CN2731552Y - 基于软件无线电原理的电子白板 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于软件无线电原理的电子白板，属于可有效抑制噪声的干扰，保证时延提取的准确性的电子白板。包括信号发射装置、笔划感应器、普通电子白板和PC机，其中信号发射装置包括信号笔、板擦，笔划感应器包括两个接收处理器，信号处理模块包括CPLD芯片、FLASH存储器、数字信号处理器DSP和串并转换芯片。本实用新型的有益效果主要体现在采用软件无线电的思想，剔除了利用幅度提取时延的电路，并可使前端放大电路简化，降低硬件成本，提高系统的可靠性。采用了基于高阶循环统计量的正交解调算法，有效抑制噪声的干扰，保证了时延提取的准确性。

Description

基于软件无线电原理的电子白板

技术领域

本实用新型涉及一种利用超声红外进行定位的电子白板。尤其涉及可有效抑制噪声的干扰，保证时延提取的准确性的电子白板。

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，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。当用信号笔书写时，因为信号笔与系统的超声接收传感器的距离不断变化，所以系统接收的超声信号的幅度也不断变化。从而导致接收到的超声波的幅度具有随机性，系统仅通过超声波幅度确定的时延的随机性也大，因而这种系统的精确性较差。

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，它的体积小，更加轻便。

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，但是使信号笔的结构变得复杂。

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。

专利6,335,723和专利6,414,673精确确定信号笔位置坐标的处理方法上是一致的，即无论确定相位还是时延，对它们的精确测定都通过提取信号笔所发出的超声波的波形性特征来保证的。上述专利在没有外界噪声或者较弱的噪声干扰情况下具有较高的精度。但当环境噪声干扰较强的情况下，则定位精度较差甚至系统不能正常工作。

采用上述技术的无线定位电子白板存在如下主要问题：第一，当信号传输环境恶劣，存在强噪声干扰时，提取的时延的误差较大，笔迹质量差；第二，只能记录笔的笔迹，而不能体现笔峰和笔意，记录笔迹的自然度较差。

发明内容

本实用新型提供一种基于软件无线电原理的电子白板系统，以解决现有的超声红外联合定位的电子白板在较强环境噪声下的分辨率下降的问题。目的是在强噪声中保持良好的性能，同时在不增加信号笔复杂度的情况下，利用超声波的包络的特征提取时延。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

它包括信号发射装置、笔划感应器、普通电子白板和PC机，其中信号发射装置包括信号笔、板擦，笔划感应器共有两个接收处理器，它们分别在白板系统的两个不同的位置，信号笔或板擦在工作时发出超声和红外信号，其中超声信号作为系统的定位信号，红外信号作为系统的时间基准。笔划感应器的两个接收处理器接收到信号笔或板擦的发射信号后，对红外和超声信号进行信号处理，确定信号笔或板擦分别与两个接收处理器的距离，进而得到信号笔或板擦在白板上的位置坐标。

本实用新型的信号笔或板擦的颜色信息通过红外信号编码发射给笔划感应器。

本实用新型的笔划感应器完成信号的接收、处理和无线传送三个功能。信号的接收由相应的信号接收处理器完成，信号接收处理器接收到信号笔或板擦发出的红外信号和超声信号后，作简单的放大，笔划感应器的信息处理模块60开始对信号进行处理。

信号处理模块60包括CPLD芯片38、FLASH存储器40、数字信号处理器DSP芯片41和串并转换芯片42，信号处理模块60接收两路A/D转换芯片输出的超声信号，在经过CPLD芯片38处理后，由DSP芯片41提取超声信号时延信息。其中，系统的程序放入FLASH存储器40中。DSP芯片41同时接收信号笔发射的红外信号和遥控器发送的无线信号。DSP芯片41提取出信号笔的位置信息和信号笔的颜色后，通过串并转换芯片42将提取的信息发送给无线RS-232模块，最终送给PC机。本系统的信号处理采用软件无线电的设计思想，对硬件部分进行压缩，通过利用软件的方法实现硬件功能。本实用新型的信号处理模块，嵌入了系统的核心算法，实现对信号的处理，减少了硬件部分。信号处理模块的程序流程为：信号处理模块60首先和PC机建立通信联系。信号处理模块60对通过接收到红外信号采集提取出信号笔发出的颜色，并通过算法提取超声波的时延信息。信号处理模块60计算出信号笔的位置坐标后，将信号笔的位置信息和颜色信息传给PC机，同时开始重复接收信号笔发出的信息。

本系统的算法的主要思想是，对接收信号采用基于高阶循环统计量的信号处理方法进行正交解调，有效抑制噪声和干扰的影响，然后对提取的超声波的包络取出其斜率最大点，并结合超声波的过零点确定系统的时延参考点，进而完成准确的定位坐标计算。笔划感应器从信号笔或板擦发出的红外信号中提取信号笔或板擦的颜色编码。

笔划感应器采用无线连接的方式，将处理后的结果传输给PC机，由PC机完成电子白板上的书写内容的存储、打印和传输等功能。

本实用新型的有益效果主要体现在以下几点：

第一，采用软件无线电的思想，剔除了利用幅度提取时延的电路，并可使前端放大电路简化，降低硬件成本，提高系统的可靠性。

第二，系统采用了信号处理模块，可以通过改变模块的程序来改变系统对信号的处理方式，进而提高了系统的更新换代的能力。

第三，采用了基于高阶循环统计量的正交解调算法，有效抑制噪声的干扰，保证了时延提取的准确性。

第四，采用无线RS-232模块，信号接收处理与系统计算机之间没有线路连接，使系统配置灵活。

附图说明

图1为本实用新型的信号笔结构示意图，其中：

1、纽扣电池，2、薄膜触压式开关，3、薄膜印刷电路板，4、红外传感器，5、笔卡，6、笔壳，7、普通白板笔，8、超声传感器。

图2为本实用新型的信号笔电路原理示意图，其中：

1、纽扣电池，2、薄膜触压式开关，4、红外传感器，8、超声传感器，50、红外信号发射电路，51、微处理器，52、超声信号发射电路。

图3为本实用新型的信号笔的具体电路原理图，其中：

1、纽扣电池，2、薄膜触压式开关，4、红外传感器，8、超声传感器，51、微处理器。

图4为本实用新型的板擦结构示意图；其中：

10、纽扣电池，11、薄膜触压式开关，12、红外传感器，13、印刷电路板，14、板擦外壳，15、超声传感器，16、绒刷。

图5为本实用新型的板擦电路原理示意图；其中：

10、纽扣电池，11、薄膜触压式开关，12、红外传感器，15、超声传感器，53、红外信号发射电路，54、微处理器，55、超声信号发射电路。

图6为本实用新型的信号笔或板擦的微处理器的程序流程框图；

图7为本实用新型的电子白板结构示意图；其中：

20、笔划感应器，21、指示灯，22、控制按钮，23、无线RS-232模块，24、白板边框，25、普通书写白板，26、白板支架，63、接收处理器1、62、接收处理器2，64、PC机。

图8为本实用新型的笔划感应器电路原理示意图；

图9为本实用新型的信号处理模块的程序流程框图；

图10为本实用新型的超声放大电路A电路原理图；

图11为本实用新型红外放大整形电路A电路原理图；

图12为本实用新型的信号处理模块原理示意图；

图13为本实用新型的电子白板基本原理示意图，其中：

25、普通书写白板，27、超声传感器A，29、超声传感器B，61、信号笔。

具体实施方式

包括信号发射装置、笔划感应器、普通电子白板和PC机，其中信号发射装置包括信号笔、板擦，笔划感应器共有两个接收处理器，

信号笔结构如图1所示，用信号笔书写时，普通白板笔8受到白板板面的作用力后挤压薄膜触压式开关2，薄膜触压式开关2受力闭合，钮扣电池1处于接通状态，这为薄膜印刷电路板3的电路提供电源，薄膜印刷电路板3上的电路开始工作，进而激发红外传感器4和超声传感器8，发出红外和超声信号。

如图2所示，当薄膜触压式开关2闭合，薄膜印刷电路板3通电后，微处理器发出固定周期的脉冲信号驱动红外信号发射电路50和超声信号发射电路52，通过红外传感器4和超声传感器8将信号发射出去，使系统的接收器周期性的接收到信号笔的信号以确定其位置。同时发射出去的红外信号中包含信号笔的颜色信息。

信号笔的具体电路原理图如图3所示，微处理器51周期性发射一定宽度的脉冲驱动器体管Q2和Q3，脉冲经晶体管放大后驱动红外传感器D1、D2、D3和D4，发出红外信号。同时，微处理器51周期性发射一定宽度的脉冲驱动Q1，并经过变压器T1选频放大后驱动超声传感器8，发出超声波信号。

板擦的结构如图4所示，板擦的底面为绒刷16，用于擦除白板板面的笔迹。当板擦擦除笔迹的过程当中，通过绒刷16，薄膜触压式开关11受压闭合，钮扣电池10处于接通状态，印刷电路板13通电工作，激发红外传感器12和超声传感器15，发出红外和超声信号。

如图5所示，当薄膜触压式开关11闭合，板擦上的印刷电路板13的通电后，微处理器54发出驱动脉冲驱动红外信号发射电路53和超声信号发射电路，进而激发红外传感器12和超声传感器15，发出红外信号和超声信号，红外信号中包含板擦的颜色信息一白色。同信号笔一样，电子白板系统为了时刻确定板擦的位置，微处理器54发射的驱动脉冲是周期性的。板擦的具体电路原理图与信号笔相似，在本实施例中不再重复给出。

信号笔或板擦的微处理器的程序流程框图如图6所示。信号发射笔工作开始，微处理器设置I/O口。微处理器通过其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或板擦的颜色信息，板擦的颜色信息为白色。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，并延时一段时间。延时时间到后，微处理器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。

电子白板的结构如图7所示，普通书写白板25为电子白板的书写区域，其外沿用白板边框24包住。普通书写白板25的左上角、右上角为笔划感应器20的两个接收器：接收处理器二62和接收处理器一63。笔划感应器20为本实用新型的信号接收处理部分。普通书写白板25的左侧为指示灯21和控制按钮22，指示灯21用于显示系统是否通电，是否在工作状态，控制按钮22则完成新建白板、上翻页、下翻页和白板打印的功能。白板上安装控制按钮的目的是方便使用者对系统的操作。无线RS-232接口在普通书写白板25的左下侧，完成笔划感应器与系统的PC机64的无线连接。整个白板由白板支架26支撑。

电子白板的基本原理如图13所示，为了确定信号笔或板擦61在普通书写白板25上的坐标，须确定信号笔或板擦61分别与接收处理器262和接收处理器一63的距离l、r。已知接收处理器二62与接收处理器一63的间距为L，并假设接收处理器二62的坐标为(0，0)，接收处理器一63的坐标为(L，0)，则信号笔或板擦61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，只需得到信号笔或板擦61发出的超声信号从信号笔或板擦61的位置分别传播到接收处理器二62和接收处理器一63的时延，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。时延的提取由笔划感应器20完成。

笔划感应器20的原理如图8所示，笔划感应器20可分为接收处理器一63和接收处理器二62两部分。当信号笔或板擦发出超声和红外信号时，接收处理器一63的超声传感器A27和接收处理器二62的超声传感器B29接收超声信号，并分别经过超声放大电路A32和超声放大电路B34的简单放大。A/D转换器A37和A/D转换器B39分别对放大后的超声信号进行采样，采样数据送入信号处理模块60，A/D转换器可采用TLC1572C芯片。接收处理器一63的红外传感器A28和接收处理器二62的红外传感器B30接收红外信号，传感器接收的红外信号分别经过红外放大整形电路A33和红外放大整形电路B35的放大整形后复合为一路信号送入信号处理模块60。已知在空气中红外信号的传播速度远远高于超声信号的传播速度，则在白板区域内，红外信号从信号笔或板擦到笔划感应器20的接收传感器之间的传播时间可以忽略不计。假设信号笔或板擦同时发射红外信号和超声信号，可以认为笔划感应器20接收到红外信号的时刻即为超声信号发射时刻，即以红外信号为系统的时间基准，确定超声信号到达笔划感应器的时刻即可确定超声波的传播时延，进而确定信号笔或板擦的位置坐标。

超声放大电路A31和超声放大电路B33相同，本专利仅以超声放大电路A31作具体说明。超声放大电路A31电路原理图如图8所示。超声传感器A26接收信号笔或板擦所发射的超声信号，并加到场效应管Q1上。场效应管Q1的输出经过两级放大电路放大，其中第一级放大电路为低通滤波放大电路。

红外放大整形电路A32和红外放大整形电路B34相同，本实施例仅以红外放大电路A32作具体说明。红外放大电路A32电路原理图如图11所示。红外传感器A27接收信号笔或板擦发射的红外信号，并经由放大器TLC084构成的两级带通放大器放大，最后由整形电路将模拟的红外信号变为数字信号。

信号处理模块的程序流程框图如图9。信号处理模块60首先和PC机建立通信联系。信号处理模块60对通过接收到红外信号采集提取出信号笔发出的颜色，并通过算法提取超声波的时延信息。信号处理模块60计算出信号笔的位置坐标后，将信号笔的位置信息和颜色信息传给PC机，同时开始重复接收信号笔发出的信息。

信号处理模块60的原理如图12所示，本实用新型采用信号处理模块60是系统利用软件无线电的设计思想的集中体现，通过信号处理模块的算法实现对超声和红外信号的处理，大量的减少了前端的模拟电路部分。信号处理模块60接收两路A/D转换芯片输出的超声信号，在经过CPLD芯片38处理后，由DSP芯片41提取超声信号时延信息。其中，系统的程序放入FLASH存储器40中。DSP芯片41同时接收信号笔发射的红外信号和遥控器发送的无线信号。DSP芯片41提取出信号笔的位置信息和信号笔的颜色后，通过串并转换芯片42将提取的信息发送给无线RS-232模块，最终送给PC机。FLASH存储器40可采用AT29LV256芯片，用于存储信号处理模块60的算法程序。CPLD38可采用EPM3032A芯片，用于内部设阈值判断，即端点检测，用于判断超声波信号是否到达，以便DSP芯片41接收，并在一定程度上消除噪声的影响，DSP41可采用TMS320VC5402芯片。CPLD芯片38同时完成DSP芯片41与串并转换芯片42之间的逻辑转换功能。串并转换芯片42可采用TA550C芯片。

经过CPLD芯片38阈值判断后，并不能完全抑制噪声对超声波信号的干扰。特别当白板系统处于较强的环境噪声影响下，电子白板系统的定位精度大大降低，甚至不能完成书写功能。由于超声波的包络所含的频率较低，外界噪声的包络所含的频率较高，本实施例采用基于高阶循环统计量的信号处理方法对接收信号进行正交解调，有效的抑制了噪声的影响，提取出不含环境噪声的超声波包络。处理后的超声波信号由定位算法得到信号笔的位置坐标。由于超声波的包络的起始部分和末尾部分的斜率较小，包络的中间部分斜率较大，因此在包络的中间部分选择一点作为超声波到达笔划感应器20的参考点引起的时延误差较小。本实施例选择超声波包络中斜率最大的点为临时时延参考点，为了进一步减小误差，选择离临时时延参考点最近的超声波的过零点为最终的时延参考点。在实际的离散数据中，往往没有超声波的过零点，本实施例中应用插值方法求出过零点，从而得到精确的时延，利用公式(1)和(2)计算出信号笔或板擦的位置坐标。DSP芯片41同时对信号笔的红外编码信号进行解码，信号笔的颜色信息。

DSP芯片41从板擦的红外信号中提取出板擦的颜色信息，并结合板擦的位置坐标，完成对记录的笔迹的擦除工作。

本实施例可以通过改变信号处理模块60的程序对系统进行升级。

如图8所示，无线RS-232模块23将信号处理模块60处理得到的信息无线传输给PC机64，由PC机64软件完成白板内容存储、打印、网络传输和控制功能。

Claims (7)

1、一种基于软件无线电原理的电子白板，包括信号发射装置、笔划感应器、普通电子白板和PC机，其中信号发射装置包括信号笔、板擦，笔划感应器包括两个接收处理器，其特征在于：笔划感应器的信号处理模块[60]包括CPLD芯片[38]、FLASH存储器[40]、数字信号处理器DSP[41]和串并转换芯片[42]，接收两路A/D转换芯片输出的超声信号的CPLD芯片[38]连接DSP芯片，由DSP芯片[41]提取超声信号时延信息，放入系统程序的FLASH存储器[40]连接DSP芯片，DSP芯片[41]同时接收信号笔发射的红外信号和遥控器发送的无线信号，DSP芯片[41]连接串并转换芯片[42]，通过其将提取的信息输出。

2、根据权利要求1所述的基于软件无线电原理的电子白板，其特征在于：信号处理模块[60]利用提取出的超声波的包络和超声波的过零点来确定系统的时延参考点。

3、根据权利要求2所述的基于软件无线电原理的电子白板，其特征在于：信号处理模块[60]选择超声波包络中斜率最大的点为临时时延参考点。

4、根据权利要求3所述的基于软件无线电原理的电子白板，其特征在于：选择离临时时延参考点最近的超声波的过零点为最终的时延参考点。

5、根据权利要求1所述的基于软件无线电原理的电子白板，其特征在于：CPLD芯片[38]内部设置端点检测，以判断笔划感应器[20]是否接收到超声波信号。

6、根据权利要求1所述的基于软件无线电原理的电子白板，其特征在于：笔划感应器[20]与PC机[64]采用的无线连接方式。

7、根据权利要求6所述的基于软件无线电原理的电子白板，其特征在于：笔划感应器[20]与PC机[64]之间的连接采用无线RS-232模块连接。

Images