一種電子白板的定位方法及實現

趙 梁，師 衛

(太原理工大學信息工程學院，山西 太原 030024)

責任編輯:時 雯

21世紀是一個信息化時代，視聽多媒體當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、投影機等組成的交互式控制環境，運用相關軟件實現在白板上操控計算機并同步顯示，計算機上的操作也均可在白板上同步顯示并可存儲的人機交互系統?，F在人們都熟悉用鼠標和鍵盤對計算機進行的操作，而在此電子白板的應用中，特定的定位筆替代了鼠標的作用，同樣可以對文件進行繪圖、編輯、插入、保存等友好的操作。實現人機合一，營造一個生動活潑的環境，有益于提高教學或會議同步質量［3］。

在電子白板領域中，目前市場上流行的定位技術主要有超聲波技術［4］、紅外技術、CCD技術、電磁感應技術等，不同種類的電子白板［5］也伴隨著不同的技術應運而生。然而，用戶越來越關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相結合的方式來進一步完善電子白板的性能，例如紅外和CCD技術相結合的精確定位，超聲與CCD相互結合的準確定位方法等。本文所述電子白板采用發射頻125～170 kHz的定位筆與單片機接受端組合的方式，具有不怕光的干擾、耐用性好、易實現、定位相對準確等特點。

1 系統結構和工作原理

1.1 系統的整體結構

電磁式電子白板的整體結構如圖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到書寫輸入的效果，定位筆可以發出125～170 kHz頻率范圍內5個固定頻率的信號，這里不詳細介紹定位筆的原理)。電子白板與計算機通過USB轉串口線相連［6］，兩者可以達到同步操作，即白板上的操作可以同步在計算機上顯示，計算機上的操作也可以同步在白板上顯示。計算機與投影機通過VGA線相接，投影機將文字、圖像等內容顯示到電子白板上。

圖1 系統結構框圖

1.2 白板的布局

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與之對應(這是人為定義的坐標信息)，如圖3所示。

用筆操作時首先確定定位筆的大體位置對應的坐標(小格的坐標)，然后再通過對小方格的細致掃描得到精確的坐標信息。

1.3 白板的定位原理

無論采用什么方法，一旦使得穿過閉合電路的磁通量產生變化，閉合電路中就會有感應電流產生，并且隨之產生的感應電動勢的大小與磁通量變化率呈現正比的關系。這是法拉第電磁感應定律的主要內容。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，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，當筆靠近或遠離閉合線圈時就會引起磁通量變化，滿足法拉第電磁感應定律。發射電磁波的筆按下列條件發射電磁波:當筆靠近線圈時發射一種電磁波，其頻率固定，這時線圈上也會相應得感應到此固定頻率的電磁波;定位筆會發出另外一種固定頻率的電磁波當筆頭和屏幕接觸并觸動開關時。線圈上感應到筆發射的電磁波在其波段范圍時就會進入相應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到的電動勢最高，在線圈中心位置感應電動勢最大，邊緣內次之，線圈外最小;根據排線規則，筆在屏幕上任何一點都會落在X方向的2個線圈組內部，18個線圈組外部;同樣，在Y方向也會落在2個線圈組內部，18個線圈組外部。所以，依據X方向和Y方向感應到的電動勢，經計算便可得出整個大電子表格中筆所在的坐標位置(X1，Y1)，即圖2中小格的位置。再確定小格中點的坐標，方法如下:

首先通過線圈信號選擇，選出a線圈和b線圈，分別對它們進行10次掃描取電壓，對所得電壓值進行模數轉換，去掉最大值、最小值后對這些模數轉換數據取平均，可以得到a線圈平均數據，記為YD，b線圈平均數據記為YU;Y方向同理，記為XL，XR。再根據式(1)和式(2)可得坐標信息

式中:W是十六進制常量。

本文在試驗中對坐標的算法稍做了改進，采用式(3)和式(4)來計算:

式中:W是一個十六進制的定數，此值是在進行了大量測試后得到的較為理想的一個定數。

由(X1，Y1)和(X2，Y2)即可得到筆在白板上的準確坐標位置(X1+X2，Y1+Y2)，即圖2小格中點的坐標。通過測試，定位誤差精度提高了0.2 mm。通過上位機軟件，應用相應的映射函數，電路中的相應處理芯片和電路將白板上獲取到的精確坐標經過通信線路映射到PC機上［7］，再結合相應的軟件及驅動程序實現鼠標、鍵盤操作的同樣功能，從而便可實現白板與計算機的交互操作。

1.4 電路設計及實現

系統采用STC12C52A60S2單片機作為主控芯片，該芯片具有寬電壓、高速、高可靠等優點，具有4路PWM，8路高速A/D轉換等功能;40路線圈模擬信號的選擇采用MC14051B芯片作為模擬開關來完成，再經過放大、濾波和整流電路，將輸出的模擬信號經微處理器A/D轉換后送至上位機作精確定位的處理。整體框架結構如圖4所示。

圖4 硬件電路結構圖

2 定位軟件設計

2.1 定位筆的操作

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，只需將該點坐標送至上位機處理即可;寫字、繪圖等操作，每一筆畫是由連續的許多點坐標構成。在圖6中，第一次掃描得到坐標A，經串口送至上位機，再循環掃描得到坐標B，也送至上位機，這樣依次循環掃描到筆的軌跡坐標A—B—C—D—E……，如圖5所示，送至上位機，經與上位機的交互協議，并運用最小二乘曲線擬合算法，便可以穩定、流暢地進行在白板上操作。

圖5 筆的坐標軌跡

2.2 準確定位程序的設計

準確定位的流程:系統對X、Y線圈組循環大掃描，先定位128×128個格中的一個小格，再細致掃描，進一步鎖定小格中一點的位置，確定坐標，這樣一直不停地循環掃描，如圖6所示。

圖6 定位程序的流程圖

3 系統調試及分析

軟件用Keil uVision3編譯通過，將程序加載到單片機，啟動電子白板定位程序，白板上出現如圖7所示的9點定位，用定位筆依次定位出現的點，直到定位完成。再結合上位機軟件，測試得到如圖8所示效果。根據國家教育行業標準《交互式電子白板》［8］規定: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果符合標準。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、無斷筆、毛刺、跳線現象，無明顯延遲現象，中心區與邊緣無明顯差異。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。

4 結語

本文介紹了電磁式電子白板的結構、工作原理，更著重詳述了電子白板的定位原理及實現，還給出了電子白板的部分硬件電路和軟件設計，該電子白板電路全部通過驗證，并在實際生產中取得了很好的效果。

電磁式電子白板系統設備簡單、配置靈活、資金投入相對較少，而且同樣具有良好的網絡通信功能，可與校園網、局域網等互連，臺上臺下可以良好融洽得互動。電子白板操作簡便，對于不熟悉計算機技術的人來說也不會遇到技術障礙。據調查，電子白板已在一大部分地區和場合得以應用，取代了過去黑板加粉筆時代，這種改變是現代科技技術在教學、會議等應用中的又一次飛躍。

［1］鄭世寶.視聽多媒體技術的新發展［J］.電視技術，2011，35(24):10.

［2］趙云.基于視頻定位的電子白板系統的設計與實現［D］.上海:東華大學，2009.

［3］袁稹，陳曉春，李建華.電子白板模塊的設計和實現［J］.計算機工程，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計和定位算法研究［J］.計算機系統應用，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［J］.浙江理工大學學報，2009，26(5):711-715.

［7］黃小輝，張興超，劉獻忠.交互式電子白板的坐標轉換算法［J］.計算機工程，2010，36(20):259-261.

［8］全國教學儀器標準化技術委員會.關于征求對教育行業標準《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.