一种光电式电子白板的技术解析

0 引言

交互式电子白板的应用领域越来越广泛，目前出现的交互式电子白板根据工作原理的不同，大体可以分为六种类型：电阻式电子白板、电容式电子白板、红外式电子白板、超声波式电子白板、CCD光扫描式电子白板和电磁感应式电子白板。本文给出了一种未来发展前景较好的光电式电子白板的技术解析。

1 不同类型电子白板的工作原理[1]

1.1 电阻式电子白板

电阻式电子白板结构由水平和垂直方向的电阻膜、导电膜组成。在电阻膜上施加固定电压，这时如果没有外力作用，导电膜层与电阻膜层不会接触，如果用手指或其他硬物点击或者轻压电阻膜层时，白板中的相关控制电路就会测到导电膜层流过的电流。从水平和垂直两个方向检测到的电压值经A/D转换后，可得到接触点在白板的具体位置。

1.2 电容式电子白板

电容式电子白板背面四角设有四个电极，导电体内就有一个比较低的电压交流电场产生，加之人体本身就是一个电场，导电层与人手指间便会有一个藕合电容产生，四个电极产生的电流从四角沿着层面汇聚到触摸点，触摸点到各角电极的距离与电流强度大小成正比。板面背后的控制电路依据一定的算法得出电流强度的数字值，从而确定出触摸点所在位置。

1.3 红外式电子白板

在白板的垂直方向密集布置发射红外线的电子管，另一边密集布置接受红外线的电子管。白板水平方向上接受和发射红外线的电子管布置也是如此。一旦板面上有物体放置，水平方向的某条红外线就会被档住，垂直方向也是如此。根据水平和垂直两个方向便可以确定出点击处所在的坐标，实现了定位。

1.4 超声波式电子白板

利用超声波的传输速度较慢的特性，根据超声波发射到接收时间计算出发射点到接收点的距离。在屏幕的一边放置接收器，接受器内置两个按固定距离分布的超声接收装置。用于定位和书写的信号笔是一个超声波发射器，当信号笔点按白板的板面时，所发射的超声波沿屏幕表面被接收器检测到，根据两个超声接收装置收到超声波的时间的不同，可以换算出笔与两个接收器的距离。

1.5 CCD光扫描式电子白板

CCD是一种半导体器件，这种半导体能够把光学影像转化为数字信号。一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。在白板显示区域的一边装有两个CCD探测器和一个红外线发射器。在白板其余3侧装有膜，这种膜能反射光线，如果没有任何物体遮挡时，CCD能检测到完整光线带，但是如果光线的路径彼物体遮挡住时，CCD便会检测到无反光的区域出现在光带中。CCD将各自检测到的被挡住的区域显示在整个CCD阵列的相应地方，根据对应的区域可算出物体所在位置。

1.6 电磁感应式电子白板

用于定位和书写的电子笔是一个电磁波发射器，当用电子笔点按白板的板面时，电子笔笔头受到压力接通电路会发出电磁波，电磁波被白板表面X，Y方向的感应层接收到，离笔近的线圈组感应到的电动势高，根据水平方向和垂直方向感应到的电动势，通过计算可以获得电子笔所在的X、Y坐标位置，进而可获取到电子笔在白板平面上点按的实际坐标值。

1.7 不同类型电子白板性能对比

如表1所示：

表1 白板性能对比

2 光电式电子白板技术分析

2.1 工作原理

利用红外专用滤光镜只能透射红外光，截止可见光谱的特性，用于定位和书写的光电笔是一个红外线发射器，当用光电笔点按屏幕时，光电笔笔头受到压力接通电路会发出红外线，红外线反射到滤光镜的 CMOS感光芯片（高速高分辨率的图象传感器），通过换算可以计算出红外信号来源即光电笔所发出的红外信号光点在屏幕上的X和Y坐标位置，进而可获取到光电笔在屏幕上所指示的实际坐标值。如图1所示：

图1 光电式电子白板结构

2.2 光电笔的设计[2]

以单片机作为核心处理器，主要负责判断两个按键的键入、单双击信号传输、激光器的光频率调制以及控制书写信号的激光器的发光问题。当使用者按下激光笔上的书写信号按键时，光笔发射波长为X2的红外线，由装有红外滤光片的CMOS图像传感器采集后进行处理。当按下激光笔的单、双击信号按键时，经过单片机检测后，发出波长为XI的红光，然后由放在图像传感器附近的不同的鉴频器阵列接收后传给主控板中的单片机检测是单击还是双击信号。如图2所示：

图2 光电笔设计框图

2.3 图像处理系统的硬件设计[3-11]

如图3所示：

图3 图像处理系统总体框图

交互式光电白板的图像处理系统部分的总体框图。该图像信号处理板共包括五部分：图像釆集、FPGA数据处理、数据传输、图像显示和电源。

图像采集部分负责采集光斑在白板上的成像，因为书写光斑是940nm的红外激光器，因此在CMOS图像传感器前端需要加上 940nm红外滤光片，这样可以有效地滤除大部分杂散光的干扰。

FPGA数据处理部分是这块系统板的核心部分，它负责CMOS图像传感器和无线发送芯片的初始化，并对采集到的图像数据进行计算，把光斑的坐标数据计算出来后，再把检测到的单双击信号数据和光斑坐标数据合成一帧数据通过无线的方式传到上位机。

数据传输部分是采用 Nordic公司生产的无线传输芯片nRF24L01把信号处理部分传送过来的数据帧发送出去。接收端则是采用同系列的芯片nRF24LUl接收无线数据，其自带USB协议和接口，所以可以直接通过USB的方式把数据流送入上位机进行后续处理。

图像显示部分是用于调试系统的时候测试图像采集的效果。

电源部分分别为CMOS图像传感器、FPGA、显示芯片和无线发送芯片提供合适的电源。

2.3.1 图像采集部分的设计

CMOS图像传感器以Omni Vision公司的OV7110为例，这是一款单片的单色图像传感器，内部集成了640 x 480的图像阵列，可以处理60Hz的隔行扫描或者30Hz的逐行扫描。所有的相机功能，例如曝光、增益、白平衡、彩色矩阵以及加窗等都是通过I2C接口进行编程设置的。

2.3.2 FPGA处理部分的设计

FPGA芯片要完成的工作主要包括对 CMOS图像传感器的初始化、控制 CMOS图像传感器、读取图像数据并计算图像坐标、控制鉴频器判断单双击信号以及控制无线发送芯片进行数据传输。FPGA还要做到使系统的各部分实现协调与统一，建立一个稳定的工作状态。这就需要FPGA控制芯片满足下面几方面的条件：接口要达到外部接口所需要的传输速度；管脚的电压要求要兼容各个器件；适合时序逻辑设计并且能够进行数据缓存。

2.3.3 数据传输系统的设计

数据传输是指把经过 FPGA处理的坐标信息和单双击信息组成的数据帧发送到计算机进行处理，本系统使用的数据传输方式是无线传输方式，这种传输方式可以有效避免长距离绕线的麻烦。这部分的设计电路主要包括三大部分，分别是无线发送部分、无线接收部分和信号调整部分。

数据发送端电路的硬件设计：本系统中采用的无线发送电路的核心芯片是由 Nordic公司所研发生产的 nRF24L01芯片。这款芯片是一种新型的单片无线射频收发器件，它的工作频段范围是 2.4～2.5GHz 世界通用 ISM (Industrial Scientific Medical)频段。它可以通过SPI接口对输出功率、频道选择和协议进行设置，SPI接口数据速率高达8Mbps，而空中数据传输率也能达到2Mbps，具有125个可选工作频道，能够与nRF24XX系列完全兼容。

数据接收电路的硬件设计： nRF24LUl也是Nordic公司推出的一款性能很高的射频收发器，它的空中传输速率能够达到2Mbit/s，可实现无线数据到USB数据形式的转换功能，这样就提供了一种给上位机进行数据交换的通信方式。nRF24LUl含1个增强型8051MCU内核，它兼容英特尔51单片机的指令集，因为指令周期时间减少，所以运算能力是传统的8051单片机的12倍；2Kbytes片上RAM存储器和16Kbytes片上FLASH存储器，能够满足基本的应用要求；6个可编程的数字输入/输出引脚可以配置为 GPIO、SPI Master、SPI Slave、外部中断、定时器输入、全双工串行端口以及调试接口；高性能 2.4GHz无线收发模块，能够与nRF24LXX完全兼容；128位密钥长度的加密/解密硬件模块，能够完全保证系统的安全性；符合全速IJSB2.0标准的器件控制器，支持高达12Mbit/s的数据传输速率；对于电源管理功能，低功耗设计完全支持停止、待机、暂停模式；芯片的锁相环和振荡器能够获得全速的USB操作，并减少了外围电路所需要的器件；片上集成了掉电探测器和上电复位发生器，让系统有了更好的保护；片上对硬件调试器的支持，能够使用Keil开发工具进行开发。

信号调整电路的硬件设计：由于只采用单独的 nRF芯片，所以为了增加无线视频传输的距离，需要在系统中加入功率放大器(PA)。除了需要考虑增加数据通信距离的问题，还需要考虑增加输入端的接收灵敏度问题，因此选用合适的低噪声放大器 (LNA)和滤波器也是加强本系统性能的重要措施。本设计中选用 Maxim公司的 MAX2240芯片和MAX2644芯片，以及Hittite公司生产的微波开关HMC545作为收发切换。MAX2240芯片是专为2.4GHz～2.5GHz频段的应用设计的非线性 RF功率放大器，符合 Bluetooth、HomeRF、802.11标准以及其它FSK调制系统的要求。此芯片的输出功率可以高达+20dBrn、四级由两位数字功率控制的输出以及50Ω集成输入匹配。

2.3.4 图像显示部分的设计

由于整个图像处理流程中，无法看到图像的采集效果，无法估计算法的好坏，因此加入了图像显示部分，方便在调试过程中对坐标的算法进行验证，而且也能简单的在成品过程中排除错误以及起到图像的回放作用。

本系统中采用Philips公司的SAA7121H视频D/A转换芯片，能够完成视频编码的功能，将数字视频信息转换成场频为50Hz的全电视模拟信号，支持PAL制式和NTSC视频制式，其像素频率为13.5MHz。SAA7121H的连接电路如图4所示：

图4 SAA7121H连接电路图

2.3.5 电源部分设计

由于系统输入电压为5V，但各个芯片的供电不尽一样，其中CMOS图像传感器OV7110釆用5V电源供电， FPGA芯片EP2C5T144C8内核电压为1.2V，I/O电压为3.3V，数据发送芯片nRF24L01和图像显示芯片SAA7121H都采用3.3V进行供电，因此选用了电压转换芯片 LM1085和LM1117-L2V提供各种电源。

2.4 光电笔软件设计[12]

当用于书写的按键被按下时，940nm的半导体激光器持续发光，直至该按键弹起。当用于单双击的按键被按下一次时，微控制器判断结果为单击，把38KHZ的脉冲载波信号加到 650nm的半导体激光器上，让激光器发送单击信号；当单双击的按键连续按下两次时，微控制器判断结果为双击，把56KHZ的脉冲载波信号加到650nm的半导体激光器上，让激光器发送双击信号；当单双击的按键按下的次数大于两次或者是持续按下时，微控制器判断结果为电子教鞭功能，让 650nm的半导体激光器持续发光，实现指示效果。其中调制波的频率38KHZ和56KHZ是通过定时器产生的PWM波。光电笔系统的总体软件流程图如图5所示：

图5 光电笔软件流程图

2.5 图像处理算法[13-15]

因为光斑的外形比较圆滑，而且图像比较充实，所以使用中值法计算得到的结果能比较接近实际。中值法是计算图像“中心”的比较常用的算法。该算法通过冒泡法的方法记录图像有效像素最左边的值 Xmin、最右边的值 Xmax、最上边的值 Ymin、最下边的值 Ymax。通过下列公式可以求得图像“中心”坐标。

中值算法对于图像边沿复杂和“空心”的图像计算出来的坐标值有些偏差，但该算法运算简单，精确度相对较高。中值算法流程图如图6所示：

图6 中值算法流程图

2.6 白板操作系统

交互式光电白板的图像处理系统完成坐标计算后，把数据发送给上位机，上位机除了接收数据，还需要对windows系统进行操作，如投影仪的控制、鼠标操作等。本研究主要针对白板系统中的硬件设计部分做了详细的研究设计，白板操作系统还需要更长时间的开发过程。

3 总结

对比目前市场上的主要交互式白板产品，光电式白板的光电笔输入灵敏度高，可支持面积较大的白板。但当有干扰光时，提取光笔光斑的精度还有待提高；CMOS图像传感器高清处理的问题、无线传输技术的信号衰减问题等还有待研究。软件方面，随着硬件系统的进一步完善，无线传输图像软件系统将进一步被替代；完善白板操作系统的功能将是未来的努力方向。随着光电式白板的不断改进，它的优势将进一步显现。