CN201698393U - 一种集成电子白板及其电子笔 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种集成电子白板及其电子笔，集成电子白板包含：超声波信号发射电子笔、透明硬板、信号接收器、信号处理器、平板显示器、计算机、扬声器、固定件和其它的辅助设备，并以平板显示器为显示平面，以透明硬板为书写平面；用于定位和控制的超声波信号从电子笔的笔头发射后，耦合到透明硬板中传播至多个信号接收器，并被信号处理器进行解码和时差分析，用于计算机及软件的控制和书写点的定位。本实用新型所述的集成电子白板及其电子笔，透明硬板和多点定位技术的应用，可以抑制噪声和环境影响，提高定位精度，加快定位速度，便于多用户操作及实现多种电子白板操作功能。

Description

一种集成电子白板及其电子笔

技术领域

本实用新型涉及教学、演示、会议用的电子书写显示板，具体说是一种集成电子白板及其电子笔，尤其涉及到采用平面显示器为显示平面的超声定位集成电子白板及其电子笔。

背景技术

作为最近被广泛采用为教学、演示、会议用的电子白板，以其生动的互动性和方便的操作性，逐渐成为主流。电子白板其本身，也在经历快速的技术发展。在电子白板的实现中，最核心的技术是书写点的定位技术。一般而言，互动电子白板所采用的定位技术可以分为压感定位、电磁定位和无线定位。

压感定位是利用电子白板上受压点的电阻变化引起的边框上的电压变化，来计算受压点的位置。

电磁定位则是利用从电子笔上发射出的电磁波在固定位置上的感应线圈引起的电动势高低来确定电磁波的发射位置，也就是电子笔的位置，再通过计算机实现书写和显示。

无线定位主要有红外定位和超声波定位，这里主要针对超声波定位。超声波定位的基本原理是三点定位：在一个平面上，已知两个点的位置，根据从第三点发出的超声波到达这两个已知点所用的时间，可以算出第三个点到这两个点的距离，从而确定第三点的位置。其中，由于超声波传播速度相对较慢，所以超声波定位就可以获得比较高的定位精度。

最近的超声波定位以其成本和适应性等优势，得到发展。但是目前的超声波定位技术存在以下一个或多个有待完善之处：

1.环境影响。现在超声波定位技术，多采用空气为传播介质。但是，声波在空气中的传播速度是受温度所影响的，这就不可避免的带来的一个系统误差。当电子白板的环境温度有所变化，就会产生定位误差。对于这种误差，一种常用的处理方法是采用温度补偿。即使是这样，也会有一个温度探测的问题，降低了系统的稳定性。

2.书写中电子笔的倾斜。三点定位的方案，必须假设两个信号接收器和电子笔中的超声波信号发射点在一个固定的平面上。当电子笔和书写平面垂直的时刻，电子笔的信号发射点和书写点刚好重合。但是实际使用中，当电子笔倾斜时，其信号发射点就不在原来的平面了，同时信号发射点在书写平面上的投影也和书写点不重合了，大大增加了的定位误差。

3.定位均匀性。当定位所用的超声波在空气中传播的时候，其信号强度或者振幅随着距离的增加快速的减弱。当电子笔离两个接收器的距离差很大时，其信噪比急剧上升，导致较大的定位误差。

4.反射波和噪声干扰。对于采用超声波定位的电子白板，其所用的超声波是在不封闭的空气中传播，不可避免地存在由周围的物体表面的反射，对超声波信号本身产生影响，甚至严重到不能成功定位。

5.书写速度不快。由于采用空气为传播介质，一般情况下，声速为340米/秒。对于一个1×2m²的平板，其对角线为2.24m，仅超声波的在空气中的传播时间，就至少要6577微秒。对于更大的显示平板，其所要的时间就更长。另一方面，超声波信号接收器所能分辩的时间，很容易就可以达到1微秒的量级。这就提供了一个大大提高传播速度，缩短传播时间，同时保证定位精度的设计空间。

6.平板显示器的磨损。经长期使用之后，利用平板显示器本身作为书写平面的电子白板，就会留下大量的划痕，影响使用效果。同时平板显示器作为电子白板中的核心部件，在面向青少年的教学中，由于没有保护屏，很容易意外损坏。

7.低集成度和高维护费。现有的电子白板由三个部分组成：电子白板作为屏幕和书写板，一台分离的计算机做信号处理，一台投影仪在正前面实时显示。这样的实施方案中，有几个明显问题：

a.使用者本身对正面投影仪的遮挡，甚至有的时候使用者自己都看不到书写内容；

b.投影仪和电子白板的对准。一个小震动引起的投影仪对电子白板的相对位移，就会让书写和显示不同位，需要使用者停止使用，重新校正；

c.方案的布线复杂，给人员走动频繁如教室等场合的使用带来阻碍；

d.投影仪的亮度和使用寿命，不间断使用时间，受到很大的限制。一般在持续使用2个小时之后，就要让投影仪休息。并且投影仪在累计使用大约2000小时以上，就会出现明显的亮度下降和颜色变化，需要更换昂贵的灯泡，价格3000元左右。

实用新型内容

针对现有技术中存在的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种集成电子白板及其电子笔，以平板显示器为显示平面，采用无线超声波信号定位，以解决环境如温度、湿度等影响、反射干涉、噪声影响、书写速度、多用户同时使用等问题。

为达到以上目的，本实用新型采取的技术方案是：

一种集成电子白板及其电子笔，其特征在于，包括：

电子笔107，为一超声波信号发射电子笔，用于发射起定位和控制作用的超声波；

平板显示器103，平板显示器103正前面上设有起书写、传输超声波信号和保护平板显示器作用的透明硬板105；

信号接收器102，共4个，设在透明硬板105的四角，接收电子笔107发射的超声波；

信号处理器及计算机108，与4个信号接收器102连接并对接收到的超声波信号进行处理，得出书写点的定位坐标或者控制信号，与平板显示器103连接并控制平板显示器显示的内容，或者执行控制信号的内容。

在上述技术方案的基础上，还包括设于平板显示器103左右两侧的扬声器101。

在上述技术方案的基础上，还包括设于平板显示器103一侧的储藏柜110，所述储藏柜110和信号处理器及计算机108分别对称的设在平板显示器103左右两侧。

在上述技术方案的基础上，还包括设于平板显示器103下方的若干开关、按钮及指示灯109。

在上述技术方案的基础上，还包括设于平板显示器103上方和背面的加固件106。

在上述技术方案的基础上，加固件106上设有摄像头及麦克风104。

在上述技术方案的基础上，所述电子笔107在拇指和电子笔的接触处，有一个用于连接或者断开充电电池和微处理器的压力开关；在食指和笔的接触处，有另外一个书写压力按钮。

在上述技术方案的基础上，所述电子笔107至少还设有一个功能按键。

在上述技术方案的基础上，集成电子白板背后和侧面设有用于悬挂于墙壁或者天花板的固定部件，或者集成电子白板背后和侧面设有用于安装在支架上的固定部件。

本实用新型所述的集成电子白板及其电子笔，其核心在于通过透明硬板的应用，抑制噪声和环境影响，提高定位精度，加快定位速度，便于多用户操作及实现多种电子白板操作功能。

附图说明

本实用新型有如下附图：

图1集成电子白板及其电子笔结构示意图，

图2多点超声定位原理图，

图3电子笔方框图，

图4集成电子笔系统框架示意图。

附图标记：

101、扬声器，102、信号接收器，103、平板显示器，104、摄像头及麦克风，105、透明硬板，106、加固件，107、电子笔，108、信号处理器及计算机，109、开关、按钮及指示灯，110、储藏柜。

201、电子笔，202、信号接收器1，203、信号接收器2，204、信号接收器3，205、信号接收器4。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

图1为本实用新型所述的集成电子白板及其电子笔结构示意图，如图1所示，本实用新型所述配备有电子笔的集成电子白板包括：

电子笔107，为一超声波信号发射电子笔，用于发射起定位和控制作用的超声波；超声波由电子笔超声耦合笔头发射到透明硬板，保证在书写时发射点和书写点重合并且在书写平面内。

作为显示平面的平板显示器103，显示平面亦可用其他显示设备替换平板显示器，平板显示器利用主流的液晶或者等离子体显示器，对于有特殊用户要求的显示器，可以采用多块显示器拼接的方式达到大面积的书写和显示，以利于整个集成电子白板性价比的提高。

平板显示器103正前面上设有起书写、传输超声波信号和保护平板显示器作用的透明硬板105；所述透明硬板105由无色、对各种可见光无明显衰减的硬板做成，其边缘经防反射和增透射处理，使大部分由电子笔传播到边缘的超声波能被外界吸收，减少反射干扰。

信号接收器102，共4个，设在透明硬板105的四角，接收电子笔107发射的超声波；

信号处理器及计算机108，与4个信号接收器102连接并对接收到的超声波信号进行处理，得出书写点的定位坐标或者控制信号，与平板显示器103连接并控制平板显示器显示的内容，或者执行控制信号的内容。信号接收器102把信号实时的传送给信号处理器及计算机108，经信号处理器及计算机108处理之后，得出每支电子笔的坐标，同时在透明硬板之后的平板显示器上显示出来。

在上述技术方案的基础上，还包括设于平板显示器103左右两侧的扬声器101。

在上述技术方案的基础上，还包括设于平板显示器103一侧的储藏柜110，所述储藏柜110和信号处理器及计算机108分别对称的设在平板显示器103左右两侧。在图1中，计算机采用放在右边布局方案。储藏柜中有多个小格，供多个使用者各自使用。小格中有电子笔充电接口，供电子笔使用后充电所用。

在上述技术方案的基础上，还包括设于平板显示器103下方的若干开关、按钮及指示灯109。作为可选择的方案之一，在平板显示器的四周，有方便平板显示器和集成电子白板快捷操作的开关，按钮及系统状态指示灯，用于系统的操作和状态显示。

在上述技术方案的基础上，还包括设于平板显示器103上方和背面的加固件106。整个集成电子白板安装在加固件106上，保持整个系统的安全稳定。加固件经模具设计，便于安装和维护，修理。

在上述技术方案的基础上，加固件106上设有摄像头及麦克风104。扬声器，麦克风和摄像头等辅助设备可以采用市场上的主流产品。它们都和计算机相连接，便于声音，图象的输入输出。计算机主机采用通常的个人计算机主机，具有多个流行外设接口，如USB接口等，便于文件的传输。同时计算机和局域网，互联网相联。

本实用新型工作程序为：在使用者意图书写或者控制电子白板的时候，电子笔上的不同开关和按键被按下，经电子笔上的微处理器处理，定位或者控制信号被编译进超声驱动电路，然后经超声发射器发射到超声耦合笔头，经透明硬板传播到4个信号接收器，之后转化成电子信号，再集中到信号处理器，得出各个信号到达的时间点，然后经信号处理器或者计算机计算出书写点的位置，或者控制信号的内容，再由计算机作出显示或者其它的控制动作。

本实用新型采用无线定位原理。但是在本实用新型中，并不是采用最简单的三点定位(两个已知位置的信号接收器加一个未知位置的电子笔)技术。为了提高定位精度和信号噪声比，采用至少4个已知固定位置的信号接收器，和电子笔一起构成多点定位。其原理如下：

如图2所示，201为电子笔，202为信号接收器1，203为信号接收器2，204为信号接收器3，205为信号接收器4，在宽为W，高为H的矩形透明硬板上，有至少4个位置已知的信号接收器1，信号接收器2，信信号接收器3和信号接收器4，其坐标对应为(0，0)，(0，H)，(W，H)和(W，0)。假设电子笔201位于未知书写点，其坐标为(x，y)，从坐标(x，y)发射的同一个超声波信号到达前3个信号接收器的时间点分别是：t₁，t₂，t₃，由信号处理器记录。注意这里t₁，t₂，t₃是信号到达信号接收器的时间点，并不是信号传输所用的时间。同时假设从电子笔到这3个信号接收器的距离分别为L₁，L₂和L₃。从这些已知数中便可由计算机方便的得出未知的书写点坐标(x，y)。

设v为超声波在透明硬板中的声速，发射信号的时间点为t₀。

已知：H，W，t₁，t₂，t₃

未知：x，y，v，t₀

至少要4个方程才能得出(x，y)。这4个方程可以利用三角形勾股定理得出如下：

$\left(1\right),x^2+{(H-y)}^2=L_1^2=v^2{(t_1-t_0)}^2$

$\left(2\right),{(W-x)}^2+{(H-y)}^2=L_2^2=v^2{(t_2-t_0)}^2$

$\left(3\right),x^2+y^2=L_3^2=v^2{(t_3-t_0)}^2$

(4) (x²+y²)^1/2-[x²+(H-y)²]^1/2＝v(t₃-t₁)

从方程式(4)中可以得出v的表达式，代入(3)式就可以得出t₀的表达式。同时把v，t₀代入(1)和(2)就可以得出(x，y)。

x＝f_x(H，W，t₁，t₂，t₃)，

y＝f_y(H，W，t₁，t₂，t₃)

这个未知坐标的表达式，不包含超声波在透明硬板中的声速v及超声波信号的发射间点t₀，只包含电子白板的边长和同一个超声波信号到达3个信号接收器和信号处理器的时间点，去掉了超声波速度和传播时间等变化带来的误差。

电子笔的电路原理如图3所示。根据一般的握笔习惯，在拇指和电子笔的接触处，有一个压力开关，用于连接或者断开充电电池和微处理器。在使用者开始书写的时候，电子笔感受到压力，接通电源。同时在食指和笔的接触处，有另外一个书写压力按钮，其开关状态对应电子笔的信号类型：有压力的时候，开关处于连接状态，电子笔发射的信号为书写信号；没有压力的时候，开关处于断开状态，电子笔发射的信号为控制信号。电子笔上的一个或者多个功能按钮，在使用者的操作下，其多种组合构成了不同的控制信号，和例如页面前翻，后翻，保存，取消书写等等功能对应。这些控制信号，经电子笔中的薄膜线路板上的微处理器处理，被调制到超声驱动电路中，经超声发射器传输到超声耦合笔头，进一步耦合到透明硬板中传播。整个电子笔做成长条型，以符合使用者的书写习惯。

整个集成电子笔系统框架如图4所示。

以下给出另几种可选择的具体实施例：

实施例2：

电子笔发射的超声波信号，也可以在空气中传播，便于电子白板和计算机的遥控。由于控制信号例如翻页，保存等不需要精确的书写点定位，所以同样可以利用空气作为超声波的传播介质。在这种方式下，信号处理器能识别出超声波在空气或者透明硬板中的区别。其信号接收器和信号处理器可以和以上实施方式相同，或作小的优化。

实施例3：

基于以上实施方式，在电子白板的上边框，也可以有一个卷轴，用于布质或其他材料的屏幕或者纸张的收放或者张挂，以便在特殊或者紧急状态下使用。在通常情况下，屏幕或者纸张被收起，不影响电子白板的使用。在特殊情况下，屏幕或者纸张被放下，用于传统的演示或者书写。

在本领域内的技术人员，基于上述实方式，在不脱离本实用新型的原理的前提下，可能稍加变通，修改或者改进，润饰，这些变通，修改或者改进，润饰也应该视为本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种集成电子白板及其电子笔，其特征在于，包括：

电子笔(107)，为一超声波信号发射电子笔，用于发射起定位和控制作用的超声波；

平板显示器(103)，平板显示器(103)正前面上设有起书写、传输超声波信号和保护平板显示器作用的透明硬板(105)；

信号接收器(102)，共4个，设在透明硬板(105)的四角，接收电子笔(107)发射的超声波；

信号处理器及计算机(108)，与4个信号接收器(102)连接并对接收到的超声波信号进行处理，得出书写点的定位坐标或者控制信号，与平板显示器(103)连接并控制平板显示器显示的内容，或者执行控制信号的内容。

2.如权利要求1所述的集成电子白板及其电子笔，其特征在于：还包括设于平板显示器(103)左右两侧的扬声器(101)。

3.如权利要求1所述的集成电子白板及其电子笔，其特征在于：还包括设于平板显示器(103)一侧的储藏柜(110)，所述储藏柜(110)和信号处理器及计算机(108)分别对称的设在平板显示器(103)左右两侧。

4.如权利要求1所述的集成电子白板及其电子笔，其特征在于：还包括设于平板显示器(103)下方的若干开关、按钮及指示灯(109)。

5.如权利要求1所述的集成电子白板及其电子笔，其特征在于：还包括设于平板显示器(103)上方和背面的加固件(106)。

6.如权利要求1所述的集成电子白板及其电子笔，其特征在于：加固件(106)上设有摄像头及麦克风(104)。

7.如权利要求1或2或3或4或5或6所述的集成电子白板及其电子笔，其特征在于：所述电子笔(107)在拇指和电子笔的接触处，有一个用于连接或者断开充电电池和微处理器的压力开关；在食指和笔的接触处，有另外一个书写压力按钮。

8.如权利要求7所述的集成电子白板及其电子笔，其特征在于：所述电子笔(107)至少还设有一个功能按键。

9.如权利要求1或2或3或4或5或6所述的集成电子白板及其电子笔，其特征在于：集成电子白板背后和侧面设有用于悬挂于墙壁或者天花板的固定部件，或者集成电子白板背后和侧面设有用于安装在支架上的固定部件。

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