基于的嵌入式无线定位电子白板系统组成

基于DSP的嵌入式无线定位电子白板的主要设计思想是利用超声、红外联合定位的基本原理，完成书写笔迹的准确记录。基于DSP的嵌入式无线定位电子白板主要由以下几部分组成：信号接收器、信号处理电路、PC计算机、普通白板。

基于DSP的嵌入式无线定位电子白板的两个接收器实时接收并放大信号笔或板擦发射的红外和超声信号，放大后的两路红外信号被合并成一路，作为超声的时基信号。超声和红外信号经A/D转换后送入信号处理电路的DSP中存储、处理，搜索超声波形关键特征，得到超声信号的时延信息，计算出信号笔或板擦在白板中的位置坐标，估算两个红外脉冲之间的时间间隔从而得到信号笔的颜色信息。之后，将定位目标的坐标及颜色信息传送给PC机，安装在PC机上的专用电子白板软件将定位目标在白板书写板面上的运动轨迹实时显示。

无线定位技术是利用无线信号来判定某一半径范围内无线信号发射终端物理位置的一种方法。从理论上讲，利用现有移动通信系统中一个或多个已知位置的基站天线同时接收来自同一移动终端的无线信号，根据传播特征就可以通过相对位置矢量的计算来确定该终端的当前位置，实现移动用户的定位。基于DSP的嵌入式无线定位电子白板将移动通信系统中的定位思想应用于电子白板信号笔的定位中，实现了白板笔的精确定位，克服了扫描式电子白板、触摸式电子白板的缺点，具有定位精度高、体积小、价格低等诸多优点。

6.1.1 移动通信中的无线定位技术

自1996年美国联邦通信委员会（FCC）公布E-911定位需求以来，无线定位技术由于其蕴含的巨大商业潜力，越来越受到各国公司及研究人员的关注。无线定位是指利用无线电信号确定一个移动台（MS，Mobile Station）所在地理位置的能力。目前，这一方面的研究主要集中在波束到达时间（TOA，Time Of Arrival）、到达时间差（TDOA，Time Difference Of Arrival）和到达角度（AOA，Angle Of Arrival）等测量值的估计和定位算法两个方面。

AOA定位技术是接收机（基站）通过阵列天线测出接收信号从MS到两个以上基站的传输路径的到达方向（电波的入射角）来获得位置信息的，参见图6-2和6-3。

图6-2　AOA定位方法示意图

图6-3　TOA定位方法示意图

基站利用天线阵列来测量接收到的MS信号的方向，构成从基站到移动台的径向连线，两根连线的相交点即移动台的位置。通过对两个基站的AOA测量就能确定目标MS的位置，但如果MS恰好位于两个基站之间的直线上，则AOA测量就无法确定MS的位置，所以通常采用两个以上的基站提供定位。

TOA原理是电波从发射机传播到接收机的距离与电波传播时间成正比。根据同一移动终端所发信号到达基站的时间或时间差的不同计算距离来确定终端的位置信息。由于信号到达后的等时延曲线为圆弧，因此欲确定移动终端位置，在理想情况下至少需要三个基站，参见图6-3。测量时间或时间差可采用时延估计方法。

TOA测量要求MS的发射与所有基站的接收精确同步，并且在其发射信号中要包含发射时间标记，以便接收基站信号到达时间确定信号所传播的距离。设MS发射信号的时刻为t，第i㊣个BS接收到该信号的时刻为ti，i=㊣1，2，3。若已知第i㊣个BS的坐标为（xi，yi）㊣，可建立如下方程组：

其中，c㊣为无线电波的传播速度。三个圆的交点即是MS的坐标点。求解方程组（6-1），解为（x，y，t），则㊣MS的坐标为（x，y）㊣。

TDOA方法是一种基于移动台上行信号的传输时间差的定位技术，是TOA技术的改进。TDOA原理是通过检测电波到达两个接收机的时间差，而不是由到达的绝对时间来确定移动站的位置。发射机必定位于以两个接收机为焦点的双曲线方程上，确定发射机的二维位置坐标需要建立两个以上双曲线方程，两双曲线的交点即为发射机的二维位置坐标。

当同时有N个基站参与测距时（N≥3），㊣多个双曲线之间的交汇区域就是对用户位置的估计，如图6-4所示。

图6-4　TDOA定位方法示意图

基站BS1和基站BS2与移动台之间的距离差可以通过测量得出，即通过测量从两个基站同时发出的信号到达目标移动终端的时间差t21来确定，或测量从移动台出发到达两个基站的时间差t21。显然，R21=c·t21。双曲线定位中移动台坐标（x，y）和基站坐标（xi，yi）（i=1，2，3）㊣有如下关系：

解方程组后可以得到两个解，只有一个代表移动台的真实位置。需要一些先验知识，如小区半径等，来分辨出真实解，以消除位置模糊。

TDOA测量的是MS发射的信号到达不同BS的传播时间差，而非确切的传播时间，因此不需要MS与BS间的精确同步，也不需要在其发射信号中加上发射时间标记，即不需增加上行链路的数据量。由于TDOA对同步要求较TOA低，而且能够大大降低和消除由于无线信道引起的多个基站TOA估计的公共误差，所以大多采用TDOA定位方法。

6.1.2 电子白板中的无线定位方法

电子白板无线定位方法大致分为三种：基于定位信号的角度（AOA）估计的方法、基于定位信号的时延（TOA）估计的方法和基于定位信和角度联合估计的方法。下面分别对这三种定位方法进行介绍。

6.1.2.1 AOA估计方法

在图6-5中，18a和18b为电子白板系统的两个接收器阵列，阵列由两个超声波传感器20a和20b组成，并与水平呈45°角，信号笔周期性发出超声信号作为系统的定位信号。系统的工作原理是：在点30上的信号笔发出超声信号16，当信号16到达每个接收器20a、20b时，被接收器18a、18b处的A/D转换器采样，并传输给信号处理器；在接收器18a、18b处，测出信号16在传感器20a、20b上的相位差别，应用信号16在传感器处的相位差别，信号处理器计算出信号16到接收器16a、16b处的波达方向θ1、θ2，这样通过方向矢量的交点确定出信号笔在点30的坐标（x1，x1）。㊣

AOA估计方法中要求阵列18a（或18b）的阵元（接收传感器）20a、20b之间的间隔小于信号笔所发的超声信号的一个波长。系统根据超声信号的波形特征提取出在20a、20b上接收的超声信号的相位差φ1（φ2），进而求出波达方向θ1、θ2㊣，由公式：

从而得到笔在电子白板上的位置。

6.1.2.2 TOA估计方法

图6-6中，18a、18b、18c为白板系统的接收传感器，点22为信号在电子白板上的几何位置。信号笔为单信号发射器（比如发超声波作为定位信号），图中信号16即为定位信号。在TOA定位系统中，假设信号16从信号笔到接收传感器18a、18b、18c的时延分别为τ1、τ2、τ3，18㊣a、18b、18c的坐标为（x1，y1）、（x2，y2）、（x3，y3㊣），这样可得方程：

由于无法测得τ1、τ2、τ3㊣，以一路时延为起始点可得以下方程：

而τ1-τ2、τ1-τ3（以τ1㊣为起始点）可以测出，这样以上方程可解，从而达到定位目的。

图6-5　AOA白板系统简图

图6-6　TOA白板系统简图

6.1.2.3 TDOA估计方法

图6-7中，20a、20b为超声接收传感器，它们组成一个阵列。120为红外接收传感器，它接收信号笔所发出的作为系统时间基准的红外信号。信号笔是一个双信号发射器，周期性发射超声信号和红外信号。在电子白板位置30c处的信号笔发出的超声信号16被超声传感器阵列接收后，根据超声信号在传感器20a、20b上的相位差别估算出超声信号的波达方向θ1。由于红外信号的传播速度比超声信号的传播速度快得多，因此红外信号从信号笔到红外接收器的传播时间可以忽略，让它作为时基，测出超声波在电子白板上的传播时间（即时延），算出信号笔与接收器的距离d。在知道距离和角度θ1后，就可确定信号笔的坐标（x1，y1）㊣。

图6-7　TDOA白板系统简图

6.1.3 基于DSP的嵌入式无线定位电子白板的定位方法

基于DSP的嵌入式无线定位电子白板采用超声和红外联合定位，在较小范围内对书写笔的笔迹进行跟踪定位。根据定位采用的参数，其定位方法归属于TOA估计方法。

基于DSP的嵌入式无线定位电子白板系统主要由信号笔、左右路接收器、PC机、普通白板等部件构成，其定位原理如图6-8所示。由图可知，左路接收器A、右路接收器B以及信号笔P构成了一个三角形ΔAPB，三边分别为AP、AB和BP。其中，边AB的边长已知，长度为D，边AP和BP长度分别为u和v。边长u和v的大小可根据信号笔发射的超声信号从笔到左路接收器A和右路接收器B所需的传播时间τ㊣l和r㊣r确定。

图6-8　基于DSP的嵌入式无线定位电子白板定位原理示意图

建立二维直角坐标系xOy，左路接收器A为坐标原点（0，0），A→B为x轴正方向，y轴正方向为与x轴垂直且沿板面向下的方向。设信号笔在白板上的坐标为（x，y），右路接收器B的坐标为（0，D）㊣，具体的方程组如下：

其中，c为超声信号在空气中传播速度。上述方程组可以简化为下式：

为了实现对信号笔迹的跟踪，电子白板系统最关键的问题是对信号时延τ㊣l和r㊣r㊣的提取。完成时延提取的方法很多，吉林大学研制的系统（宋巍巍，2006年）采用超声和红外信号联合定位的方法。

由于红外信号以光速3×10 8 m/s传播，而超声信号在空气中声速约为340 m/s（声速是空气温度的函数），相对于光速而言，超声信号的速度很低，因此，红外信号在2～3 m范围内的传播时间可以忽略。由于信号笔周期性地发射超声和红外信号，而红外信号的传播时间不计，所以以接收器接收到的红外信号作为信号笔发射超声信号的起始时间，超声波信号时延就是指从接收器接收到红外信号之间的时间差。具体如图6-9和图6-10所示。

图6-9　接收器A路时延

图6-10　接收器B路时延

硬件系统（左右路接收器、信号笔等）的主要功能简介如下：信号笔发射超声和红外信号，DSP信号处理模块将左、右路接收器A、B接收的超声信号的时延τ㊣l和τ㊣r㊣、信号笔颜色及其他控制信息传送到PC机。PC机软件负责计算信号笔在电子白板中的坐标，将信号笔的坐标映射到显示器上，从而完成实时捕获信号笔笔迹的功能。

基于DSP的嵌入式无线定位电子白板的定位方法：只要能够测量出左右两路时延τ㊣l和τ㊣r㊣，就能够实现对移动目标（白板笔或板檫）P㊣的定位。只要能保证左右两路时延的测量精度，理论上就能够保证基于DSP的嵌入式无线定位电子白板的定位精度。