一種光電式電子白板的技術(shù)解析

李丹

0 引言

交互式電子白板的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，目前出現(xiàn)的交互式電子白板根據(jù)工作原理的不同，大體可以分為六種類型：電阻式電子白板、電容式電子白板、紅外式電子白板、超聲波式電子白板、CCD光掃描式電子白板和電磁感應(yīng)式電子白板。本文給出了一種未來發(fā)展前景較好的光電式電子白板的技術(shù)解析。

1 不同類型電子白板的工作原理[1]

1.1 電阻式電子白板

電阻式電子白板結(jié)構(gòu)由水平和垂直方向的電阻膜、導(dǎo)電膜組成。在電阻膜上施加固定電壓，這時如果沒有外力作用，導(dǎo)電膜層與電阻膜層不會接觸，如果用手指或其他硬物點擊或者輕壓電阻膜層時，白板中的相關(guān)控制電路就會測到導(dǎo)電膜層流過的電流。從水平和垂直兩個方向檢測到的電壓值經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，可得到接觸點在白板的具體位置。

1.2 電容式電子白板

電容式電子白板背面四角設(shè)有四個電極，導(dǎo)電體內(nèi)就有一個比較低的電壓交流電場產(chǎn)生，加之人體本身就是一個電場，導(dǎo)電層與人手指間便會有一個藕合電容產(chǎn)生，四個電極產(chǎn)生的電流從四角沿著層面匯聚到觸摸點，觸摸點到各角電極的距離與電流強度大小成正比。板面背后的控制電路依據(jù)一定的算法得出電流強度的數(shù)字值，從而確定出觸摸點所在位置。

1.3 紅外式電子白板

在白板的垂直方向密集布置發(fā)射紅外線的電子管，另一邊密集布置接受紅外線的電子管。白板水平方向上接受和發(fā)射紅外線的電子管布置也是如此。一旦板面上有物體放置，水平方向的某條紅外線就會被檔住，垂直方向也是如此。根據(jù)水平和垂直兩個方向便可以確定出點擊處所在的坐標，實現(xiàn)了定位。

1.4 超聲波式電子白板

利用超聲波的傳輸速度較慢的特性，根據(jù)超聲波發(fā)射到接收時間計算出發(fā)射點到接收點的距離。在屏幕的一邊放置接收器，接受器內(nèi)置兩個按固定距離分布的超聲接收裝置。用于定位和書寫的信號筆是一個超聲波發(fā)射器，當信號筆點按白板的板面時，所發(fā)射的超聲波沿屏幕表面被接收器檢測到，根據(jù)兩個超聲接收裝置收到超聲波的時間的不同，可以換算出筆與兩個接收器的距離。

1.5 CCD光掃描式電子白板

CCD是一種半導(dǎo)體器件，這種半導(dǎo)體能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。一塊CCD上包含的像素數(shù)越多，其提供的畫面分辨率也就越高。在白板顯示區(qū)域的一邊裝有兩個CCD探測器和一個紅外線發(fā)射器。在白板其余3側(cè)裝有膜，這種膜能反射光線，如果沒有任何物體遮擋時，CCD能檢測到完整光線帶，但是如果光線的路徑彼物體遮擋住時，CCD便會檢測到無反光的區(qū)域出現(xiàn)在光帶中。CCD將各自檢測到的被擋住的區(qū)域顯示在整個CCD陣列的相應(yīng)地方，根據(jù)對應(yīng)的區(qū)域可算出物體所在位置。

1.6 電磁感應(yīng)式電子白板

用于定位和書寫的電子筆是一個電磁波發(fā)射器，當用電子筆點按白板的板面時，電子筆筆頭受到壓力接通電路會發(fā)出電磁波，電磁波被白板表面X，Y方向的感應(yīng)層接收到，離筆近的線圈組感應(yīng)到的電動勢高，根據(jù)水平方向和垂直方向感應(yīng)到的電動勢，通過計算可以獲得電子筆所在的X、Y坐標位置，進而可獲取到電子筆在白板平面上點按的實際坐標值。

1.7 不同類型電子白板性能對比

如表1所示：

表1 白板性能對比

2 光電式電子白板技術(shù)分析

2.1 工作原理

利用紅外專用濾光鏡只能透射紅外光，截止可見光譜的特性，用于定位和書寫的光電筆是一個紅外線發(fā)射器，當用光電筆點按屏幕時，光電筆筆頭受到壓力接通電路會發(fā)出紅外線，紅外線反射到濾光鏡的 CMOS感光芯片（高速高分辨率的圖象傳感器），通過換算可以計算出紅外信號來源即光電筆所發(fā)出的紅外信號光點在屏幕上的X和Y坐標位置，進而可獲取到光電筆在屏幕上所指示的實際坐標值。如圖1所示：

圖1 光電式電子白板結(jié)構(gòu)

2.2 光電筆的設(shè)計[2]

以單片機作為核心處理器，主要負責判斷兩個按鍵的鍵入、單雙擊信號傳輸、激光器的光頻率調(diào)制以及控制書寫信號的激光器的發(fā)光問題。當使用者按下激光筆上的書寫信號按鍵時，光筆發(fā)射波長為X2的紅外線，由裝有紅外濾光片的CMOS圖像傳感器采集后進行處理。當按下激光筆的單、雙擊信號按鍵時，經(jīng)過單片機檢測后，發(fā)出波長為XI的紅光，然后由放在圖像傳感器附近的不同的鑒頻器陣列接收后傳給主控板中的單片機檢測是單擊還是雙擊信號。如圖2所示：

圖2 光電筆設(shè)計框圖

2.3 圖像處理系統(tǒng)的硬件設(shè)計[3-11]

如圖3所示：

圖3 圖像處理系統(tǒng)總體框圖

交互式光電白板的圖像處理系統(tǒng)部分的總體框圖。該圖像信號處理板共包括五部分：圖像釆集、FPGA數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸、圖像顯示和電源。

圖像采集部分負責采集光斑在白板上的成像，因為書寫光斑是940nm的紅外激光器，因此在CMOS圖像傳感器前端需要加上 940nm紅外濾光片，這樣可以有效地濾除大部分雜散光的干擾。

FPGA數(shù)據(jù)處理部分是這塊系統(tǒng)板的核心部分，它負責CMOS圖像傳感器和無線發(fā)送芯片的初始化，并對采集到的圖像數(shù)據(jù)進行計算，把光斑的坐標數(shù)據(jù)計算出來后，再把檢測到的單雙擊信號數(shù)據(jù)和光斑坐標數(shù)據(jù)合成一幀數(shù)據(jù)通過無線的方式傳到上位機。

數(shù)據(jù)傳輸部分是采用 Nordic公司生產(chǎn)的無線傳輸芯片nRF24L01把信號處理部分傳送過來的數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去。接收端則是采用同系列的芯片nRF24LUl接收無線數(shù)據(jù)，其自帶USB協(xié)議和接口，所以可以直接通過USB的方式把數(shù)據(jù)流送入上位機進行后續(xù)處理。

圖像顯示部分是用于調(diào)試系統(tǒng)的時候測試圖像采集的效果。

電源部分分別為CMOS圖像傳感器、FPGA、顯示芯片和無線發(fā)送芯片提供合適的電源。

2.3.1 圖像采集部分的設(shè)計

CMOS圖像傳感器以O(shè)mni Vision公司的OV7110為例，這是一款單片的單色圖像傳感器，內(nèi)部集成了640 x 480的圖像陣列，可以處理60Hz的隔行掃描或者30Hz的逐行掃描。所有的相機功能，例如曝光、增益、白平衡、彩色矩陣以及加窗等都是通過I2C接口進行編程設(shè)置的。

2.3.2 FPGA處理部分的設(shè)計

FPGA芯片要完成的工作主要包括對 CMOS圖像傳感器的初始化、控制 CMOS圖像傳感器、讀取圖像數(shù)據(jù)并計算圖像坐標、控制鑒頻器判斷單雙擊信號以及控制無線發(fā)送芯片進行數(shù)據(jù)傳輸。FPGA還要做到使系統(tǒng)的各部分實現(xiàn)協(xié)調(diào)與統(tǒng)一，建立一個穩(wěn)定的工作狀態(tài)。這就需要FPGA控制芯片滿足下面幾方面的條件：接口要達到外部接口所需要的傳輸速度；管腳的電壓要求要兼容各個器件；適合時序邏輯設(shè)計并且能夠進行數(shù)據(jù)緩存。

2.3.3 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計

數(shù)據(jù)傳輸是指把經(jīng)過 FPGA處理的坐標信息和單雙擊信息組成的數(shù)據(jù)幀發(fā)送到計算機進行處理，本系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)傳輸方式是無線傳輸方式，這種傳輸方式可以有效避免長距離繞線的麻煩。這部分的設(shè)計電路主要包括三大部分，分別是無線發(fā)送部分、無線接收部分和信號調(diào)整部分。

數(shù)據(jù)發(fā)送端電路的硬件設(shè)計：本系統(tǒng)中采用的無線發(fā)送電路的核心芯片是由 Nordic公司所研發(fā)生產(chǎn)的 nRF24L01芯片。這款芯片是一種新型的單片無線射頻收發(fā)器件，它的工作頻段范圍是 2.4～2.5GHz 世界通用 ISM (Industrial Scientific Medical)頻段。它可以通過SPI接口對輸出功率、頻道選擇和協(xié)議進行設(shè)置，SPI接口數(shù)據(jù)速率高達8Mbps，而空中數(shù)據(jù)傳輸率也能達到2Mbps，具有125個可選工作頻道，能夠與nRF24XX系列完全兼容。

數(shù)據(jù)接收電路的硬件設(shè)計： nRF24LUl也是Nordic公司推出的一款性能很高的射頻收發(fā)器，它的空中傳輸速率能夠達到2Mbit/s，可實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)到USB數(shù)據(jù)形式的轉(zhuǎn)換功能，這樣就提供了一種給上位機進行數(shù)據(jù)交換的通信方式。nRF24LUl含1個增強型8051MCU內(nèi)核，它兼容英特爾51單片機的指令集，因為指令周期時間減少，所以運算能力是傳統(tǒng)的8051單片機的12倍；2Kbytes片上RAM存儲器和16Kbytes片上FLASH存儲器，能夠滿足基本的應(yīng)用要求；6個可編程的數(shù)字輸入/輸出引腳可以配置為 GPIO、SPI Master、SPI Slave、外部中斷、定時器輸入、全雙工串行端口以及調(diào)試接口；高性能 2.4GHz無線收發(fā)模塊，能夠與nRF24LXX完全兼容；128位密鑰長度的加密/解密硬件模塊，能夠完全保證系統(tǒng)的安全性；符合全速IJSB2.0標準的器件控制器，支持高達12Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率；對于電源管理功能，低功耗設(shè)計完全支持停止、待機、暫停模式；芯片的鎖相環(huán)和振蕩器能夠獲得全速的USB操作，并減少了外圍電路所需要的器件；片上集成了掉電探測器和上電復(fù)位發(fā)生器，讓系統(tǒng)有了更好的保護；片上對硬件調(diào)試器的支持，能夠使用Keil開發(fā)工具進行開發(fā)。

信號調(diào)整電路的硬件設(shè)計：由于只采用單獨的 nRF芯片，所以為了增加無線視頻傳輸?shù)木嚯x，需要在系統(tǒng)中加入功率放大器(PA)。除了需要考慮增加數(shù)據(jù)通信距離的問題，還需要考慮增加輸入端的接收靈敏度問題，因此選用合適的低噪聲放大器 (LNA)和濾波器也是加強本系統(tǒng)性能的重要措施。本設(shè)計中選用 Maxim公司的 MAX2240芯片和MAX2644芯片，以及Hittite公司生產(chǎn)的微波開關(guān)HMC545作為收發(fā)切換。MAX2240芯片是專為2.4GHz～2.5GHz頻段的應(yīng)用設(shè)計的非線性 RF功率放大器，符合 Bluetooth、HomeRF、802.11標準以及其它FSK調(diào)制系統(tǒng)的要求。此芯片的輸出功率可以高達+20dBrn、四級由兩位數(shù)字功率控制的輸出以及50Ω集成輸入匹配。

2.3.4 圖像顯示部分的設(shè)計

由于整個圖像處理流程中，無法看到圖像的采集效果，無法估計算法的好壞，因此加入了圖像顯示部分，方便在調(diào)試過程中對坐標的算法進行驗證，而且也能簡單的在成品過程中排除錯誤以及起到圖像的回放作用。

本系統(tǒng)中采用Philips公司的SAA7121H視頻D/A轉(zhuǎn)換芯片，能夠完成視頻編碼的功能，將數(shù)字視頻信息轉(zhuǎn)換成場頻為50Hz的全電視模擬信號，支持PAL制式和NTSC視頻制式，其像素頻率為13.5MHz。SAA7121H的連接電路如圖4所示：

圖4 SAA7121H連接電路圖

2.3.5 電源部分設(shè)計

由于系統(tǒng)輸入電壓為5V，但各個芯片的供電不盡一樣，其中CMOS圖像傳感器OV7110釆用5V電源供電， FPGA芯片EP2C5T144C8內(nèi)核電壓為1.2V，I/O電壓為3.3V，數(shù)據(jù)發(fā)送芯片nRF24L01和圖像顯示芯片SAA7121H都采用3.3V進行供電，因此選用了電壓轉(zhuǎn)換芯片 LM1085和LM1117-L2V提供各種電源。

2.4 光電筆軟件設(shè)計[12]

當用于書寫的按鍵被按下時，940nm的半導(dǎo)體激光器持續(xù)發(fā)光，直至該按鍵彈起。當用于單雙擊的按鍵被按下一次時，微控制器判斷結(jié)果為單擊，把38KHZ的脈沖載波信號加到 650nm的半導(dǎo)體激光器上，讓激光器發(fā)送單擊信號；當單雙擊的按鍵連續(xù)按下兩次時，微控制器判斷結(jié)果為雙擊，把56KHZ的脈沖載波信號加到650nm的半導(dǎo)體激光器上，讓激光器發(fā)送雙擊信號；當單雙擊的按鍵按下的次數(shù)大于兩次或者是持續(xù)按下時，微控制器判斷結(jié)果為電子教鞭功能，讓 650nm的半導(dǎo)體激光器持續(xù)發(fā)光，實現(xiàn)指示效果。其中調(diào)制波的頻率38KHZ和56KHZ是通過定時器產(chǎn)生的PWM波。光電筆系統(tǒng)的總體軟件流程圖如圖5所示：

圖5 光電筆軟件流程圖

2.5 圖像處理算法[13-15]

因為光斑的外形比較圓滑，而且圖像比較充實，所以使用中值法計算得到的結(jié)果能比較接近實際。中值法是計算圖像“中心”的比較常用的算法。該算法通過冒泡法的方法記錄圖像有效像素最左邊的值 Xmin、最右邊的值 Xmax、最上邊的值 Ymin、最下邊的值 Ymax。通過下列公式可以求得圖像“中心”坐標。

中值算法對于圖像邊沿復(fù)雜和“空心”的圖像計算出來的坐標值有些偏差，但該算法運算簡單，精確度相對較高。中值算法流程圖如圖6所示：

圖6 中值算法流程圖

2.6 白板操作系統(tǒng)

交互式光電白板的圖像處理系統(tǒng)完成坐標計算后，把數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機，上位機除了接收數(shù)據(jù)，還需要對windows系統(tǒng)進行操作，如投影儀的控制、鼠標操作等。本研究主要針對白板系統(tǒng)中的硬件設(shè)計部分做了詳細的研究設(shè)計，白板操作系統(tǒng)還需要更長時間的開發(fā)過程。

3 總結(jié)

對比目前市場上的主要交互式白板產(chǎn)品，光電式白板的光電筆輸入靈敏度高，可支持面積較大的白板。但當有干擾光時，提取光筆光斑的精度還有待提高；CMOS圖像傳感器高清處理的問題、無線傳輸技術(shù)的信號衰減問題等還有待研究。軟件方面，隨著硬件系統(tǒng)的進一步完善，無線傳輸圖像軟件系統(tǒng)將進一步被替代；完善白板操作系統(tǒng)的功能將是未來的努力方向。隨著光電式白板的不斷改進，它的優(yōu)勢將進一步顯現(xiàn)。

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