基于FPGA的激光笔辅助教学系统

论文摘要

本论文尝试在上海交通大学E-Learning实验室的各种现有设备和技术研究成果的基础上,继续研究激光笔应用教学系统,设计并实现了基于FPGA的激光笔辅助教学系统。该系统以教师为核心,“黑板”为载体,通过使用激光笔对屏幕上的各种内容进行指示和操作,使教师拥有更加自由的授课空间。本文在原有激光笔系统的基础上,将亮点识别算法移植到FPGA嵌入式平台进行计算以减轻主机端的运算负担,同时在该硬件平台上嵌入摄像头模块以减少安装设备,达到方便实用的目的。基于FPGA的激光笔互动教学系统的实现原理是:为了实现激光笔与大屏幕互动的目的,基于常用的OV9650摄像头模块和315MHz无线收发模块,采用了一种FPGA架构来实现激光笔与大屏幕互动的设计方案。OV9650摄像头模块的采集信号由FPGA进行缓存和处理,计算出激光点的坐标,然后计算机接收激光点的坐标及激光笔发出的无线控制信号,通过授课主机端的软件实现激光笔与大屏幕的互动。整套系统的自制硬件部分由激光笔发射器和接收控制器组成。激光笔发射器为一手持设备,各功能按键和激光发射头安装于手持设备便于操作和发射的地方,便于演讲者操作和发射。该手持设备集成了无线通信和激光笔功能,激光头发射激光亮点,可方便演讲者在演讲过程中指出重点部分,无线通信功能方便演讲者在演讲过程中远距离控制幻灯片。接收控制器是一个以现场可编程门阵列FPGA为核心的接收控制装置,集成了主处理器模块（现场可编程门阵列FPGA）,摄像头采集模块,无线接收模块,VGA接口模块,存储模块,串口转USB口模块和电源模块。接收控制器上有一个可与授课主机直接相连的通用USB接口,接收控制器通过它直接与授课主机上的USB接口对接,将FPGA处理模块计算得到的激光点的坐标以及无线接收模块接收到的控制信息通过该USB接口传送到授课主机上的软件端进行处理,实现控制幻灯片的上下翻页、轨迹绘制、无线鼠标操作及局部放大功能。本文通过对于系统整体的设计,以及由系统设计所引出的关键性技术研究,完整实现了上述应用于SNC中的教学辅助系统。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 E-Learning 简介
• 1.2 普适计算与智能空间
• 1.3 激光笔应用教学的背景介绍
• 1.4 课题的项目背景
• 1.5 本文的主要工作
• 1.6 本文的组织结构
• 1.7 小结
• 第2章 关键技术介绍
• 2.1 FPGA 嵌入式技术
• 2.2 亮点识别技术
• 2.3 屏幕校准方法
• 2.4 小结
• 第3章 基于FPGA 的激光笔辅助教学系统的整体实现
• 3.1 系统总体设计
• 3.1.1 系统总体框架
• 3.1.2 系统逻辑流程
• 3.2 系统硬件设计与实现
• 3.2.1 激光笔设计
• 3.2.2 接收控制器设计
• 3.3 系统软件设计与实现
• 3.3.1 亮点识别模块
• 3.3.2 屏幕显示模块
• 3.4 系统模块通信设计
• 3.4.1 基于无线的系统通信模块
• 3.4.2 基于USB 连接的系统通信模块
• 3.5 实用性评估
• 3.6 小结
• 第4章 基于FPGA 的激光笔辅助教学系统的硬件部分实现
• 4.1 激光笔的设计与实现
• 4.1.1 主要功能
• 4.1.2 设计方案
• 4.1.3 硬件产品及测试
• 4.2 接收控制器的设计与实现
• 4.2.1 FPGA 设计技术及其在图像处理领域的应用
• 4.2.2 主要功能
• 4.2.3 设计方案
• 4.2.4 硬件产品及测试
• 4.3 小结
• 第5章 基于FPGA 的激光笔辅助教学系统的软件部分实现
• 5.1 亮点识别模块的设计与实现
• 5.1.1 仿形状识别思想
• 5.1.2 滤光片使用
• 5.1.3 亮点识别算法
• 5.1.4 算法测试与分析
• 5.2 屏幕显示模块的设计与实现
• 5.2.1 屏幕校准方法
• 5.2.2 互动功能
• 5.2.3 测试及分析
• 5.3 小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 本文的主要工作
• 6.2 有待进一步解决的问题
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文和参与项目
• 附录