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 雯
21世紀(jì)是一個信息化時代,視聽多媒體當(dāng)之無愧地成為這個時代的寵兒,而視覺媒體[1]扮演的角色更是至關(guān)重要,電子白板正是視覺媒體這個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[2],本文所述為交互式電子白板,它是通過由白板、計算機(jī)、投影機(jī)等組成的交互式控制環(huán)境,運(yùn)用相關(guān)軟件實現(xiàn)在白板上操控計算機(jī)并同步顯示,計算機(jī)上的操作也均可在白板上同步顯示并可存儲的人機(jī)交互系統(tǒng)?,F(xiàn)在人們都熟悉用鼠標(biāo)和鍵盤對計算機(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,同樣可以對文件進(jìn)行繪圖、編輯、插入、保存等友好的操作。實現(xiàn)人機(jī)合一,營造一個生動活潑的環(huán)境,有益于提高教學(xué)或會議同步質(zhì)量[3]。
在電子白板領(lǐng)域中,目前市場上流行的定位技術(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,用戶越來越關(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、易實現(xiàn)、定位相對準(zhǔn)確等特點。
電磁式電子白板的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示(需要特別說明的是,電磁式電子白板要用專用的定位筆來達(dá)到書寫輸入的效果,定位筆可以發(fā)出125~170 kHz頻率范圍內(nèi)5個固定頻率的信號,這里不詳細(xì)介紹定位筆的原理)。電子白板與計算機(jī)通過USB轉(zhuǎn)串口線相連[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算機(jī)上顯示,計算機(jī)上的操作也可以同步在白板上顯示。計算機(jī)與投影機(jī)通過VGA線相接,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
整個白板由X方向平行的20根銅線和Y方向平行的20根銅線構(gòu)成,如圖2所示,圖中只分別給出X、Y方向的3根線以作示例。這樣,就會構(gòu)成由128×128個小格組成的一張大的電子表格,其中每個小格都有唯一坐標(biāo)與之對應(yīng)(這是人為定義的坐標(biāo)信息),如圖3所示。
用筆操作時首先確定定位筆的大體位置對應(yīng)的坐標(biāo)(小格的坐標(biāo)),然后再通過對小方格的細(xì)致掃描得到精確的坐標(biāo)信息。
無論采用什么方法,一旦使得穿過閉合電路的磁通量產(chǎn)生變化,閉合電路中就會有感應(yīng)電流產(chǎn)生,并且隨之產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢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),所以通過絕緣體或者空氣都可以傳播。利用這個特性,此方法采用一支特定筆,這支筆能夠發(fā)射幾個固定電磁波頻率,又有X,Y兩個方向各20組線圈。這樣,當(dāng)筆靠近或遠(yuǎn)離閉合線圈時就會引起磁通量變化,滿足法拉第電磁感應(yīng)定律。發(fā)射電磁波的筆按下列條件發(fā)射電磁波:當(dāng)筆靠近線圈時發(fā)射一種電磁波,其頻率固定,這時線圈上也會相應(yīng)得感應(yīng)到此固定頻率的電磁波;定位筆會發(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開關(guān)時。線圈上感應(yīng)到筆發(fā)射的電磁波在其波段范圍時就會進(jìn)入相應(yīng)的處理程序上來識別筆的靠近、按下(輕觸、重壓)、抬起、離開等書寫時筆的操作過程。離筆最近的線圈組感應(yīng)到的電動勢最高,在線圈中心位置感應(yīng)電動勢最大,邊緣內(nèi)次之,線圈外最小;根據(jù)排線規(guī)則,筆在屏幕上任何一點都會落在X方向的2個線圈組內(nèi)部,18個線圈組外部;同樣,在Y方向也會落在2個線圈組內(nèi)部,18個線圈組外部。所以,依據(jù)X方向和Y方向感應(yīng)到的電動勢,經(jīng)計算便可得出整個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。再確定小格中點的坐標(biāo),方法如下:
首先通過線圈信號選擇,選出a線圈和b線圈,分別對它們進(jìn)行10次掃描取電壓,對所得電壓值進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,去掉最大值、最小值后對這些模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)取平均,可以得到a線圈平均數(shù)據(jù),記為YD,b線圈平均數(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。
本文在試驗中對坐標(biāo)的算法稍做了改進(jìn),采用式(3)和式(4)來計算:
式中:W是一個十六進(jìn)制的定數(shù),此值是在進(jìn)行了大量測試后得到的較為理想的一個定數(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小格中點的坐標(biāo)。通過測試,定位誤差精度提高了0.2 mm。通過上位機(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)過通信線路映射到PC機(jī)上[7],再結(jié)合相應(yīng)的軟件及驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)鼠標(biāo)、鍵盤操作的同樣功能,從而便可實現(xiàn)白板與計算機(jī)的交互操作。
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,具有4路PWM,8路高速A/D轉(zhuǎn)換等功能;40路線圈模擬信號的選擇采用MC14051B芯片作為模擬開關(guān)來完成,再經(jīng)過放大、濾波和整流電路,將輸出的模擬信號經(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
使用專用筆在白板屏幕上操作的時候,單擊或雙擊確定操作,只需將該點坐標(biāo)送至上位機(jī)處理即可;寫字、繪圖等操作,每一筆畫是由連續(xù)的許多點坐標(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
準(zhǔn)確定位的流程:系統(tǒng)對X、Y線圈組循環(huán)大掃描,先定位128×128個格中的一個小格,再細(xì)致掃描,進(jìn)一步鎖定小格中一點的位置,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
軟件用Keil uVision3編譯通過,將程序加載到單片機(jī),啟動電子白板定位程序,白板上出現(xiàn)如圖7所示的9點定位,用定位筆依次定位出現(xiàn)的點,直到定位完成。再結(jié)合上位機(jī)軟件,測試得到如圖8所示效果。根據(jù)國家教育行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《交互式電子白板》[8]規(guī)定:落筆點與顯示點的中心位置不大于1 mm。電子白板定位操作后,在白板上任意劃線,用游標(biāo)卡尺測量落筆點中心與顯示點中心的最短距離50次,測得平均值為0.5 mm,而用之前線性算法測得最短距離為0.7 mm,因此精度提高0.2 mm,并且定位誤差測試結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)。在條件:溫度為20~45℃,相對濕度為20% ~80%,大氣壓為86~106 kP下,書寫流暢、均勻、連續(xù)、無斷筆、毛刺、跳線現(xiàn)象,無明顯延遲現(xiàn)象,中心區(qū)與邊緣無明顯差異。用書寫筆,以書寫力度,在板面同一位置反復(fù)書寫,書寫長度每次為20 mm,速度為1次/秒,書寫5000次后板面能正常使用。
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現(xiàn),還給出了電子白板的部分硬件電路和軟件設(shè)計,該電子白板電路全部通過驗證,并在實際生產(chǎn)中取得了很好的效果。
電磁式電子白板系統(tǒng)設(shè)備簡單、配置靈活、資金投入相對較少,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,臺上臺下可以良好融洽得互動。電子白板操作簡便,對于不熟悉計算機(jī)技術(shù)的人來說也不會遇到技術(shù)障礙。據(jù)調(diào)查,電子白板已在一大部分地區(qū)和場合得以應(yīng)用,取代了過去黑板加粉筆時代,這種改變是現(xiàn)代科技技術(shù)在教學(xué)、會議等應(yīng)用中的又一次飛躍。
[1]鄭世寶.視聽多媒體技術(shù)的新發(fā)展[J].電視技術(shù),2011,35(24):10.
[2]趙云.基于視頻定位的電子白板系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].上海:東華大學(xué),2009.
[3]袁稹,陳曉春,李建華.電子白板模塊的設(shè)計和實現(xiàn)[J].計算機(jī)工程,2001,27(3):27-28.
[4]張君,肖慧榮,袁銘.基于超聲紅外的電子白板硬件電路設(shè)計和定位算法研究[J].計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2009(5):34-37.
[5]譚家杰,殷森余,陳家璧.電子白板激光筆跡掃描定位系統(tǒng)研究[J].光電子激光,2002,13(11):1167-1170.
[6]趙儒,張華熊.基于圖像處理的電子白板定位技術(shù)[J].浙江理工大學(xué)學(xué)報,2009,26(5):711-715.
[7]黃小輝,張興超,劉獻(xiàn)忠.交互式電子白板的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法[J].計算機(jī)工程,2010,36(20):259-261.
[8]全國教學(xué)儀器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.關(guān)于征求對教育行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《交互式電子白板(征求意見稿)》[EB/OL].[2012-04-12].http://www.jys.edu.cn/biaozhunhua/2011817101525.asp.