光標(biāo)精確定位教學(xué)激光筆

劉澤浩　李春賀　馮志遠(yuǎn)　李同慶　賈東坡

引言：激光精確定位系統(tǒng)在教學(xué)、演講等人機(jī)交互比較強(qiáng)的場(chǎng)合有非常好的應(yīng)用，極大的方便了使用人群，在整個(gè)講演的過(guò)程中，系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程對(duì)界面進(jìn)行操控，具體可以完成上下翻頁(yè)，定點(diǎn)單擊、雙擊事件，軌跡繪制等動(dòng)作。系統(tǒng)硬件部分主要由發(fā)射器和接收器組成，手持部分為發(fā)射器，該部分集成無(wú)線(xiàn)通信與激光筆功能，無(wú)線(xiàn)通信功能可以使使用人員遠(yuǎn)距離控制，通過(guò)不同的按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)PPT的翻頁(yè)，軌跡繪制，無(wú)線(xiàn)鼠標(biāo)功能。

一、引言

隨著電腦的普及以及教學(xué)條件的提高，計(jì)算機(jī)與投影儀在中學(xué)與大學(xué)等各種教學(xué)場(chǎng)所以及宣講場(chǎng)所大量使用，人們對(duì)投影儀與人的交互提出了更高的要求，現(xiàn)階段無(wú)線(xiàn)技術(shù)日益成熟與成本的降低為人們遠(yuǎn)距離操縱電腦提供了可能，無(wú)線(xiàn)激光筆的產(chǎn)生為人們帶來(lái)了極大的方便，人們可以完成一些簡(jiǎn)單的操作，譬如簡(jiǎn)單的單擊操作、雙擊操作和滾輪操作，帶有激光筆還可以用作簡(jiǎn)易教鞭使用。但是，這種工具并不能完全完成人們對(duì)于電腦的遠(yuǎn)距離操縱。現(xiàn)在隨著攝像技術(shù)的提高，我們完全可以利用攝像技術(shù)完成對(duì)激光束的精確定位，識(shí)別激光束所照的位置從而完成激光筆對(duì)光標(biāo)的導(dǎo)向與定位。

二、圖像采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在采集到圖像的同時(shí)，除了要進(jìn)行激光點(diǎn)的數(shù)據(jù)分析之外還要完成坐標(biāo)的矯正與屏幕四邊的校正，圖像的分析是定位的關(guān)鍵。在圖像的分析過(guò)程中，基本的軟件分析對(duì)于電腦是一個(gè)巨大的負(fù)擔(dān)，而且在配置相對(duì)比較高的情況下復(fù)雜的算法仍舊耗費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間，最簡(jiǎn)潔的分析算法耗時(shí)也在100ms以上，也就是每秒的定位刷新頻率在10幀以下，這樣在畫(huà)筆使用過(guò)程中會(huì)有非常明顯的滯后，實(shí)驗(yàn)效果非常不好。在對(duì)室內(nèi)光線(xiàn)具體波長(zhǎng)含量與能量的分析后，我們對(duì)進(jìn)入攝像頭的的光線(xiàn)進(jìn)行充分的處理，這樣雖然在硬件上費(fèi)了一些工夫，但是給分析帶來(lái)了巨大的方便。還有由于攝像頭的擺放位置不可能正對(duì)投影儀的幕布，這就在攝像頭本身畸形的基礎(chǔ)上帶來(lái)了另外一個(gè)問(wèn)題，就是怎樣才能使一個(gè)不規(guī)則的圖像幕布點(diǎn)的位置對(duì)應(yīng)到電腦的矩形位置？經(jīng)過(guò)查閱資料，我們采用圖像處理中的二維映射定理進(jìn)行處理，最后基本完成了亮點(diǎn)的坐標(biāo)到屏幕坐標(biāo)的比例轉(zhuǎn)化，定位效果偏差并不是特別大，最終處理結(jié)果精度可以接受。這樣我們就可以先由STM32F103讀取AL422B中圖像，再由USB設(shè)備發(fā)送到PC端，PC端軟件提醒操作者手動(dòng)定位，完成定位后，系統(tǒng)開(kāi)始定位模式，由CPLD分析出的坐標(biāo)先存儲(chǔ)到CY7C4225型號(hào)FIFO中[2]，再由STM32F103讀出坐標(biāo)經(jīng)由無(wú)線(xiàn)發(fā)送到PC端，最終軟件獲取到坐標(biāo)后調(diào)用WINDOWS移動(dòng)鼠標(biāo)的API函數(shù)，完成單擊雙擊操作。

三、基于nRF24L01的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)際調(diào)試和結(jié)論分析過(guò)程中，需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)才能得到正確且全面的結(jié)論。這就需要一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的采集到相應(yīng)的參數(shù)，最后發(fā)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以滿(mǎn)足這一要求，其相比于一般的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在硬件方面得到很大程度的簡(jiǎn)化而且使用可靠性更高。在本系統(tǒng)中無(wú)線(xiàn)能夠替代電纜完成數(shù)據(jù)的傳輸，這樣既能夠保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性又能夠節(jié)省線(xiàn)纜，還能降低硬件的成本。在此所使用的無(wú)線(xiàn)模塊一共在三處完成了數(shù)據(jù)傳輸，PC端的數(shù)據(jù)接收，激光筆部分的指令發(fā)送還有的就是攝像頭圖像分析部分的坐標(biāo)數(shù)據(jù)發(fā)送。另外，為保證數(shù)據(jù)兩端向一端發(fā)送時(shí)數(shù)據(jù)不混亂，我們采用數(shù)據(jù)字頭編碼，這樣經(jīng)實(shí)際操作檢驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠，不會(huì)發(fā)生指令的錯(cuò)誤操作，而且和多頻道的數(shù)據(jù)發(fā)送比較更加簡(jiǎn)潔，節(jié)省時(shí)間。選用的無(wú)線(xiàn)發(fā)送接收模塊是平常較熟悉的nRF24L01無(wú)線(xiàn)模塊，nRF24L01是由NORDIC生產(chǎn)的工作在2.4GHz到2.5GHz的ISM 頻段的單片無(wú)線(xiàn)收發(fā)器芯片。無(wú)線(xiàn)收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強(qiáng)型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器和解調(diào)器。輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過(guò)SPI 接口進(jìn)行設(shè)置。幾乎可以連接到各種單片機(jī)芯片，并完成無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳送工作。極低的電流消耗：當(dāng)工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為0dBm時(shí)電流消耗為11.3mA，接收模式時(shí)為12.3mA，掉電模式和待機(jī)模式下電流消耗更低。最終無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將數(shù)據(jù)經(jīng)stm32單片機(jī)轉(zhuǎn)化處理為數(shù)字量，通過(guò)nRF24L01發(fā)送端將數(shù)字量發(fā)送給nRF24L01接收端。nRF24L01接收端接收到數(shù)據(jù)后與上位機(jī)通信，上位機(jī)將數(shù)據(jù)經(jīng)再處理后進(jìn)行顯示、保存等，這樣實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能。

四、stm32f103中usb的使用

經(jīng)過(guò)幾款單片機(jī)的比較，最終選擇stm32f103C8T6這款單片機(jī)，這款芯片具有較高的性能，較低的價(jià)格，48個(gè)引腳已經(jīng)能夠滿(mǎn)足需要，集成的usb通訊模塊帶來(lái)了極大的方便，尤其在較高的通訊速度方面，支持低速與全速的usb協(xié)議通訊。考慮到開(kāi)發(fā)難度方面，最終使用了usb的兩種通訊方式，一種是CDC類(lèi)的虛擬串口，另一種是HID的人機(jī)設(shè)備類(lèi)[3]，在usb的坐標(biāo)接收端，通訊量比較小的地方采用了HID類(lèi)這樣的不需要專(zhuān)門(mén)安裝驅(qū)動(dòng)的usb協(xié)議通訊，與鍵盤(pán)和鼠標(biāo)一類(lèi)，最大速度為64kb/s；虛擬串口的速度比較快但是使用比較麻煩，需要下載驅(qū)動(dòng)安裝，不過(guò)st公司提供了驅(qū)動(dòng)，使用起來(lái)數(shù)據(jù)傳輸速度快很多，但usb協(xié)議在實(shí)現(xiàn)上比較麻煩，比較繁瑣，不過(guò)考慮終究只是協(xié)議而已，所以只要去按照協(xié)議寫(xiě)就比較好了[4]。

五、總結(jié)

本課題的研究取得了一定的結(jié)果，對(duì)今后開(kāi)發(fā)電子產(chǎn)品提供了一定的參考，但是由于本人專(zhuān)業(yè)水平有限且時(shí)間倉(cāng)促，及試驗(yàn)條件受限，研究中難免存在一些不完善之處。今后在本課題研究的工作基礎(chǔ)上，可以在以下幾方面繼續(xù)研究：希望能夠提高識(shí)別精度；縮小pcb的面積，提高pcb的穩(wěn)定性；提高圖像的分析頻率，使流暢性更好；對(duì)軟件進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，使軟件有更多的功能。

參考文獻(xiàn)

[1]趙國(guó)立.基于激光筆交互的光筆手繪技術(shù)研究[J].2012.

[2]潘松，黃繼業(yè).《EDA技術(shù)與VHDL》[M].清華大學(xué)出版社.2005.

[3]薛園園，趙建領(lǐng).《USB應(yīng)用開(kāi)發(fā)寶典》[M].人民郵電出版社.2011.

[4]劉榮.《圈圈教你玩usb》[M].北京航空航天大學(xué)出版社.2009.

（作者單位：河北大學(xué)）