光标精确定位教学激光笔

刘泽浩　李春贺　冯志远　李同庆　贾东坡

引言：激光精确定位系统在教学、演讲等人机交互比较强的场合有非常好的应用，极大的方便了使用人群，在整个讲演的过程中，系统可以远程对界面进行操控，具体可以完成上下翻页，定点单击、双击事件，轨迹绘制等动作。系统硬件部分主要由发射器和接收器组成，手持部分为发射器，该部分集成无线通信与激光笔功能，无线通信功能可以使使用人员远距离控制，通过不同的按键来实现PPT的翻页，轨迹绘制，无线鼠标功能。

一、引言

随着电脑的普及以及教学条件的提高，计算机与投影仪在中学与大学等各种教学场所以及宣讲场所大量使用，人们对投影仪与人的交互提出了更高的要求，现阶段无线技术日益成熟与成本的降低为人们远距离操纵电脑提供了可能，无线激光笔的产生为人们带来了极大的方便，人们可以完成一些简单的操作，譬如简单的单击操作、双击操作和滚轮操作，带有激光笔还可以用作简易教鞭使用。但是，这种工具并不能完全完成人们对于电脑的远距离操纵。现在随着摄像技术的提高，我们完全可以利用摄像技术完成对激光束的精确定位，识别激光束所照的位置从而完成激光笔对光标的导向与定位。

二、图像采集系统的设计

在采集到图像的同时，除了要进行激光点的数据分析之外还要完成坐标的矫正与屏幕四边的校正，图像的分析是定位的关键。在图像的分析过程中，基本的软件分析对于电脑是一个巨大的负担，而且在配置相对比较高的情况下复杂的算法仍旧耗费较长的时间，最简洁的分析算法耗时也在100ms以上，也就是每秒的定位刷新频率在10帧以下，这样在画笔使用过程中会有非常明显的滞后，实验效果非常不好。在对室内光线具体波长含量与能量的分析后，我们对进入摄像头的的光线进行充分的处理，这样虽然在硬件上费了一些工夫，但是给分析带来了巨大的方便。还有由于摄像头的摆放位置不可能正对投影仪的幕布，这就在摄像头本身畸形的基础上带来了另外一个问题，就是怎样才能使一个不规则的图像幕布点的位置对应到电脑的矩形位置？经过查阅资料，我们采用图像处理中的二维映射定理进行处理，最后基本完成了亮点的坐标到屏幕坐标的比例转化，定位效果偏差并不是特别大，最终处理结果精度可以接受。这样我们就可以先由STM32F103读取AL422B中图像，再由USB设备发送到PC端，PC端软件提醒操作者手动定位，完成定位后，系统开始定位模式，由CPLD分析出的坐标先存储到CY7C4225型号FIFO中[2]，再由STM32F103读出坐标经由无线发送到PC端，最终软件获取到坐标后调用WINDOWS移动鼠标的API函数，完成单击双击操作。

三、基于nRF24L01的无线数据采集系统设计

在数据采集系统的实际调试和结论分析过程中，需要大量的实验数据才能得到正确且全面的结论。这就需要一个数据采集系统可以实时、准确的采集到相应的参数，最后发现无线数据采集系统可以满足这一要求，其相比于一般的数据采集系统在硬件方面得到很大程度的简化而且使用可靠性更高。在本系统中无线能够替代电缆完成数据的传输，这样既能够保证数据的准确性又能够节省线缆，还能降低硬件的成本。在此所使用的无线模块一共在三处完成了数据传输，PC端的数据接收，激光笔部分的指令发送还有的就是摄像头图像分析部分的坐标数据发送。另外，为保证数据两端向一端发送时数据不混乱，我们采用数据字头编码，这样经实际操作检验数据可靠，不会发生指令的错误操作，而且和多频道的数据发送比较更加简洁，节省时间。选用的无线发送接收模块是平常较熟悉的nRF24L01无线模块，nRF24L01是由NORDIC生产的工作在2.4GHz到2.5GHz的ISM 频段的单片无线收发器芯片。无线收发器包括：频率发生器、增强型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器。输出功率频道选择和协议的设置可以通过SPI 接口进行设置。几乎可以连接到各种单片机芯片，并完成无线数据传送工作。极低的电流消耗：当工作在发射模式下发射功率为0dBm时电流消耗为11.3mA，接收模式时为12.3mA，掉电模式和待机模式下电流消耗更低。最终无线数据采集系统将数据经stm32单片机转化处理为数字量，通过nRF24L01发送端将数字量发送给nRF24L01接收端。nRF24L01接收端接收到数据后与上位机通信，上位机将数据经再处理后进行显示、保存等，这样实现无线数据采集系统的功能。

四、stm32f103中usb的使用

经过几款单片机的比较，最终选择stm32f103C8T6这款单片机，这款芯片具有较高的性能，较低的价格，48个引脚已经能够满足需要，集成的usb通讯模块带来了极大的方便，尤其在较高的通讯速度方面，支持低速与全速的usb协议通讯。考虑到开发难度方面，最终使用了usb的两种通讯方式，一种是CDC类的虚拟串口，另一种是HID的人机设备类[3]，在usb的坐标接收端，通讯量比较小的地方采用了HID类这样的不需要专门安装驱动的usb协议通讯，与键盘和鼠标一类，最大速度为64kb/s；虚拟串口的速度比较快但是使用比较麻烦，需要下载驱动安装，不过st公司提供了驱动，使用起来数据传输速度快很多，但usb协议在实现上比较麻烦，比较繁琐，不过考虑终究只是协议而已，所以只要去按照协议写就比较好了[4]。

五、总结

本课题的研究取得了一定的结果，对今后开发电子产品提供了一定的参考，但是由于本人专业水平有限且时间仓促，及试验条件受限，研究中难免存在一些不完善之处。今后在本课题研究的工作基础上，可以在以下几方面继续研究：希望能够提高识别精度；缩小pcb的面积，提高pcb的稳定性；提高图像的分析频率，使流畅性更好；对软件进一步开发，使软件有更多的功能。

参考文献

[1]赵国立.基于激光笔交互的光笔手绘技术研究[J].2012.

[2]潘松，黄继业.《EDA技术与VHDL》[M].清华大学出版社.2005.

[3]薛园园，赵建领.《USB应用开发宝典》[M].人民邮电出版社.2011.

[4]刘荣.《圈圈教你玩usb》[M].北京航空航天大学出版社.2009.

（作者单位：河北大学）