李海振，王寶軍

(1．黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，哈爾濱150022; 2．黑龍江科技大學(xué) 黑龍江科大科技開發(fā)有限公司，哈爾濱150022)

電磁感應(yīng)式電子白板傳感器的設(shè)計

李海振1，王寶軍2

(1．黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，哈爾濱150022; 2．黑龍江科技大學(xué) 黑龍江科大科技開發(fā)有限公司，哈爾濱150022)

為了完善電子白板的性能，達(dá)到降低生產(chǎn)及售后成本的目的，設(shè)計一款基于電磁感應(yīng)原理的電子白板傳感器。傳感器根據(jù)線性關(guān)系進(jìn)行計算，改善原有電子白板畫出的線條不直、不連續(xù)等問題。采用多環(huán)路繞線規(guī)則替代原有的單環(huán)路繞線規(guī)則，系統(tǒng)掃描芯片數(shù)量降低85%、傳感器焊點(diǎn)數(shù)量降低94%。電磁感應(yīng)式電子白板傳感器設(shè)計實(shí)現(xiàn)了板卡分離，極大地降低了生產(chǎn)及售后成本。

電子白板；繞線規(guī)則；定位算法

0 引 言

交互式電子白板是具有人機(jī)交互功能的計算機(jī)輸入設(shè)備。它與投影機(jī)、計算機(jī)聯(lián)機(jī)使用，在電子白板軟件支持下，構(gòu)造出交互式演示講解環(huán)境。在白板上可隨意操作計算機(jī)，進(jìn)行單擊、雙擊、右擊、拖放等操作，并可以在投射到白板上的畫面進(jìn)行任意書寫和勾畫。電磁感應(yīng)式電子白板定位精度高、響應(yīng)速度快、操作靈敏，已成為市場的主流產(chǎn)品[1-3]。以往的定位算法中，以經(jīng)驗值代入進(jìn)行定位計算。由于不同的電子白板之間存在參數(shù)偏差，經(jīng)驗值算法無法修復(fù)這些偏差，使用中會出現(xiàn)斷線和跳變等現(xiàn)象。同時系統(tǒng)芯片、焊點(diǎn)較多，增加了系統(tǒng)的生產(chǎn)及售后成本。為解決這些問題，在傳感器設(shè)計時，實(shí)現(xiàn)電子白板的工作區(qū)間由x、y軸線圈的線性區(qū)間組成，依據(jù)線性關(guān)系進(jìn)行定位計算。同時采用多環(huán)路繞線規(guī)則替代原有的單環(huán)路繞線規(guī)則，降低系統(tǒng)掃描芯片和傳感器焊點(diǎn)數(shù)量，實(shí)現(xiàn)板卡分離。

1 定位原理

電磁感應(yīng)式電子白板的板體內(nèi)，沿x、y軸方向排列著一定數(shù)量的接收線圈，構(gòu)成電子白板的傳感器。電磁筆作為系統(tǒng)的信號源，電磁筆前端的螺線管發(fā)射一定頻率的電磁波，當(dāng)電磁筆靠近接收線圈時，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，線圈上會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。電磁筆落在哪個線圈中，那么該線圈感應(yīng)到的電動勢最大[4]。分別對x、y軸方向線圈進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將線圈U值進(jìn)行比較，得到U值最大的線圈號xmax、ymax，電子筆一定落在xmax和ymax相交區(qū)間內(nèi)。這樣就可以得到電子筆的大體坐標(biāo)位置。然后通過算法將該區(qū)域進(jìn)行細(xì)分，得到較高的定位精度，實(shí)現(xiàn)電子白板精確書寫[5]。電磁感應(yīng)式電子白板定位原理如圖1所示。

圖1 電磁感應(yīng)式電子白板定位示意Fig.1 Schematic diagram of positioning for electromagnetic whiteboard

2 傳感器設(shè)計

設(shè)計電磁感應(yīng)式電子白板的傳感器時，應(yīng)保證電子白板的工作區(qū)間由x、y軸線圈的線性區(qū)間組成。線圈的線性區(qū)間是指電子筆相對線圈的位移與線圈上的感應(yīng)電壓存在線性關(guān)系的區(qū)間。工作時，電子筆應(yīng)落在線圈的線性區(qū)間內(nèi)。依據(jù)線性關(guān)系進(jìn)行計算，可以彌補(bǔ)原有算法的不足，提高定位精度。

2.1 線性區(qū)間確定

在螺線管長度遠(yuǎn)大于螺線管直徑的情況下，螺線管內(nèi)的磁場是分布均勻的[6]。在一定區(qū)間內(nèi)，傳感器線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢E與螺線管相對線圈的位置存在線性關(guān)系。

E=n·Δφ/Δt,

式中：E——感應(yīng)電動勢；

n——感應(yīng)線圈匝數(shù)；

Δφ——磁通量的變化率。

由于電子筆內(nèi)的螺線管長度較短，且與感應(yīng)線圈為松耦合，公式推導(dǎo)較為困難。因此，通過線性區(qū)間測試實(shí)驗，獲得線圈上電動勢的值與電磁筆所在位置的對應(yīng)關(guān)系。

線性區(qū)間測試實(shí)驗結(jié)構(gòu)如圖2所示，將直徑1 cm持續(xù)發(fā)射250 kHz的電磁波的磁環(huán)，以0.1 mm的步徑沿x軸方向逐步通過寬度為2 cm矩形線圈，記錄對應(yīng)于不同位置的線圈上感應(yīng)電壓的峰值。

圖2 線性區(qū)間測試實(shí)驗Fig.2 Schematic diagram of linear interval test

實(shí)驗數(shù)據(jù)對應(yīng)的曲線如圖3所示，橫坐標(biāo)對應(yīng)磁環(huán)中心相對線圈x軸的位置，縱坐標(biāo)對應(yīng)不同位置時線圈上感應(yīng)電壓的峰值。

通過實(shí)驗數(shù)據(jù)得到以下結(jié)論：磁環(huán)的中心由A點(diǎn)運(yùn)動到B點(diǎn)時線圈上感應(yīng)電動勢E近似線性增加，由C點(diǎn)到D點(diǎn)感應(yīng)電動勢E近似線性下降。

根據(jù)實(shí)驗結(jié)論可知圖4a中線圈L1的區(qū)間1、3為線性區(qū)間，磁環(huán)落在該區(qū)間內(nèi)時，可通過算法計算出電子筆相對線圈的偏移量，從而實(shí)現(xiàn)定位。但區(qū)間 2為非線性區(qū)間，磁環(huán)落在該區(qū)間內(nèi)時，無法通過計算實(shí)現(xiàn)定位。

圖3 磁環(huán)位移與線圈感應(yīng)電壓間對應(yīng)關(guān)系Fig.3 Relationship between magnetic induction voltage and displacement

在L1的中心向前后各加線圈L2、L3，效果如圖4b所示，線圈L1被分為四個區(qū)間，區(qū)間1、4由前可知為L1的線性區(qū)間。區(qū)間2在線圈L1中為非線性區(qū)間，而在線圈L2中為線性區(qū)間。同理，區(qū)間3在線圈L1中為非線性區(qū)間，而在線圈L3中為線性區(qū)間。實(shí)現(xiàn)磁環(huán)在線圈L1內(nèi)時，一直處在線性區(qū)間內(nèi)。

a 局部線性區(qū)間 b 完全線性區(qū)間

2.2 單環(huán)路線圈繞線規(guī)則

在x、y軸方向，以間距1 cm繞制直徑2 cm的矩形線圈，并依次對線圈標(biāo)號，效果如圖5所示?？v橫排布的線圈構(gòu)成一個個方形的小格，此小格是x軸方向兩個線圈、y軸方向兩個線圈分別交叉圍出的空間，間距為磁環(huán)的直徑，由實(shí)驗結(jié)論可知，此區(qū)間為線性區(qū)間。電子筆在白板板面上觸及的任何一點(diǎn)均會落在x、y軸方向的兩個線圈組圍成的線性區(qū)間內(nèi)。

該繞線方案在推廣應(yīng)用后，存在故障率高、售后困難等問題。以82寸電磁感應(yīng)式電子白板傳感器為例，有線圈300個，焊點(diǎn)600個，而且此類焊接只能工人手工焊接，缺焊、虛焊現(xiàn)象較多，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。在電子白板內(nèi)部x、y軸的一側(cè)需要安裝電路板，用以布置掃描電路和線圈焊點(diǎn)[7-8]。這樣的結(jié)構(gòu)不利于產(chǎn)品的后期維護(hù)，因為無法現(xiàn)場更換掃描電路板，需要將整塊電子白板運(yùn)回廠家維修，電子白板體積較大，運(yùn)輸成本高、周期較長[9]。

圖5 繞線Fig.5 Winding wire

2.3 多環(huán)路線圈繞線規(guī)則

為減少傳感器的線圈數(shù)量，將多個單環(huán)路線圈按一定規(guī)則連接在一起，使一個線圈由多個環(huán)路組成，并使在每個方向上的相鄰兩個線圈組成的線圈組合(xi，xi+1)始終唯一。每一個線性區(qū)間都是由兩根不同的線圈圍繞而成，保證坐標(biāo)的唯一性。單環(huán)路線圈連成多環(huán)路線圈如圖6所示。

線圈xLi有多個環(huán)路時，當(dāng)檢測到線圈xLi的U為Umax，可以判斷電子筆落到線圈xLi中了。但線圈xLi有多個環(huán)路，此時，x軸有多個環(huán)路的值為Umax，無法判定電子筆具體落在哪個環(huán)路中。已知Umax和Usec所在線圈圍成的線性區(qū)間，就是電子筆所在的線性區(qū)間。由繞線規(guī)則可知Umax所在線圈和Usec所在線圈圍成的線性區(qū)間是唯一的，可以通過Usec所在線圈區(qū)分出電子筆在線圈xLi的哪個環(huán)路上。

圖6 單環(huán)路線圈連成多環(huán)路線圈Fig.6 Single circuit into polycyclic schematic

采用多環(huán)路線圈繞線規(guī)則替代單環(huán)路線圈繞線規(guī)則后，傳感器由x、y軸各20個感應(yīng)線圈組成，系統(tǒng)掃描芯片數(shù)量降低85%、傳感器焊點(diǎn)數(shù)量降低94%。將掃描電路集成到控制卡上，方便更換，實(shí)現(xiàn)了板卡分離。極大地降低了生產(chǎn)及售后成本，有效地提高了電磁感應(yīng)式電子白板的性能和成本優(yōu)勢。

3 定位計算

對40個線圈依次進(jìn)行信號采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換，分別對x軸的20個數(shù)據(jù)、y軸的20個數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得到x和y軸各自的最大值和次大值，并保存最大值和次大值的線圈號[10]。根據(jù)x軸最大和次大值的線圈號的組合，可以知道電子筆所在的x方向上的區(qū)間。同理可得在y軸上的區(qū)間，這樣，在x軸和y軸的相交部分可以得到一個唯一的小方格。到此，就可以得到電子筆的大體坐標(biāo)位置，需要根據(jù)線性關(guān)系進(jìn)行計算，得到精確坐標(biāo)。

如圖7所示，電子筆落在x1、x2圍成的區(qū)間內(nèi)，進(jìn)行線性計算。

圖7 線性區(qū)間計算Fig.7 Linear interval computation

如果Ux1>Ux2電子筆落在線性區(qū)間1，根據(jù)式(1)求得x坐標(biāo)值。

(1)

如果Ux1>Ux2電子筆落在線性區(qū)間2，根據(jù)式(2)求得x坐標(biāo)值。

(2)

式中：Ux1、Ux2——線圈x1、x2上的U值；

Kx——線性值。

其中，Kx為

(3)

式中：Ux1C、Ux2C——電子筆位于線圈x1中心位置時，線圈x1、x2上的U值；

L——區(qū)間1的寬度。

如果x1的U為Umax，且Ux2=Ux0，此時，將Ux1、Ux2帶入式(3)，便可求得Kx?？梢?，使用過程中，Kx的值可以不斷的更新。

4 測試結(jié)果與分析

通過實(shí)驗測試，原有的定位算法效果不佳，當(dāng)繪制直線時，會出現(xiàn)跳點(diǎn)現(xiàn)象，導(dǎo)致直線上出現(xiàn)一些突起，如圖8a所示。說明經(jīng)驗值在該區(qū)域存在偏差，導(dǎo)致計算出的坐標(biāo)出現(xiàn)錯位。個別電子白板由于參數(shù)差別較大，畫出的直線為鋸齒狀，成為廢品。改進(jìn)后的算法采用線性插值計算，由于線性值為動態(tài)獲取，根據(jù)白板的不同參數(shù)線性值可自行修訂，因此畫出的直線平滑、無跳點(diǎn)現(xiàn)象，如圖8b所示。

a 經(jīng)驗值定位算法

b 線性值定位算法

5 結(jié)束語

筆者設(shè)計的電磁感應(yīng)式電子白板傳感器，以線性關(guān)系進(jìn)行定位計算，與原有的經(jīng)驗值定位算法相比，降低了白板參數(shù)不一致性對白板性能的影響。同時采用多環(huán)路線圈繞線規(guī)則，系統(tǒng)掃描芯片數(shù)量降低85%、傳感器焊點(diǎn)數(shù)量降低94%。該設(shè)計提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)及售后成本，增強(qiáng)了該款電子白板的市場競爭能力。

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(編輯 晁曉筠 校對 王 冬)

Design of sensor for electromagnetic whiteboard

LiHaizhen1，WangBaojun2

(1.School of Mechanical Engineering,Heilongjiang University of Science & Technology,Harbin 150022,China；2.Heilongjiang Keda Science & Technology Development Co.Ltd.,Heilongjiang University of Science & Technology,Harbin 150022,China)

This paper is an attempt to improve the performance of lectromagnetic whiteboard and reduce the costs of both production and After-sales service by designing a kind of sensor based on the principle of electromagnetic induction.The sensor works by performing calculation according to the linear relation and overcoming the problems inherent in original whiteboards,the lines drawn are neither straight nor continuous．The use of polycyclic winding mode instead of the Single circuit winding mode gives an 85% reduction in the number of IC,and a 94% reduction in the solder joints of sensor.Electromagnetic induction type electronic whiteboard sensor is so designed that control card is separate from whiteboard,a significant reduction in the costs of both production and After-sales service.

electromagnetic whiteboard; wire winding mode; positioning algorithm

2017-02-23

李海振(1974-)，男，黑龍江省友誼人，講師，碩士，研究方向：電子應(yīng)用技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)，E-mail：lihaizhen1974@126.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.02.023

TP391

2095-7262(2017)02-0205-05

A