系统总体设计

微型电子白板系统主要由信号笔、信号接收器和上位机组成，系统框图如图12-4所示。

图12-4　微型电子白板系统框图

12.3.1 信号笔的结构设计

信号笔实物图如图12-5所示。信号笔主要由普通圆珠笔笔芯、笔头、笔身、笔后盖及信号笔电路板组成。信号笔与普通油笔的外形、作用相似，可以在纸张上留下笔迹。信号笔与普通油笔的区别在于笔头，信号笔的笔头书写时可以发出红外、超声信号，红外、超声信号作为信号笔的定位信号被信号接收器接收、处理后，通过计算机串口协议传送到上位机，通过上位机程序，将得到的数据转为位置信息并在屏幕上显示，这样便实现了微型电子白板笔的轨迹显示。

图12-5　信号笔实物图

12.3.1.1 笔头设计

笔头的结构如图12-6所示。笔头中的红外、超声发射传感器套件是实现信号笔功能的关键所在。下面将介绍笔头的结构及特性。

图12-6　笔头结构图及分解图

选用的笔头装置是精量公司生产的专门应用于电子笔的笔头套件PT80KHZ-01。它是压电薄膜超声传感器、大角度的砷化镓红外二极管、柔性印制电路板及塑料笔头（保护传感器）组成。压电薄膜超声传感器在水平360°的范围内超声传播特性良好，是全向传感器，满足信号笔的书写要求。压电薄膜传感器是采用PVDF（聚偏氟乙烯）薄膜制成，具有频响宽、动态范围好、输出电压高、稳定性好、耐冲击、不易老化等特点，常应用于噪声消声麦克风、电话送话器、光纤开关、变焦镜、触觉外可见光转换器、防盗报警器等。

笔头上有两个红外发射二极管。它们是贴片封装，具有角度大，输出能量高的特点。这两个红外二极管采用红外辐射效率高的材料砷化镓GaAs制成PN结，外加正向偏压向PN结注入电流激发红外光。光谱功率分布为中心波长830～950 nm，半峰带宽约40 nm左右，它是窄带分布。其最大的优点是可以完全无红暴（采用940～950 nm波长红外管）或仅有微弱红暴（红暴为有可见红光）和寿命长。红外二极管的最大辐射强度一般在光轴的正前方，并随辐射方向与光轴夹角的增加而减小。辐射强度为最大值的50%的角度称为半强度辐射角。

塑料笔头套在超声传感器和红外二极管外，作为其保护体。

12.3.1.2 笔身设计

笔头即上一节介绍的笔头套件PT80KHZ-01，笔后盖位于笔身末端，笔身由笔套和内芯组成，信号笔全长134 mm。电路板位于内芯之上，电路板长40.86 mm，宽9.22 mm，由四个塑料柱固定在内芯上，负责完成信号笔的基本功能，即发出定位信号。信号笔可以采用普通圆珠笔芯，书写的内容可以保留于纸上；也可以采用塑料笔芯用于屏幕书写，以免划坏屏幕。笔芯、笔卡、静铜片、动铜片、弹簧1组成了信号笔的机械开关，主要实现落笔书写时，开关闭合，发出超声/红外定位信号；抬笔停止书写时，开关断开，停止发出定位信号。信号笔开关的工作原理可以概括如下，笔芯未按下时，笔芯与笔卡连接，笔卡另一端穿过静铜片（为固定的，不能移动的，与电路板中的地线相连）中间的孔，两者之间有0.6 mm的距离，作为开关闭合断开的行程。静铜片另一端与动铜片（为可以移动的）相连，动铜片另一端与弹簧1相连，与电路板上单片机第4引脚相连，因为静铜片接地，所以此时引脚4为低电平；笔芯按下时，笔芯推动动铜片，使其与静铜片分开，此时动铜片不接地，即单片机的第4引脚不接地，恢复高电平。我们利用该引脚电平变化，实现信号笔开关功能。

12.3.1.3 笔后盖设计

后盖部分与笔身连接，两部分通过螺纹啮合，拆卸方便。其中的空腔设计是为了放置三节纽扣电池，给信号笔提供4.5 V的电压。总体来说，PT80KHZ-01具有360°水平方向性、较大的带宽、较小的Q㊣值、阻抗小、体积小、质量轻等特点，满足于信号笔的各种要求。

12.3.2 信号接收器的结构设计

从结构上说，信号接收器由超声接收传感器、红外接收器、信号处理电路组成。信号笔发出的定位信号由信号接收器上的超声接收传感器、红外模块接收到，经过信号处理电路处理后送入上位机显示。下面将具体阐述超声接收传感器和红外模块的型号、特性及其结构设计。

12.3.2.1 超声接收器设计

超声接收传感器采用的是精量公司的SR80KHZ-01，它也是一款压电薄膜传感器，具有接收信号范围大的优点。柱形薄膜传感器展现出很好的方向角特性。较大的带宽。这些特性使其在两维定位、数字转换器、物体探测及测距等方面发挥了较好的作用，得到较好应用。压电薄膜超声传感器也有很低的质量因数，这意味着信号上升和衰落时间短于普通的陶瓷超声传感器。这些特性对于定位应用都是非常理想的。

SR80KHZ-01这款屏蔽式接收器装置和我们上面介绍的PT80KHZ-01屏蔽式笔头装置是很好的组合，所以在器件的选择上也考虑到这点。信号接收器实物图如图12-7所示。超声接收传感器结构图如图12-8所示。

图12-7　信号接收器实物图

图12-8　超声接收传感器三视图

图12-9是以PT80KHZ-01屏蔽式笔头装置为发射端，以SR80KHZ-01屏蔽式接收器装置作为接收端，两者距离30 cm时，系统接收到信号的特性图。

图12-9　系统接收信号的特性图

可见，信号是由一个衰落的正弦曲线组成，其中横坐标（X㊣）是时间，50μs/div；纵坐标（Y㊣）是幅度，5mV/div。接收频率响应特性如图12-10所示，80～90 k Hz时信号接收特性最优。

图12-10　接收信号频率响应

多种形式的驱动波形可以应用到发射端（例如矩形脉冲、脉冲波、连续正弦信号等）。驱动信号的频谱、发射装置和接收装置的频率响应，以及接收电路的带宽都会影响观测到的接收端的波形。只有在连续驱动条件下，才能准确标定发射端的声能输出以及接收端装置的灵敏度。几个周期之后会出现发射器的最大输出，以及接收信号的峰值。但是，在现实的系统中，不可能存在连续驱动的环境。一般在一或两个周期内选取起始点来接收信号，这样，系统的有效灵敏度将总是比最大可能灵敏度小一些。用户应该谨慎选择适当的起始点。接收装置接收信号的方向性如图12-11、12-12所示。

图12-11　接收信号水平方向特性图

图12-12　接收信号垂直方向特性图

12.3.2.2 红外接收器的设计

红外接收器采用的是ST1838，它是外形最小的红外远距离控制系统接收器，PIN二极管和前置放大器装在焊接外壳里，环氧材料封装。该接收器输出的调制信号可以直接被微处理器解调。其最大优点是：在有干扰的环境中仍具有可靠性，外壳具有屏蔽作用，抗电磁干扰。其结构图如图12-13所示，内部结构框图如图12-14所示。该接收器的特性图如图12-15至12-17所示。

图12-13　红外接收器结构图

图12-14　红外接收器内部结构框图

图12-15　红外接收器方向性特性图

图12-16　红外接收器频率响应特性图

图12-17　红外接收器频率响应特性图

PIN二极管是硅面结型二极管，在P型半导体层和N型半导体层之间有一层轻掺杂的本征半导体层。其稠密的P和N掺杂区域被相对厚的高电阻率的本征层（I）所分隔，这是在P区和N区之间夹一层本征半导体（或低浓度杂质的半导体）构造的晶体二极管。

总之，ST1838的这些优点，如封装小、具有更加优秀的抗干扰能力、输出信号不含干扰脉冲、通电后建立时间短等都满足信号接收器对红外信号接收的要求。