专利名称：波接收设备和确定波接收的方法
技术领域：
本发明涉及一种波接收设备，其用在使用由包括超声信号的声信号表示的波信号来测量到目标的距离的系统中，并且涉及一种在这样的波接收设备中执行的确定波信号的接收的方法。
背景技术：
已经提出了利用投影仪的各种显示系统。已知的显示系统之一是电子显示系统，其能够使用户通过使用诸如电子笔等指示器来将诸如字符的信息写在由投影仪所投影的图像上。该电子显示系统根据超声距离测量处理，来检测指示器在投影的图像上的位置。
JP-A 2001-125741公开了一种显示系统，其中作为指示器的指示杆在其前端具有用于发射超声信号的超声发射器，并且设置在屏幕上的至少三个参考位置处的超声接收器接收由超声发射器发射的超声信号。基于各超声接收器测量的超声信号的到达时间，即直到由超声发射器发射的超声信号到达超声接收器所消耗的时间，之间的差异，来检指示杆的前端在屏幕上的位置。
还已知一种系统，其中用于从超声电子笔接收超声信号的多个接收器位于投影仪上。基于由各接收器测量的超声信号的到达时间之间的差异，来测量电子笔在屏幕上的三维位置。
在如上所述的电子显示系统中，现有超声接收设备仅在超声信号的幅度超过阈值时确定其已经接收到超声信号。因此，超声接收设备遭受以下问题 超声接收设备具有的其接收到的信号电平随着从其自身到超声发射设备的距离而变化。如果超声发射设备在其前端具有超声发射器，如电子笔那样，则超声发射设备具有在其后端处电平较低的超声信号辐射模式。在该情况中，超声接收器中接收到的信号电平随着超声发射设备相对于超声接收器的方向而变化。
附图的图1示意性地示出了当接收到的信号电平变化时，现有超声接收设备中超声信号接收定时的确定。图1在(a)处示出了当接收到的超声信号的幅度正常时接收到的超声信号的波形，并且还在(b)处示出了当接收到的超声信号的幅度加倍时接收到的超声信号的波形。当接收到的超声信号的幅度如图1中在(a)处所示为正常时，由于噪声N(干扰噪声)的电平小于阈值T，所以能够通过比较第一个波的幅度与阈值T来确定超声信号接收定时。但是，当接收到的超声信号的幅度如图1中在(b)处所示不正常时，由于噪声N的电平基本上等于阈值T，所以由于噪声N导致可能会错误地确定超声信号接收定时。
超声接收器在结构上基本与麦克风类似。因此，超声接收器易于检测偶发噪声或者宽范围噪声，例如，语音、关门的声音、或者显示器通电时产生的噪声等等。如果这些噪声中的任何一种被包含在接收到的超声信号中，则可能会错误地确定超声信号接收定时。
如上所述，现有超声接收设备的问题在于，它们可能会错误地确定超声信号接收定时，并且可能会由于噪声而错误地操作。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种波接收装置和确定波信号的接收的方法，用于精确地确定超声信号接收定时。
为了实现上述目的，根据本发明，当接收器接收到具有其幅度随时间消逝而逐渐增加的时间段的波信号时，基于比较模式和阈值，来确定接收器已经成功地接收到波信号，其中比较模式是作为波信号的多个顺序波的各幅值之间的比较结果而生成的。具体地，基于超声发射元件的物理特性，即基于由其生成的超声信号的幅值在其开始操作之后直到其操作变得稳定的一定时间段内随时间逐渐增加的事实，具有其幅度随时间消逝而逐渐增加的时间段的超声信号被超声接收设备的超声接收器接收。当超声信号被超声接收器接收时，超声接收设备的模式匹配单元确定比较模式是否与预置参考模式匹配，比较模式是作为超声信号的多个顺序波的各幅值之间的比较结果而生成的。如果比较模式与参考模式匹配，则模式确定单元确定超声接收器已经成功地接收到超声波。
对于上述结构，如果接收到的超声信号包含易于引起错误的噪声，例如，图1所示的噪声N、偶发噪声、或者宽范围噪声，则由于比较模式与参考模式不匹配，则不会错误地确定超声信号接收定时。
根据本发明，因为不会由于噪声而错误地确定超声信号接收定时，所以能够精确地确定超声信号接收定时，并且防止超声接收设备错误地操作。
从下面参考附图的描述中，本发明的上述和其它目的、特征和优点将变得更加明显，其中附图示出了本发明的例子。
在附图中， 图1是说明现有超声接收设备操作以确定超声信号接收定时的方式的图； 图2是根据本发明的第一实施例的超声接收设备的框图； 图3是IIR滤波器的框图； 图4是说明过零检测处理的图； 图5是用于确定超声信号接收定时的程序流图，其由图2所示的超声接收设备来执行； 图6是说明模式匹配的具体例子的图； 图7是根据本发明第二实施例的超声接收设备的框图； 图8是说明阈值变化的模式匹配的具体例子的图； 图9是用于确定超声信号接收定时的程序流图，其由图7所示的超声接收设备来执行； 图10是用在根据本发明的超声接收设备中的另一个反相相加处理器的框图；以及 图11是包括根据本发明的超声接收设备的电子显示系统的透视图。
具体实施例方式 在整个附图中，相似或者对应的部件用相似或者对应的参考字符表示。
第一实施例 图2以框图形式示出了根据本发明的第一实施例的超声接收设备。该超声接收设备适用于在距离测量系统中使用，该距离测量系统使用超声信号来测量到目标的距离。该超声接收设备基本上包括超声接收器10、反相相加处理器11、接收定时确定单元12、时间测量单元13以及红外接收器14。
超声接收器10用来接收要测量的超声信号，该超声信号是从发射设备(未示出)以周期性时间段发射的。超声接收器10将输出信号提供给反相相加处理器11。
发射设备还以周期性时间段发射红外信号(脉冲信号)。基于红外信号的周期性时间段来确定超声信号的周期性时间段。从发射设备发射的红外信号被红外接收器14接收。
反相相加处理器11将由超声接收器10接收到的超声信号(模拟信号)转换成数字信号，并且对数字超声信号执行反相加法。反相相加处理器11包括A/D转换器110、多个延迟电路111a、111b、111c、选择器112、加法器113、带通滤波器频率选择器114、以及频率选择控制器115。反相加法是指如下处理将原始接收到的超声信号和从原始接收到的超声信号延迟半个波(半个相位)且其符号被反相的超声信号相加。
A/D转换器110用来将从超声接收器10输出的超声信号(模拟信号)转换成数字信号。A/D转换器110将数字信号输出到加法器113的负输入端和延迟电路111a。
延迟电路111a、111b、111c将输入信号延迟一定的时间间隔。延迟电路111a将其延迟的输出信号提供给延迟电路111b和选择器112的第一输入端。延迟电路111b将其延迟的输出信号输出到延迟电路111c和选择器112的第二输入端。延迟电路111c将其延迟的输出信号输出到选择器112的第三输入端。
基于来自频率选择控制器115的频率选择信号，选择器112选择提供到其第一到第三输入端的信号中的一个，并且将选择的信号输出到加法器113的正输入端。加法器113将来自A/D转换器110的输出信号与来自选择器112的输出信号彼此相加。加法器113将其输出和信号提供给带通滤波器频率选择器114。尽管图2中示出了反相相加处理器11具有三个延迟电路111a到111c，但是反相相加处理器11不限于具有三个延迟电路，而是可以被设计为具有更多或者更少的延迟电路。
带通滤波器频率选择器114包括多个带通滤波器，其每一个都以IIR滤波器或者FIR滤波器为代表。图3举例示出了IIR滤波器。如图3所示，IIR滤波器包括加法器20、用于放大来自加法器20的输出信号的放大器21、以及将来自放大器21的输出信号延迟一定时间间隔的延迟电路22。延迟电路22将分支的延迟输出信号提供给加法器20的输入端。带通滤波器频率选择器114包括级联的图3所示的IIR滤波器。带通滤波器频率选择器114基于来自频率选择控制器115的频率选择信号来选择级联的IIR滤波器的组合。
频率选择控制器115控制选择器112中的输入信号的选择以及带通滤波器频率选择器114中的频率的选择。超声接收设备的用户能够通过未示出的输入单元来设置延迟间隔和频率选择控制器115中的频率。根据由用户设置的延迟间隔和频率，频率选择控制器115控制选择器112中的输入信号的选择以及带通滤波器频率选择器114中的频率的选择。
在图2中，接收定时确定单元12用来基于由反相相加处理器11处理的接收到的超声信号来确定每个周期性时间段中的超声信号接收定时。接收定时确定单元12包括正峰值保持电路120a、负峰值保持电路120b、过零检测器121、幅度检测器122、多个寄存器123a到123d、阈值设置单元124、模式生成器125以及模式匹配单元126。
来自带通滤波器频率选择器114的输出信号被提供给正峰值保持电路120a和负峰值保持电路120b。正峰值保持电路120a保持超声信号的正幅度的峰值。负峰值保持电路120b保持超声信号的负幅度的峰值。正峰值保持电路120a和负峰值保持电路120b将各自的输出信号提供到幅度检测器122。
过零检测器121用来检测超声信号从正电平变到负电平以及从负电平变到正电平的点(过零点)。当检测到过零点时，过零检测器121输出脉冲信号。来自过零检测器121的输出脉冲信号作为保持定时信号被提供给寄存器123a到123d的每一个。
幅度检测器122用来检测超声信号的一个周期中的幅值，其由正幅度和负幅度之和来表示。幅度检测器122输出由正峰值保持电路120a保持的幅值和由负峰值保持电路120b保持的幅值(绝对值)之和表示的信号。从幅度检测器122输出的信号被提供给寄存器123a。
寄存器123a到123d的每一个基于来自过零检测器121的保持定时信号来保持输入信号的值。寄存器123a将其输出信号提供给寄存器123b的输入端。寄存器123b将其输出信号提供给寄存器123c的输入端。寄存器123c将其输出信号提供给寄存器123d的输入端。寄存器123a到123d共同地构成了移位寄存器，其在每次对寄存器123a到123d的值进行移位时，将它们的值提供给模式匹配单元126。模式匹配单元126将寄存器123a到123d的值进行复制并且将它们保持一个周期。
阈值设置单元124保持预置阈值(固定值)，并且将保持的阈值提供给模式匹配单元126。用户可以通过未示出的输入单元来设置阈值设置单元124中的阈值。阈值设置单元124保持由用户设置的阈值。
模式生成器125生成预置参考模式。参考模式由若干0和若干1构成的位模式来表示。用户能够通过未示出的输入单元来设置模式生成器125中的参考模式。参考模式的位的数量由寄存器123a到123d的数量决定。由于图2中有四个寄存器123a到123d，所以参考模式包括四位。
每当分别由寄存器123a到123d保持的幅值被移位时，模式匹配单元126对分别由寄存器123a到123d保持的每个幅值和从阈值设置单元124提供的阈值进行比较。然后，模式匹配单元126生成由若干0和若干1构成的4位比较模式，其中如果每个寄存器的幅值小于阈值，则产生“0”，如果每个寄存器的幅值大于阈值，则产生“1”。模式匹配单元126对生成的比较模式和从模式生成器125提供的参考模式进行比较。如果比较模式与参考模式匹配，则模式匹配单元126确定已经接收到超声信号，并且输出超声信号接收定时信号(脉冲信号)。从模式匹配单元126输出的超声信号接收定时信号被提供给时间测量单元13。尽管图2中示出了接收定时确定单元12具有4个寄存器123a到123d，但是接收定时确定单元12不限于具有4个寄存器，而是可以被设计为具有更多或者更少的寄存器。如果接收定时确定单元1 2具有5个寄存器，则比较模式和参考模式的每一个都包括5位的模式。
当红外接收器14接收到来自发射设备的红外信号时，红外接收器14输出表示红外信号的接收定时的脉冲信号。红外接收器14将输出的脉冲信号作为红外信号接收定时信号提供给时间测量单元13，并且还将输出的脉冲信号作为复位信号提供给寄存器123a到123d。时间测量单元13测量在其从红外接收器14接收到红外信号接收定时信号之后到其从模式匹配单元126接收超声信号接收定时信号所经过的时间段。
例如，由红外接收器14接收到的红外信号的周期是30msec。由超声接收器10接收的超声信号的频率是几十kHz。反相相加处理器11、接收定时确定单元12以及时间测量单元13以系统时钟来操作，其中系统时钟的频率充分地高于接收到的超声信号的频率。例如，系统时钟频率是10MHz。
下面将描述根据第一实施例的超声接收设备的操作。
被测量的发射设备以周期性时间段来发射红外信号，并且还以由红外信号的周期性时间段决定的周期性时间段来发射超声信号。超声发射元件(振荡元件)具有这样的物理特性在其开始操作之后，由其产生的超声信号的幅度在一定时间段内随着时间而逐渐增加，直到其操作变得稳定。根据第一实施例的超声接收设备基于超声发射元件的这样的物理特性来确定超声信号的接收。
(1)反相相加处理器11的操作 从发射设备发射的红外和超声信号分别由红外接收器14和超声接收器10接收。由超声接收器10接收的超声信号提供给反相相加处理器11。
在反相相加处理器11中，A/D转换器110将从超声接收器10提供的超声信号转换成数字信号。数字超声信号被作为原始超声信号被提供到加法器113的负输入端，并且还被提供到延迟电路111a到111c。提供到延迟电路111a到111c的超声信号被从原始超声信号延迟半个周期(半个相位)或者一个周期(一个相位)。来自延迟电路111a到111c的延迟超声信号被提供给选择器112，其选择延迟超声信号之一并且将选择的延迟超声信号提供到加法器113的正输入端。加法器113将延迟超声信号和被反相的原始超声信号彼此相加。加法器113将其和信号提供给带通滤波器频率选择器114，其中带通滤波器频率选择器114仅选择接收到的超声信号频率分量。已经通过带通滤波器频率选择器114的接收到的超声信号被提供给接收定时确定单元12。
(2)接收定时确定单元12的操作 在接收定时确定单元12中，来自反相相加处理器11的接收到的超声信号被提供给正峰值保持电路120a、负峰值保持电路120b和过零检测器121。过零检测器121将过零检测定时信号提供给每一个寄存器123a到123d，其中过零检测定时信号表示从反相相加处理器11的接收到的超声信号中检测到的过零点。图4示意性地示出了过零检测处理。
假设由延迟电路111a到111c构成的延迟单元将原始超声信号延迟半个周期(半个相位)。图4在(a)中示出了接收到的超声信号的波形，还在(b)中示出了过零检测定时信号。接收到的超声信号的波形是以负电平开始的、具有交替的负电平和正电平的正弦波形。图4示出了其幅度随时间增加的第一个波到第四个波的过零点a到h。过零检测定时信号包括分别在第一过零点a、过零点c、过零点e、过零点g处具有正向边沿并且分别在过零点b、过零点d、过零点f、过零点h处具有负向边沿的脉冲信号，其中第一个波在第一过零点a处从负电平变为正电平，第二个波在过零点c处从负电平变为正电平，第三个波在过零点e处从负电平变为正电平，第四个波在过零点g处从负电平变为正电平，第一个波的正电平在过零点b处变为第二个波的负电平，第二个波的正电平在过零点d处变为第三个波的负电平，第三个波的正电平在过零点f处变为第四个波的负电平，第四个波的正电平在过零点g处变为第五个波的负电平。
如果由延迟电路111a到111c构成的延迟单元将原始超声信号延迟了半个周期(半个相位)，则由于接收到的超声信号的波形具有随时间增加的幅度，所以当第二个波的幅度是第一个波的幅度的两倍或者更大时，接收到的超声信号的幅度随时间增加，如图4所示。由于原始的超声信号和延迟的超声信号彼此同相，所以来自反相相加处理器11的输出信号表示接收到第二个波之后彼此偏移一个周期的各波形之间的差异。因此，与超声信号具有相同频率分量的噪声能够被抵消，其中该噪声不能够通过将超声信号延迟半个周期来抵消。可以由延迟电路111a到111c将延迟的间隔调整为半个周期或者一个周期。
下面，将参考图4来描述正峰值保持电路120a、负峰值保持电路120b、幅度检测器122以及寄存器123a到123d的操作。
在接收到的超声信号波形的第一周期中，第一个波的负幅度的峰值被负峰值保持电路120b保持，第一个波的正幅度的峰值被正峰值保持电路120a保持。幅度检测器122将第一幅值提供给寄存器123a，其中第一幅值表示分别由正峰值保持电路120a和负峰值保持电路120b保持的幅度的峰值(绝对值)之和。寄存器123a与来自过零检测器121的过零检测定时信号的第一负向边沿(对应于过零点b)同步地保持从幅度检测器122提供的第一幅值。此时，其它的寄存器123b到123d已经被复位。
在接收到的超声信号波形的第二周期中，第二个波的负幅度的峰值被负峰值保持电路120b保持，第二个波的正幅度的峰值被正峰值保持电路120a保持。幅度检测器122将第二幅值提供给寄存器123a，其中第二幅值表示分别由正峰值保持电路120a和负峰值保持电路120b保持的幅度的峰值(绝对值)之和。寄存器123a与来自过零检测器121的过零检测定时信号的第二负向边沿(对应于过零点d)同步地保持从幅度检测器122提供的第二幅值。同时，寄存器123b保持已经由寄存器123a保持的第一幅值。此时，其它的寄存器123c、123d已经被复位。
在接收到的超声信号波形的第三周期中，第三个波的负幅度的峰值被负峰值保持电路120b保持，第三个波的正幅度的峰值被正峰值保持电路120a保持。幅度检测器122将第三幅值提供给寄存器123a，其中第三幅值表示分别由正峰值保持电路120a和负峰值保持电路120b保持的幅度的峰值(绝对值)之和。寄存器123a与来自过零检测器121的过零检测定时信号的第三负向边沿(对应于过零点f)同步地保持从幅度检测器122提供的第三幅值。同时，寄存器123b保持已经由寄存器123a保持的第二幅值，寄存器123c保持已经由寄存器123b保持的第一幅值。此时，其它的寄存器123d已经被复位。
在接收到的超声信号波形的第四周期中，第四个波的负幅度的峰值被负峰值保持电路120b保持，第四个波的正幅度的峰值被正峰值保持电路120a保持。幅度检测器122将第四幅值提供给寄存器123a，其中第四幅值表示分别由正峰值保持电路120a和负峰值保持电路120b保持的幅度的峰值(绝对值)之和。寄存器123a与来自过零检测器121的过零检测定时信号的第四负向边沿(对应于过零点h)同步地保持从幅度检测器122提供的第四幅值。同时，寄存器123b保持已经由寄存器123a保持的第三幅值，寄存器123c保持已经由寄存器123b保持的第二幅值，寄存器123d保持已经由寄存器123c保持的第一幅值。
如上所述，在接收到的超声信号波形的各周期中检测到的幅值被寄存器123a到123d顺序地保持。根据所说明的第一实施例，由于有四个寄存器，所以已经被保持的较早的幅值在接收到的超声信号波形的第五周期和后续周期中被顺序地删除。因此，这些较早的幅值的拷贝被存储在模式匹配单元126中。
在接收到的超声信号波形的各周期中检测到的幅值被寄存器123a到123d保持之后，模式匹配单元126确定超声信号接收定时。图5示出了用于确定超声信号接收定时的程序，其由模式匹配单元126来执行。
如图5所示，在步骤100中，模式匹配单元126从各寄存器123a到123d获取寄存器值(保持的幅值)。然后，在步骤101中，模式匹配单元126对获取的寄存器值和从阈值设置单元124提供的阈值进行比较，并且生成由若干0和若干1构成的4位的比较模式，其中如果寄存器值小于阈值，则产生“0”，如果寄存器值大于阈值，则产生“1”。然后，在步骤102中，模式匹配单元126确定生成的比较模式是否与从模式生成器125提供的4位参考模式匹配。如果比较模式与参考模式不匹配，则控制返回到步骤100，以在寄存器值已经被移位之后从各寄存器123a到123d获取寄存器值。如果比较模式与参考模式匹配，则模式匹配单元126确定已经接收到超声信号，并且在步骤103中输出超声信号接收定时信号(脉冲信号)。
图6示出了模式匹配的具体例子。图6在(a)处示出了来自红外接收器14的输出信号，在(b)处示出了来自反相加法处理11的输出信号，在(c)示出了来自幅度检测器122的输出信号。来自反相相加处理器11的输出信号表示接收到的超声信号波形，其是以负电平开始的、具有交替的负电平和正电平的正弦波形。图6所示的波形包括幅度随时间增加的第一个波到第五个波。N1到N5表示第一个波到第五个波的负幅度的峰值。峰值N1到N5由负峰值保持电路120b顺序地保持。P1到P5表示第一个波到第五个波的正幅度的峰值。峰值P1到P5由正峰值保持电路120a顺序地保持。为了说明的目的，接收到的超声信号波形表示为模拟信号波形。但是，接收到的超声信号实际上是采样的离散信号。
如从图6的(c)处所示的来自幅度检测器122的输出信号可以看到，当接收到第一个波时，幅度检测器122输出表示幅值“N1+P1”的信号。当接收到第二个波时，幅度检测器122输出表示幅值“N2+P2”的信号。当接收到第三个波时，幅度检测器122输出表示幅值“N3+P3”的信号。当接收到第四个波时，幅度检测器122输出表示幅值“N4+P4”的信号。当接收到第五个波时，幅度检测器122输出表示幅值“N5+P5”的信号。如果假设各寄存器123a到123d的寄存器值分别由#1到#4表示，则寄存器值#1到#4如下变化 当接收到第一个波时， 寄存器值#1＝N1+P1， 寄存器值#2＝复位， 寄存器值#3＝复位，以及 寄存器值#4＝复位。
当接收到第二个波时， 寄存器值#1＝N2+P2， 寄存器值#2＝N1+P1， 寄存器值#3＝复位，以及 寄存器值#4＝复位。
当接收到第三个波时， 寄存器值#1＝N3+P3， 寄存器值#2＝N2+P2， 寄存器值#3＝N1+P1，以及 寄存器值#4＝复位。
当接收到第四个波时， 寄存器值#1＝N4+P4， 寄存器值#2＝N3+P3， 寄存器值#3＝N2+P2，以及 寄存器值#4＝N1+P1。
当接收到第五个波时， 寄存器值#1＝N5+P5， 寄存器值#2＝N4+P4， 寄存器值#3＝N3+P3，以及 寄存器值#4＝N2+P2。
根据本具体例子，当接收到第四个波时，由幅值检测器12产生的输出信号“N4+P4”超过了由阈值设置单元124提供的阈值T。4位的参考模式“0011”被从模式生成器125提供到模式匹配单元126。模式匹配单元126生成4位的比较模式，其中当寄存器值#大于阈值T时产生“1”，当寄存器值#小于阈值T时产生“0”。
当接收到第一个波、第二个波和第三个波时，由于一些寄存器是复位的，所以模式匹配单元126不生成比较模式。当接收到第四个波时，模式匹配单元126生成比较模式“0001”，并确定比较模式“0001”是否与参考模式“0011”相匹配。由于比较模式“0001”与参考模式“0011”不匹配，模式匹配单元126确定还没有接收到超声信号。当接收到第五个波时，模式匹配单元126生成比较模式“0011”，并且确定比较模式“0011”是否与参考模式“0011”匹配。由于比较模式“0011”与参考模式“0011”匹配，模式匹配单元126确定已经接收到超声信号，并且将超声信号接收定时信号(脉冲信号)提供给时间测量单元13。
(3)时间测量单元13的操作 时间测量单元13测量来自红外接收器14的输出信号的正向边沿，即红外信号接收定时脉冲信号的正向边沿，到超声信号接收定时脉冲信号的正向边沿的时间(图6中的t)。时间t对应于从发射设备发射的超声信号的到达时间，即直到由发射设备发射的超声信号到达超声接收器所消耗的时间。
根据上述第一实施例，由于反相相加处理器和接收定时确定电路是数字电路的形式，所以它们能够被容易地集成，这能够使超声接收设备的成本低且尺寸小。此外，能够改变延迟间隔和接收的超声频率，能够以较大的自由度、较小的尺寸和简单的结构来设计超声接收设备。
模式匹配单元126根据模式匹配处理来确定超声信号接收定时。因此，模式匹配单元126对噪声不敏感。下面将描述模式匹配单元126对噪声不敏感的原因。
通常，超声接收器在结构上与麦克风相似。因此，超声接收器易于检测偶发噪声或者宽范围噪声，例如，语音、关门的声音、或者显示器通电时产生的噪声等等。根据当超声信号的幅值超过阈值时确定接收到超声信号的现有处理，如果这些噪声中的任何一种被包含在超声接收器的输出信号中，则甚至当幅值实际上不超过阈值时，幅值也会被错误地确定为超过阈值，并且时间测量单元会错误地操作。根据本实施例，如图6的具体例子所示，对比较模式与参考模式进行比较，以确定超声信号接收定时。如果超声接收器的输出信号包含偶发噪声或者宽范围噪声，那么由于比较模式与参考模式“0011”不匹配，则时间测量单元13不会错误地操作。顺便提及，如果参考模式由“0001”表示，则当超声接收器的输出信号包含偶发噪声时，时间测量单元13可能会错误地操作，并且如果参考模式由“1111”表示，则当超声接收器的输出信号包含宽范围的连续噪声时，时间测量单元13可能会错误地操作。
此外，根据本实施例，反相相加处理器将被反相的接收到的超声信号和从接收到的超声信号延迟了半个相位或者一个相位的超声信号相加，由此除去图1所示的噪声N。因此，能够更精确地确定超声信号接收定时。根据当超声信号的幅值超过阈值时确定接收到超声信号的现有处理，由于没有执行反相相加，所以由于噪声N而难以精确地确定超声信号接收定时。
第二实施例 在根据第一实施例的超声接收设备中，在超声接收器中的接收到的信号电平随超声接收器到发射设备的距离而变化。如果发射设备为在其前端具有超声发射器的杆的形状，则发射设备具有在其后端电平较低的超声信号辐射模式。在该情况中，在超声接收器中接收到的信号电平随着发射设备相对于超声接收器的方向而变化。接收到的信号电平基于距离和方向的变化易于降低由根据第一实施例的超声接收设备中的模式匹配单元126确定的超声信号接收定时的精度，其中第一实施例采用固定值作为阈值。根据第二实施例的超声接收设备采用可动态地变化的阈值，用于增加检测到的超声信号接收定时的精度。
图7以框图形式示出了根据本发明第二实施例的超声接收设备。根据图7所示的第二实施例的超声接收设备与根据图2所示的第一实施例的超声接收设备的不同之处在于用动态阈值设置单元127代替阈值设置单元124。根据第二实施例的超声接收设备除了动态阈值设置单元127之外的其它细节与根据第一实施例的超声接收设备的细节相同，并且下面对其它细节不进行描述。下面将主要描述动态阈值设置单元127的操作。假设模式生成器125生成参考模式“0111”。
图8示出了模式匹配的具体例子，其中阈值是变化的。对于图6所示的具体例子，当接收到第四个波时，如下给出寄存器值#1到#4 寄存器值#1＝N4+P4， 寄存器值#2＝N3+P3， 寄存器值#3＝N2+P2，以及 寄存器值#4＝N1+P1。
此时，动态阈值设置单元127将预置阈值T1(固定值)提供给模式匹配单元126。模式匹配单元126通过对阈值T1和寄存器值#1到#4进行比较来生成比较模式。阈值T1被设置为不受到包含在超声接收器10中的噪声(图1所示的噪声N)影响的最小值。
如果超声接收器10中的接收到的信号电平足够，则由于寄存器值#3“N2+P2”大于阈值T1，所以模式匹配单元126生成比较模式“0111”。由于比较模式“0111”与参考模式“0111”相匹配，所以模式匹配单元126确定已经接收到超声信号，并且将超声信号接收定时信号输出到时间测量单元13。
如果超声接收器10中的接收到的信号电平不足，则由于寄存器值#3“N2+P2”小于阈值T1，所以比较模式与参考模式“0111”不匹配。例如，如果阈值T1小于寄存器值#1“N4+P4”并且大于寄存器值#2“N3+P3”，则生成比较模式“0001”，并且其与参考模式“0111”不匹配。因此，模式匹配单元126确定没有接收到超声信号。
如上所述，如果模式匹配单元126确定没有接收到超声信号，则当接收到第五个波时，动态阈值设置单元127基于在前面的模式匹配周期中即当接收到第四个波时的寄存器值来设置阈值T2。具体地，阈值T2被设置为大于在接收到第四个波时的寄存器值#3“N2+P2”并且小于寄存器值#2“N3+P3”的值。
当接收到第五个波时，如下给出寄存器值#1到#4 寄存器值#1＝N5+P5， 寄存器值#2＝N4+P4， 寄存器值#3＝N3+P3，以及 寄存器值#4＝N2+P2。
模式匹配单元126对这些寄存器值和由动态阈值设置单元127设置的阈值T2进行比较，由此生成比较模式。具体地，由于寄存器值#3“N3+P3”大于阈值T2，所以模式匹配单元126生成比较模式“0111”。由于比较模式“0111”与参考模式“0111”相匹配，所以模式匹配单元126确定已经接收到超声信号，并且将超声信号接收定时信号输出到时间测量单元13。
图9示出了用于确定超声信号接收定时的程序，其由图7所示的模式匹配单元126执行。
如图9所示，在步骤200中，模式匹配单元126从各寄存器123a到123d获取寄存器值，其中寄存器123a到123d已经保持了第一个波到第四个波的幅度的最大值。然后，在步骤201中，模式匹配单元126对获取的寄存器值和由动态阈值设置单元127提供的阈值T1进行比较，并且生成由若干0和若干1构成的4位的比较模式，其中如果寄存器值小于阈值，则产生“0”，如果寄存器值大于阈值，则产生“1”。然后，在步骤202中，模式匹配单元126确定生成的比较模式是否与模式生成器125提供的4位的参考模式相匹配。
如果比较模式与参考模式不匹配，则动态阈值设置单元127将阈值重设到第一个波到第四个波的某一波(此时为第二个波)的幅度的最大值和接着接收到的波(此时为第三个波)的幅度的最大值之间。如此重设的值是图8所示的阈值T2。
然后，在步骤204中，模式匹配单元126从各寄存器123a到123d获取寄存器值，其已经保持了第二个波到第五个波的幅度的最大值。然后，在步骤205中，模式匹配单元126对获取的寄存器值和由动态阈值设置单元127重设的阈值T2进行比较，并生成4位的比较模式。然后，模式匹配单元126对生成的比较模式和从模式生成器125提供的4位参考模式进行比较。此时，比较模式与参考模式成功匹配。然后，在步骤207中，模式匹配单元126确定已经接收到超声信号，并且输出超声信号接收定时信号(脉冲信号)。
在步骤202中，如果比较模式与参考模式匹配，则控制跳到步骤207。
根据图9所示的程序，如果超声接收器10中的接收到的信号电平不足，则在第二比较循环中比较模式成功地与参考模式匹配，并且模式匹配单元126将超声信号接收定时信号提供给时间测量单元13。此时，时间测量单元13以从实际超声信号接收定时偏移一个相位的接收定时来测量超声信号的到达时间。通过对在已经接收到前一红外信号之后由模式匹配单元126保持的寄存器值(幅度值)和当前幅度值进行比较，能够确定超声信号接收定时信号对应于哪个波。超声信号的一个周期的时间间隔是明显的。因此，能够校正到达时间。其原因在于，在下面要描述的电子显示系统中，由用户操作的电子笔的平移和倾斜的变化引起了接收到的超声信号的幅度变化，并且由于生成超声信号的周期，即红外信号接收的周期短于由用户操作电子笔的时间，所以该变化缓慢地发生。因此，在接收到前一红外信号之后和接收到当前的红外信号之后，超声信号的幅度不会显著地增加或者降低。
仅举例示出了上述实施例，而其结构和操作细节可以被修改。例如，可以用图10所示的反相相加处理器11a来代替反相相加处理器11。如图10所示，反相相加处理器11a包括A/D转换器110、3个FIR滤波器116a、116b、116c、选择器117、频率选择控制器118以及加法器119。A/D转换器110将其输出信号提供给加法器119的负输入端，并且还提供到FIR滤波器116a、116b、116c。FIR滤波器116a、116b、116c将各输出信号分别提供到选择器117的第一、第二和第三输入端。基于来自频率选择控制器118的频率选择信号，选择器117选择提供到其第一到第三输入端的信号中的一个，并且将选择的信号输出到加法器119的正输入端。加法器119对来自A/D转换器110的输出信号和来自选择器117的输出信号进行彼此相加。加法器119将其输出和信号提供到图2或者图7所示的接收定时确定电路。
每个FIR滤波器116a、116b、116c具有图10的上部所示的结构。具体地，每个FIR滤波器116a、116b、116c包括n个延迟电路301到30n的串联列、(n+1)个放大器311到31n+1以及n个加法器321到32n的串联列。放大器311到31n+1具有连接到延迟电路301到30n的各输入线的各输入端。放大器31n+1具有连接到延迟电路30n的输出线的输入端。放大器311到31n+1具有分别连接到加法器321到32n的输入端的各输出端。加法器321具有连接到放大器311的输出端的另一输入端。加法器322到32n具有分别连接到前一加法器321到32n-1的输出端的其它输入端。
如上所述构造的反相相加处理器11a以与图2或者图7所示的反相相加处理器11相同的方式操作。反相相加处理器11a示出了具有三个FIR滤波器116a到116c。但是，反相相加处理器11a可以设计为具有更多或者更少的FIR滤波器。
在第二实施例中，参考模式可以是除了“0111”之外的模式。例如，参考模式可以是“0011”。这时，在图8所示的具体例子中，阈值T2被设置为大于第三个波的幅值且小于第四个波的幅值。
阈值T还可以设置为接收到前一红外信号之后的第二个波的幅值和第三个波的幅值之间的中间值。或者说，当生成超声信号接收定时信号时，可以在接收下一红外信号之前准备新阈值T。
下面将描述包括根据本发明的超声接收设备的电子显示系统。
图11以透视图示出了包括根据本发明的超声接收设备的电子显示系统。如图11所示，该电子显示系统包括投影仪81，其具有多个超声接收设备84a、84b、84c；以及电子笔82，用于将诸如字符等信息输入到图像83上，其中图像83被从投影仪81投影到诸如墙壁等结构体80上。
电子笔82在其前端具有用于发射超声信号的超声发射器、用于发射红外信号的红外发射器、以及开关。当电子笔82的前端被按压在结构体80上时，开关被接通。在接通开关的同时，超声发射器和红外发射器开始分别发射超声信号和红外信号。在开关接通的同时，超声发射器和红外发射器分别连续地发射超声信号和红外信号。
每个超声接收器84a、84b、84c包括根据第一实施例或者第二实施例的超声接收设备，并且接收从电子笔82发射的超声信号和红外信号。每个超声接收器84a、84b、84c如图6或者8所示执行模式比较，并且测量来自电子笔82的超声信号的到达时间。测量的结果被提供到投影仪81的处理电路(CPU)，该处理电路基于来自超声接收器84a、84b、84c的测量结果，根据三角测量法，来检测投影图像83上的电子笔82的前端的位置。检测到的电子笔82的前端位置作为标记显示在投影图像83上。
由于电子笔82的超声信号辐射模式的电平在其后端较低，所以每个超声接收器84a、84b、84c优选地包括根据第二实施例的超声接收设备。
图11所示的电子显示系统说明了具有三个超声接收设备。但是，可以期望该电子显示系统具有更多或者更少的超声接收设备，只要它们能够检测出电子笔的位置。
根据本发明的超声接收设备不限于被包括在电子显示系统中，而是可以被包括在各种装置或者系统中的任何一个中，用于测量超声信号的到达时间。
尽管对于基于根据本发明的模式匹配来确定信号接收定时的处理，描述了超声信号，但是该处理也可以应用于普通的声信号(包括超声信号)或者普通的波信号。此外，尽管对于该处理描述了红外信号，但是该处理也可应用于普通的电磁波信号。
在每个实施例中，当比较模式与参考模式完全相互匹配时，确定已经接收到超声信号。但是，可以布置超声接收设备，以便当比较模式和参考模式部分地相互匹配时，确定已经接收到超声信号。
虽然使用具体术语描述了本发明的优选实施例，但是该描述仅是为了说明目的，并且应该理解，在不偏离权利要求的精神或者范围的情况下，可以进行修改和变化。
权利要求
1.一种波接收设备，用于接收具有其幅度随时间消逝而逐渐增加的时间段的波信号，该波接收设备包括
接收器，用于接收波信号；以及
确定单元，用于基于比较模式来确定所述接收器已经成功地接收到所述波信号，其中所述比较模式是作为由所述接收器接收的所述波信号的多个顺序波的各幅值和阈值之间的比较结果而生成的。
2.根据权利要求1的波接收设备，其中所述确定单元包括
移位寄存器，用于顺序地保持所述波信号的各顺序波的幅值，所述移位寄存器包括多个串联连接的寄存器；以及
模式匹配单元，用于基于所述阈值和由所述移位寄存器保持的幅值之间的比较来生成所述比较模式，并且如果生成的比较模式与所述参考模式匹配，则确定所述接收器已经成功地接收到所述波信号。
3.根据权利要求2的波接收设备，其中所述确定单元还包括
动态阈值设置单元，如果所述比较模式与所述参考模式不匹配，则将所述阈值重设到由所述移位寄存器保持的所述各波中的一个波的幅值和由所述移位寄存器保持的所述各波中的下一个波的幅值之间。
4.根据权利要求3的波接收设备，其中各波中的所述一个波包括所述时间段期间由所述接收器接收的各波中的第二个波。
5.根据权利要求1的波接收设备，其中所述波信号包括声信号。
6.根据权利要求1的波接收设备，其中所述波信号包括超声信号。
7.根据权利要求1的波接收设备，还包括
电磁信号接收器，用于接收与来自发射所述波信号的外部发射设备的所述波信号同时发射的电磁信号；以及
时间测量单元，用于测量所述电磁信号接收器已经接收到所述电磁信号之后直到所述确定单元确定所述接收器已经成功地接收到所述波信号的时间段。
8.根据权利要求7的波接收设备，其中所述电磁信号包括红外信号。
9.一种波接收设备，用于接收具有其幅度随时间消逝而逐渐增加的时间段的波信号，该波接收设备包括
接收器，用于接收波信号；以及
确定单元，用于基于比较模式和参考模式之间的比较结果来确定所述接收器已经成功地接收到所述波信号，其中所述比较模式是作为由所述接收器接收的所述波信号的多个顺序波的各幅值和阈值之间的比较结果而生成的。
10.根据权利要求9的波接收设备，其中所述波信号包括声信号。
11.根据权利要求9的波接收设备，其中所述波信号包括超声信号。
12.根据权利要求9的波接收设备，还包括
电磁信号接收器，用于接收与来自发射所述波信号的外部发射设备的所述波信号同时发射的电磁信号；以及
时间测量单元，用于测量所述电磁信号接收器已经接收到所述电磁信号之后直到所述确定单元确定所述接收器已经成功地接收到所述波信号的时间段。
13.根据权利要求12的波接收设备，其中所述电磁信号包括红外信号。
14.一种波接收设备，用于接收具有其幅度随时间消逝而逐渐增加的时间段的波信号，该波接收设备包括
接收器，用于接收波信号；以及
确定单元，用于确定比较模式是否与参考模式匹配，所述比较模式是作为由所述接收器接收的所述波信号的多个顺序波的各幅值和阈值之间的比较结果而生成的，并且如果所述比较模式与所述参考模式匹配，则确定所述接收器已经成功地接收到所述波信号。
15.根据权利要求14的波接收设备，还包括
反相相加处理器，用于对从所述接收器接收并输出的波信号反相的原始信号和从所述波信号延迟半个相位或者一个相位的信号进行彼此相加、产生和信号、并将所述和信号提供给所述确定单元。
16.根据权利要求15的波接收设备，其中所述反相相加处理器和所述确定单元分别包括数字电路。
17.根据权利要求14的波接收设备，其中所述波信号包括声信号。
18.根据权利要求14的波接收设备，其中所述波信号包括超声信号。
19.根据权利要求14的波接收设备，还包括
电磁信号接收器，用于接收与来自发射所述波信号的外部发射设备的所述波信号同时发射的电磁信号；以及
时间测量单元，用于测量所述电磁信号接收器已经接收到所述电磁信号之后直到所述确定单元确定所述接收器已经成功地接收到所述波信号的时间段。
20.根据权利要求19的波接收设备，其中所述电磁信号包括红外信号。
21.一种电子显示系统，包括
投影仪，其具有每一个都是根据权利要求7的多个波接收设备；以及
指示设备，用于发射波信号和电磁信号；
其中每个所述波接收设备基于波接收设备接收到所述波信号和所述电磁信号的各时间，来测量从所述指示设备发射的波信号到达波接收设备的时间段。
22.根据权利要求21的电子显示系统，其中所述电磁信号包括红外信号。
23.一种电子显示系统，包括
投影仪，其具有每一个都是根据权利要求12的多个波接收设备；以及
指示设备，用于发射波信号和电磁信号；
其中每个所述波接收设备基于波接收设备接收所述波信号和所述电磁信号的各时间，来测量从所述指示设备发射的波信号到达波接收设备的时间段。
24.根据权利要求23的电子显示系统，其中所述电磁信号包括红外信号。
25.一种电子显示系统，包括
投影仪，其具有每一个都是根据权利要求19的多个波接收设备；以及
指示设备，用于发射波信号和电磁信号；
其中每个所述波接收设备基于波接收设备接收所述波信号和所述电磁信号的各时间，来测量从所述指示设备发射的波信号到达波接收设备的时间段。
26.根据权利要求25的电子显示系统，其中所述电磁信号包括红外信号。
27.一种确定波接收的方法，包括如下步骤
接收具有其幅度随时间消逝而逐渐增加的时间段的波信号；以及
基于比较模式来确定已经成功地接收到所述波信号，其中所述比较模式是作为接收的所述波信号的多个顺序波的各幅值和阈值之间的比较结果而生成的。
28.一种确定波接收的方法，包括如下步骤
接收具有其幅度随时间消逝而逐渐增加的时间段的波信号；以及
对比较模式和参考模式进行相互比较，所述比较模式是作为接收的所述波信号的多个顺序波的各幅值和阈值之间的比较结果而生成的；以及
基于比较步骤的结果来确定已经成功地接收到所述波信号。
29.一种确定波接收的方法，包括如下步骤
接收具有其幅度随时间消逝而逐渐增加的时间段的波信号；以及
确定比较模式是否与参考模式匹配，所述比较模式是作为接收的所述波信号的多个顺序波的各幅值和阈值之间的比较结果而生成的；以及
如果所述比较模式与所述参考模式匹配，则确定已经成功地接收到所述波信号。
30.根据权利要求29的方法，还包括如下步骤
将所述波信号的各顺序波的幅值顺序地保持在移位寄存器中，其中所述移位寄存器包括多个串联连接的寄存器；以及
基于所述阈值和由所述移位寄存器保持的幅值之间的比较来生成所述比较模式。
31.根据权利要求30的方法，还包括如下步骤
如果所述比较模式与所述参考模式不匹配，则将所述阈值重设到由所述移位寄存器保持的所述各波中的一个波的幅值和由所述移位寄存器保持的所述各波中的下一个波的幅值之间。
32.根据权利要求31的方法，其中各波中的所述一个波包括所述时间段期间接收的各波中的第二个波。
33.根据权利要求27的方法，其中所述波信号包括声信号。
34.根据权利要求28的方法，其中所述波信号包括声信号。
35.根据权利要求29的方法，其中所述波信号包括声信号。
36.根据权利要求27的方法，其中所述波信号包括超声信号。
37.根据权利要求28的方法，其中所述波信号包括超声信号。
38.根据权利要求29的方法，其中所述波信号包括超声信号。
全文摘要
超声接收器接收具有其幅度随时间消逝而逐渐增加的时间段的超声信号。模式匹配单元在超声信号的该时间段期间确定比较模式是否和参考模式匹配，其中比较模式是作为所述波信号的多个顺序波的各最大幅值和由阈值设置单元所设置的阈值之间的比较结果而生成的。如果比较模式和参考模式匹配，则模式匹配单元确定超声接收器已经成功地接收到超声信号。
文档编号G01S11/16GK101201401SQ200710193350
公开日2008年6月18日 申请日期2006年2月27日 优先权日2005年2月25日
发明者铃木健二, 小林博之, 村山修司, 稻本贤司 申请人:Nec显示器解决方案株式会社