試析激光電子白板的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳茲起 韋清娜 李秉燃 黃施

摘? ?要：電子白板本身是用以替代傳統(tǒng)黑板、粉筆的一項(xiàng)先進(jìn)教育技術(shù)，屬于一種新型的數(shù)字化教學(xué)教育工具，可轉(zhuǎn)變“三位一體”的陳舊教學(xué)方式，本文主要研究的是激光電子白板的硬件設(shè)計(jì)，并探討系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，在大數(shù)據(jù)背景下，激光電子白板替代了傳統(tǒng)的黑板，解決了粉塵問題，借助網(wǎng)絡(luò)就可實(shí)現(xiàn)信息交互、資料共享。結(jié)合文獻(xiàn)資料，激光電子白板硬件主要包括：無線定位、書寫校對、激光掃描、硬件電路、數(shù)據(jù)處理幾部分，本文主要探討這幾部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：激光電子白板? 硬件設(shè)計(jì)? 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

1? 激光電子白板系統(tǒng)的組成

激光電子白板系統(tǒng)（Laser electronic whiteboard system）主要包括：兩個激光掃描器、書寫筆與校準(zhǔn)系統(tǒng)、信號處理電路、普通白板、PC機(jī)軟件。收發(fā)器在恒定轉(zhuǎn)速下掃描目標(biāo)A，并在定位上安裝激光反射材料，在激光掃描到A后，激光會原路返回，兩個收發(fā)器接收相應(yīng)的反射激光。信號處理電路主要提取、定位激光反射的信息，并將信息傳遞給PC機(jī)，軟件將定位目標(biāo)在白板上的運(yùn)動軌跡顯示出來。PC機(jī)參照定位目標(biāo)坐標(biāo)與白板實(shí)現(xiàn)交互功能，借助書寫筆操作即可。

2? 激光電子白板的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 無線定位系統(tǒng)

選擇遠(yuǎn)場與近場結(jié)合的定位方式，白板主要是實(shí)現(xiàn)小范圍內(nèi)書寫筆筆跡的跟蹤定位，無線定位系統(tǒng)主要包含激光測距方式、激光掃描方式。

2.1.1 激光測距方式

激光測距在實(shí)際應(yīng)用中較為常見，通過測量激光光束在待檢測距離上的往返時間換算出距離，其計(jì)算式：

（1）

式中，d—待測距離;t—激光在待測距離上的往返時間;c—激光在大氣內(nèi)的傳播速度。

激光測距方式又劃分為脈沖測距、相位測距，前者精度以米為量級，使用在軍事測量及工程測量或精度要求不高的項(xiàng)目，無法應(yīng)用在小范圍的激光電子白板系統(tǒng)定位中。相位測距方式雖說可提升測距精度，但會增加系統(tǒng)難度，難以實(shí)現(xiàn)，不適用在電子白板系統(tǒng)[2]。

2.1.2 激光掃描方式

該掃描方式主要時候借助三角關(guān)系獲得，其式子：

（2）

式子中D—激光掃描器A、激光掃描器B之間的距離：α，β為待測掃描角度。基于分析能夠得知，激光掃描定位方式，通過測量出α，β的掃描角度，定位移動目標(biāo)P，以此保障測量角度的精準(zhǔn)性，確保掃描定位的精準(zhǔn)性。這類方式簡單，操作便捷，便于實(shí)現(xiàn)。

2.2 書寫校對系統(tǒng)

2.2.1 書寫筆

書寫筆不是簡單的白板筆，內(nèi)含激光自反射功能裝置，還要有顏色標(biāo)志，在筆桿上增加套環(huán)。不同的定位套環(huán)具備不同的顏色，主要包含黑色、紅色、綠色、藍(lán)色四種[3]。

2.2.2 板擦

依據(jù)書寫筆配置專門的板擦，在擦除白板面上的內(nèi)容時，還可將PC機(jī)上記錄的內(nèi)容擦掉。板擦主要分為粗板擦、細(xì)板擦。

2.2.3 校準(zhǔn)系統(tǒng)

校準(zhǔn)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)激光掃描平面、書寫板面平行校對，不僅可滿足精準(zhǔn)定位，還可提升書寫質(zhì)量，該系統(tǒng)對掃描器發(fā)出的光束有一定的距離要求，光束要與掃描平面與書寫板面平行，本系統(tǒng)主要設(shè)置4個校準(zhǔn)條，以此實(shí)現(xiàn)對掃描系統(tǒng)的校準(zhǔn)。激光電子白板上的4個角各安裝一個校準(zhǔn)條，每個校準(zhǔn)條設(shè)置“Z”型的槽。激光束接近90°，則掃描校準(zhǔn)條，槽會反射一部分的信息，配合掃描器開展工作。

2.3 激光掃描系統(tǒng)

激光掃描系統(tǒng)主要包含：激光器、聚光透鏡、分光鏡、聚光透鏡、光電接收器、多邊形旋轉(zhuǎn)平面反射鏡。該系統(tǒng)又分為激光掃描發(fā)射系統(tǒng)、激光掃描接收系統(tǒng)。

2.3.1 激光掃描發(fā)射系統(tǒng)

激光掃描發(fā)射系統(tǒng)由激光器、聚光透鏡、分光鏡、旋轉(zhuǎn)平面鏡組成。激光器先發(fā)出激光束，經(jīng)過聚光透鏡實(shí)現(xiàn)激光聚焦，借助分光鏡分光之后，激光光束在平面鏡上旋轉(zhuǎn)，掃描平面以此定位目標(biāo)。

2.3.2 激光掃描接收系統(tǒng)

接收系統(tǒng)與發(fā)射系統(tǒng)會共用一個旋轉(zhuǎn)平面鏡，發(fā)射出的掃描激光經(jīng)過旋轉(zhuǎn)平面鏡的反射，能夠?qū)崿F(xiàn)對目標(biāo)的定位與掃描。在遇到定位目標(biāo)后，激光（掃描激光）回原路返回，反射回來的激光光束在旋轉(zhuǎn)平面鏡上反射，由分光鏡分光，聚焦鏡聚焦，光電器接收，并將激光信號轉(zhuǎn)換為電信號。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)階段，綜合考慮激光的傳播速度，短距離的激光傳播可忽略，可將入射點(diǎn)（發(fā)射掃描激光對旋轉(zhuǎn)平面的入射）、反射點(diǎn)（激光光束對旋轉(zhuǎn)平面的入射點(diǎn)）視作同一點(diǎn)[4]。在該系統(tǒng)中，分光鏡擔(dān)任著平面鏡的作用，聚焦鏡則是將各個方向反射回來的激光聚焦在光電接收器上。

2.4 硬件電路系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要包含：（1）激光發(fā)射電路，可實(shí)現(xiàn)激光器驅(qū)動、控制激光器發(fā)射功率，避免發(fā)射功率影響人的健康;（2）光接收電路，接收反射回來的激光，激光信號由光電傳感器轉(zhuǎn)換成電信號，接收電路放大器將模擬信號的倍數(shù)放大，實(shí)現(xiàn)對增益的自動控制;（3）邏輯控制電路，由主系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對該電路的控制（多為邏輯控制），設(shè)計(jì)專門的邏輯控制電路，彌補(bǔ)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)控制能力弱的缺陷;（4）數(shù)字信號處理器外圍電路，采集各類數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理，為滿足數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，需要在外圍設(shè)計(jì)電路，實(shí)現(xiàn)對程序、數(shù)據(jù)儲存、空間的管理;（5）接口電路，主要是滿足系統(tǒng)與PC機(jī)的連接需求;（6）電源電路，系統(tǒng)內(nèi)不同器件需要的電源及電壓各不相同，為更好的滿足器件對電源的需求，需要設(shè)計(jì)滿足系統(tǒng)運(yùn)行的電源電路。

2.5 系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)

整個系統(tǒng)選擇的是TMS320VC5402中央處理芯片，該芯片的控制能力較弱，難以滿足系統(tǒng)的控制需求。本文設(shè)計(jì)，選擇的是CPLD+TMS320VC5402中央處理芯片結(jié)合的方式，以此實(shí)現(xiàn)對整個系統(tǒng)的邏輯控制。CPLD選用的是美國某公司的可編程邏輯器件，其型號為EPM7128SLC84-15，該器件有84個引腳，68個I/O，供電電壓設(shè)置為5.0V，可更好的滿足系統(tǒng)的控制要求。該器件芯片驅(qū)動電源均為獨(dú)立電源，可依據(jù)應(yīng)用范圍設(shè)置不同的供電方式。比如：若EPM7128SLC84-15與5V環(huán)境下的器件相互連接，則將驅(qū)動電源與5V電源兼容。若與3.50V環(huán)境下的器件相互連接，則將驅(qū)動電源與3.50V電源兼容。

2.6 數(shù)字信號處理

在整個系統(tǒng)中數(shù)字信號處理屬于核心器件，本系統(tǒng)中轉(zhuǎn)換器與系統(tǒng)并行，采樣率設(shè)置為10.0MHz，儲存數(shù)據(jù)量較大，為更好的滿足儲存需求，則將系統(tǒng)擴(kuò)展成64K的儲存器（SRAM型號）。本設(shè)計(jì)中系統(tǒng)擴(kuò)展為32K×8bit Flash儲存器，能夠引導(dǎo)程序獲取所需數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)輸入電源為220V，為交流電源。硬件電路內(nèi)各個器件的電源、電壓均不相同，要參照其類型、工作需求，設(shè)計(jì)對應(yīng)的電源電路。本系統(tǒng)提供的電源電壓包括：+12.0V、-12.0V、+5.0V、+3.3V。

3? 結(jié)語

綜上所述，本文通過研究激光電子白板的定位方式，以此完成硬件電路的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)技術(shù)與功能。借助數(shù)據(jù)信號處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)定位算法，進(jìn)而完成電子白板的基本書寫功能，可有效彌補(bǔ)目前國內(nèi)電子白板的研究空缺。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳建.激光電子白板（Laser electronic whiteboard system）的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].吉林大學(xué)，2014.

[2] 林效峰.基于超聲波的交互式電子白板電路設(shè)計(jì)[D].華中師范大學(xué)，2014.

[3] 諶小躒.基于線陣CCD的交互式電子白板設(shè)計(jì)[D].西安電子科技大學(xué)，2014.

[4] 聶良濤.面向?qū)嶓w選線設(shè)計(jì)的激光電子白板的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西南交通大學(xué)，2016.