CN102331897A - 一种电磁感应式多人同步书写电子白板系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电磁感应式多人同步书写电子白板系统，它包括：依次连接的可检测出内置导电金属线阵列唯一组合区域的板体、多路选择开关电路、信号滤波分离电路，与信号滤波分离电路连接的至少两个信号放大电路，与信号放大电路连接的多路模拟开关，所述多路模拟开关分别连接到信号频率检测电路、峰值保持采样电路，所述信号频率检测电路、峰值保持采样电路均连接到单片机，所述单片机连接到无线通讯模块或者USB通信模块的至少一种。本发明生产成本低、生产制造简便、书写精度高、书写识别精度高、反应速度快、支持多人同步书写等特点。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种电子白板系统，特别是涉及一种多人同步书写的电子白板系统。
【背景技术】
传统教学与培训用的白板一般使用水写笔直接在板体上进行书写，对于课堂笔记与会议记录的存档是很不利的，很难保证信息的完整性与准确性，交互式电子白板由此产生，用于解决信息的完整准确存储。
交互式电子白板主要有压感式、红外式、红外超声波式、传统电磁式技术，压感式电子白板由于采用两层电阻膜结构，膜面极其柔软，易损坏造成整个板体无法正常使用；红外式电子白板采用密集的红外对管结构，结构复杂、成本高，而且红外管寿命短的特点，导致整个白板寿命也缩短；红外超声波式电子白板对环境噪声的抗干扰能力差，书写精度低。
传统电磁式电子白板抗干扰能力强、使用寿命长，但书写精度低、反应速度慢、无法支持多人同步书写等特点，所以不能完全取代采用其他技术的电子白板。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题，在于提供一种电磁感应式多人同步书写电子白板系统，它能够实现支持多人同步书写的功能。
本发明是这样实现的：一种电磁感应式多人同步书写电子白板系统，它包括：依次连接的可检测出内置导电金属线阵列唯一组合区域的板体、多路选择开关电路、信号滤波分离电路，与信号滤波分离电路连接的至少两个信号放大电路，与信号放大电路连接的多路模拟开关，所述多路模拟开关分别连接到信号频率检测电路、峰值保持采样电路，所述信号频率检测电路、峰值保持采样电路均连接到单片机，所述单片机连接到无线通讯模块或者USB通信模块的至少一种。
进一步的，所述板体内设置有导电金属线阵列，所述导电金属线阵列的X轴方向与Y轴方向均设置有复数组闭合的带绝缘层的导电金属线，每一组导电金属线由一根导电金属线多次迂回绕线形成，每一组导电金属线对应一个ID，使得电子笔任意检测区域内导电金属线的ID排列组合不重复。
进一步的，所述单片机设置有与导电金属线阵列相对应的数组。
进一步的，所述导电金属线为铜线，相邻两组导电金属线的间距相等。
本发明具体包括如下步骤：
本发明具有如下优点：拥有生产成本低、生产制造简便、书写精度高、书写识别精度高、反应速度快、支持多人同步书写等特点。
【附图说明】
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
图1是本发明电磁感应式多人同步书写电子白板系统的模块框图。
图2是图1中的板体内导电金属线阵列一实施例的走线示意图。
图3是图1中的多路选择开关电路。
图4a是图1中的信号滤波分离电路。
图4b是信号经过LCπ型滤波后的波特图。
图5是图1中的放大电路与多路模拟开关电路。
图6是图1中的信号频率检测电路。
图7是图1中的峰值保持采样电路。
图8是图1中的单片机电路。
图9是图1中的USB通信模块电路。
【具体实施方式】
本发明一种电磁感应式多人同步书写电子白板系统，它包括：依次连接的可检测出内置导电金属线阵列唯一组合区域的板体、多路选择开关电路、信号滤波分离电路，与信号滤波分离电路连接的至少两个信号放大电路，与信号放大电路连接的多路模拟开关，所述多路模拟开关分别连接到信号频率检测电路、峰值保持采样电路，所述信号频率检测电路、峰值保持采样电路均连接到单片机，所述单片机连接到无线通讯模块或者USB通信模块的至少一种。
本发明使用的电磁笔内置有正弦波发生电路，通过电磁笔头的线圈能发射固定振幅不同频率的电磁波信号，在白板板面上多人同步书写时，白板板体可以接收到不同书写频率的电磁波信号。
本发明的板体内置导电金属线阵列。所述板体内设置有导电金属线阵列，所述导电金属线阵列的X轴方向与Y轴方向均设置有复数组闭合的带绝缘层的导电金属线，每一组导电金属线由一根导电金属线多次迂回绕线形成，每一组导电金属线对应一个ID，使得电子笔任意检测区域内导电金属线的ID排列组合不重复。所述X轴方向与Y轴方向的导电金属线的绕线方式相同。导电金属线的绕线方式：以任一轴为例，每一组导电金属线均对应设置有一组数字，以相邻的至少2个数字为一个排列组合，根据电子笔的检测区域确定一个排列组合的数量，所述数字按照任意排列组合不重复的方式排列于板体的一侧，相邻两个数字的间距相等。所述导电金属线按照对应的数字进行走线，即，步骤一：所述每一组导电金属线从第一个相对应数字的位置处移动到达板体的对侧，然后移动到达间隔所述排列组合数量少一根的导电金属线的位置再走线回到起始的一侧；步骤二：接着该导电金属线移动到达下一个该数字的位置，再移动到达板体的对侧，然后移动到达间隔所述排列组合数量少一根的导电金属线的位置再走线回到起始的一侧；重复上述两个步骤直至该导电金属线接近板体的边缘为走线结束；每组导电金属线走线结束后全部连接到一根线上连接到接地端，完成闭合绕线。
所述导电金属线可以采用铜线，则电磁笔发出的电磁波信号使闭合铜网阵列回路的磁通量发生变化，在铜网就产生了感生电流，感生电流通过白板板体上的接口座连接到信号采集处理控制卡。信号采集处理控制卡把内置铜网阵列网络的电子白板板体接收到的电磁笔发出的电磁波信号接收，转换成感生电流到控制卡的信号采集模块，信号采集处理控制卡的信号滤波分离电路对信号进行分离处理，把不同频率范围的信号进行分离，分离后的信号经过各自的信号放大电路进行信号的多级的放大，放大后的信号进入多路模拟开关，多路模拟开关选择某种频率的信号进行最后阶段的信号处理，信号处理包括通过信号频率检测电路进行频率检测，以及通过峰值保持采样电路进行波形的峰值采样保持，信号采集处理控制卡上的单片机完成电磁笔发频率计算与及得到波形的峰值的电压，并通过频率与及波形的峰值计算得到电磁笔在白板上的绝对位置坐标最终通过无线模块或USB通讯以无线、有线的方式把信号采集处理控制卡得到电磁笔在白板上的绝对位置坐标发送到电脑。本实施例所述导电金属线为铜线。
本实施例以两个人能同步书写的电子白板系统为例子。
参见图1，是该电磁感应式多人同步书写电子白板系统，其包括：两支电磁笔1、内置铜网阵列网络的电子白板板体2、多路选择开关电路3、信号滤波分离电路4、信号放大电路5、多路模拟开关6、信号频率检测电路7、峰值保持采样电路8、单片机10、无线模块9、USB通信模块11、PC12。所述板体、多路选择开关、信号滤波分离电路顺序连接，所述信号滤波分离电路分别连接到两信号放大电路。两信号放大电路均连接到多路模拟开关，所述多路模拟开关分别连接到信号频率检测电路7、峰值保持采样电路8，所述信号频率检测电路7、峰值保持采样电路8均连接到单片机10，所述单片机10连接到无线通讯模块9和USB通信模块11，所述USB通信模块11连接到PC12。
所述板体内置有铜网阵列，所述铜网阵列的X轴方向与Y轴方向均设置有复数组闭合的带绝缘层铜线，每一组铜线由一根铜线多次迂回绕线形成，每一组铜线对应一个ID，所述X轴方向与Y轴方向的铜线的绕线方式相同，并使得电子笔任意检测区域内铜线的ID排列组合不重复。本实施例中相邻的3根铜线为一个排列组合。铜线的绕线方式，以Y轴为例，如图2所示：步骤1：铜线从数字0位置向左移动到达Y轴的左侧，然后向上移动到达间隔两根铜线的位置；步骤2：铜线向右移动到达Y轴的右侧，接着铜线向上移动到达下一个数字0的位置；步骤3：重复步骤1、步骤2，直至铜线接近板体的上边缘无法继续向左移动，铜线向下移动至Y轴的右下角；步骤4：从下一组铜线(即数字1)开始，重复步骤1、步骤2、步骤3，直至铜线全部绕完。本发明所使用的电磁笔的感应范围为5根铜线左右。电磁笔在板体上书写的时候，此时电磁笔刚好可以检测出一个排列组合的区域。因此系统可以检测出板体上唯一的3根铜线的组合区域，从而确定电磁笔的物理位置。
参见图3，是本实施例的多路选择开关电路。该多路选择开关电路直接连接板体内置的铜网阵列网络，铜网阵列网络的X轴、Y轴分别引出一组铜线以及一根回路地线，X轴上的一组铜线连接到U8芯片、U9芯片、U10芯片，U8芯片、U9芯片、U10芯片是8通道模拟多路选择器，芯片的使能脚EN与及地址C、B、A用于选通HEF4051芯片X0至X7管脚连接至管脚X。74HC138芯片的地址C、B、A控制Y0至Y7输出连接至HEF4051芯片的使能脚。通过74HC138芯片的地址C、B、A以及HEF4051地址C、B、A可以选择X0至X19与Y0至Y19这40根线的任意一根连接到HEF4051芯片的X输出脚，输出Sign信号，Sign信号为铜网接收到的电磁笔发出一定频率的正弦波电磁信号。
参见图4a，是本实施例的信号滤波分离电路，接收一定频率的正弦波电磁信号Sign信号分别进入两个RC电路进行低通滤波，把信号中的高频干扰成分滤除，并分别经过两个同相比例放大器U6B、U7B，信号放大(1+R19/R21)与及(1+R25/R27)倍，分别进入LCπ型滤波电路，参见图4b是信号经过LCπ型滤波后的波特图，波特图XBP1中信号在200KHZ-240KHZ形成20dB-23dB的带通波形，而波特图XBP2中信号在200KHZ-240KHZ形成陷波波形，波特图XBP1中信号在340KH-380KHZ形成陷波波形，而波特图XBP2中信号在340KHZ-380KHZ形成20dB-24dB的带通波形，由此可见信号分别进入LCπ型滤波后，被分离成200KHZ-240KHZ与340KHZ-380KHZ两种高低频率信号，正好对应两支电磁笔发出电磁波的两种不同频率，被分离的高频低频率信号进入RC电路进行高通滤波，滤除低频干扰信号，再经过同相比例放大器U6A、U7A，分别得到信号Signal_L与Signal_H。
参见图5，是本实施例的信号放大电路与多路模拟开关电路，信号Signal_L与Signal_H进入多路模拟开关电路，由控制信号Select_signal来选择信号Signal_L与Signal_H是否输出至Zmix中，Zmix信号进入RC电路进行高通滤波后进入同相比例放大器U4A再次进行信号放大，得到信号GAIN_OUT。
参见图6，是本实施例的信号频率检测电路，采用比较器LM393M，对信号进行电压比较，比较器LM393M的脚2为参考电压直接连接地加在反相的输入端，GAIN_OUT信号直接加在比较器的同相的输入端，在输出脚LM393_OUT得到脉冲频率与输入端相同的信号。
参见图7，是本实施例的峰值保持采样电路，多路模拟开关电路与信号放大电路输出的信号GAIN_OUT，其中一路连接至信号频率检测电路检测信号的频率，另一路连接至峰值保持采样电路，信号GAIN_OUT经过电阻R15与三极管Q1的基极连接，三极管Q1的基极通过电阻R13对信号电压进行上拉偏置，在发射极输出信号的峰值。三极管Q2的基极为单片机输出的控制信号ADC_EN，其发射极接地，当ADC_EN为高电平时，三极管Q2导通，三极管Q1发射极输出的峰值信号直接通过三极管Q2连接到地，而不通过电阻R16输出；当ADC_EN为低电平时，三极管Q2截止，三极管Q1发射极输出的峰值信号可以由电容C29进行滤波并通过电阻R16，电容C30进行RC滤波并输出信号峰值ADC_IN，完成信号峰值的保持。信号峰值ADC_IN连接到AD模块数字转换芯片U1，得到信号峰值的电压，数据通过D1-D8数据线传输至单片机，完成信号的峰值保持与采样。
参见图8，是本实施例的的单片机电路，这是系统的处理核心，完成电子白板板体内多路选择开关电路的控制，信号频率的计算，信号峰值的读取，以及最终坐标的计算与通信。单片机U14的P2端口设置为输出，通过数组查表把预先设置好的数值送到输出端口P2用于选择电子白板板体内多路选择开关电路的选通地址，可以独立选择X轴或Y轴上的任意一根线，选通地址首先从Y0至Y19，当电磁笔在白板上书写时，在白板的内置铜网阵列网络的Y轴上至少3根铜线能接收到电磁波信号，并转换成感应电流，输出至信号滤波分离电路，把信号分离，如果电磁笔发出的是高频率电磁波信号，则信号只能被滤波分离电路分在高频率通道，如果电磁笔发出的是低频率电磁波信号，则信号只能被滤波分离电路分在低频率通道。通过滤波分离电路后信号幅度较小，必须经过运算放大器进行信号放大。
单片机输出控制信号Select_signal选择高频率或者低频率分时进入模拟开关电路，并送入运算放大器进行放大得到GAIN_OUT，GAIN_OUT送入信号频率检测电路通过比较器进行信号转换，得到脉冲的频率LM393_OUT与电磁笔发出的频率一致。LM393_OUT输入到单片机的计数器中断进行脉冲的计数，脉冲计数的同时开启单片机内定时器中断进行定时，定时器定时达到1毫秒时，计算脉冲的个数，电磁笔发出的频率为200KHZ时，单片机可以接收到大约400个脉冲，如此就可以计数电磁笔发出的电磁波信号的频率，根据得到不同的信号频率可以判断是哪支电磁笔在白板上进行书写操作，并可以得到电磁笔的状态，例如电磁笔此时是书写状态还是按键状态等。
GAIN_OUT另一路信号送入峰值保持采样电路，ADC_EN控制信号用于关闭或者保持信号的峰值，并输出控制信号CLK与OE至AD转换芯片进行信号峰值的模拟到数据信号的转换，并把输出的峰值位置输出到单片机的输入口P0。
单片机发出的选通地址首先从Y0至Y19，再从X0至X19，当电磁笔在白板上书写操作时，在白板的内置铜网阵列网络的Y轴或X轴上至少3根铜线能接收到电磁波信号，电磁笔发出的电磁波信号为交变的正弦波信号，且在中心发出的电磁波信号能量最强，远离中心位置发出的电磁波信号强度近似线性递减，在Y轴上先检测信号的峰值以及第二大值以及第二大值所在的地址，把这三个地址在数组中进行查表，并得到信号的峰值在数组中的位置，并在此数组中位置以及此位置前后两个地址，再次进行白板上铜网阵列网络的选通地址，检测信号的频率以及信号的幅度值，设信号峰值所在的地址为ADDR，峰值地址的前一地址所检测到信号的幅度值为a，峰值地址所检测到信号的幅度值为b，峰值地址的后一地址所检测到信号的幅度值为c，如果把地址放大100倍，通过公式：
100*ADDR+100*((a-b)/((a-b)+(a-c))
可以得到电磁笔在白板铜网阵列网络上的绝对位置坐标。X轴与Y轴上的检测与计算坐标的步骤一致。
两支不同信号频率范围的电磁笔在白板上书写时，首先被被滤波分离电路分离成两路独立的信号，并通过单片机输出控制信号Select_signal选择高频率或者低频率分时进入模拟开关电路，通过滤波分离电路分离与及单片机的分时选择可以把两支电磁笔的信号完全分离，两支电磁笔的处理方法相同。得到电磁笔在白板铜网阵列网络上的绝对位置坐标通过串口把数据输出。
参见图9，是本实施例的USB通信模块电路，单片机处理后得到电磁笔在白板铜网阵列网络上的绝对位置坐标数据通过串口输出，并连接至带USB控制器的C8051F321单片机，C8051F321接收串口数据把数据进行处理，可以通过跳线J2进行选择是否带无线数据传输功能，C8051F321连接CC2500(2.4GHZ)射频芯片，通过SPI控制CC2500芯片把接收到的坐标数据打包由CC2500发射到PC的无线接收端，也可以通过C8051F321单片机有线连接至PC，把坐标数据打包通过USB2.0全速传输输出至PC，最终完成电子白板系统可以得到电磁笔在白板铜网阵列网络上的绝对位置坐标并传输至PC的功能。
通过以上步骤完成电磁感应式多人同步书写电子白板系统。
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。
Claims (5)
1.一种电磁感应式多人同步书写电子白板系统，其特征在于：它包括：依次连接的可检测出内置导电金属线阵列唯一组合区域的板体、多路选择开关电路、信号滤波分离电路，与信号滤波分离电路连接的至少两个信号放大电路，与信号放大电路连接的多路模拟开关，所述多路模拟开关分别连接到信号频率检测电路、峰值保持采样电路，所述信号频率检测电路、峰值保持采样电路均连接到单片机，所述单片机连接到无线通讯模块或者USB通信模块的至少一种。
2.根据权利要求1所述的一种电磁感应式多人同步书写电子白板系统，其特征在于：所述板体内设置有导电金属线阵列，所述导电金属线阵列的X轴方向与Y轴方向均设置有复数组闭合的带绝缘层的导电金属线，每一组导电金属线由一根导电金属线多次迂回绕线形成，每一组导电金属线对应一个ID，使得电子笔任意检测区域内导电金属线的ID排列组合不重复。
3.根据权利要求2所述的一种电磁感应式多人同步书写电子白板系统，其特征在于：所述单片机设置有与导电金属线阵列相对应的数组。
4.根据权利要求3所述的一种电磁感应式多人同步书写电子白板系统，其特征在于：相邻两组导电金属线的间距相等。
5.根据权利要求4所述的一种电磁感应式多人同步书写电子白板系统，其特征在于：所述导电金属线为铜线。
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