試析激光電子白板的硬件設計與實現

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黑板、粉筆的一項先進教育技術，屬于一種新型的數字化教學教育工具，可轉變“三位一體”的陳舊教學方式，本文主要研究的是激光電子白板的硬件設計，并探討系統的實現，在大數據背景下，激光電子白板替代了傳統的黑板，解決了粉塵問題，借助網絡就可實現信息交互、資料共享。結合文獻資料，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、數據處理幾部分，本文主要探討這幾部分的設計與實現。

關鍵詞：激光電子白板? 硬件設計? 系統實現

1? 激光電子白板系統的組成

激光電子白板系統（Laser electronic whiteboard system）主要包括：兩個激光掃描器、書寫筆與校準系統、信號處理電路、普通白板、PC機軟件。收發器在恒定轉速下掃描目標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，兩個收發器接收相應的反射激光。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，軟件將定位目標在白板上的運動軌跡顯示出來。PC機參照定位目標坐標與白板實現交互功能，借助書寫筆操作即可。

2? 激光電子白板的硬件設計與實現

2.1 無線定位系統

選擇遠場與近場結合的定位方式，白板主要是實現小范圍內書寫筆筆跡的跟蹤定位，無線定位系統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

激光測距在實際應用中較為常見，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目，無法應用在小范圍的激光電子白板系統定位中。相位測距方式雖說可提升測距精度，但會增加系統難度，難以實現，不適用在電子白板系統[2]。

2.1.2 激光掃描方式

該掃描方式主要時候借助三角關系獲得，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P，以此保障測量角度的精準性，確保掃描定位的精準性。這類方式簡單，操作便捷，便于實現。

2.2 書寫校對系統

2.2.1 書寫筆

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

2.2.2 板擦

依據書寫筆配置專門的板擦，在擦除白板面上的內容時，還可將PC機上記錄的內容擦掉。板擦主要分為粗板擦、細板擦。

2.2.3 校準系統

校準系統能夠實現激光掃描平面、書寫板面平行校對，不僅可滿足精準定位，還可提升書寫質量，該系統對掃描器發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，本系統主要設置4個校準條，以此實現對掃描系統的校準。激光電子白板上的4個角各安裝一個校準條，每個校準條設置“Z”型的槽。激光束接近90°，則掃描校準條，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

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

2.3.1 激光掃描發射系統

激光掃描發射系統由激光器、聚光透鏡、分光鏡、旋轉平面鏡組成。激光器先發出激光束，經過聚光透鏡實現激光聚焦，借助分光鏡分光之后，激光光束在平面鏡上旋轉，掃描平面以此定位目標。

2.3.2 激光掃描接收系統

接收系統與發射系統會共用一個旋轉平面鏡，發射出的掃描激光經過旋轉平面鏡的反射，能夠實現對目標的定位與掃描。在遇到定位目標后，激光（掃描激光）回原路返回，反射回來的激光光束在旋轉平面鏡上反射，由分光鏡分光，聚焦鏡聚焦，光電器接收，并將激光信號轉換為電信號。本系統在設計階段，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（發射掃描激光對旋轉平面的入射）、反射點（激光光束對旋轉平面的入射點）視作同一點[4]。在該系統中，分光鏡擔任著平面鏡的作用，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

該系統主要包含：（1）激光發射電路，可實現激光器驅動、控制激光器發射功率，避免發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換成電信號，接收電路放大器將模擬信號的倍數放大，實現對增益的自動控制;（3）邏輯控制電路，由主系統實現對該電路的控制（多為邏輯控制），設計專門的邏輯控制電路，彌補數據處理系統控制能力弱的缺陷;（4）數字信號處理器外圍電路，采集各類數據，并進行處理，為滿足數據處理系統的穩定運行，需要在外圍設計電路，實現對程序、數據儲存、空間的管理;（5）接口電路，主要是滿足系統與PC機的連接需求;（6）電源電路，系統內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，需要設計滿足系統運行的電源電路。

2.5 系統控制設計

整個系統選擇的是TMS320VC5402中央處理芯片，該芯片的控制能力較弱，難以滿足系統的控制需求。本文設計，選擇的是CPLD+TMS320VC5402中央處理芯片結合的方式，以此實現對整個系統的邏輯控制。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，供電電壓設置為5.0V，可更好的滿足系統的控制要求。該器件芯片驅動電源均為獨立電源，可依據應用范圍設置不同的供電方式。比如：若EPM7128SLC84-15與5V環境下的器件相互連接，則將驅動電源與5V電源兼容。若與3.50V環境下的器件相互連接，則將驅動電源與3.50V電源兼容。

2.6 數字信號處理

在整個系統中數字信號處理屬于核心器件，本系統中轉換器與系統并行，采樣率設置為10.0MHz，儲存數據量較大，為更好的滿足儲存需求，則將系統擴展成64K的儲存器（SRAM型號）。本設計中系統擴展為32K×8bit Flash儲存器，能夠引導程序獲取所需數據。

本系統輸入電源為220V，為交流電源。硬件電路內各個器件的電源、電壓均不相同，要參照其類型、工作需求，設計對應的電源電路。本系統提供的電源電壓包括：+12.0V、-12.0V、+5.0V、+3.3V。

3? 結語

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計，實現各項技術與功能。借助數據信號處理系統，實現定位算法，進而完成電子白板的基本書寫功能，可有效彌補目前國內電子白板的研究空缺。

參考文獻

[1] 陳建.激光電子白板（Laser electronic whiteboard system）的硬件設計與實現[D].吉林大學，2014.

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

[3] 諶小躒.基于線陣CCD的交互式電子白板設計[D].西安電子科技大學，2014.

[4] 聶良濤.面向實體選線設計的激光電子白板的硬件設計與實現[D].西南交通大學，2016.