试析激光电子白板的硬件设计与实现
来源:用户上传
作者:吴兹起 韦清娜 李秉燃 黄施
摘 要：电子白板本身是用以替代传统黑板、粉笔的一项先进教育技术，属于一种新型的数字化教学教育工具，可转变“三位一体”的陈旧教学方式，本文主要研究的是激光电子白板的硬件设计，并探讨系统的实现，在大数据背景下，激光电子白板替代了传统的黑板，解决了粉尘问题，借助网络就可实现信息交互、资料共享。结合文献资料，激光电子白板硬件主要包括：无线定位、书写校对、激光扫描、硬件电路、数据处理几部分，本文主要探讨这几部分的设计与实现。
关键词：激光电子白板 硬件设计 系统实现
1 激光电子白板系统的组成
激光电子白板系统（Laser electronic whiteboard system）主要包括：兩个激光扫描器、书写笔与校准系统、信号处理电路、普通白板、PC机软件。收发器在恒定转速下扫描目标A，并在定位上安装激光反射材料，在激光扫描到A后，激光会原路返回，两个收发器接收相应的反射激光。信号处理电路主要提取、定位激光反射的信息，并将信息传递给PC机，软件将定位目标在白板上的运动轨迹显示出来。PC机参照定位目标坐标与白板实现交互功能，借助书写笔操作即可。
2 激光电子白板的硬件设计与实现
2.1 无线定位系统
选择远场与近场结合的定位方式，白板主要是实现小范围内书写笔笔迹的跟踪定位，无线定位系统主要包含激光测距方式、激光扫描方式。
2.1.1 激光测距方式
激光测距在实际应用中较为常见，通过测量激光光束在待检测距离上的往返时间换算出距离，其计算式：
（1）
式中，d—待测距离;t—激光在待测距离上的往返时间;c—激光在大气内的传播速度。
激光测距方式又划分为脉冲测距、相位测距，前者精度以米为量级，使用在军事测量及工程测量或精度要求不高的项目，无法应用在小范围的激光电子白板系统定位中。相位测距方式虽说可提升测距精度，但会增加系统难度，难以实现，不适用在电子白板系统[2]。
2.1.2 激光扫描方式
该扫描方式主要时候借助三角关系获得，其式子：
（2）
式子中D—激光扫描器A、激光扫描器B之间的距离：α，β为待测扫描角度。基于分析能够得知，激光扫描定位方式，通过测量出α，β的扫描角度，定位移动目标P，以此保障测量角度的精准性，确保扫描定位的精准性。这类方式简单，操作便捷，便于实现。
2.2 书写校对系统
2.2.1 书写笔
书写笔不是简单的白板笔，内含激光自反射功能装置，还要有颜色标志，在笔杆上增加套环。不同的定位套环具备不同的颜色，主要包含黑色、红色、绿色、蓝色四种[3]。
2.2.2 板擦
依据书写笔配置专门的板擦，在擦除白板面上的内容时，还可将PC机上记录的内容擦掉。板擦主要分为粗板擦、细板擦。
2.2.3 校准系统
校准系统能够实现激光扫描平面、书写板面平行校对，不仅可满足精准定位，还可提升书写质量，该系统对扫描器发出的光束有一定的距离要求，光束要与扫描平面与书写板面平行，本系统主要设置4个校准条，以此实现对扫描系统的校准。激光电子白板上的4个角各安装一个校准条，每个校准条设置“Z”型的槽。激光束接近90°，则扫描校准条，槽会反射一部分的信息，配合扫描器开展工作。
2.3 激光扫描系统
激光扫描系统主要包含：激光器、聚光透镜、分光镜、聚光透镜、光电接收器、多边形旋转平面反射镜。该系统又分为激光扫描发射系统、激光扫描接收系统。
2.3.1 激光扫描发射系统
激光扫描发射系统由激光器、聚光透镜、分光镜、旋转平面镜组成。激光器先发出激光束，经过聚光透镜实现激光聚焦，借助分光镜分光之后，激光光束在平面镜上旋转，扫描平面以此定位目标。
2.3.2 激光扫描接收系统
接收系统与发射系统会共用一个旋转平面镜，发射出的扫描激光经过旋转平面镜的反射，能够实现对目标的定位与扫描。在遇到定位目标后，激光（扫描激光）回原路返回，反射回来的激光光束在旋转平面镜上反射，由分光镜分光，聚焦镜聚焦，光电器接收，并将激光信号转换为电信号。本系统在设计阶段，综合考虑激光的传播速度，短距离的激光传播可忽略，可将入射点（发射扫描激光对旋转平面的入射）、反射点（激光光束对旋转平面的入射点）视作同一点[4]。在该系统中，分光镜担任着平面镜的作用，聚焦镜则是将各个方向反射回来的激光聚焦在光电接收器上。
2.4 硬件电路系统
该系统主要包含：（1）激光发射电路，可实现激光器驱动、控制激光器发射功率，避免发射功率影响人的健康;（2）光接收电路，接收反射回来的激光，激光信号由光电传感器转换成电信号，接收电路放大器将模拟信号的倍数放大，实现对增益的自动控制;（3）逻辑控制电路，由主系统实现对该电路的控制（多为逻辑控制），设计专门的逻辑控制电路，弥补数据处理系统控制能力弱的缺陷;（4）数字信号处理器外围电路，采集各类数据，并进行处理，为满足数据处理系统的稳定运行，需要在外围设计电路，实现对程序、数据储存、空间的管理;（5）接口电路，主要是满足系统与PC机的连接需求;（6）电源电路，系统内不同器件需要的电源及电压各不相同，为更好的满足器件对电源的需求，需要设计满足系统运行的电源电路。
2.5 系统控制设计
整个系统选择的是TMS320VC5402中央处理芯片，该芯片的控制能力较弱，难以满足系统的控制需求。本文设计，选择的是CPLD+TMS320VC5402中央处理芯片结合的方式，以此实现对整个系统的逻辑控制。CPLD选用的是美国某公司的可编程逻辑器件，其型号为EPM7128SLC84-15，该器件有84个引脚，68个I/O，供电电压设置为5.0V，可更好的满足系统的控制要求。该器件芯片驱动电源均为独立电源，可依据应用范围设置不同的供电方式。比如：若EPM7128SLC84-15与5V环境下的器件相互连接，则将驱动电源与5V电源兼容。若与3.50V环境下的器件相互连接，则将驱动电源与3.50V电源兼容。
2.6 数字信号处理
在整个系统中数字信号处理属于核心器件，本系统中转换器与系统并行，采样率设置为10.0MHz，储存数据量较大，为更好的满足储存需求，则将系统扩展成64K的储存器（SRAM型号）。本设计中系统扩展为32K×8bit Flash储存器，能够引导程序获取所需数据。
本系统输入电源为220V，为交流电源。硬件电路内各个器件的电源、电压均不相同，要参照其类型、工作需求，设计对应的电源电路。本系统提供的电源电压包括：+12.0V、-12.0V、+5.0V、+3.3V。
3 结语
综上所述，本文通过研究激光电子白板的定位方式，以此完成硬件电路的设计，实现各项技术与功能。借助数据信号处理系统，实现定位算法，进而完成电子白板的基本书写功能，可有效弥补目前国内电子白板的研究空缺。
参考文献
[1] 陈建.激光电子白板（Laser electronic whiteboard system）的硬件设计与实现[D].吉林大学，2014.
[2] 林效峰.基于超声波的交互式电子白板电路设计[D].华中师范大学，2014.
[3] 谌小跞.基于线阵CCD的交互式电子白板设计[D].西安电子科技大学，2014.
[4] 聂良涛.面向实体选线设计的激光电子白板的硬件设计与实现[D].西南交通大学，2016.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-15190477.htm
