【正文】 標(biāo)是在 SMART Board 基礎(chǔ)上，通過對交互筆硬件的重新設(shè)計(jì) 和應(yīng)用軟件的開發(fā)，克服 SMART Board 無法區(qū)分雙筆軌跡的缺陷，使系統(tǒng)能夠 在雙筆同時(shí)交互時(shí)得到交互筆顏色信息進(jìn)而區(qū)分雙筆的軌跡。 基本原理描述SMART board發(fā)送交互筆接軟件 交互筆硬件接收信息，同交互筆接觸板面交互筆移動過程觸板面的信息和當(dāng)前筆的坐 標(biāo)發(fā)送當(dāng)前筆的 坐標(biāo)步坐標(biāo)信息和 顏色信息坐標(biāo)數(shù)據(jù)分 類，將同一軌 跡上的點(diǎn)歸為 一類循環(huán)體發(fā)送交互筆的顏色信息繪制當(dāng)前交互 筆的軌跡交互筆離開板面發(fā)送交互筆離 開板面的信息 和當(dāng)前筆的坐 標(biāo)停止繪制離開 的交互筆的軌 跡圖 31 雙筆軌跡區(qū)分方案流程圖要實(shí)現(xiàn)兩支筆軌跡的區(qū)分，最重要的是要在交互筆接觸交互板面時(shí)得到交互第 21 頁清華大學(xué)綜合論文訓(xùn)練筆的顏色信息，有了顏色信息以后，就能夠?qū)Φ玫降倪\(yùn)動坐標(biāo)進(jìn)行分類，達(dá)到軌跡區(qū)分的目的。顏色信息通過 315MHz 的無線電信號發(fā)送，接收端接收到無 線電信號后，通過 USB 接口傳遞給應(yīng)用程序，就可以完成軌跡和顏色信息的綁 定。為了防止兩支交互筆同時(shí)書寫時(shí)同頻無線電信號的相互干擾，交互筆僅僅 在接觸板面的一瞬間通過硬件電路發(fā)送顏色信息，接下的書寫過程中不再發(fā)送 信息。因此應(yīng)用程序只能在每條軌跡第一個點(diǎn)產(chǎn)生時(shí)接收到相應(yīng)交互筆的顏色 信息，以后的軌跡點(diǎn)需要在沒有顏色信息的情況下進(jìn)行分類，分類采用最近距 離原則，新產(chǎn)生的軌跡點(diǎn)離哪條軌跡近就分到哪條軌跡。 硬件設(shè)計(jì)交互筆硬件電路要完成的工作是檢測交互筆是否接觸交互板面，如果接觸就 用 315MHz 的無線電把自身的顏色信息發(fā)送給信號接收器。為了減少交互筆之 間的信號沖突，硬件電路還必須能夠控制無線電發(fā)送的時(shí)間，這個時(shí)間越短越 好，只要保證接收端能夠準(zhǔn)確收到信號即可。信號接收端的功能是接收交互筆發(fā)送的無線電信號，通過一定的轉(zhuǎn)換，發(fā)送 給計(jì)算機(jī)，供上層的應(yīng)用程序調(diào)用。第 22 頁清華大學(xué)綜合論文訓(xùn)練 供電模塊12JP1C147uFL122uHD2DIODE SCHOTTKY+5VU1MAX1674EUA5 SHDNLX 72 LBI1 FB6 GNDOUT 8LBO 3REF 4 C3C247uF C4圖 32 MAX1674EUA DCDC 轉(zhuǎn)換的供電電路為了便于交互筆電池的更換，設(shè)計(jì)中采用一節(jié) 7 號堿性電池為電路供電。而 常用的邏輯電路一般要求使用 5V 供電，所以需要把電源電壓從 升壓到 5V。MAX1674EUA 是一款升壓型 DCDC 變換器，常態(tài)下工作效率可達(dá) 94%， 輸入電壓范圍較寬（～），輸出電壓則可設(shè)定為 5V，允許的輸出電流達(dá) 到 500mA，比較符合項(xiàng)目應(yīng)用要求。圖 32 為 MAX1674EUA 的電路連接圖，圖中 JP1 為堿性電池，通過供電電 路轉(zhuǎn)換以后，輸出即為系統(tǒng)的 5V 供電。第 23 頁清華大學(xué)綜合論文訓(xùn)練 無線傳輸模塊+5VRF1A0A1A2A3A4A5VDD OUT OSC1OSC2TE A11/D11R2 TE+5VRF2TXD VDDA6/D6 A10/D10VSSA7/D7A9/D9RFSENDVSS A8/D8PT2262JP31 23 45 67 8HEADER 4X2圖 33 PT2262 編碼的無線傳輸模塊PT2262 是一種編碼器，它能將數(shù)據(jù)和地址編譯成特殊的波形，然后可以通 過高頻發(fā)送器發(fā)射無線電信號。PT2262 采用了 COMS 電路，功耗非常小，工作 電壓范圍較寬（315V）。它最多可有 12 位(A0A11)三態(tài)地址端管腳(懸空、接高 電平、接低電平)，任意組合可提供 531441 地址碼，最多可有 6 位(D6D11)數(shù)據(jù) 端管腳，設(shè)定的地址碼和數(shù)據(jù)碼編碼后從 OUT 腳串行輸出。我們這里使用的地 址是 A0A7 八位地址，并且都處于懸空狀態(tài)；數(shù)據(jù)位使用的是 D8D11 四位數(shù) 據(jù)，用 0、1 狀態(tài)表示各位數(shù)據(jù)，一共可以發(fā)送 16 種不同的數(shù)據(jù)。與 PT2262 對應(yīng)的解碼器是 PT2272，系統(tǒng)中的 USB 信號接收模塊的解碼部 分就采用 PT2272。使用編解碼器時(shí)，需要匹配發(fā)送地址和發(fā)送速度。在我們的 設(shè)計(jì)中，PT2262 和 PT2272 的 A0A8 地址為都設(shè)置成懸空狀態(tài)，兩者地址相同 才能正確解碼。而發(fā)送速度也需要匹配才可能正確收發(fā)無線電信號，PT2262 和 PT2272 的發(fā)送速度是由所接的振蕩電阻決定，PT2262 的振蕩電阻就是 33 圖中 的 R2，振蕩電阻可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，阻值越大振蕩頻率越慢，編碼的寬度越 大，發(fā)碼一幀的時(shí)間越長。我們使用的是最常見組合方式，PT2262 外接振蕩電 阻設(shè)置為 ，PT2272 的電阻設(shè)置為 200K。圖 33 中的 RF2 是高頻發(fā)送器，只要把 PT2262 編碼后的信號接到發(fā)送器的第 24 頁清華大學(xué)綜合論文訓(xùn)練TXD 引腳，然后將 PT2262 的 TE 置成低電平，就可以實(shí)現(xiàn)無線電發(fā)送，無線電的頻率由高頻發(fā)送器決定，這里是 315MHz。 不同的交互筆需要發(fā)送不同的無線電信號來表示不同的顏色信息。發(fā)送的數(shù)據(jù)由圖中的 JP3 決定。JP3 是可以接跳線的排針，接上跳線表示發(fā)送 0，不接跳線表示發(fā)送 1，一共有四位數(shù)據(jù)，共有 16 種組合。交互筆的顏色信息就是通過 接不同的跳線來設(shè)置，四支交互筆只需要四個不同的數(shù)據(jù)，通過 JP3 設(shè)置可以滿 足設(shè)計(jì)要求。 發(fā)送控制模塊+5V+5VD1LEDR110uF C5C630pFY1U2RST VCC RXD TXD TE10KD3DIODER3C730pF12MHzINT0 INT1 T0 T1 GND AT89C2051S1SWPB圖 34 AT89C2051 組成的發(fā)送控制模塊為了實(shí)現(xiàn)只在交互筆接觸板面的一瞬間發(fā)送無線信號其余時(shí)間不發(fā)送，就需 要進(jìn)行發(fā)送控制。設(shè)計(jì)中使用了最簡單常用的單片機(jī) AT89C2051 進(jìn)行邏輯控制， 通過單片機(jī)的程序可以控制信號發(fā)送的時(shí)間長短。使用單片機(jī)一方面是為了方 便通過實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)發(fā)送時(shí)間長短，另一方面是為了進(jìn)行擴(kuò)展，添加激光筆的按鍵控制功能。第 25 頁清華大學(xué)綜合論文訓(xùn)練圖中 S1 為交互筆筆頭的開關(guān)，采用的是 Grayhill Series 39 系列中的 39501輕觸開關(guān)，開關(guān)的鍵合驅(qū)動力約為 4 盎司偏差為2 盎司到+4 盎司，相當(dāng)于 113 克偏差57 克到+113 克。書寫中需要把開關(guān)稍稍用力按下，才能接通電路發(fā)送顏 色信號。單片機(jī)和開關(guān)的連線有兩條，一條接在外部中斷引腳 INT0，另一條接 在 IO 口引腳 。引腳 INT0 的作用是檢測開關(guān)的狀態(tài)，在開關(guān)由斷開到閉合 的瞬間產(chǎn)生一個一個中斷信號，調(diào)用單片機(jī)內(nèi)的中斷函數(shù)。引腳 的作用是 能隨時(shí)讀取開關(guān)狀態(tài)，以便在中斷函數(shù)中用軟件方法消除開關(guān)抖動的影響。單片機(jī)的 引腳用于控制 PT2262 發(fā)送無線電信號，低電平發(fā)送，高電平 不發(fā)送。 單片機(jī)固件編程單片機(jī)主函數(shù)完成的工作是設(shè)置中斷參數(shù)和待機(jī)狀態(tài)。中斷參數(shù)設(shè)置只需要 打開外部中斷 0，然后設(shè)為下降沿觸發(fā)即高電平到低電平的瞬間觸發(fā)中斷。主函 數(shù)的其他操作就是進(jìn)入死循環(huán)，循環(huán)中啟動待機(jī)狀態(tài)，等待開關(guān)中斷產(chǎn)生。進(jìn)入中斷函數(shù)后，先延時(shí)一段時(shí)間再讀取開關(guān)狀態(tài)，如果開關(guān)狀態(tài)依然是低 電平即閉合狀態(tài)，認(rèn)為開關(guān)被按下，緊接著就從 發(fā)送一個低脈沖，控制發(fā) 送無線電信號，然后退出中斷函數(shù)；如果開關(guān)狀態(tài)不是低電平，認(rèn)為是開關(guān)抖 動引起中斷，則不發(fā)送信號退出中斷函數(shù)。退出中斷函數(shù)后，主程序立即使單 片機(jī)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。 發(fā)送的低脈沖的寬度就是發(fā)送無線電信號的時(shí)間，這 個時(shí)間通過實(shí)驗(yàn)確定一個經(jīng)驗(yàn)值，發(fā)送的時(shí)間足夠短，只要接收端能夠接收到 信號即可?？梢?，單片機(jī)只有在開關(guān)閉合的一瞬間處于工作狀態(tài)，其它時(shí)間都是待機(jī)狀 態(tài)，單片機(jī)的待機(jī)狀態(tài)耗電量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于工作狀態(tài)的耗電量。在開關(guān)沒有動作的 時(shí)候讓單片機(jī)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)可以降低交互筆的整體功耗。 USB 信號接收模塊簡介USB 信號接收模塊的電路可以分為四部分：無線電接收與解碼模塊、高低電 平轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)處理電路、USB 傳輸接口。第 26 頁清華大學(xué)綜合論文訓(xùn)練無線電信號接收 與解碼模塊高低電平轉(zhuǎn)換電 路單片機(jī)處理電路 USB傳輸接口圖 35 USB 無線信號接收端原理示意圖其中，無線電接收與解碼模塊為第一部分，采用市場上常見的無線接收與解 碼模塊 CZS8（與激光筆上的無線編碼發(fā)射模塊相對應(yīng)）；高低電平轉(zhuǎn)換電路使 用的是 74LS00 芯片；單片機(jī)處理電路使用的是 AT89C52 芯片；USB 傳輸接口 使用的是 PDIUSBD12 芯片。信號流動過程為：無線接收與解碼模塊接收激光筆 發(fā)出的無線電信號并解碼，將相應(yīng)輸出引腳設(shè)置為高電平，該高電平通過高低 電平轉(zhuǎn)換電路變?yōu)榈碗娖叫盘?，單片機(jī)接收該低電平信號，并控制 USB 接口將 此信號傳至計(jì)算機(jī)。 軟件設(shè)計(jì)軟件部分的主要功能是通過 SMART Board 讀取交互筆的坐標(biāo)位置，同時(shí)讀 取 USB 無線信號接收端的交互筆顏色信號，把坐標(biāo)信息和顏色信息綁定起來， 然后通過一定算法確定每次新收到的坐標(biāo)所屬的軌跡實(shí)現(xiàn)軌跡的區(qū)分，同時(shí)把 新的坐標(biāo)加入原有軌跡從而保存所有的交互筆軌跡，最后只需要把軌跡顯示在 界面上即可。由于交互筆的軌跡一般都用于注釋文檔或在其他應(yīng)用程序上繪圖， 為此顯示界面最好為透明的，能夠覆蓋在其他窗口上。在本文的應(yīng)用中，我們 用截取桌面作為窗體背景的方法，實(shí)現(xiàn)類似透明窗體的效果。第 27 頁清華大學(xué)綜合論文訓(xùn)練圖 35 軟件流程圖第 28 頁清華大學(xué)綜合論文訓(xùn)練交互設(shè)備產(chǎn)生的每個點(diǎn)都采用如下結(jié)構(gòu)表示：typedef struct SAMPLE_PT_tag { POINT pt。 //點(diǎn)坐標(biāo) COLORREF clr。 //顏色int iWidth。 //交互工具寬度BOOL EraserFlag。 //擦除標(biāo)志，正常顯示為 FALSE，擦除為 TRUEint style。 //交互工具類型（交互筆、板擦或是非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備）} SAMPLE_PT。每條軌跡是包含一系列點(diǎn)的一個數(shù)組：typedef CArraySAMPLE_PT,SAMPLE_PTamp。 POINT_ARRAY。最后用一個軌跡數(shù)組保存所有的軌跡：typedef CArrayPOINT_ARRAY,POINT_ARRAYamp。 STROKE_ARRAY。 USB 信號讀取與同步USB 信號接收器是即插即用的設(shè)備，底層的驅(qū)動程序保證了設(shè)備的可靠識別 和讀寫，應(yīng)用程序只需要用類似打開文件的方式打開 USB 設(shè)備就能對其進(jìn)行讀 寫操作。為了保證實(shí)時(shí)性，USB 信號的讀取是由一個單獨(dú)的線程來完成，USB 線程和主線程的同步是通過變量 m_bNewDataFlag 實(shí)現(xiàn)的。主程序在生成透明窗體的同時(shí)啟動 USB 信號接收線程，線程首先打開 USB 端口，接著不斷查詢 USB 端口信號，一旦有信號，就把信息保存在特定的數(shù)組 中，并把 m_bNewDataFlag 設(shè)置為 TRUE，通知主程序讀取數(shù)據(jù)。主程序在接收到 SMART Board 的 XYDown 消息時(shí)，先獲得交互工具類型， 可能是交互筆或是板擦。如果是交互筆，就把 m_bNewDataFlag 設(shè)置為 FALSE，第 29 頁清華大學(xué)綜合論文訓(xùn)練然后循環(huán)等待 USB 線程將 m_bNewDataFlag 置為 TRUE，當(dāng) m_bNewDataFlag變成 TRUE 后，讀取 USB 保存的顏色信息，這樣可以保證程序讀取的恰好是當(dāng) 前正在使用的交互筆的顏色信息。當(dāng)然還需要處理特殊情況，交互筆可能沒有 及時(shí)發(fā)出無線電信號，或是書寫設(shè)備不是交互筆無法發(fā)送信號，此時(shí)不能讓程 序一直處于等待狀態(tài)而堵塞。為了解決特殊情況所帶來的問題，在循環(huán)等待的 時(shí)候設(shè)置了一個等待時(shí)間（現(xiàn)在設(shè)置的是 300ms，如果交互筆硬件改進(jìn)后時(shí)間可 能會縮短），超過這個時(shí)間程序就認(rèn)為是非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備 SB_NO_TOOL 輸入，同時(shí) 把顏色設(shè)置為 RGB(128,128,128) ，繼續(xù)執(zhí)行下一條指令。如果交互