专利名称：超声波定位记录板书的板书系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于用于板书记录的设备，特别涉及一种利用超声波定位记录板书的板书系统。
背景技术：
公司开会或技术交流时需要能够记录板书的白板；教室授课也需要能够帮助学生免掉抄板书的白板；医院讨论病历也用得着能够记录板书的白板。方便的白板将为讨论、交流、授课带来极大的方便，其方便性主要在于可以免掉抄写板书内容之辛苦。目前市场上提供的白板产品还是以压感探测为主，同时其内部还自带一个昂贵的复印装置，整个成本价格过高很不易普及。另一方面，复印的方式也未必是最好保存方式。
超声波是指频率在20KHz以上，人耳不能激起正常听觉反应的机械振动波。超声波在介质中传播时产生稀疏层交替的弹性波形，沿直线方向传播。在利用超声波定位方面，名称为“平面内特定物体位置参数超声传感装置”的98248471号中国专利公开了一种利用超声波定位的传感装置。该超声传感装置应用于计算机多媒体技术，它利用了超声波直接传播的属性，采用同步计时方法，从超声波发射时刻开始计时同步，对从传播到接收时间进行直接计时。事实上，高频超声波在空气中传播时能量衰减比较严重，这样对精度和检测回波不利。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种新型的利用超声波定位的板书记录设备。利用这种板书记录设备，人们可以方便地将板书内容直接保存于计算机等信息存储设备，而不必再誊写板书内容。
为了解决本实用新型的技术问题，本申请人充分利用了超声波在介质表面传播和遇界面反射等基本传播原理，以参考计时的方式进行笔迹定位和跟踪。
所谓“参考计时”，其原理在于，不是直接计量超声波由A点到达B点的时间，而是计量超声波从A点经过不同路径到达B点的时间差。比如(1)可以用超声波由A点经过平面边缘反射再到达B点的时间，与超声波由A点直接经平面上表面波激励传播到达B点的时间进行参照；(2)可以用超声波由A点经空气直接传播到达B点的时间，与超声波由A点经平面上表面波激励传播到达B点的时间进行参照；(3)还可以用平面上表面波激励传播时横波、纵波分别由A点到达B点的时间相互参照。显然，在参考计时原理下，有多种具体计时方式，而不限于这里所述的三种。
本实用新型设计的板书系统包括超声波板书笔、超声波接收处理装置和后台信息处理装置。
超声波板书笔的特征是用超声波换能器来发射超声波。超声波板书笔由笔形外壳、置于外壳内的印刷电路和电源构成。在笔尖附近的外壳上设有超声波发射孔。印刷电路由超声波发射电路以及超声波换能发射组成。超声波发射电路以及超声波换能发射组成完成超声波发射功能。工作时，借按下笔尖动作，接通超声波发射电路，超声波从超声波发射孔射出。
超声波接收处理装置通过检测超声波和超声波的反射波，测定它们的相互参照时间，经计算定位出超声波板书笔笔尖位置。超声波接收处理装置的特征是超声波换能器接收检测超声波板书笔发来的信息，进行数据处理和转换，按一定的数据格式向外发送数据。
超声波接收处理装置的电路模块包含以下几个部分(1)超声波接收模块；(2)超声波检测放大模块；(3)内部专用运算器模块；(4)内部编码模块；(5)接口电路模块。
其中，超声波接收模块由超声波换能器构成，一个超声波接收处理装置至少包含相隔一定距离的两个超声波换能器。超声波接收模块至少两路接收超声波板书笔发射的超声波信号，将其转化为电信号，并将它送给超声波检测放大模块。超声波检测放大模块接收超声波接收模块送来的电信号，将其放大，由内部控制电路输出两个基于参考计时原理得出的参考时间值。内部专用运算器模块量化参考时间值，快速完成笔尖位置坐标值的计算。内部编码模块负责将笔尖位置坐标值按照编码数据格式进行编码，送给接口电路模块。接口电路模块通过USB或RS232串口实现超声波接收处理装置与后台信息处理装置之间的连接。如果选择微处理器自带USB或RS232串口接口信号引脚，则接口电路模块可以并入内部编码模块。超声波接收处理装置也可以不包含内部专用运算器模块，而将该部分运算交给外部运算装置来处理，如由后台信息处理装置内部CPU来完成计算。此时，内部编码模块的编码对象不再是笔尖位置坐标值，而是参考时间值。
后台信息处理装置可以是公知计算机，或者是经过改装的专用计算机。后台信息处理装置根据超声波接收处理装置提供的笔尖坐标值完成记录板书笔笔迹任务。在超声波接收处理装置内部电路不含专用运算器模块时，后台信息处理装置首先根据超声波接收处理装置提供的参考时间值计算出笔尖坐标值，然后完成记录板书笔笔迹任务。
超声波板书笔和超声波接收处理装置之间没有物理连接。超声波接收处理装置和后台信息处理装置之间的连接可以选用多种的连接线，如RS_232连接线或者USB连接线等。
本实用新型的板书系统利用超声波定位原理，将板书笔迹转换成电信号，可以由计算机等信息处理设备直接处理，从而可以避免使用昂贵的复印装置。在超声波定位方面，本实用新型采用了先进的参考计时方式，有别于现有的同步计时方式，有利于检测回波和提高精度。
为了解决本实用新型的技术问题，本申请人还设计出了另外一套技术方案，即由板书笔、超声波收发处理装置和后台信息处理装置构成的板书系统。其中计时方式具有同步计时的特征，按照下面两个步骤进行计时(1)超声波收发处理装置中的超声波换能器发射超声波，同时启动计时；(2)超声波传播到超声波反射器，即板书笔，所形成的多路反射，分别传播到超声波收发处理装置中的超声波接收点，记录接收点的超声波传播到达时间。
板书笔用于书写板书和反射超声波，可以是普通白板笔、黑板粉笔或者其他满足要求的笔。超声波收发处理装置内至少包含相隔一定距离的三个超声波换能器，其中一个超声波换能器用于发射超声波，其他超声波换能器用于接收超声波。除了收发超声波之外，超声波收发处理装置还具有信号处理能力，通过内部电路模块向后台信息处理装置提供板书笔笔尖位置坐标值或者时间值。内部电路模块与第一套技术方案中的超声波接收处理装置的电路模块基本相同，只是多了一个相对独立的超声波发射电路模块。
后台信息处理装置与第一套技术方案中的后台信息处理装置没有区别，而且也通过RS 232连接线或者USB连接线与超声波收发处理装置连接。
考虑到有些情况下，要求的白板很宽，可以根据宽度需要增加超声波接收的超声波换能器件，电路上可以各自保持相对独立，各独立定位单元分别以USB连接共享PC端USB接口，也可以在超声波收发处理装置中加以处理。此时软件也需要调整。
以下结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1为方案一中利用超声波测试定位原理图。
图2为方案二中利用超声波测试定位原理图。
图3为具有多个超声波接收点的超声波测试定位原理图。
图4为超声波板书笔外部结构图。
图5为超声波接收处理装置的内部包含X、Y值计算模块的电路模块图。
图6为超声波接收处理装置的内部不包含X、Y值计算模块的电路模块图。
图7为方案一的板书系统使用示意图。
图8为方案一的板书系统在远程白板教学中的应用示意图。
具体实施方式
图1为方案一中利用超声波测试定位原理图。图中，O点和S点是超声波接收点；P点是发射超声波并被测试定位的超声波板书笔位置。坐标原点0和O点是关于左边缘的对称点，此对称点之间长度为2a，Q点和S点是关于右边缘的对称点，此对称点之间长度为2b，O点和S点之间长度为1。
基于参考计时原理，利用平面上被激励表面波传播计时，和同一介质表面波在边缘反射参考计时，可以建立求解超声波板书笔笔尖位置坐标的方程。因为超声波在固体介质中的吸收系数比较小，这种选择方法对检测回波有利，有助于提高定位精度。具体应用参见图1，超声波板书笔在P点发射超声波信号，在表面激励表面超声波。由超声波接收处理器记录P点到O点以及P点到S点的表面超声波传播时间to1，ts1，同时记录此表面超声波在P点经过纸张或者LCD或者其他测试平面的边缘边界反射到O点以及在P点经过纸张或者LCD或者其他测试平面的边缘边界反射到S点的传播时间to2，ts2，这一过程中的时间间隔的测量要发出计时同步才可以做到测量4个时间间隔ts1，ts2，to1，to2，但是用以上4个事件的时间彼此进行参照，例如P点经过边缘边界反射到S点的到达时间ts2与P点到S点到达时间ts1相互参照，P点经过边缘边界反射到O点的到达时间to2与P点到O点到达时间to1相互参照，可以得到(5)、(6)表达式。(5)、(6)表达式中Δts和Δto是可以测量的，从而可以绕开同步计时问题。而且有了这两个表达式就可以解出方程，最终确定超声波板书笔的笔尖位置。随着超声波板书笔笔尖的移动，并在此过程中让超声波板书笔同时发射超声波，依旧重复上述过程，求出超声波板书笔笔尖移动中的所有位置。
参见图1，平面上激励表面波后，基于超声波在介质中传播原理，分别得到P点到O点以及P点到S点的传播时间 (x、y为变量，a、b、l、c介质为常量，c介质是超声波在相应介质中的波速)平面上激励表面波后，基于超声波在介质边界反射原理，同一表面超声波最早到达的O点和S点反射波的传播时间分别是 利用(3)-(1)和(4)-(2)得到(5)和(6)表达式，Δts和Δto符号为正，因为反射时间大于直射传播时间。
Δts＝ts2-ts1(5)Δto＝to2-to1(6)
将(1)至(4)式代入(5)、(6)式整理得到(7)、(8)式。
令u2＝x2+y2，其中u＞0，Δtsc介质＝β，Δtoc介质＝λ，带入(8)整理得到u=λ2-4a22λ+2aλx=ω+μx---(9)]]>(μ2-4b2β2)x2+{2ωμ-4a-2l+2bβ2[4(2a+b+l)b-β2]}x+{ω2+(2a+l)2]]>-14β2[4(2a+b+l)b-β2]2}=0.......(10)]]>Ax2+Bx+C＝0……………………………………………………(10)其中ω=λ2-4a22λ,μ=2aλ]]>A=(μ2-4b2β2)]]>B={2ωμ-4a-2l+2bβ2[4(2a+b+l)b-β2]}]]>C={ω2+(2a+l)2-14β2[4(2a+b+l)b-β2]2}]]>最后将小于0的解舍去，得到x=-B+B2-4AC2A---(11)]]>y=(ω+μx)2-x2---(12)]]>上面得到的(11)、(12)表达式完全给出超声波板书笔笔尖的定位运算。
同样基于参考计时原理，还可以利用平面上被激励表面波传播计时，和利用空气中超声波传播为参考，建立求解超声波板书笔笔尖位置坐标的方程。具体应用参见图1，超声波板书笔在P点发射超声波信号，在表面激励表面超声波，超声波接收处理器记录P点到O点以及P点到S点的表面超声波传播时间to1，ts1，同时记录此表面超声波从P点经过空气传播到O点以及S点的传播时间to2，ts2。这一过程中的时间间隔的测量要发出计时同步才可以做到测量4个时间间隔ts1，ts2，to1，to2，但是用以上4个事件的时间彼此进行参照，例如P点经过空气传播到S点的到达时间ts2与P点到S点到达时间ts1相互参照，P点经过空气传播到O点的到达时间to2与P点到O点到达时间to1相互参照，可以得到(5)、(6)表达式。(5)、(6)表达式中Δts和Δto是可以测量的，列出方程进行求解，从而确定超声波板书笔的笔尖位置。随着超声波板书笔笔尖的移动，此过程中超声波板书笔同时发射超声波，依旧重复上述过程，求出超声波板书笔笔尖移动中的所有位置。
平面上激励表面波后，基于超声波在介质中传播原理，得到P点到O点以及P点到S点的传播时间 此同一超声波基于超声波在空气介质传播原理，到达的O点和S点超声波的传播时间分别为 利用(13)-(1)和(14)-(2)得到(5)和(6)表达式，Δts和Δto符号为正，因为超声波在固体介质中的传播速度比在空气中传播快。
Δts＝ts2-ts1(5)Δto＝to2-to1(6)将(1)、(2)、(13)、(14)式代入(5)、(6)式整理得到(15)、(16)式 令 解(15)(16)得到x=l2+ζ2-χ22l+2a---(17)]]>y=ζ2-(l2+ζ2-χ22l)2---(18)]]>上面得到的(17)、(18)表达式完全给出超声波板书笔笔尖的定位运算。
本实用新型方案一中的超声波板书笔可以采用图4所示的外部结构，由笔尖1、笔尖1附近的超声波发射孔2、笔身3和笔帽4构成。在超声波板书笔的笔形外壳内部，装有印刷电路和电源。印刷电路由超声波发射电路以及超声波换能发射组成。超声波发射电路以及超声波换能发射组成完成超声波发射功能。工作时，按下笔尖可接通超声波发射电路，超声波从超声波发射孔射出。
如图5所示，本实用新型方案一中的超声波接收处理装置的电路模块包含超声波接收模块、超声波检测放大模块、内部专用运算器模块、内部编码模块和接口电路模块。其中，超声波接收模块由超声波换能器构成，包含相隔一定距离的两个超声波换能器。超声波接收模块两路接收超声波板书笔发射的超声波信号，将其转化为电信号，并将它送给超声波检测放大模块。超声波检测放大模块接收超声波接收模块送来的电信号，将其放大，由内部控制电路分别输出Δto值和Δts值，内部专用运算器模块量化Δto值和Δts值，依照(11)、(12)表达式或者(17)、(18)表达式快速完成笔尖位置坐标X、Y值的计算。内部编码模块负责将笔尖位置坐标X、Y值按照编码数据格式进行编码，送给接口电路模块。接口电路模块，完成USB或RS232串口物理连接的电平兼容，最后连接到后台信息处理装置上。如果选择微处理器自带USB或/和RS232串口接口信号引脚，则接口电路模块可以并入内部编码模块。
超声波接收处理装置也可以不包含内部专用运算器模块，而将该部分运算交给后台信息处理装置来处理，如由计算机内部CPU来完成计算。如图6所示，超声波接收处理装置的电路模块包含超声波接收模块、超声波检测放大模块、内部编码模块和接口电路模块。此时，内部编码模块负责将Δto值和Δts值按照编码数据格式进行编码，送给接口电路模块，再通过USB或者RS232串口交由计算机内部CPU完成计算。
图2为方案二中利用超声波测试定位原理图。超声波收发处理装置中的超声波发射在O点发射超声波信号，由超声波收发处理装置中的接收处理器记录S1点和S2点到达的反射超声波传播时间，由(19)、(20)这两个表达式就可以解出方程，通过最终求解方程定位出超声波反射器位置(22)、(23)表达式。随着超声波反射器的移动，在此过程中超声波反射器不断反射超声波，依旧重复上述计时过程，求出超声波反射器移动过程中的所有位置。(22)、(23)表达式的计算可以不由超声波收发处理装置完成，只将(19)、(20)通过USB线或者RS232线送出给后台信息处理装置，最后由其内部CPU完成计算；也可以由超声波收发处理装置中的计算处理芯片完成，只将X、Y值通过USB线或者RS232线送出给后台信息处理装置。
在O点发射超声波信号后，基于超声波在空气介质中传播原理，得到O点经过反射点P到S1以及S2的传播时间(其中c为超声波分别在空气介质中的传播速度)ts1c=y2+x2+y2+(a-x)2---(19)]]>ts2c=y2+(2a-x)2+y2+(a-x)2---(20)]]>
令u=y2+(a-x)2]]>解上述方程，得到u=ts12c2+ts22c2-2a22c(ts1+ts2)---(21)]]>x=ts12c2+a2-2ts1cu2a=ts12c2+a22a-ts1cau---(22)]]>将(22)和(21)带回u=y2+(a-x)2]]>得到y=±u2-(a-x)2.]]>但是考虑到y为正，舍去负解，最后得到y=u2-(a-x)2---(23)]]>如图3所示，在白板很宽的情况下，例如方案一，可以根据宽度需要增加超声波接收的超声波换能器件。图中S1、S2、……、Sn为超声波接收点，其与超声波发射点O点的距离分别为a1、a2、……、an。电路上按顺序排列两个两个一组，和对应的超声波检测放大模块、内部专用运算器模块、内部编码模块、接口电路模块组成独立定位单元，各单元采用USB连线共享PC端USB接口。
图7为本实用新型板书系统使用示意图。图中，5为白板，6为超声波接收处理装置，7为超声波板书笔，8为连接线，9为后台信息处理装置。
在记录板书基础上，利用IP网络，在原有软件上增加计算机白板功能，就可以将教师白板板书传给网络远端学生，如图8所示。其软件实现步骤为CPU得到超声波板书笔笔尖位置值后，一方面负责不断实时地在计算机或专用设备上记录书写笔迹，另一方面，负责同时不断将此得到超声波板书笔笔尖位置值，按照约定的内部白板协议，例如通过定义各种消息，定义各消息的数据结构，定义各消息总的字节长度，定义X、Y分别的字节长度，当前手写页定义表示，更新页定义表示，前反页定义，后翻页定义，高字节对齐还是低字节对齐，等等，形成准备发送的数据，将这些数据封装IP包中发送给远端的计算机等，远端计算机收到这些IP包后，取出封装在IP包中的数据，对数据进行按照约定协议进行解释，并按照协议解释，驱动VGA等显示。远端计算机不断接收发来的数据，最终完成笔迹的远端显示，即完成基本远程白板应用过程的一种过程。其他过程还有例如，远端要求修改等，共同完成远程教学过程。
权利要求1.一种超声波定位记录板书的板书系统，其特征在于包括超声波板书笔、超声波接收处理装置和后台信息处理装置；超声波板书笔用于发射超声波和书写板书，由笔形外壳、置于外壳内的印刷电路和电源构成，在笔尖附近的外壳上设有超声波发射孔，印刷电路由超声波发射电路以及超声波换能发射组成，按下笔尖可接通超声波发射电路，超声波从超声波发射孔射出；超声波接收处理装置用于接收超声波及其后的处理，其电路模块包含超声波接收模块、超声波检测放大模块、内部专用运算器模块、内部编码模块和接口电路模块；超声波接收模块包含相隔一定距离的两个超声波换能器，超声波接收模块两路接收超声波板书笔发射的超声波信号，将其转化为电信号，并将它送给超声波检测放大模块，超声波检测放大模块接收超声波接收模块送来的电信号，将其放大，由内部控制电路输出两个基于参考计时原理得出的参考时间值Δts和Δto给内部专用运算器模块，内部专用运算器模块量化参考时间值，快速完成笔尖位置坐标值的计算，内部编码模块负责将内部专用运算器模块送来的笔尖位置坐标值按照编码数据格式进行编码，送给接口电路模块，接口电路模块通过USB或RS232串口实现超声波接收处理装置与后台信息处理装置之间的连接；后台信息处理装置根据超声波接收处理装置提供的笔尖坐标值完成记录板书笔笔迹，它可以是公知计算机，或者是经过改装的专用计算机。
2.根据权利要求1所述的板书系统，其特征在于所述Δts为表面超声波由发射点(P)经边缘边界反射到第一接收点(S)的时间与表面超声波由发射点(P)直接传播到第一接收点(S)的时间之差，所述Δto为表面超声波由发射点(P)经边缘边界反射到第二接收点(O)的时间与表面超声波由发射点(P)直接传播到第二接收点(O)的时间之差。
3.根据权利要求1所述的板书系统，其特征在于所述Δts为超声波由发射点(P)经空气直接传播到达第一接收点(S)的时间与超声波由发射点(P)经激励平面上表面波传播到达第一接收点(S)的时间之差，所述Δto为超声波由发射点(P)经空气直接传播到达第二接收点(O)的时间与超声波由发射点(P)经激励平面上表面波传播到达第二接收点(O)的时间之差。
4.根据权利要求1或2所述的板书系统，其特征在于超声波接收处理装置的电路模块包含超声波接收模块、超声波检测放大模块、内部编码模块和接口电路模块；超声波接收模块包含相隔一定距离的两个超声波换能器，超声波接收模块两路接收超声波板书笔发射的超声波信号，将其转化为电信号，并将它送给超声波检测放大模块，超声波检测放大模块接收超声波接收模块送来的电信号，将其放大，由内部控制电路输出两个基于参考计时原理得出的参考时间值Δts和Δto给内部编码模块，内部编码模块负责将Δts和Δto按照编码数据格式进行编码，送给接口电路模块，接口电路模块通过USB或RS232串口实现超声波接收处理装置与后台信息处理装置之间的连接；后台信息处理装置根据超声波接收处理装置提供的参考时间值Δts和Δto，首先计算出超声波板书笔的笔尖位置坐标，然后根据笔尖位置坐标值完成记录板书笔笔迹，它可以是公知计算机，或者是经过改装的专用计算机。
5.根据权利要求3所述的板书系统，其特征在于超声波接收处理装置的电路模块包含超声波接收模块、超声波检测放大模块、内部编码模块和接口电路模块；超声波接收模块包含相隔一定距离的两个超声波换能器，超声波接收模块两路接收超声波板书笔发射的超声波信号，将其转化为电信号，并将它送给超声波检测放大模块，超声波检测放大模块接收超声波接收模块送来的电信号，将其放大，由内部控制电路输出两个基于参考计时原理得出的参考时间值Δts和Δto给内部编码模块，内部编码模块负责将Δts和Δto按照编码数据格式进行编码，送给接口电路模块，接口电路模块通过USB或RS232串口实现超声波接收处理装置与后台信息处理装置之间的连接；后台信息处理装置根据超声波接收处理装置提供的参考时间值Δts和Δto，首先计算出超声波板书笔的笔尖位置坐标，然后根据笔尖位置坐标值完成记录板书笔笔迹，它可以是公知计算机，或者是经过改装的专用计算机。
6.根据权利要求1、2、3和5中任意一项所述的板书系统，其特征在于超声波接收处理装置的内部编码模块的微处理器自带有USB和RS232串口接口信号引脚，从而省略了超声波接收处理装置的接口电路模块。
7.根据权利要求4所述的板书系统，其特征在于超声波接收处理装置的内部编码模块的微处理器自带有USB和RS232串口接口信号引脚，从而省略了超声波接收处理装置的接口电路模块。
8.根据权利要求1、2、3和5中任意一项所述的板书系统，其特征在于超声波接收处理装置内包括多个接收超声波的超声波换能器件，电路上按顺序排列两个两个一组，组成独立定位单元，各单元采用USB连线共享计算机端USB接口。
9.根据权利要求6所述的板书系统，其特征在于超声波接收处理装置内包括多个接收超声波的超声波换能器件，电路上按顺序排列两个两个一组，组成独立定位单元，各单元采用USB连线共享计算机端USB接口。
专利摘要本实用新型公开了一种超声波定位记录板书的板书系统，包括超声波板书笔、超声波接收处理装置和后台信息处理装置。超声波板书笔用于发射超声波和书写板书，由笔形外壳、置于外壳内的印刷电路和电源构成；超声波接收处理装置用于接收超声波及其后的处理，其电路模块包含超声波接收模块、超声波检测放大模块、内部编码模块和接口电路模块等；后台信息处理装置根据超声波接收处理装置提供的笔尖坐标值完成记录板书笔笔迹。本板书系统利用超声波定位原理，将板书笔迹转换成电信号，可由计算机等信息处理设备直接处理，从而避免使用了昂贵的复印装置。本实用新型采用了先进的参考计时方式定位，有利于检测回波和提高精度。
文档编号G06F3/00GK2630929SQ0326471
公开日2004年8月4日 申请日期2003年6月20日 优先权日2003年6月20日
发明者刘习杰 申请人:刘习杰