电磁感应式电子白板传感器的设计

李海振，王宝军

(1．黑龙江科技大学 机械工程学院，哈尔滨150022; 2．黑龙江科技大学 黑龙江科大科技开发有限公司，哈尔滨150022)

电磁感应式电子白板传感器的设计

李海振1，王宝军2

(1．黑龙江科技大学 机械工程学院，哈尔滨150022; 2．黑龙江科技大学 黑龙江科大科技开发有限公司，哈尔滨150022)

为了完善电子白板的性能，达到降低生产及售后成本的目的，设计一款基于电磁感应原理的电子白板传感器。传感器根据线性关系进行计算，改善原有电子白板画出的线条不直、不连续等问题。采用多环路绕线规则替代原有的单环路绕线规则，系统扫描芯片数量降低85%、传感器焊点数量降低94%。电磁感应式电子白板传感器设计实现了板卡分离，极大地降低了生产及售后成本。

电子白板；绕线规则；定位算法

0 引 言

交互式电子白板是具有人机交互功能的计算机输入设备。它与投影机、计算机联机使用，在电子白板软件支持下，构造出交互式演示讲解环境。在白板上可随意操作计算机，进行单击、双击、右击、拖放等操作，并可以在投射到白板上的画面进行任意书写和勾画。电磁感应式电子白板定位精度高、响应速度快、操作灵敏，已成为市场的主流产品[1-3]。以往的定位算法中，以经验值代入进行定位计算。由于不同的电子白板之间存在参数偏差，经验值算法无法修复这些偏差，使用中会出现断线和跳变等现象。同时系统芯片、焊点较多，增加了系统的生产及售后成本。为解决这些问题，在传感器设计时，实现电子白板的工作区间由x、y轴线圈的线性区间组成，依据线性关系进行定位计算。同时采用多环路绕线规则替代原有的单环路绕线规则，降低系统扫描芯片和传感器焊点数量，实现板卡分离。

1 定位原理

电磁感应式电子白板的板体内，沿x、y轴方向排列着一定数量的接收线圈，构成电子白板的传感器。电磁笔作为系统的信号源，电磁笔前端的螺线管发射一定频率的电磁波，当电磁笔靠近接收线圈时，根据电磁感应定律，线圈上会产生感应电动势。电磁笔落在哪个线圈中，那么该线圈感应到的电动势最大[4]。分别对x、y轴方向线圈进行数据采集，并将线圈U值进行比较，得到U值最大的线圈号xmax、ymax，电子笔一定落在xmax和ymax相交区间内。这样就可以得到电子笔的大体坐标位置。然后通过算法将该区域进行细分，得到较高的定位精度，实现电子白板精确书写[5]。电磁感应式电子白板定位原理如图1所示。

图1 电磁感应式电子白板定位示意Fig.1 Schematic diagram of positioning for electromagnetic whiteboard

2 传感器设计

设计电磁感应式电子白板的传感器时，应保证电子白板的工作区间由x、y轴线圈的线性区间组成。线圈的线性区间是指电子笔相对线圈的位移与线圈上的感应电压存在线性关系的区间。工作时，电子笔应落在线圈的线性区间内。依据线性关系进行计算，可以弥补原有算法的不足，提高定位精度。

2.1 线性区间确定

在螺线管长度远大于螺线管直径的情况下，螺线管内的磁场是分布均匀的[6]。在一定区间内，传感器线圈上产生感应电动势E与螺线管相对线圈的位置存在线性关系。

E=n·Δφ/Δt,

式中：E——感应电动势；

n——感应线圈匝数；

Δφ——磁通量的变化率。

由于电子笔内的螺线管长度较短，且与感应线圈为松耦合，公式推导较为困难。因此，通过线性区间测试实验，获得线圈上电动势的值与电磁笔所在位置的对应关系。

线性区间测试实验结构如图2所示，将直径1 cm持续发射250 kHz的电磁波的磁环，以0.1 mm的步径沿x轴方向逐步通过宽度为2 cm矩形线圈，记录对应于不同位置的线圈上感应电压的峰值。

图2 线性区间测试实验Fig.2 Schematic diagram of linear interval test

实验数据对应的曲线如图3所示，横坐标对应磁环中心相对线圈x轴的位置，纵坐标对应不同位置时线圈上感应电压的峰值。

通过实验数据得到以下结论：磁环的中心由A点运动到B点时线圈上感应电动势E近似线性增加，由C点到D点感应电动势E近似线性下降。

根据实验结论可知图4a中线圈L1的区间1、3为线性区间，磁环落在该区间内时，可通过算法计算出电子笔相对线圈的偏移量，从而实现定位。但区间 2为非线性区间，磁环落在该区间内时，无法通过计算实现定位。

图3 磁环位移与线圈感应电压间对应关系Fig.3 Relationship between magnetic induction voltage and displacement

在L1的中心向前后各加线圈L2、L3，效果如图4b所示，线圈L1被分为四个区间，区间1、4由前可知为L1的线性区间。区间2在线圈L1中为非线性区间，而在线圈L2中为线性区间。同理，区间3在线圈L1中为非线性区间，而在线圈L3中为线性区间。实现磁环在线圈L1内时，一直处在线性区间内。

a 局部线性区间 b 完全线性区间

2.2 单环路线圈绕线规则

在x、y轴方向，以间距1 cm绕制直径2 cm的矩形线圈，并依次对线圈标号，效果如图5所示。纵横排布的线圈构成一个个方形的小格，此小格是x轴方向两个线圈、y轴方向两个线圈分别交叉围出的空间，间距为磁环的直径，由实验结论可知，此区间为线性区间。电子笔在白板板面上触及的任何一点均会落在x、y轴方向的两个线圈组围成的线性区间内。

该绕线方案在推广应用后，存在故障率高、售后困难等问题。以82寸电磁感应式电子白板传感器为例，有线圈300个，焊点600个，而且此类焊接只能工人手工焊接，缺焊、虚焊现象较多，严重影响产品质量。在电子白板内部x、y轴的一侧需要安装电路板，用以布置扫描电路和线圈焊点[7-8]。这样的结构不利于产品的后期维护，因为无法现场更换扫描电路板，需要将整块电子白板运回厂家维修，电子白板体积较大，运输成本高、周期较长[9]。

图5 绕线Fig.5 Winding wire

2.3 多环路线圈绕线规则

为减少传感器的线圈数量，将多个单环路线圈按一定规则连接在一起，使一个线圈由多个环路组成，并使在每个方向上的相邻两个线圈组成的线圈组合(xi，xi+1)始终唯一。每一个线性区间都是由两根不同的线圈围绕而成，保证坐标的唯一性。单环路线圈连成多环路线圈如图6所示。

线圈xLi有多个环路时，当检测到线圈xLi的U为Umax，可以判断电子笔落到线圈xLi中了。但线圈xLi有多个环路，此时，x轴有多个环路的值为Umax，无法判定电子笔具体落在哪个环路中。已知Umax和Usec所在线圈围成的线性区间，就是电子笔所在的线性区间。由绕线规则可知Umax所在线圈和Usec所在线圈围成的线性区间是唯一的，可以通过Usec所在线圈区分出电子笔在线圈xLi的哪个环路上。

图6 单环路线圈连成多环路线圈Fig.6 Single circuit into polycyclic schematic

采用多环路线圈绕线规则替代单环路线圈绕线规则后，传感器由x、y轴各20个感应线圈组成，系统扫描芯片数量降低85%、传感器焊点数量降低94%。将扫描电路集成到控制卡上，方便更换，实现了板卡分离。极大地降低了生产及售后成本，有效地提高了电磁感应式电子白板的性能和成本优势。

3 定位计算

对40个线圈依次进行信号采集和模数转换，分别对x轴的20个数据、y轴的20个数据进行比较，得到x和y轴各自的最大值和次大值，并保存最大值和次大值的线圈号[10]。根据x轴最大和次大值的线圈号的组合，可以知道电子笔所在的x方向上的区间。同理可得在y轴上的区间，这样，在x轴和y轴的相交部分可以得到一个唯一的小方格。到此，就可以得到电子笔的大体坐标位置，需要根据线性关系进行计算，得到精确坐标。

如图7所示，电子笔落在x1、x2围成的区间内，进行线性计算。

图7 线性区间计算Fig.7 Linear interval computation

如果Ux1>Ux2电子笔落在线性区间1，根据式(1)求得x坐标值。

(1)

如果Ux1>Ux2电子笔落在线性区间2，根据式(2)求得x坐标值。

(2)

式中：Ux1、Ux2——线圈x1、x2上的U值；

Kx——线性值。

其中，Kx为

(3)

式中：Ux1C、Ux2C——电子笔位于线圈x1中心位置时，线圈x1、x2上的U值；

L——区间1的宽度。

如果x1的U为Umax，且Ux2=Ux0，此时，将Ux1、Ux2带入式(3)，便可求得Kx。可见，使用过程中，Kx的值可以不断的更新。

4 测试结果与分析

通过实验测试，原有的定位算法效果不佳，当绘制直线时，会出现跳点现象，导致直线上出现一些突起，如图8a所示。说明经验值在该区域存在偏差，导致计算出的坐标出现错位。个别电子白板由于参数差别较大，画出的直线为锯齿状，成为废品。改进后的算法采用线性插值计算，由于线性值为动态获取，根据白板的不同参数线性值可自行修订，因此画出的直线平滑、无跳点现象，如图8b所示。

a 经验值定位算法

b 线性值定位算法

5 结束语

笔者设计的电磁感应式电子白板传感器，以线性关系进行定位计算，与原有的经验值定位算法相比，降低了白板参数不一致性对白板性能的影响。同时采用多环路线圈绕线规则，系统扫描芯片数量降低85%、传感器焊点数量降低94%。该设计提高了生产效率，降低了生产及售后成本，增强了该款电子白板的市场竞争能力。

[1] 吴莜萌.交互式电子白板课堂教学应用研究[J].中国电化教育,2011,42(3): 4-8.

[2] 舒 娜,刘 菁.电子白板下的教学交互行为研究[J].中国现代教育装备,2010,25(6): 20-25.

[3] 石映辉,杨宗凯.国外交互式电子白板教育应用研究[J].中国电化教育,2012,43(5): 99-103.

[4] 呼春辉.电磁式电子白板的原理及其在现代教学中的应用[J].中国现代教育装备,2013,28(12): 237-241.

[5] 刘春生,李海振,王宝军.交互式电子白板技术开发[M].哈尔滨: 哈尔滨工程大学出版社,2015: 13-18.

[6] 王华军,李宏福,温越琼.螺线管中磁场的计算[J].四川轻化工学院学报,1999,12(4): 25-27.

[7] 张起贵,秦 城.电磁感应式电子白板关键技术研究[J].电子器件,2013,36(1): 54-59.

[8] 赵 梁,师 卫.一种电子白板的定位方法及研究[J].电视技术,2013,37(1): 15-21.

[9] 付鹏飞,张锋伟,孟晓静.交互式电子白板系统的分析与设计[J].中国现代教育装备,2008,22(10): 44-49.

[10] 黄小辉,张兴超,刘献忠.交互式电子白板的坐标转换算法[J].计算机工程,2010,36(20): 259-261.

(编辑 晁晓筠 校对 王 冬)

Design of sensor for electromagnetic whiteboard

LiHaizhen1，WangBaojun2

(1.School of Mechanical Engineering,Heilongjiang University of Science & Technology,Harbin 150022,China；2.Heilongjiang Keda Science & Technology Development Co.Ltd.,Heilongjiang University of Science & Technology,Harbin 150022,China)

This paper is an attempt to improve the performance of lectromagnetic whiteboard and reduce the costs of both production and After-sales service by designing a kind of sensor based on the principle of electromagnetic induction.The sensor works by performing calculation according to the linear relation and overcoming the problems inherent in original whiteboards,the lines drawn are neither straight nor continuous．The use of polycyclic winding mode instead of the Single circuit winding mode gives an 85% reduction in the number of IC,and a 94% reduction in the solder joints of sensor.Electromagnetic induction type electronic whiteboard sensor is so designed that control card is separate from whiteboard,a significant reduction in the costs of both production and After-sales service.

electromagnetic whiteboard; wire winding mode; positioning algorithm

2017-02-23

李海振(1974-)，男，黑龙江省友谊人，讲师，硕士，研究方向：电子应用技术、嵌入式系统，E-mail：lihaizhen1974@126.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.02.023

TP391

2095-7262(2017)02-0205-05

A