專利名稱：基于fpga的無線激光筆互動(dòng)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是嵌入式無線控制技術(shù)領(lǐng)域的裝置，具體是一種基于FPGA的無線 激光筆互動(dòng)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近年來，隨著多媒體技術(shù)的普及，投影儀和計(jì)算機(jī)取代了黑板和粉筆成為了主流 的授課設(shè)備。但傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制設(shè)備鍵盤和鼠標(biāo)是為個(gè)人計(jì)算機(jī)使用設(shè)計(jì)的，需要在計(jì) 算機(jī)前進(jìn)行操作，這樣導(dǎo)致教師在進(jìn)行多媒體教學(xué)的時(shí)候，往往需要守在計(jì)算機(jī)前邊，一邊 操作計(jì)算機(jī)一邊進(jìn)行講解，需要重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的地方，還要不時(shí)地站起身來，指指點(diǎn)點(diǎn)，本來提 供方便的多媒體演示設(shè)備，卻把教師豐富的課堂語(yǔ)言給束縛了。無線控制激光筆的引入很好地解決了這一問題。例如在中國(guó)專利03270412 中，公開了一種帶有上下翻頁(yè)按鈕和無線收發(fā)裝置的激光筆，可以完成對(duì)計(jì)算機(jī)幻燈片的 上下翻頁(yè)控制，但功能相對(duì)而言比較單一，無法實(shí)現(xiàn)其他激光筆的互動(dòng)功能；在中國(guó)專利 200810035544. 6中，公開了一種識(shí)別激光筆光點(diǎn)軌跡的方法，能成功識(shí)別光點(diǎn)的軌跡信息， 形成各種形狀、字母、數(shù)字等的展示效果，但實(shí)施所需設(shè)備較多，安裝部署不方便；在中國(guó)專 利200810M3107. 3中，公開了一種紅外激光筆遙指虛擬觸摸系統(tǒng)，能根據(jù)紅外激光的時(shí)間 長(zhǎng)短和次數(shù)區(qū)分包括光點(diǎn)指示、光點(diǎn)移動(dòng)、點(diǎn)擊在內(nèi)的不同操作，并控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在顯示 屏的對(duì)應(yīng)位置上產(chǎn)生光點(diǎn)，且完成對(duì)應(yīng)操作，同樣實(shí)施時(shí)所需設(shè)備較多，光是攝像頭就需要 兩個(gè)。通過對(duì)現(xiàn)有的專利及文獻(xiàn)比較發(fā)現(xiàn)，一般只帶幻燈片翻頁(yè)功能的激光筆只需要發(fā)射 端和接收端兩部分，安裝部署方便，但功能相對(duì)單一；而功能稍微多些的激光筆交互系統(tǒng)往 往需要設(shè)備較多，如帶圖像處理模塊的激光筆系統(tǒng)至少要包含攝像頭設(shè)備，從而造成線纜 較多，安裝部署不方便。目前電子技術(shù)的發(fā)展方向?yàn)檩p便，可移動(dòng)性好，但是現(xiàn)有的專利技 術(shù)還未實(shí)現(xiàn)一種功能豐富而且安裝部署方便的激光筆交互系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于FPGA的無線激光筆互動(dòng)系統(tǒng)，在 提供豐富交互功能的同時(shí)將外置設(shè)備集成為帶無線通信的發(fā)射端和接收端兩部分，大大方 便了安裝部署，可以在會(huì)議、產(chǎn)品演示、教育培訓(xùn)等場(chǎng)合得到廣泛的應(yīng)用。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明由發(fā)射器和接收控制器組成，其中發(fā)射器包括按鍵編碼模塊、可控激光頭模塊、無線發(fā)射模塊和電源模塊，其中 按鍵編碼模塊與無線發(fā)射模塊相連接并傳輸按鍵控制信息，可控激光頭模塊與無線發(fā)射模 塊連接并傳輸激光頭按鍵信息，電源模塊分別與按鍵編碼模塊、可控激光頭模塊和無線發(fā) 射模塊相連接并提供工作電源；接收控制器包括主處理器模塊、攝像頭采集模塊、無線接收模塊、VGA接口模塊、 存儲(chǔ)模塊、串口轉(zhuǎn)USB 口模塊和電源模塊，其中主處理器模塊與攝像頭采集模塊、無線接 收模塊、VGA接口模塊、存儲(chǔ)模塊、串口轉(zhuǎn)USB 口模塊相連接并傳輸控制信息，攝像頭采集模塊與主處理器模塊相連連接并傳輸圖像信息，無線接收模塊與主處理器模塊相連接并傳輸 接收到的發(fā)射器的無線控制信息，VGA接口模塊與主處理器模塊相連接并傳輸圖像信息，存 儲(chǔ)模塊與主處理器模塊相連接并傳輸圖像信息，串口轉(zhuǎn)USB 口模塊與主處理器模塊相連接 并傳輸激光點(diǎn)坐標(biāo)及無線控制信息，電源模塊分別與主處理器模塊、攝像頭采集模塊、無線 接收模塊、VGA接口模塊、存儲(chǔ)模塊以及串口轉(zhuǎn)USB 口模塊相連接并提供工作電源。所述的發(fā)射器的無線發(fā)射模塊和接收控制器的無線接收解碼模塊中的編碼和解 碼相匹配。由于攝像頭所采集到的圖像信息中無法準(zhǔn)確地只包含顯示屏幕的信息而不含其 它成分，且顯示屏幕在視頻圖像中往往不是規(guī)則的四邊形而是帶有較小曲率的類似四邊 形，因此需要通過屏幕校準(zhǔn)模塊將圖像信息中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為顯示屏幕對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)。屏幕顯示模塊的輸入為來自屏幕校準(zhǔn)模塊校準(zhǔn)后的激光點(diǎn)坐標(biāo)信息，輸出為軌跡 繪制的顯示、鼠標(biāo)操作的響應(yīng)或放大鏡操作的響應(yīng)。使用時(shí)，首先將接收控制器上電并與授課主機(jī)通過USB接口連接，接著開啟主機(jī) 上相應(yīng)的控制軟件。若是初次使用，需要進(jìn)行校準(zhǔn)，具體為通過接收控制端VGA接口接的顯 示器查看攝像頭拍攝的位置，確保使拍攝的圖像包含整個(gè)顯示屏幕，接著用激光筆產(chǎn)生的 激光點(diǎn)按順時(shí)針順序分別標(biāo)示顯示屏幕上的四個(gè)頂點(diǎn)，這樣就記錄下了顯示屏幕上四個(gè)頂 點(diǎn)的坐標(biāo)，校準(zhǔn)步驟到此結(jié)束。演講時(shí)，無線發(fā)射器由操作者手持進(jìn)行控制，按鍵信息通過 無線模塊傳送到接收控制器，由接收控制器進(jìn)行適當(dāng)處理后，將控制信息及坐標(biāo)信息通過 USB接口送至授課主機(jī)的軟件端并進(jìn)行相應(yīng)的響應(yīng)，同時(shí)顯示在大屏幕上。演講過程中您可 以通過上下鍵來切換幻燈片頁(yè)面，在屏幕上繪制激光點(diǎn)的軌跡，模擬鼠標(biāo)的移動(dòng)、左擊和右 擊功能，以及對(duì)需要重點(diǎn)指出或看不清楚地部分進(jìn)行局部放大。通過上面的描述可以看出，這套裝置提供了一種方便實(shí)用的無線激光筆輔助教學(xué) 和演講方式，適合各種不同的教學(xué)和演講場(chǎng)合，如禮堂，會(huì)議室等。經(jīng)查詢中國(guó)專利信息網(wǎng)， 尚未見相同裝置報(bào)導(dǎo)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)或積極效果為教學(xué)過程中不再需要守在電腦旁邊，改變了傳統(tǒng)的 多媒體授課方式；激光筆作為一種多功能的無線設(shè)備，不再僅僅具有激光指示功能，而且還 能實(shí)現(xiàn)軌跡繪制、模擬鼠標(biāo)操作以及局部放大等功能，而且成本低廉；輕便，可移動(dòng)性好，整 套設(shè)備只由發(fā)射器和接收控制器兩部分組成，僅有接收控制器與電腦連接采用USB線纜連 接，其他均為無線連接，安裝部署方便。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為發(fā)射器外形結(jié)構(gòu)圖。圖3為接收控制器外形結(jié)構(gòu)圖。圖4為發(fā)射器內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為接收控制器內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為授課主機(jī)端軟件邏輯流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方案作詳細(xì)說明本實(shí)施方案在以本發(fā)明技術(shù)方案 為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限 于下述的實(shí)施方案。本實(shí)施例由發(fā)射器1和接收控制器2組成，其中發(fā)射器1包括按鍵編碼模塊3、可控激光頭模塊4、無線發(fā)射模塊5和第一電源模 塊6，其中按鍵編碼模塊3與無線發(fā)射模塊5相連接并傳輸按鍵控制信息，可控激光頭模 塊4與無線發(fā)射模塊5連接并傳輸激光頭按鍵信息，第一電源模塊6分別與按鍵編碼模塊 3、可控激光頭模塊4和無線發(fā)射模塊5相連接并提供工作電源；接收控制器2包括主處理器模塊7、攝像頭采集模塊8、無線接收模塊9、VGA接口 模塊10、存儲(chǔ)模塊11、串口轉(zhuǎn)USB 口模塊12和第二電源模塊13，其中主處理器模塊7與 攝像頭采集模塊8、無線接收模塊9、VGA接口模塊10、存儲(chǔ)模塊11、串口轉(zhuǎn)USB 口模塊12 相連接并傳輸控制信息，攝像頭采集模塊8與主處理器模塊7相連連接并傳輸圖像信息，無 線接收模塊9與主處理器模塊7相連接并傳輸接收到的發(fā)射器1的無線控制信息，VGA接 口模塊10與主處理器模塊7相連接并傳輸圖像信息，存儲(chǔ)模塊11與主處理器模塊7相連 接并傳輸圖像信息，串口轉(zhuǎn)USB 口模塊12與主處理器模塊7相連接并傳輸激光點(diǎn)坐標(biāo)及無 線控制信息，第二電源模塊13分別與主處理器模塊7、攝像頭采集模塊8、無線接收模塊9、 VGA接口模塊10、存儲(chǔ)模塊11以及串口轉(zhuǎn)USB 口模塊12相連接并提供工作電源。如圖2所示，所述的發(fā)射器1上設(shè)有激光發(fā)射開關(guān)14、向上翻頁(yè)及鼠標(biāo)左擊鍵 15、向下翻頁(yè)及鼠標(biāo)右擊鍵16、清屏鍵17、切換鼠標(biāo)模式鍵18、切換放大鏡模式鍵19、指示 燈20、激光發(fā)射頭21和發(fā)射天線22 ；如圖3所示，所述的接收控制器2上設(shè)有攝像頭模塊23、VGA接口 M和USB接口 25 ；如圖4所示，所述的按鍵編碼模塊3采用PT2262編碼芯片，主控邏輯讀取6位地 址與6位數(shù)據(jù)的電平狀態(tài)，并產(chǎn)生串行編碼。OSCl和0SC2用于外接電阻，根據(jù)電阻的阻值， 產(chǎn)生不同頻率的內(nèi)部時(shí)鐘。TE/SELECT為使能端，低電平時(shí)芯片工作。DATA OUT端輸出編 碼后的信號(hào)。對(duì)于每一位地址和數(shù)據(jù)，均有三種編碼狀態(tài)，分別是“0”、“1”和浮空。SWO至 SW5為六個(gè)按鍵，分別對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)位DO至D5。當(dāng)所有按鍵都斷開時(shí)，三極管Q2截止，電路中 沒有電流，芯片不工作。當(dāng)六個(gè)按鍵中任意一個(gè)被按下時(shí)，Q2導(dǎo)通，PT2262芯片開始工作，指 示燈Dl工作。此時(shí)，除了閉合的按鍵所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)位為邏輯高電平之外，其他位為低電平。所述的可控激光頭模塊4的激光頭采用通用圓點(diǎn)半導(dǎo)體激光頭。此模塊用按鍵控 制激光頭的開關(guān)，同時(shí)將開關(guān)的信息關(guān)聯(lián)到編碼芯片。SWO和DO為編碼按鍵模塊中的0位 按鍵和數(shù)據(jù)位，按鍵通過一個(gè)MOS管控制激光頭的開斷。所述的無線發(fā)射模塊5將按鍵信息編碼調(diào)制到高頻載波上并發(fā)送。載波頻率為 315MHz，調(diào)制方式為幅度調(diào)制。Q3為普通三極管，基極通過電阻R2接PT2262的Data Out 端，采用開關(guān)的方式完成信號(hào)調(diào)制。Q4為高頻NPN管，與Li、L2和C2構(gòu)成三端振蕩電路。 Ql為315MHz聲表面濾波器，串聯(lián)在反饋通路中，使頻率穩(wěn)定在315MHz。Rl為Q4的基極偏 置電阻，Cl用于天線的阻抗匹配。所述的第一電源模塊6由GP Ultra 23A 12V系列電池供電，該模塊用于產(chǎn)生發(fā)射器1其它模塊的工作電源VCC、VCC_LASER和VCC-12。其中，VCC作為按鍵編碼模塊3的工 作電源；VCC_LASER作為可控激光頭模塊4的工作電源；VCC-12作為無線發(fā)射模塊5的工作 電源。如圖5所示，所述的主處理器模塊7由現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA模塊U4實(shí)現(xiàn)，是 接收控制器的核心，它負(fù)責(zé)將攝像頭采集模塊8采集到的圖像信息緩存在同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器 SDRAM中，在SDRAM中存儲(chǔ)的是RGB565格式的圖片，F(xiàn)PGA模塊根據(jù)圖片中像素的R通道的 數(shù)值的大小檢測(cè)出激光點(diǎn)的坐標(biāo)，并將坐標(biāo)信息通過串口轉(zhuǎn)USB 口模塊12傳輸?shù)绞谡n主機(jī) 的軟件端。同時(shí)FPGA將無線接收模塊9接收到的來自發(fā)射器1的控制信息也通過串口轉(zhuǎn) USB 口模塊12將控制信息傳輸?shù)绞谡n主機(jī)的軟件端。當(dāng)?shù)谝淮问褂迷撓到y(tǒng)時(shí)，使用校準(zhǔn)模 式，F(xiàn)PGA模塊通過對(duì)圖像的RGB色度信號(hào)、行同步信號(hào)、場(chǎng)同步信號(hào)等信號(hào)的控制，并參照 VGA接口標(biāo)準(zhǔn)，將圖像數(shù)據(jù)通過VGA接口傳送到顯示器端顯示，將檢測(cè)出的顯示屏幕的四個(gè) 頂點(diǎn)的坐標(biāo)信息通過串口轉(zhuǎn)USB 口模塊12J傳輸?shù)绞谡n主機(jī)的軟件端，完成校準(zhǔn)步驟。選 擇ALTERA公司的EP2C8Q208C8FPGA芯片，該芯片擁有5256個(gè)邏輯單元(LE)、36個(gè)M4K、2 個(gè)pLL和18個(gè)嵌入式乘法器，并且擁有最多138個(gè)通用I/O 口，能夠提供足夠多的擴(kuò)展口， 足以完成對(duì)其功能的要求。所述的攝像頭采集模塊8采用0MNIVISI0N公司的0V9650數(shù)字CMOS圖像傳感芯 片，主要功能是將圖像傳感器采集到的圖像信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和處理，然后將圖像數(shù)據(jù)傳 送到主處理器模塊(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA)E中。該芯片由一個(gè)SXGA圖像傳感器和圖像 處理器組成，有效陣列規(guī)模為1300 X 10 ，最大速率在SXGA格式時(shí)為15fps，在VGA格式時(shí) 為30fps，是一款130萬像素的彩色攝像頭。它支持SXGA(1280X 1024), VGA(640X480), CIF (352 X 288)、QCIF (176 X 144)、QQVGA (160 X 120)和 QQCIF (88 X 72)不同分辨率的圖 像輸出格式，通過串行SCCB(Serial Camera ControlBus，串行攝像頭控制總線)接口與 S3C2440A的1 總線接口相連，可以讀寫芯片的130個(gè)內(nèi)部寄存器，實(shí)現(xiàn)其曝光控制、伽馬 校正、白平衡、色彩飽和度、亮度控制、消噪等參數(shù)的設(shè)置。0V9650與FPGA處理器的連接包括SCCB接口、控制接口和數(shù)據(jù)接口三部分。SCCB 接 口SCCB是一種類似于I2C總線的串行攝像頭控制總線，用于FPGA對(duì)攝像頭芯片內(nèi)部 寄存器的設(shè)置。它是一個(gè)兩線串口協(xié)議，S10_c是串行時(shí)鐘輸入線，SI0_D是串行雙向數(shù)據(jù)線?？刂平涌?V9650的PWDN管腳置為高電平時(shí)，能夠關(guān)閉芯片所有內(nèi)部時(shí)鐘使之進(jìn)入省電模 式。在芯片正常工作時(shí)，PWDN要保持低電平。0V9650的RESET管腳設(shè)為高電平時(shí)，可以將 芯片內(nèi)部寄存器設(shè)置清除并恢復(fù)為默認(rèn)值。正常工作時(shí)，RESET要保持低電平。0V9650的XVCLKl用于接收FPGA模塊輸出的時(shí)鐘信號(hào)。0V9650內(nèi)部產(chǎn)生三個(gè)時(shí) 鐘信號(hào)場(chǎng)同步信號(hào)VSYNC、行同步信號(hào)HREF和像素時(shí)鐘信號(hào)PCLK，這些信號(hào)輸入到FPGA 芯片中對(duì)圖像采集進(jìn)行控制。每一個(gè)VSYNC脈沖表示開始采集一幀圖像數(shù)據(jù)，HREF脈沖表 示采集一行圖像數(shù)據(jù)，圖像傳感器以從左到右的順序在每個(gè)PCLK脈沖過程中依次采集一 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，直至一幀圖像數(shù)據(jù)全部采集完成。數(shù)據(jù)接口 0V9650內(nèi)嵌了一個(gè)10位A/D轉(zhuǎn)換器，有10個(gè)數(shù)據(jù)輸出接口 D0-D9，輸出圖像數(shù)據(jù)的格式是10位原始RGB格式，。由于系統(tǒng)需要16位RGB565格式，通過FPGA芯片 將10位原始RGB格式轉(zhuǎn)換為RGB565格式的數(shù)據(jù)輸出。0V9650的D [9:0]連接FPGA芯片的 CAM_D [9:0]。攝像頭捕獲的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)接口傳送入FPGA芯片，以便進(jìn)行下一步的顯示或
保存操作。無線接收解碼模塊G 由超外差無線接收模塊P5 (RXB6)、解碼模塊U8 (PT2272)、電 感L4、電阻RM和電容CM組成，用于接收發(fā)射器1通過無線發(fā)射模塊5發(fā)送來的控制信息 并進(jìn)行解碼。解碼芯片采用PT2272，與PT2262配套使用。為了配合PT2262的六位編碼，采用PT2272-M6芯片進(jìn)行解碼。DIN為編碼信號(hào)輸 入接口，0SC1、0SC2為內(nèi)部時(shí)鐘頻率，需與PT2262的時(shí)鐘配套使用。VT為解碼指示，D0-D5 為六位數(shù)據(jù)輸出。當(dāng)解碼成功時(shí)，VT跳轉(zhuǎn)至高電平，同時(shí)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)位瞬態(tài)輸出高電平。所述的VGA接口模塊10采用標(biāo)準(zhǔn)的DB-15VGA輸出接口 J3，用于屏幕校準(zhǔn)時(shí)接收 控制器2與顯示器之間的連接。U4(FPGA芯片)輸出的RGB數(shù)字信號(hào)通過U2(ADV7123芯 片)轉(zhuǎn)換為三路模擬信號(hào)。它包含以下信號(hào)U2(ADV7123芯片)的IOR與J3的1相連，作 為紅色信號(hào)線；U2(ADV7123芯片)的IOG與J3的2相連，作為綠色信號(hào)線；U2(ADV7123芯 片)的IOB與J3的3相連，作為藍(lán)色信號(hào)線；U4(FPGA芯片)的VGA_VS與J3的14相連， 作為垂直同步信號(hào)；U4(FPGA芯片)的VGA_HS與J3的13相連，作為水平同步信號(hào)。所述的存儲(chǔ)模塊11外加SDRAM模塊進(jìn)行存儲(chǔ)。當(dāng)一幀圖像過來時(shí)，SDRAM開始存 儲(chǔ)一幀的圖像數(shù)據(jù)，當(dāng)一幀圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)滿時(shí)，SDRAM將會(huì)將該幀數(shù)據(jù)重新發(fā)給FPGA芯片。 通過U4(FPGA)模擬TO(SDRAM)接口時(shí)序可以實(shí)現(xiàn)對(duì)TO (SDRAM)的讀寫，它包括以下信號(hào) U4 的 SD_A[12:0]與 U6 的 A [12:0]連接，作為地址線；U4 的 SD_DQ[15:0]與 U6 的 DQ [15:0]
連接，作為數(shù)據(jù)線；U4的SD_WE與U6的兵云連接，作為使能信號(hào)；U4的SD_CAS與U6的己石
連接，作為列地址選通信號(hào)；U4的SD_RAS與TO的瓦石連接，作為行地址選通信號(hào)；U4的SD_
CS與U6的斤連接，作為片選使能信號(hào)。所述的串口轉(zhuǎn)USB 口模塊12采用SILICON LABS公司的CP2102芯片。CP2102是 一種高度集成的單片USB轉(zhuǎn)UART橋接器。用CP2102進(jìn)行串口擴(kuò)展所需的外部器件非常 少，使用起來非常方便。內(nèi)部集成有USB收發(fā)器，且不需外接電阻；內(nèi)部集成有USB功能控 制器，兼容USB2. 0規(guī)范，支持全速傳輸12Mbps，無需任何外部的USB器件；供電電壓方面 自我供電電壓(3. OV-3. 6V)和USB總線供電電壓(4. OV-5. 25V) ；28管腳的QFN-觀封裝，尺 寸僅為5mm * 5mmοCP2102異步串行數(shù)據(jù)總線(UART)接口包括T)(D (發(fā)送)和RXD (接收)數(shù)據(jù)信號(hào) 以及 RTS, CTS, DSR, DTR, DCD 和 RI 控制信號(hào)，UART 支持 RTS/CTS, DSR/DTR 和 X-On/X-Off 握手。支持握手和調(diào)制解調(diào)器接口信號(hào)，支持576Byte接收緩沖器，640Byte發(fā)送緩沖器。 U4 (FPGA)的 2102_TXD 與 U7 (CP2102)的 T)(D 連接，發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)；U4 (FPGA)的 2102_RXD 與 U7(CP2102)的R)(D連接，接收數(shù)據(jù)信號(hào)。所述的第二電源模塊13由電源芯片U1、U3及周圍電路所需的電阻和電容組成，該 模塊用于產(chǎn)生接收控制器2各模塊所需的工作電源VCCINT、VCCI0、VCC_5、VGA_VCC33、SD_ VCC33。其中，VCCINT、VCCI0 作為 U4 (FPGA)的工作電源；VCC_5 作為 Pl (ConnectorlO * 2)、 P5 (RXB6)、U8 (PT2272)的工作電源；VGA_VCC33 作為 U2 (ADV7123)的工作電源；SD_VCC33 作為U6 (SDRAM)的工作電源。如圖6所示，授課主機(jī)端軟件由屏幕校準(zhǔn)模塊沈和屏幕顯示模塊27兩部分組成。所述的屏幕校準(zhǔn)模塊沈?qū)D像信息中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為顯示屏幕對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)。屏幕校準(zhǔn)模塊具體為令采集到的屏幕信息為絕對(duì)坐標(biāo)系，目標(biāo)屏幕其中的位置由目標(biāo)屏幕的四個(gè)矩形 頂點(diǎn)決定，設(shè)屏幕四個(gè)頂角按順時(shí)針方向由左上開始為u、v、w、x，而光點(diǎn)的絕對(duì)位置為S， 則光點(diǎn)位置相對(duì)于目標(biāo)屏幕的相對(duì)坐標(biāo)如下得出直線UV與WX的交點(diǎn)，記為P ；直線UW與VX的交點(diǎn)，記為Q ；直線PS與UX、Vff的 交點(diǎn)，記為U、ν ；直線QS與UV、WX的交點(diǎn)，記為W、χ ；求出Su uv, Sw wx兩個(gè)比值。光點(diǎn)在目標(biāo)屏幕的相對(duì)坐標(biāo)由X、Y 二維構(gòu)成，X方向?yàn)槟繕?biāo)屏幕X方向分辨率與 Su uv的乘積，Y方向?yàn)槟繕?biāo)屏幕Y方向分辨率和Sw wx的乘積。屏幕顯示模塊27 屏幕顯示模塊27的輸入為來自屏幕校準(zhǔn)模塊沈校準(zhǔn)后的激光 點(diǎn)坐標(biāo)信息，輸出為軌跡繪制的顯示、鼠標(biāo)操作的響應(yīng)或放大鏡操作的響應(yīng)。具體來說，這 三種輸出時(shí)本系統(tǒng)的功能模式的實(shí)現(xiàn)，分別為繪圖模式使用激光筆在屏幕上描繪，屏幕上出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的軌跡，同時(shí)可以通過激光筆上的按 鍵實(shí)現(xiàn)幻燈片的上下翻頁(yè)及擦除屏幕軌跡的操作。鼠標(biāo)模式使用激光筆在屏幕上指示位置，屏幕上的鼠標(biāo)移動(dòng)到相應(yīng)位置，并可通過激光筆 上的按鍵實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)左擊及右擊的操作。放大鏡模式使用激光筆在屏幕上指示位置，屏幕上對(duì)應(yīng)的區(qū)域會(huì)進(jìn)行局部放大，并且屏幕上 的放大區(qū)域會(huì)隨著光點(diǎn)發(fā)生移動(dòng)。本裝置的工作過程如下接收控制器2作為固定裝置，接通電源，同時(shí)通過串口轉(zhuǎn) USB 口模塊12直接連接到現(xiàn)場(chǎng)的授課主機(jī)上，并開啟授課主機(jī)上相應(yīng)的控制軟件；發(fā)射器1 是手持設(shè)備，安裝上電池即可。若是初次使用，需要進(jìn)行校準(zhǔn)，具體為通過接收控制端VGA接口接的顯示器查看 攝像頭拍攝的位置，確保使拍攝的圖像包含整個(gè)顯示屏幕，接著用激光筆產(chǎn)生的激光點(diǎn)按 順時(shí)針順序分別標(biāo)示顯示屏幕上的四個(gè)頂點(diǎn)，這樣就記錄下了顯示屏幕上四個(gè)頂點(diǎn)的坐 標(biāo)，校準(zhǔn)步驟到此結(jié)束。演講時(shí)，無線發(fā)射器1由操作者手持進(jìn)行控制，按鍵信息通過無線 模塊傳送到接收控制器2，由接收控制器2進(jìn)行適當(dāng)處理后，將控制信息及坐標(biāo)信息通過 USB接口送至授課主機(jī)的軟件端并進(jìn)行相應(yīng)的響應(yīng)，同時(shí)顯示在大屏幕上。演講過程中可以 通過上下鍵來切換幻燈片頁(yè)面，在屏幕上繪制激光點(diǎn)的軌跡，模擬鼠標(biāo)的移動(dòng)、左擊和右擊 功能，以及對(duì)需要重點(diǎn)指出或看不清楚地部分進(jìn)行局部放大。本系統(tǒng)攝像頭每秒采集25幀VGA (640 X 480)分辨率的圖像，而且圖像中的光點(diǎn)識(shí) 別過程每幀所需要的時(shí)間小于0. 04秒，能夠?qū)崟r(shí)地跟蹤激光點(diǎn)的坐標(biāo)；通過校準(zhǔn)步驟可以 使得光點(diǎn)軌跡地誤差不超過10個(gè)屏幕像素，這完全在肉眼可以接受的誤差范圍內(nèi)；發(fā)射器 1上各功能按鍵響應(yīng)時(shí)間小于0. 5秒，能夠流暢地實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能；如果圖像中較長(zhǎng)時(shí)間不出現(xiàn)光點(diǎn)，而且系統(tǒng)處于繪圖模式，則繪制的前一軌跡中止，光點(diǎn)重新出現(xiàn)后將新的光點(diǎn)位置 作為起點(diǎn)，開始繪制新的軌跡。
權(quán)利要求
1.一種基于FPGA的無線激光筆互動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，由發(fā)射器和接收控制器組成， 其中發(fā)射器包括按鍵編碼模塊、可控激光頭模塊、無線發(fā)射模塊和電源模塊，其中按鍵 編碼模塊與無線發(fā)射模塊相連接并傳輸按鍵控制信息，可控激光頭模塊與無線發(fā)射模塊連 接并傳輸激光頭按鍵信息，電源模塊分別與按鍵編碼模塊、可控激光頭模塊和無線發(fā)射模 塊相連接并提供工作電源；接收控制器包括主處理器模塊、攝像頭采集模塊、無線接收模塊、VGA接口模塊、存儲(chǔ) 模塊、串口轉(zhuǎn)USB 口模塊和電源模塊，其中主處理器模塊與攝像頭采集模塊、無線接收模 塊、VGA接口模塊、存儲(chǔ)模塊、串口轉(zhuǎn)USB 口模塊相連接并傳輸控制信息，攝像頭采集模塊與 主處理器模塊相連連接并傳輸圖像信息，無線接收模塊與主處理器模塊相連接并傳輸接收 到的發(fā)射器的無線控制信息，VGA接口模塊與主處理器模塊相連接并傳輸圖像信息，存儲(chǔ)模 塊與主處理器模塊相連接并傳輸圖像信息，串口轉(zhuǎn)USB 口模塊與主處理器模塊相連接并傳 輸激光點(diǎn)坐標(biāo)及無線控制信息，電源模塊分別與主處理器模塊、攝像頭采集模塊、無線接收 模塊、VGA接口模塊、存儲(chǔ)模塊以及串口轉(zhuǎn)USB 口模塊相連接并提供工作電源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的無線激光筆互動(dòng)系統(tǒng)，其特征是，所述的發(fā)射器 的無線發(fā)射模塊和接收控制器的無線接收解碼模塊中的編碼和解碼相匹配。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的無線激光筆互動(dòng)系統(tǒng)，其特征是，所述的發(fā)射器 上設(shè)有激光發(fā)射開關(guān)、向上翻頁(yè)及鼠標(biāo)左擊鍵、向下翻頁(yè)及鼠標(biāo)右擊鍵、清屏鍵、切換鼠標(biāo) 模式鍵、切換放大鏡模式鍵、指示燈、激光發(fā)射頭和發(fā)射天線。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的無線激光筆互動(dòng)系統(tǒng)，其特征是，所述的接收控 制器上設(shè)有攝像頭模塊、VGA接口和USB接口。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的無線激光筆互動(dòng)系統(tǒng)，其特征是，所述的按鍵編 碼模塊采用PT2262編碼芯片。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的無線激光筆互動(dòng)系統(tǒng)，其特征是，所述的可控激 光頭模塊的激光頭采用通用圓點(diǎn)半導(dǎo)體激光頭。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的無線激光筆互動(dòng)系統(tǒng)，其特征是，所述的無線發(fā) 射模塊將按鍵信息編碼調(diào)制到高頻載波上并發(fā)送，其載波頻率為315MHz，調(diào)制方式為幅度 調(diào)制。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的無線激光筆互動(dòng)系統(tǒng)，其特征是，所述的主處理 器模塊由現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA模塊實(shí)現(xiàn)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的無線激光筆互動(dòng)系統(tǒng)，其特征是，所述的VGA接 口模塊采用標(biāo)準(zhǔn)的DB-15VGA輸出接口實(shí)現(xiàn)。
全文摘要
一種嵌入式無線控制技術(shù)領(lǐng)域的基于FPGA的無線激光筆互動(dòng)系統(tǒng)，由發(fā)射器和接收控制器組成，發(fā)射器包括按鍵編碼模塊、可控激光頭模塊、無線發(fā)射模塊和電源模塊，接收控制器包括主處理器模塊、攝像頭采集模塊、無線接收模塊、VGA接口模塊、存儲(chǔ)模塊、串口轉(zhuǎn)USB口模塊和電源模塊。本發(fā)明在提供豐富交互功能的同時(shí)將外置設(shè)備集成為帶無線通信的發(fā)射端和接收端兩部分，大大方便了安裝部署，可以在會(huì)議、產(chǎn)品演示、教育培訓(xùn)等場(chǎng)合得到廣泛的應(yīng)用。
文檔編號(hào)G06F3/033GK102073395SQ20111004699
公開日2011年5月25日 申請(qǐng)日期2011年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月25日
發(fā)明者劉鋼, 申瑞民, 陳剛 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)