定周期的脉冲信号经红外驱动电路24和超声驱动电路26放大后，驱动红外发射传感器27和超声发射传感器28，使二者分别发送红外和超声信号，笔划感应器11周期性的接收到信号笔15发送的信号以确定其位置。

板擦16的电路与信号笔的电路完全一致，仅仅红外信号中附带的颜色信息为白色。在利用板擦擦去白板上的书写内容的同时，在系统中也清除了相应的书写内容。

在利用信号笔15于白板18上进行彩色书写和绘画的同时，信号笔15还要发送超声信号和红外信号给笔划感应器11，红外信号中包含信号笔15的颜色信息，利用红外信号的宽度区分不同的颜色。笔划感应器11中左信号接收器12和右信号接收器13对接收到的超声和红外信号进行放大，然后送至信号处理器14，对其进行处理，采集笔的颜色信息和左右两路时延信息，该时延信息就是从信号笔15发送超声信号开始，到左信号接收器12和右信号接收器13分别接收到超声信号的时间。信号处理器14将采集到的颜色信息和时延信息通过通信接口39传送到PC机19中，并在屏幕上以适当的方式显示，板擦16实际上是一只特殊的信号笔15。

用户可以通过遥控器17控制PC机19完成一些常用的操作，而不必回到计算机前。遥控器17将遥控信息以无线方式传送到信号处理器14，再由其通过通信接口39传递到PC机19中，完成相应的操作。

为了确定信号笔15或板擦16在白板18上的坐标，须确定信号笔15或板擦16分别与左信号接收器12和右信号接收器13的距离l、r。已知左信号接收器12和右信号接收器13的距离为L，并假设左信号接收器12的坐标为(0，0)，右信号接收器13的坐标为(L，0)，则信号笔15或板擦16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)

为求得距离l和r，只需得到信号笔15或板擦16自发出超声信号起到左信号接收器12和右信号接收器13分别接收到超声信号之间的时间差，也就是时延。由于超声波的传播速度为一常数，则传播时延与传播速度的乘积即为所需求的距离。左信号接收器12和右信号接收器13以接收到信号笔15或板擦16发射的红外信号611的时刻作为发送超声信号的起始时刻，因为在信号笔15或板擦16中，红外和超声信号同时发射，而红外信号在空气中的传播速度，每秒三十万公里远大于超声信号的传播速度，每秒三百四十米左右，所以这样做产生的误差不会带来任何实质性的影响。

笔划感应器11由左信号接收放大器12、右信号接收放大器13和信号处理器14组成。信号处理器14包括两个相同的能消除外界噪声和超声反射波产生的窄脉冲的窄脉冲滤波器一371、窄脉冲滤波器二372，该窄脉冲滤波器一371、窄脉冲滤波器二372分别与脉冲成形电路一361、脉冲成形电路二362连接，该两个脉冲成形电路产生的数字脉冲信号经两个窄脉冲滤波器处理后分别送到脉冲合成电路一381、脉冲合成电路二382中，遥控接收电路310与单片机30连接。当信号笔15或板擦16发出超声和红外信号时，左信号接收放大器12的超声传感器311和右信号接收放大器13的超声传感器312接收超声信号，并分别经过前置放大器321和322进行滤波放大。两路超声信号经前置放大后，分别送至可变增益放大器351和352，再经脉冲成形电路361和362后，变为规范的数字信号，通过窄脉冲滤波器371、372，滤除因反射等原因形成的宽度小于预定值的窄脉冲干扰。

左右信号接收器12、13中的红外传感器331、332接收到信号笔15或板擦16发出的红外信号，将其转换为电信号后，分别送至红外整形放大电路341、342，经处理后的红外信号与窄脉冲滤波器371、372的输出信号一起送至脉冲合成电路381、382，将同一侧的超声和红外信号复合成一路，送入单片机30。

单片机30根据复合后的信号，测量红外脉冲的脉冲宽度，提取颜色信息；测量红外脉冲691与超声脉冲692之间的时间差，也就是超声时延693，并将测量结果通过通信接口39发送给带有白板软件的PC机19，最终完成书写内容的实时记录。

将单片机30根据前一超声脉冲的时延确定当前可变增益放大器321和322的放大倍数，从而保证超声信号的幅度不会随着信号笔15或板擦16位置的改变而有较大波动。每次落笔后第一个超声信号到达之前，可变增益放大器321和322的放大倍数被预置成固定倍数。

脉冲成形电路361、362的工作受单片机30控制，单片机30通过控制脉冲成形电路361、362的使能端，实现对其工作时机的控制。使能端的控制信号如图6中65所示，每次落笔后无法预知第一个超声信号到达的时间段，因而第一阶段的使能信号在全部时间段内，也就是两个红外信号之间的时间段有效，而对于第二个及以后的超声脉冲，可以根据前一超声信号的到达时刻，确定可能的时间段，使能信号仅在该时间段内有效，这样脉冲成形电路361、362仅在正确的超声信号可能到达的时间段内，才有信号输出，其他的时间段内，被封锁成固定电平。如不对脉冲成形电路361、362的工作时机加以控制，其输出信号将如图6中64所示，可见如果有足够强的噪声信号，也可由反射引起，落在正确超声信号之前，无法消除，从而带来巨大的误差。

外界噪声和超声反射波会带来巨大的测量误差，超声信号放大倍数的越高，噪声和反射波对系统的影响越明显，最终可能导致系统不能正常工作。上述控制手段可以消除外界噪声和超声反射波对系统的影响，因而可以通过提高超声信号的放大倍数来弥补信号笔15和板擦16超声发射功率的降低，这样在信号笔15电路中不必采用变压器提高发射功率，减小了信号笔15的外形尺寸。

本发明的有益效果主要体现是：

利用无线遥控方式操作PC机的软件界面，增加了用户使用的方便性。通过增加窄脉冲滤波器371、372和控制脉冲成形电路361、362的工作时机，消除了外界噪声和超声反射波对系统的影响，有利于减小信号笔的体积。

附图说明

图1为本发明的系统组成示意图；

图2为本发明的遥控器框图

图3为本发明的信号笔及板擦电路原理示意图；

图4为本发明的信号发射笔的微处理器25的流程框图

图5为本发明的笔划感应器的电路原理示意图；

图6为本发明的单片机30的流程框图

图7为本发明的信号笔结构示意图；

图8为本发明的板擦结构示意图；

图9为本发明的窄脉冲滤波器原理示意图

图10为本发明的时序图

具体实施方式

实施例1

如图1所示本发明从结构上可分为笔划感应器11、信号笔15、板擦16、遥控器17和白板18，其中笔划感应器11由左信号接收器12、右信号接收器13和信号处理器14组成。

图2所示，遥控器可采用通用的无线电遥控器，至少应具有四个按健：按健1、按健2、按健3、按健4，分别代表新建白板、上翻页、下翻页、白板打印四种遥控功能，并通过调制模块402和天线403将遥控信息发送出去。

信号笔15由电池21、机械开关22、薄膜线路板23、红外发射传感器27和超声发射传感器28组成，其中在薄膜线路板上有红外驱动电路24、超声驱动电路26和微处理器25。该薄膜线路板与红外发射传感器27和超声发射传感器28连接，该薄膜线路板上包括微处理器25、该微处理器与红外驱动电路24和超声驱动电路26连接。

信号笔15的一种结构如图7所示。信号笔壳45是一中空的封闭壳体，有内外两层壁，普通白板笔46置于内壁所围成的空腔内，在内外壁之间安装薄膜线路板23，红外发射传感器27和超声发射传感器28安装在信号笔壳45的头部，电池盒42通过转轴43与信号笔壳45连接在一起，并通过卡扣44使二者固定牢靠。松开卡扣后，电池盒42可以围绕转轴43向外张开，方便更换普通白板笔46。

在电池盒42内装有电池21和机械开关22，电池21采用27A型电池，横向放置，通过两端向外引线，方便更换电池21，同时电池盖41与电池21之间不必有电连接，电池盖41与电池盒42采用螺旋接口。

机械开关可以采用薄膜开关，也可采用通用的行程小于1.5毫米的微动开关。

红外发射传感器27一共有四只，等间距分布在信号笔壳45头部外圆，如果红外发射传感器27的发射角度大于120°，也可采用三只等间距排列，红外发射传感器的驱动电流为8mA。超声发射传感器28采用全向薄膜传感器(PVDF)，其固有频率为40KHz，采用通用的PVDF驱动电路。

板擦16的结构如图8所示。在板擦外壳52中装有薄膜电路板23、机械开关22和电池21，超声发射传感器28和红外发射传感器27安装在板擦外壳52的头部。顶杆53与绒刷54是一体的，固定在板擦外壳52的头部，但是有一定的间隙，在用板擦16擦除白板18上的书写内容时，绒刷54带动顶杆53向上运动，使机械开关22闭合，电池21向薄膜电路板23供电，使其正常工作。电池放置方式与信号笔15相同，板擦螺旋盖51与板擦外壳52采用螺旋联接。板擦16内电路及元件与信号笔15完全相同。

信号发射笔的微处理器25的流程框图如图7所示，信号发射笔工作开始，微处理器25设置I/O口。微处理器235通过其I/O口输出一定宽度的红外脉冲，延时一段时间后I/O口输出第二个红外脉冲，两个脉冲的时间间隔作为信号笔的颜色信息。I/O口输出第二个红外脉冲并延时一段时间后，I/O口输出超声脉冲驱动超声驱动电路237，并延时一段时间。延时时间到后，微处理器235重新开始发送驱动脉冲驱动红外和超声发射传感器，这样周期性的进行，直到信号笔不工作。

笔划感应器11的电路原理框图如图3所示，笔划感应器11由左信号接收放大器12、右信号接收放大器13和信号处理器14组成。信号处理器14包括两个相同的能消除外界噪声和超声反射波产生的窄脉冲的窄脉冲滤波器一371、窄脉冲滤波器二372，该窄脉冲滤波器一371、窄脉冲滤波器二372分别与脉冲成形电路一361、脉冲成形电路二362连接，该两个脉冲成形电路产生的数字脉冲信号经两个窄脉冲滤波器处理后分别送到脉冲合成电路一381、脉冲合成电路二382中，遥控接收电路310与单片机30连接。

当信号笔15或板擦16发出超声和红外信号时，左信号接收放大器12的超声传感器311和右信号接收放大器13的超声传感器312接收超声信号，并分别经过前置放大器321和322进行滤波放大。两路超声信号经前置放大后，分别送至可变增益放大器351和352，输出波形如图6中63所示，再经脉冲成形电路361和362后，变为规范的数字信号，输出波形如图6中66所示，通过窄脉冲滤波器371、372，滤除因反射等原因形成的宽度小于预定值的窄脉冲干扰，输出波形如6中68所示，窄脉冲滤波器371、372的功能也可由软件在单片机30中实现。

左右信号接收器12、13中的红外传感器331、332接收到信号笔15或板擦16发出的红外信号，将其转换为电信号后，分别送至红外整形放大电路341、342，经处理后的红外信号与窄脉冲滤波器371、372的输出信号一起送至脉冲合成电路381、382，将同一侧的超声和红外信号复合成一路，输出波形如图6中69所示，送入单片机30。

单片机30根据复合后的信号，测量红外脉冲691如图6的脉冲宽度，提取颜色信息；测量红外脉冲691与超声脉冲692之间的时间差，也就是超声时延693，并将测量结果通过通信接口39发送给带有自板软件的PC机19，最终完成书写内容的实时记录。

将单片机30根据前一超声脉冲的时延确定当前可变增益放大器321和322的放大倍数，从而保证超声信号的幅度不会随着信号笔15或板擦16位置的改变而有较大波动。每次落笔后第一个超声信号到达之前，可变增益放大器321和322的放大倍数被预置成固定倍数。

脉冲成形电路361、362的工作受单片机30控制，单片机30通过控制脉冲成形电路361、362的使能端，实现对其工作时机的控制。使能端的控制信号如图6中65所示，每次落笔后无法预知第一个超声信号到达的时间段，因而第一阶段的使能信号在全部时间段内，也就是两个红外信号之间的时间段，有效，而对于第二个及以后的超声脉冲，可以根据前一超声信号的到达时刻，确定可能的时间段，使能信号仅在该时间段内有效，这样脉冲成形电路361、362仅在正确的超声信号可能到达的时间段内，才有信号输出，其他的时间段内，被封锁成固定电平。如不对脉冲成形电路361、362的工作时机加以控制，其输出信号将如图6中64所示，可见如果有足够强的噪声信号，也可由反射引起，落在正确超声信号之前，无法消除，从而带来巨大的误差。

外界噪声和超声反射波会带来巨大的测量误差，超声信号放大倍数的越高，噪声和反射波对系统的影响越明显，最终可能导致系统不能正常工作。上述控制手段可以消除外界噪声和超声反射波对系统的影响，因而可以通过提高超声信号的放大倍数来弥补信号笔15和板擦16超声发射功率的降低，这样在信号笔15电路中不必采用变压器提高发射功率，减小了信号笔15的外形尺寸。

在笔划感应器11中，超声传感器311、312采用接收角度大于90°陶瓷传感器，前置放大器321、322采用与超声传感器311、312配套的低噪声放大电路。红外整形放大电路341、342则采用通用的低噪声放大电路，并采用TTL门电路进行整形。

可变增益放大器351、352可以是同相或者反相运算放大电路，反馈电阻采用数字电位计，数字电位计的输出阻抗受单片机30控制，通过调整数字电位计的输出实现增益的改变。

脉冲成形电路361、362采用TTL电路实现，单片机30通过控制TTL电路的使能端来控制脉冲成形电路361、362的工作时机。

窄脉冲滤波器371、372的结构如图9所示，其输入信号为脉冲成形电路361、362的输出信号，分成两路，一路送至可重复触发的单稳态触发器71，另一路与71的输出一起送至与门72。可重复触发的单稳态触发器71根据输入信号产生固定宽度的负脉冲，输出波形为图6中67，经与门后，宽度小于固定宽度的输入脉冲消失，输出波形为图10中68。，使其工作在单脉冲发生器状态即可。

为使电路结构简单，在笔划感应器11中采用单电源供电。

单片机30的流程框图如图5所示。单片机30首先和PC机建立通信联系。单片机30对通过接收到红外信号采集提取出信号笔发出的颜色和接收遥控器发出的遥控信息，并提取超声波的时延信息。由于信号笔的位置变化，超声传感器311、312接收到的超声信号强弱变化较大，单片机30控制可变增益放大器351、352，调整超声信号的强弱。单片机30对脉冲合成电路381、382输出的脉冲信号进行滤波，滤除信号中夹杂的干扰的窄脉冲，即窄脉冲滤波器，同样也可通过硬件实现窄脉冲滤波器。最后，单片机30将时延等信息传给PC机，同时开始重复接收信号笔发出的信息。

实施例2

窄脉冲滤波器371、372中单稳态触发器71也可采用8253定时计数器实现。

实施例3

窄脉冲滤波器371、372中单稳态触发器71也可采用专用芯片74XX122。

实施例4

遥控器17可采用红外遥控器。

Claims (9)

1、一种遥控无线定位电子白板系统，包括笔划感应器[11]、信号笔[15]、板擦[16]、和普通书写白板[18]，其特征在于：它还包括遥控器[17]，该遥控器可采用通用的无线电遥控器，至少应具有四个按健，具有将遥控信息发送出去的调制模块[402]和天线[403]。

2、根据权利要求1所述的遥控无线定位电子白板系统，其特征在于：笔划感应器[11]包括左信号接收器[12]、右信号接收器[13]和信号处理器[14]。

3、根据权利要求2所述的遥控无线定位电子白板系统，其特征在于：信号处理器[14]包括两个相同的能消除外界噪声和超声反射波产生的窄脉冲的窄脉冲滤波器一[371]、窄脉冲滤波器二[372]，该窄脉冲滤波器一[371]、窄脉冲滤波器二[372]分别与脉冲成形电路一[361]、脉冲成形电路二[362]连接，该两个脉冲成形电路产生的数字脉冲信号经两个窄脉冲滤波器处理后分别送到脉冲合成电路一[381]、脉冲合成电路二[382]中。

4、根据权利要求3所述的遥控无线定位电子白板系统，其特征在于：窄脉冲滤波器一[371]、窄脉冲滤波器二[372]硬件实现可采用可编程计数器/定时器8253或8254实现可重复触发单稳态触发器。

5、根据权利要求4所述的遥控无线定位电子白板系统，其特征在于：窄脉冲滤波器一[371]、窄脉冲滤波器二[372]硬件实现进一步可采用专用芯片74XX122，实现可重复触发单稳态触发器。

6、根据权利要求3所述的遥控无线定位电子白板系统，其特征在于：窄脉冲滤波器一[371]、窄脉冲滤波器二[372]中与门可以根据输入信号和可重复触发单稳态触发器的输出信号的电平以及下级电路需要的电平，更换为与非门、或门、或非们、异或门、异或非门、同或门和同或非门中的一种。

7、根据权利要求2所述的遥控无线定位电子白板系统，其特征在于：笔划感应器11通过控制脉冲成形电路一[361]、脉冲成形电路二[362]的工作时机，使其仅在超声信号到达的时间内才能有信号输出。

8、根据权利要求7所述的遥控无线定位电子白板系统，其特征在于：控制脉冲成形电路一[361]、脉冲成形电路二[362]的工作时机是通过控制该两个脉冲成形电路的使能端来控制该控制脉冲成形电路的工作时机。

9、根据权利要求7所述的遥控无线定位电子白板系统，其特征在于：遥控器[7]可采用红外遥控器。

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