趙 梁，師 衛(wèi)

(太原理工大學(xué)信息工程學(xué)院，山西 太原 030024)

責(zé)任編輯:時(shí) 雯

21世紀(jì)是一個(gè)信息化時(shí)代，視聽(tīng)多媒體當(dāng)之無(wú)愧地成為這個(gè)時(shí)代的寵兒，而視覺(jué)媒體［1］扮演的角色更是至關(guān)重要，電子白板正是視覺(jué)媒體這個(gè)大家庭中的重要一員。電子白板大體上有復(fù)印式電子白板和交互式電子白板兩大類(lèi)［2］，本文所述為交互式電子白板，它是通過(guò)由白板、計(jì)算機(jī)、投影機(jī)等組成的交互式控制環(huán)境，運(yùn)用相關(guān)軟件實(shí)現(xiàn)在白板上操控計(jì)算機(jī)并同步顯示，計(jì)算機(jī)上的操作也均可在白板上同步顯示并可存儲(chǔ)的人機(jī)交互系統(tǒng)?，F(xiàn)在人們都熟悉用鼠標(biāo)和鍵盤(pán)對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行的操作，而在此電子白板的應(yīng)用中，特定的定位筆替代了鼠標(biāo)的作用，同樣可以對(duì)文件進(jìn)行繪圖、編輯、插入、保存等友好的操作。實(shí)現(xiàn)人機(jī)合一，營(yíng)造一個(gè)生動(dòng)活潑的環(huán)境，有益于提高教學(xué)或會(huì)議同步質(zhì)量［3］。

在電子白板領(lǐng)域中，目前市場(chǎng)上流行的定位技術(shù)主要有超聲波技術(shù)［4］、紅外技術(shù)、CCD技術(shù)、電磁感應(yīng)技術(shù)等，不同種類(lèi)的電子白板［5］也伴隨著不同的技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。然而，用戶(hù)越來(lái)越關(guān)注的是涉及電子白板的使用性能的好壞，例如友好的界面、流暢的筆劃、清晰的顯示等更加優(yōu)越的性能被用戶(hù)所期待。為此，諸多廠商采用了兩種或者兩種以上定位技術(shù)相結(jié)合的方式來(lái)進(jìn)一步完善電子白板的性能，例如紅外和CCD技術(shù)相結(jié)合的精確定位，超聲與CCD相互結(jié)合的準(zhǔn)確定位方法等。本文所述電子白板采用發(fā)射頻125～170 kHz的定位筆與單片機(jī)接受端組合的方式，具有不怕光的干擾、耐用性好、易實(shí)現(xiàn)、定位相對(duì)準(zhǔn)確等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

電磁式電子白板的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示(需要特別說(shuō)明的是，電磁式電子白板要用專(zhuān)用的定位筆來(lái)達(dá)到書(shū)寫(xiě)輸入的效果，定位筆可以發(fā)出125～170 kHz頻率范圍內(nèi)5個(gè)固定頻率的信號(hào)，這里不詳細(xì)介紹定位筆的原理)。電子白板與計(jì)算機(jī)通過(guò)USB轉(zhuǎn)串口線(xiàn)相連［6］，兩者可以達(dá)到同步操作，即白板上的操作可以同步在計(jì)算機(jī)上顯示，計(jì)算機(jī)上的操作也可以同步在白板上顯示。計(jì)算機(jī)與投影機(jī)通過(guò)VGA線(xiàn)相接，投影機(jī)將文字、圖像等內(nèi)容顯示到電子白板上。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 白板的布局

整個(gè)白板由X方向平行的20根銅線(xiàn)和Y方向平行的20根銅線(xiàn)構(gòu)成，如圖2所示，圖中只分別給出X、Y方向的3根線(xiàn)以作示例。這樣，就會(huì)構(gòu)成由128×128個(gè)小格組成的一張大的電子表格，其中每個(gè)小格都有唯一坐標(biāo)與之對(duì)應(yīng)(這是人為定義的坐標(biāo)信息)，如圖3所示。

用筆操作時(shí)首先確定定位筆的大體位置對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)(小格的坐標(biāo))，然后再通過(guò)對(duì)小方格的細(xì)致掃描得到精確的坐標(biāo)信息。

1.3 白板的定位原理

無(wú)論采用什么方法，一旦使得穿過(guò)閉合電路的磁通量產(chǎn)生變化，閉合電路中就會(huì)有感應(yīng)電流產(chǎn)生，并且隨之產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與磁通量變化率呈現(xiàn)正比的關(guān)系。這是法拉第電磁感應(yīng)定律的主要內(nèi)容。本文所述電子白板的定位方法就是采用了這種思想。

電磁波傳播不需要介質(zhì)，所以通過(guò)絕緣體或者空氣都可以傳播。利用這個(gè)特性，此方法采用一支特定筆，這支筆能夠發(fā)射幾個(gè)固定電磁波頻率，又有X，Y兩個(gè)方向各20組線(xiàn)圈。這樣，當(dāng)筆靠近或遠(yuǎn)離閉合線(xiàn)圈時(shí)就會(huì)引起磁通量變化，滿(mǎn)足法拉第電磁感應(yīng)定律。發(fā)射電磁波的筆按下列條件發(fā)射電磁波:當(dāng)筆靠近線(xiàn)圈時(shí)發(fā)射一種電磁波，其頻率固定，這時(shí)線(xiàn)圈上也會(huì)相應(yīng)得感應(yīng)到此固定頻率的電磁波;定位筆會(huì)發(fā)出另外一種固定頻率的電磁波當(dāng)筆頭和屏幕接觸并觸動(dòng)開(kāi)關(guān)時(shí)。線(xiàn)圈上感應(yīng)到筆發(fā)射的電磁波在其波段范圍時(shí)就會(huì)進(jìn)入相應(yīng)的處理程序上來(lái)識(shí)別筆的靠近、按下(輕觸、重壓)、抬起、離開(kāi)等書(shū)寫(xiě)時(shí)筆的操作過(guò)程。離筆最近的線(xiàn)圈組感應(yīng)到的電動(dòng)勢(shì)最高，在線(xiàn)圈中心位置感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大，邊緣內(nèi)次之，線(xiàn)圈外最小;根據(jù)排線(xiàn)規(guī)則，筆在屏幕上任何一點(diǎn)都會(huì)落在X方向的2個(gè)線(xiàn)圈組內(nèi)部，18個(gè)線(xiàn)圈組外部;同樣，在Y方向也會(huì)落在2個(gè)線(xiàn)圈組內(nèi)部，18個(gè)線(xiàn)圈組外部。所以，依據(jù)X方向和Y方向感應(yīng)到的電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)計(jì)算便可得出整個(gè)大電子表格中筆所在的坐標(biāo)位置(X1，Y1)，即圖2中小格的位置。再確定小格中點(diǎn)的坐標(biāo)，方法如下:

首先通過(guò)線(xiàn)圈信號(hào)選擇，選出a線(xiàn)圈和b線(xiàn)圈，分別對(duì)它們進(jìn)行10次掃描取電壓，對(duì)所得電壓值進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，去掉最大值、最小值后對(duì)這些模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)取平均，可以得到a線(xiàn)圈平均數(shù)據(jù)，記為YD，b線(xiàn)圈平均數(shù)據(jù)記為YU;Y方向同理，記為XL，XR。再根據(jù)式(1)和式(2)可得坐標(biāo)信息

式中:W是十六進(jìn)制常量。

本文在試驗(yàn)中對(duì)坐標(biāo)的算法稍做了改進(jìn)，采用式(3)和式(4)來(lái)計(jì)算:

式中:W是一個(gè)十六進(jìn)制的定數(shù)，此值是在進(jìn)行了大量測(cè)試后得到的較為理想的一個(gè)定數(shù)。

由(X1，Y1)和(X2，Y2)即可得到筆在白板上的準(zhǔn)確坐標(biāo)位置(X1+X2，Y1+Y2)，即圖2小格中點(diǎn)的坐標(biāo)。通過(guò)測(cè)試，定位誤差精度提高了0.2 mm。通過(guò)上位機(jī)軟件，應(yīng)用相應(yīng)的映射函數(shù)，電路中的相應(yīng)處理芯片和電路將白板上獲取到的精確坐標(biāo)經(jīng)過(guò)通信線(xiàn)路映射到PC機(jī)上［7］，再結(jié)合相應(yīng)的軟件及驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)鼠標(biāo)、鍵盤(pán)操作的同樣功能，從而便可實(shí)現(xiàn)白板與計(jì)算機(jī)的交互操作。

1.4 電路設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)采用STC12C52A60S2單片機(jī)作為主控芯片，該芯片具有寬電壓、高速、高可靠等優(yōu)點(diǎn)，具有4路PWM，8路高速A/D轉(zhuǎn)換等功能;40路線(xiàn)圈模擬信號(hào)的選擇采用MC14051B芯片作為模擬開(kāi)關(guān)來(lái)完成，再經(jīng)過(guò)放大、濾波和整流電路，將輸出的模擬信號(hào)經(jīng)微處理器A/D轉(zhuǎn)換后送至上位機(jī)作精確定位的處理。整體框架結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 硬件電路結(jié)構(gòu)圖

2 定位軟件設(shè)計(jì)

2.1 定位筆的操作

使用專(zhuān)用筆在白板屏幕上操作的時(shí)候，單擊或雙擊確定操作，只需將該點(diǎn)坐標(biāo)送至上位機(jī)處理即可;寫(xiě)字、繪圖等操作，每一筆畫(huà)是由連續(xù)的許多點(diǎn)坐標(biāo)構(gòu)成。在圖6中，第一次掃描得到坐標(biāo)A，經(jīng)串口送至上位機(jī)，再循環(huán)掃描得到坐標(biāo)B，也送至上位機(jī)，這樣依次循環(huán)掃描到筆的軌跡坐標(biāo)A—B—C—D—E……，如圖5所示，送至上位機(jī)，經(jīng)與上位機(jī)的交互協(xié)議，并運(yùn)用最小二乘曲線(xiàn)擬合算法，便可以穩(wěn)定、流暢地進(jìn)行在白板上操作。

圖5 筆的坐標(biāo)軌跡

2.2 準(zhǔn)確定位程序的設(shè)計(jì)

準(zhǔn)確定位的流程:系統(tǒng)對(duì)X、Y線(xiàn)圈組循環(huán)大掃描，先定位128×128個(gè)格中的一個(gè)小格，再細(xì)致掃描，進(jìn)一步鎖定小格中一點(diǎn)的位置，確定坐標(biāo)，這樣一直不停地循環(huán)掃描，如圖6所示。

圖6 定位程序的流程圖

3 系統(tǒng)調(diào)試及分析

軟件用Keil uVision3編譯通過(guò)，將程序加載到單片機(jī)，啟動(dòng)電子白板定位程序，白板上出現(xiàn)如圖7所示的9點(diǎn)定位，用定位筆依次定位出現(xiàn)的點(diǎn)，直到定位完成。再結(jié)合上位機(jī)軟件，測(cè)試得到如圖8所示效果。根據(jù)國(guó)家教育行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《交互式電子白板》［8］規(guī)定:落筆點(diǎn)與顯示點(diǎn)的中心位置不大于1 mm。電子白板定位操作后，在白板上任意劃線(xiàn)，用游標(biāo)卡尺測(cè)量落筆點(diǎn)中心與顯示點(diǎn)中心的最短距離50次，測(cè)得平均值為0.5 mm，而用之前線(xiàn)性算法測(cè)得最短距離為0.7 mm，因此精度提高0.2 mm，并且定位誤差測(cè)試結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)。在條件:溫度為20～45℃，相對(duì)濕度為20% ～80%，大氣壓為86～106 kP下，書(shū)寫(xiě)流暢、均勻、連續(xù)、無(wú)斷筆、毛刺、跳線(xiàn)現(xiàn)象，無(wú)明顯延遲現(xiàn)象，中心區(qū)與邊緣無(wú)明顯差異。用書(shū)寫(xiě)筆，以書(shū)寫(xiě)力度，在板面同一位置反復(fù)書(shū)寫(xiě)，書(shū)寫(xiě)長(zhǎng)度每次為20 mm，速度為1次/秒，書(shū)寫(xiě)5000次后板面能正常使用。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了電磁式電子白板的結(jié)構(gòu)、工作原理，更著重詳述了電子白板的定位原理及實(shí)現(xiàn)，還給出了電子白板的部分硬件電路和軟件設(shè)計(jì)，該電子白板電路全部通過(guò)驗(yàn)證，并在實(shí)際生產(chǎn)中取得了很好的效果。

電磁式電子白板系統(tǒng)設(shè)備簡(jiǎn)單、配置靈活、資金投入相對(duì)較少，而且同樣具有良好的網(wǎng)絡(luò)通信功能，可與校園網(wǎng)、局域網(wǎng)等互連，臺(tái)上臺(tái)下可以良好融洽得互動(dòng)。電子白板操作簡(jiǎn)便，對(duì)于不熟悉計(jì)算機(jī)技術(shù)的人來(lái)說(shuō)也不會(huì)遇到技術(shù)障礙。據(jù)調(diào)查，電子白板已在一大部分地區(qū)和場(chǎng)合得以應(yīng)用，取代了過(guò)去黑板加粉筆時(shí)代，這種改變是現(xiàn)代科技技術(shù)在教學(xué)、會(huì)議等應(yīng)用中的又一次飛躍。

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