光標精確定位教學激光筆

劉澤浩　李春賀　馮志遠　李同慶　賈東坡

引言：激光精確定位系統在教學、演講等人機交互比較強的場合有非常好的應用，極大的方便了使用人群，在整個講演的過程中，系統可以遠程對界面進行操控，具體可以完成上下翻頁，定點單擊、雙擊事件，軌跡繪制等動作。系統硬件部分主要由發射器和接收器組成，手持部分為發射器，該部分集成無線通信與激光筆功能，無線通信功能可以使使用人員遠距離控制，通過不同的按鍵來實現PPT的翻頁，軌跡繪制，無線鼠標功能。

一、引言

隨著電腦的普及以及教學條件的提高，計算機與投影儀在中學與大學等各種教學場所以及宣講場所大量使用，人們對投影儀與人的交互提出了更高的要求，現階段無線技術日益成熟與成本的降低為人們遠距離操縱電腦提供了可能，無線激光筆的產生為人們帶來了極大的方便，人們可以完成一些簡單的操作，譬如簡單的單擊操作、雙擊操作和滾輪操作，帶有激光筆還可以用作簡易教鞭使用。但是，這種工具并不能完全完成人們對于電腦的遠距離操縱。現在隨著攝像技術的提高，我們完全可以利用攝像技術完成對激光束的精確定位，識別激光束所照的位置從而完成激光筆對光標的導向與定位。

二、圖像采集系統的設計

在采集到圖像的同時，除了要進行激光點的數據分析之外還要完成坐標的矯正與屏幕四邊的校正，圖像的分析是定位的關鍵。在圖像的分析過程中，基本的軟件分析對于電腦是一個巨大的負擔，而且在配置相對比較高的情況下復雜的算法仍舊耗費較長的時間，最簡潔的分析算法耗時也在100ms以上，也就是每秒的定位刷新頻率在10幀以下，這樣在畫筆使用過程中會有非常明顯的滯后，實驗效果非常不好。在對室內光線具體波長含量與能量的分析后，我們對進入攝像頭的的光線進行充分的處理，這樣雖然在硬件上費了一些工夫，但是給分析帶來了巨大的方便。還有由于攝像頭的擺放位置不可能正對投影儀的幕布，這就在攝像頭本身畸形的基礎上帶來了另外一個問題，就是怎樣才能使一個不規則的圖像幕布點的位置對應到電腦的矩形位置？經過查閱資料，我們采用圖像處理中的二維映射定理進行處理，最后基本完成了亮點的坐標到屏幕坐標的比例轉化，定位效果偏差并不是特別大，最終處理結果精度可以接受。這樣我們就可以先由STM32F103讀取AL422B中圖像，再由USB設備發送到PC端，PC端軟件提醒操作者手動定位，完成定位后，系統開始定位模式，由CPLD分析出的坐標先存儲到CY7C4225型號FIFO中[2]，再由STM32F103讀出坐標經由無線發送到PC端，最終軟件獲取到坐標后調用WINDOWS移動鼠標的API函數，完成單擊雙擊操作。

三、基于nRF24L01的無線數據采集系統設計

在數據采集系統的實際調試和結論分析過程中，需要大量的實驗數據才能得到正確且全面的結論。這就需要一個數據采集系統可以實時、準確的采集到相應的參數，最后發現無線數據采集系統可以滿足這一要求，其相比于一般的數據采集系統在硬件方面得到很大程度的簡化而且使用可靠性更高。在本系統中無線能夠替代電纜完成數據的傳輸，這樣既能夠保證數據的準確性又能夠節省線纜，還能降低硬件的成本。在此所使用的無線模塊一共在三處完成了數據傳輸，PC端的數據接收，激光筆部分的指令發送還有的就是攝像頭圖像分析部分的坐標數據發送。另外，為保證數據兩端向一端發送時數據不混亂，我們采用數據字頭編碼，這樣經實際操作檢驗數據可靠，不會發生指令的錯誤操作，而且和多頻道的數據發送比較更加簡潔，節省時間。選用的無線發送接收模塊是平常較熟悉的nRF24L01無線模塊，nRF24L01是由NORDIC生產的工作在2.4GHz到2.5GHz的ISM 頻段的單片無線收發器芯片。無線收發器包括：頻率發生器、增強型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器和解調器。輸出功率頻道選擇和協議的設置可以通過SPI 接口進行設置。幾乎可以連接到各種單片機芯片，并完成無線數據傳送工作。極低的電流消耗：當工作在發射模式下發射功率為0dBm時電流消耗為11.3mA，接收模式時為12.3mA，掉電模式和待機模式下電流消耗更低。最終無線數據采集系統將數據經stm32單片機轉化處理為數字量，通過nRF24L01發送端將數字量發送給nRF24L01接收端。nRF24L01接收端接收到數據后與上位機通信，上位機將數據經再處理后進行顯示、保存等，這樣實現無線數據采集系統的功能。

四、stm32f103中usb的使用

經過幾款單片機的比較，最終選擇stm32f103C8T6這款單片機，這款芯片具有較高的性能，較低的價格，48個引腳已經能夠滿足需要，集成的usb通訊模塊帶來了極大的方便，尤其在較高的通訊速度方面，支持低速與全速的usb協議通訊。考慮到開發難度方面，最終使用了usb的兩種通訊方式，一種是CDC類的虛擬串口，另一種是HID的人機設備類[3]，在usb的坐標接收端，通訊量比較小的地方采用了HID類這樣的不需要專門安裝驅動的usb協議通訊，與鍵盤和鼠標一類，最大速度為64kb/s；虛擬串口的速度比較快但是使用比較麻煩，需要下載驅動安裝，不過st公司提供了驅動，使用起來數據傳輸速度快很多，但usb協議在實現上比較麻煩，比較繁瑣，不過考慮終究只是協議而已，所以只要去按照協議寫就比較好了[4]。

五、總結

本課題的研究取得了一定的結果，對今后開發電子產品提供了一定的參考，但是由于本人專業水平有限且時間倉促，及試驗條件受限，研究中難免存在一些不完善之處。今后在本課題研究的工作基礎上，可以在以下幾方面繼續研究：希望能夠提高識別精度；縮小pcb的面積，提高pcb的穩定性；提高圖像的分析頻率，使流暢性更好；對軟件進一步開發，使軟件有更多的功能。

參考文獻

[1]趙國立.基于激光筆交互的光筆手繪技術研究[J].2012.

[2]潘松，黃繼業.《EDA技術與VHDL》[M].清華大學出版社.2005.

[3]薛園園，趙建領.《USB應用開發寶典》[M].人民郵電出版社.2011.

[4]劉榮.《圈圈教你玩usb》[M].北京航空航天大學出版社.2009.

（作者單位：河北大學）