隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及,，對便攜式輸入設(shè)備的要求也越來越高,。人們希望能隨時(shí)隨地用電子設(shè)備記錄下原始的書寫內(nèi)容,。傳統(tǒng)的基于傳感材料的手寫筆系統(tǒng)需要特殊的書寫材料，使它的應(yīng)用范圍受到限制,。超聲波相對與電磁波速度要小得多,，其傳播的時(shí)間較容易檢測，將其應(yīng)用于電子筆系統(tǒng)中,，可以使輸入設(shè)備更加便捷,，筆跡跟蹤準(zhǔn)確。

　　DSP擁有高速的運(yùn)算能力,，適合于大運(yùn)算量的信號處理,，在超聲波電子筆系統(tǒng)中將其作為信號處理的核心處理器是一個(gè)良好的選擇。本系統(tǒng)綜合應(yīng)用傳感器技術(shù),、波形檢測和筆跡形成技術(shù),，實(shí)現(xiàn)記錄手寫筆跡的功能。當(dāng)電子筆在任意平面書寫的同時(shí),，筆跡即刻顯示在主設(shè)備的屏幕上,，同時(shí)筆跡信息存儲(chǔ)到主設(shè)備的SD卡中，并且可以上傳至電腦,，作進(jìn)一步的處理,。它適用于移動(dòng)辦公、電化教育,、網(wǎng)絡(luò)會(huì)議等多種場合,。

　　1 超聲波筆跡檢測原理

　　超聲波是一種彈性機(jī)械波，其傳播時(shí)能量相對集中,，衰減小,，不受光線和周圍物體顏色的影響，廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測之中,。電子筆系統(tǒng)要精確完成筆跡形成和存儲(chǔ)的功能,，首先是要利用超聲波檢測出各個(gè)采樣時(shí)刻筆觸所在位置。為此,，需要一個(gè)超聲波發(fā)生器安裝于筆觸位置,，兩個(gè)超聲波傳感器固定在一個(gè)主設(shè)備上。它們的幾何位置關(guān)系可以由圖1表示,，其中R(L)和R(R)是兩個(gè)固定的超聲波傳感器，TX是筆觸上的超聲波發(fā)生器,，a為R(L)與R(R)之間的距離,，是一個(gè)已知常量。

　　在有紅外信號同步的情況下,，b和c的大小可以通過渡越時(shí)間法實(shí)時(shí)測量得到,。然后,，以R(L)所在位置為原點(diǎn)，以R(L)和R(R)的連線為x軸建立平面坐標(biāo)系,，由簡單的幾何知識得到此時(shí)筆觸的位置坐標(biāo)為

　　通過反復(fù)測量,，以75 Hz頻率采樣形成點(diǎn)跡，多個(gè)時(shí)刻的點(diǎn)跡最終形成連續(xù)筆跡,。為了避免環(huán)境噪聲干擾和多套系統(tǒng)同時(shí)使用時(shí)產(chǎn)生的相互干擾,，采用文獻(xiàn)敘述的兩步檢測和時(shí)隙跳變檢測方法。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　超聲波電子筆系統(tǒng)由一個(gè)主機(jī)設(shè)備和一只電子筆組成,。其中主機(jī)設(shè)備包含兩個(gè)位置固定的超聲波傳感器,、超聲接收電路、信號采集和用于筆觸位置計(jì)算的DSP處理器,。為了功能完善,，DSP外接有SD卡存儲(chǔ)器、液晶顯示器(LCD),，溫度傳感器和紅外發(fā)生器,，其整體架構(gòu)如圖2所示。

　　接收電路分前級放大,，帶通濾波,，后級放大，整形電路幾部分,。因?yàn)橹苯佑沙暡▊鞲衅鹘邮盏降男盘柺治⑷?，需要進(jìn)行前級放大，此處選用高精度單片運(yùn)算放大器OP07實(shí)現(xiàn),。帶通濾波采用壓控電壓源二階帶通濾波器,，其電路原理如圖3所示，它通過改變RF和R4的比例就可改變頻寬而不影響中心頻率,，電路參數(shù)由下面的公式計(jì)算得到,，中心頻率

　　核心處理器選用TI公司的16位低功耗DSP芯片TMS320VC5509A。VC55-09A主頻最高達(dá)200 MHz,，內(nèi)部有雙乘法器,，支持DMA操作，集成有USBl．1控制器,、多路A／D轉(zhuǎn)化器,，并且它自帶MMC控制器，可以擴(kuò)展MMC卡和SD卡作為存儲(chǔ)設(shè)備,。SD卡主要用于存儲(chǔ)形成的筆跡信息,，用于事后通過片上集成的USB接口上傳至電腦作進(jìn)一步處理，比如通過文字識別軟件生成標(biāo)準(zhǔn)字體,；液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示筆跡信息,，并且調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)使有利于人機(jī)交互,；溫度傳感器用于監(jiān)控環(huán)境溫度，由于超聲波在空氣中的傳播速度是一個(gè)與溫度有關(guān)的量,，需要對檢測的筆跡結(jié)果作修正,；紅外發(fā)生器配合電子筆中的紅外接收器工作，作為超聲波測距時(shí)的同步信號,。

　　在與SD卡連接時(shí),，直接利用TMS320VC5509A自帶的MMC控制器，通過對EBSR(外部總線選擇寄存器)的設(shè)置,，來選擇工作于MMC／SD模式或MCBSP(多通道緩沖串口)模式,，對SD卡的操作其接口方式，如圖4所示,。

　　顯示部分,，為了使編程方便，選用了日本SEIKOEPSON公司的SEDl335控制器,，它可以直接與DSP相連,，有較強(qiáng)功能的I／O緩沖器，在其內(nèi)部時(shí)鐘全周期內(nèi),，可全速響應(yīng)DSP的訪問,，使DSP的數(shù)據(jù)總線直接與控制器的數(shù)據(jù)接口連接。

　　電子筆部分,，主要是在MCU的控制下產(chǎn)生超聲波信號,，出于小體積和低功耗的考慮，選擇了微芯公司8位閃存PIC單片機(jī)PICl0F,。PICl0F是6引腳的SOT-23封裝,，指令執(zhí)行速度可達(dá)2 MI／S，它具備8 MHz內(nèi)置振蕩器,，具有波形生成功能,。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，借鑒雷達(dá)波形設(shè)計(jì)方法,，波形設(shè)計(jì)為偽隨機(jī)的M序列,，頻率設(shè)置為40 kHz。電子筆中的壓力傳感器安裝于筆觸頂端,，用于檢測電子筆是否與書寫平面接觸,，只有與書寫平面接觸時(shí)，才啟動(dòng)其它電路,，以節(jié)省功耗,。