波接收設備和確定波接收的方法
2023-07-23 05:10:06 2
專利名稱：波接收設備和確定波接收的方法
技術領域：
本發明涉及一種波接收設備，其用在使用由包括超聲信號的聲信號表示的波信號來測量到目標的距離的系統中，並且涉及一種在這樣的波接收設備中執行的確定波信號的接收的方法。
背景技術：
已經提出了利用投影儀的各種顯示系統。已知的顯示系統之一是電子顯示系統，其能夠使用戶通過使用諸如電子筆等指示器來將諸如字符的信息寫在由投影儀所投影的圖像上。該電子顯示系統根據超聲距離測量處理，來檢測指示器在投影的圖像上的位置。
JP-A 2001-125741公開了一種顯示系統，其中作為指示器的指示杆在其前端具有用於發射超聲信號的超聲發射器，並且設置在屏幕上的至少三個參考位置處的超聲接收器接收由超聲發射器發射的超聲信號。基於各超聲接收器測量的超聲信號的到達時間，即直到由超聲發射器發射的超聲信號到達超聲接收器所消耗的時間，之間的差異，來檢指示杆的前端在屏幕上的位置。
還已知一種系統，其中用於從超聲電子筆接收超聲信號的多個接收器位於投影儀上。基於由各接收器測量的超聲信號的到達時間之間的差異，來測量電子筆在屏幕上的三維位置。
在如上所述的電子顯示系統中，現有超聲接收設備僅在超聲信號的幅度超過閾值時確定其已經接收到超聲信號。因此，超聲接收設備遭受以下問題
超聲接收設備具有的其接收到的信號電平隨著從其自身到超聲發射設備的距離而變化。如果超聲發射設備在其前端具有超聲發射器，如電子筆那樣，則超聲發射設備具有在其後端處電平較低的超聲信號輻射模式。在該情況中，超聲接收器中接收到的信號電平隨著超聲發射設備相對於超聲接收器的方向而變化。
附圖的圖1示意性地示出了當接收到的信號電平變化時，現有超聲接收設備中超聲信號接收定時的確定。圖1在(a)處示出了當接收到的超聲信號的幅度正常時接收到的超聲信號的波形，並且還在(b)處示出了當接收到的超聲信號的幅度加倍時接收到的超聲信號的波形。當接收到的超聲信號的幅度如圖1中在(a)處所示為正常時，由於噪聲N(幹擾噪聲)的電平小於閾值T，所以能夠通過比較第一個波的幅度與閾值T來確定超聲信號接收定時。但是，當接收到的超聲信號的幅度如圖1中在(b)處所示不正常時，由於噪聲N的電平基本上等於閾值T，所以由於噪聲N導致可能會錯誤地確定超聲信號接收定時。
超聲接收器在結構上基本與麥克風類似。因此，超聲接收器易於檢測偶發噪聲或者寬範圍噪聲，例如，語音、關門的聲音、或者顯示器通電時產生的噪聲等等。如果這些噪聲中的任何一種被包含在接收到的超聲信號中，則可能會錯誤地確定超聲信號接收定時。
如上所述，現有超聲接收設備的問題在於，它們可能會錯誤地確定超聲信號接收定時，並且可能會由於噪聲而錯誤地操作。
發明內容
本發明的一個目的是提供一種波接收裝置和確定波信號的接收的方法，用於精確地確定超聲信號接收定時。
為了實現上述目的，根據本發明，當接收器接收到具有其幅度隨時間消逝而逐漸增加的時間段的波信號時，基於比較模式和閾值，來確定接收器已經成功地接收到波信號，其中比較模式是作為波信號的多個順序波的各幅值之間的比較結果而生成的。具體地，基於超聲發射元件的物理特性，即基於由其生成的超聲信號的幅值在其開始操作之後直到其操作變得穩定的一定時間段內隨時間逐漸增加的事實，具有其幅度隨時間消逝而逐漸增加的時間段的超聲信號被超聲接收設備的超聲接收器接收。當超聲信號被超聲接收器接收時，超聲接收設備的模式匹配單元確定比較模式是否與預置參考模式匹配，比較模式是作為超聲信號的多個順序波的各幅值之間的比較結果而生成的。如果比較模式與參考模式匹配，則模式確定單元確定超聲接收器已經成功地接收到超聲波。
對於上述結構，如果接收到的超聲信號包含易於引起錯誤的噪聲，例如，圖1所示的噪聲N、偶發噪聲、或者寬範圍噪聲，則由於比較模式與參考模式不匹配，則不會錯誤地確定超聲信號接收定時。
根據本發明，因為不會由於噪聲而錯誤地確定超聲信號接收定時，所以能夠精確地確定超聲信號接收定時，並且防止超聲接收設備錯誤地操作。
從下面參考附圖的描述中，本發明的上述和其它目的、特徵和優點將變得更加明顯，其中附圖示出了本發明的例子。
在附圖中，圖1是說明現有超聲接收設備操作以確定超聲信號接收定時的方式的圖；圖2是根據本發明的第一實施例的超聲接收設備的框圖；圖3是IIR濾波器的框圖；圖4是說明過零檢測處理的圖；
圖5是用於確定超聲信號接收定時的程序流圖，其由圖2所示的超聲接收設備來執行；圖6是說明模式匹配的具體例子的圖；圖7是根據本發明第二實施例的超聲接收設備的框圖；圖8是說明閾值變化的模式匹配的具體例子的圖；圖9是用於確定超聲信號接收定時的程序流圖，其由圖7所示的超聲接收設備來執行；圖10是用在根據本發明的超聲接收設備中的另一個反相相加處理器的框圖；以及圖11是包括根據本發明的超聲接收設備的電子顯示系統的透視圖。
具體實施例方式
在整個附圖中，相似或者對應的部件用相似或者對應的參考字符表示。
第一實施例圖2以框圖形式示出了根據本發明的第一實施例的超聲接收設備。該超聲接收設備適用於在距離測量系統中使用，該距離測量系統使用超聲信號來測量到目標的距離。該超聲接收設備基本上包括超聲接收器10、反相相加處理器11、接收定時確定單元12、時間測量單元13以及紅外接收器14。
超聲接收器10用來接收要測量的超聲信號，該超聲信號是從發射設備(未示出)以周期性時間段發射的。超聲接收器10將輸出信號提供給反相相加處理器11。
發射設備還以周期性時間段發射紅外信號(脈衝信號)。基於紅外信號的周期性時間段來確定超聲信號的周期性時間段。從發射設備發射的紅外信號被紅外接收器14接收。
反相相加處理器11將由超聲接收器10接收到的超聲信號(模擬信號)轉換成數位訊號，並且對數字超聲信號執行反相加法。反相相加處理器11包括A/D轉換器110、多個延遲電路111a、111b、111c、選擇器112、加法器113、帶通濾波器頻率選擇器114、以及頻率選擇控制器115。反相加法是指如下處理將原始接收到的超聲信號和從原始接收到的超聲信號延遲半個波(半個相位)且其符號被反相的超聲信號相加。
A/D轉換器110用來將從超聲接收器10輸出的超聲信號(模擬信號)轉換成數位訊號。A/D轉換器110將數位訊號輸出到加法器113的負輸入端和延遲電路111a。
延遲電路111a、111b、111c將輸入信號延遲一定的時間間隔。延遲電路111a將其延遲的輸出信號提供給延遲電路111b和選擇器112的第一輸入端。延遲電路111b將其延遲的輸出信號輸出到延遲電路111c和選擇器112的第二輸入端。延遲電路111c將其延遲的輸出信號輸出到選擇器112的第三輸入端。
基於來自頻率選擇控制器115的頻率選擇信號，選擇器112選擇提供到其第一到第三輸入端的信號中的一個，並且將選擇的信號輸出到加法器113的正輸入端。加法器113將來自A/D轉換器110的輸出信號與來自選擇器112的輸出信號彼此相加。加法器113將其輸出和信號提供給帶通濾波器頻率選擇器114。儘管圖2中示出了反相相加處理器11具有三個延遲電路111a到111c，但是反相相加處理器11不限於具有三個延遲電路，而是可以被設計為具有更多或者更少的延遲電路。
帶通濾波器頻率選擇器114包括多個帶通濾波器，其每一個都以IIR濾波器或者FIR濾波器為代表。圖3舉例示出了IIR濾波器。如圖3所示，IIR濾波器包括加法器20、用於放大來自加法器20的輸出信號的放大器21、以及將來自放大器21的輸出信號延遲一定時間間隔的延遲電路22。延遲電路22將分支的延遲輸出信號提供給加法器20的輸入端。帶通濾波器頻率選擇器114包括級聯的圖3所示的IIR濾波器。帶通濾波器頻率選擇器114基於來自頻率選擇控制器115的頻率選擇信號來選擇級聯的IIR濾波器的組合。
頻率選擇控制器115控制選擇器112中的輸入信號的選擇以及帶通濾波器頻率選擇器114中的頻率的選擇。超聲接收設備的用戶能夠通過未示出的輸入單元來設置延遲間隔和頻率選擇控制器115中的頻率。根據由用戶設置的延遲間隔和頻率，頻率選擇控制器115控制選擇器112中的輸入信號的選擇以及帶通濾波器頻率選擇器114中的頻率的選擇。
在圖2中，接收定時確定單元12用來基於由反相相加處理器11處理的接收到的超聲信號來確定每個周期性時間段中的超聲信號接收定時。接收定時確定單元12包括正峰值保持電路120a、負峰值保持電路120b、過零檢測器121、幅度檢測器122、多個寄存器123a到123d、閾值設置單元124、模式生成器125以及模式匹配單元126。
來自帶通濾波器頻率選擇器114的輸出信號被提供給正峰值保持電路120a和負峰值保持電路120b。正峰值保持電路120a保持超聲信號的正幅度的峰值。負峰值保持電路120b保持超聲信號的負幅度的峰值。正峰值保持電路120a和負峰值保持電路120b將各自的輸出信號提供到幅度檢測器122。
過零檢測器121用來檢測超聲信號從正電平變到負電平以及從負電平變到正電平的點(過零點)。當檢測到過零點時，過零檢測器121輸出脈衝信號。來自過零檢測器121的輸出脈衝信號作為保持定時信號被提供給寄存器123a到123d的每一個。
幅度檢測器122用來檢測超聲信號的一個周期中的幅值，其由正幅度和負幅度之和來表示。幅度檢測器122輸出由正峰值保持電路120a保持的幅值和由負峰值保持電路120b保持的幅值(絕對值)之和表示的信號。從幅度檢測器122輸出的信號被提供給寄存器123a。
寄存器123a到123d的每一個基於來自過零檢測器121的保持定時信號來保持輸入信號的值。寄存器123a將其輸出信號提供給寄存器123b的輸入端。寄存器123b將其輸出信號提供給寄存器123c的輸入端。寄存器123c將其輸出信號提供給寄存器123d的輸入端。寄存器123a到123d共同地構成了移位寄存器，其在每次對寄存器123a到123d的值進行移位時，將它們的值提供給模式匹配單元126。模式匹配單元126將寄存器123a到123d的值進行複製並且將它們保持一個周期。
閾值設置單元124保持預置閾值(固定值)，並且將保持的閾值提供給模式匹配單元126。用戶可以通過未示出的輸入單元來設置閾值設置單元124中的閾值。閾值設置單元124保持由用戶設置的閾值。
模式生成器125生成預置參考模式。參考模式由若干0和若干1構成的位模式來表示。用戶能夠通過未示出的輸入單元來設置模式生成器125中的參考模式。參考模式的位的數量由寄存器123a到123d的數量決定。由於圖2中有四個寄存器123a到123d，所以參考模式包括四位。
每當分別由寄存器123a到123d保持的幅值被移位時，模式匹配單元126對分別由寄存器123a到123d保持的每個幅值和從閾值設置單元124提供的閾值進行比較。然後，模式匹配單元126生成由若干0和若干1構成的4位比較模式，其中如果每個寄存器的幅值小於閾值，則產生「0」，如果每個寄存器的幅值大於閾值，則產生「1」。模式匹配單元126對生成的比較模式和從模式生成器125提供的參考模式進行比較。如果比較模式與參考模式匹配，則模式匹配單元126確定已經接收到超聲信號，並且輸出超聲信號接收定時信號(脈衝信號)。從模式匹配單元126輸出的超聲信號接收定時信號被提供給時間測量單元13。儘管圖2中示出了接收定時確定單元12具有4個寄存器123a到123d，但是接收定時確定單元12不限於具有4個寄存器，而是可以被設計為具有更多或者更少的寄存器。如果接收定時確定單元12具有5個寄存器，則比較模式和參考模式的每一個都包括5位的模式。
當紅外接收器14接收到來自發射設備的紅外信號時，紅外接收器14輸出表示紅外信號的接收定時的脈衝信號。紅外接收器14將輸出的脈衝信號作為紅外信號接收定時信號提供給時間測量單元13，並且還將輸出的脈衝信號作為復位信號提供給寄存器123a到123d。時間測量單元13測量在其從紅外接收器14接收到紅外信號接收定時信號之後到其從模式匹配單元126接收超聲信號接收定時信號所經過的時間段。
例如，由紅外接收器14接收到的紅外信號的周期是30msec。由超聲接收器10接收的超聲信號的頻率是幾十kHz。反相相加處理器11、接收定時確定單元12以及時間測量單元13以系統時鐘來操作，其中系統時鐘的頻率充分地高於接收到的超聲信號的頻率。例如，系統時鐘頻率是10MHz。
下面將描述根據第一實施例的超聲接收設備的操作。
被測量的發射設備以周期性時間段來發射紅外信號，並且還以由紅外信號的周期性時間段決定的周期性時間段來發射超聲信號。超聲發射元件(振蕩元件)具有這樣的物理特性在其開始操作之後，由其產生的超聲信號的幅度在一定時間段內隨著時間而逐漸增加，直到其操作變得穩定。根據第一實施例的超聲接收設備基於超聲發射元件的這樣的物理特性來確定超聲信號的接收。
(1)反相相加處理器11的操作從發射設備發射的紅外和超聲信號分別由紅外接收器14和超聲接收器10接收。由超聲接收器10接收的超聲信號提供給反相相加處理器11。
在反相相加處理器11中，A/D轉換器110將從超聲接收器10提供的超聲信號轉換成數位訊號。數字超聲信號被作為原始超聲信號被提供到加法器113的負輸入端，並且還被提供到延遲電路111a到111c。提供到延遲電路111a到111c的超聲信號被從原始超聲信號延遲半個周期(半個相位)或者一個周期(一個相位)。來自延遲電路111a到111c的延遲超聲信號被提供給選擇器112，其選擇延遲超聲信號之一併且將選擇的延遲超聲信號提供到加法器113的正輸入端。加法器113將延遲超聲信號和被反相的原始超聲信號彼此相加。加法器113將其和信號提供給帶通濾波器頻率選擇器114，其中帶通濾波器頻率選擇器114僅選擇接收到的超聲信號頻率分量。已經通過帶通濾波器頻率選擇器114的接收到的超聲信號被提供給接收定時確定單元12。
(2)接收定時確定單元12的操作在接收定時確定單元12中，來自反相相加處理器11的接收到的超聲信號被提供給正峰值保持電路120a、負峰值保持電路120b和過零檢測器121。過零檢測器121將過零檢測定時信號提供給每一個寄存器123a到123d，其中過零檢測定時信號表示從反相相加處理器11的接收到的超聲信號中檢測到的過零點。圖4示意性地示出了過零檢測處理。
假設由延遲電路111a到111c構成的延遲單元將原始超聲信號延遲半個周期(半個相位)。圖4在(a)中示出了接收到的超聲信號的波形，還在(b)中示出了過零檢測定時信號。接收到的超聲信號的波形是以負電平開始的、具有交替的負電平和正電平的正弦波形。圖4示出了其幅度隨時間增加的第一個波到第四個波的過零點a到h。過零檢測定時信號包括分別在第一過零點a、過零點c、過零點e、過零點g處具有正向邊沿並且分別在過零點b、過零點d、過零點f、過零點h處具有負向邊沿的脈衝信號，其中第一個波在第一過零點a處從負電平變為正電平，第二個波在過零點c處從負電平變為正電平，第三個波在過零點e處從負電平變為正電平，第四個波在過零點g處從負電平變為正電平，第一個波的正電平在過零點b處變為第二個波的負電平，第二個波的正電平在過零點d處變為第三個波的負電平，第三個波的正電平在過零點f處變為第四個波的負電平，第四個波的正電平在過零點g處變為第五個波的負電平。
如果由延遲電路111a到111c構成的延遲單元將原始超聲信號延遲了半個周期(半個相位)，則由於接收到的超聲信號的波形具有隨時間增加的幅度，所以當第二個波的幅度是第一個波的幅度的兩倍或者更大時，接收到的超聲信號的幅度隨時間增加，如圖4所示。由於原始的超聲信號和延遲的超聲信號彼此同相，所以來自反相相加處理器11的輸出信號表示接收到第二個波之後彼此偏移一個周期的各波形之間的差異。因此，與超聲信號具有相同頻率分量的噪聲能夠被抵消，其中該噪聲不能夠通過將超聲信號延遲半個周期來抵消。可以由延遲電路111a到111c將延遲的間隔調整為半個周期或者一個周期。
下面，將參考圖4來描述正峰值保持電路120a、負峰值保持電路120b、幅度檢測器122以及寄存器123a到123d的操作。
在接收到的超聲信號波形的第一周期中，第一個波的負幅度的峰值被負峰值保持電路120b保持，第一個波的正幅度的峰值被正峰值保持電路120a保持。幅度檢測器122將第一幅值提供給寄存器123a，其中第一幅值表示分別由正峰值保持電路120a和負峰值保持電路120b保持的幅度的峰值(絕對值)之和。寄存器123a與來自過零檢測器121的過零檢測定時信號的第一負向邊沿(對應於過零點b)同步地保持從幅度檢測器122提供的第一幅值。此時，其它的寄存器123b到123d已經被復位。
在接收到的超聲信號波形的第二周期中，第二個波的負幅度的峰值被負峰值保持電路120b保持，第二個波的正幅度的峰值被正峰值保持電路120a保持。幅度檢測器122將第二幅值提供給寄存器123a，其中第二幅值表示分別由正峰值保持電路120a和負峰值保持電路120b保持的幅度的峰值(絕對值)之和。寄存器123a與來自過零檢測器121的過零檢測定時信號的第二負向邊沿(對應於過零點d)同步地保持從幅度檢測器122提供的第二幅值。同時，寄存器123b保持已經由寄存器123a保持的第一幅值。此時，其它的寄存器123c、123d已經被復位。
在接收到的超聲信號波形的第三周期中，第三個波的負幅度的峰值被負峰值保持電路120b保持，第三個波的正幅度的峰值被正峰值保持電路120a保持。幅度檢測器122將第三幅值提供給寄存器123a，其中第三幅值表示分別由正峰值保持電路120a和負峰值保持電路120b保持的幅度的峰值(絕對值)之和。寄存器123a與來自過零檢測器121的過零檢測定時信號的第三負向邊沿(對應於過零點f)同步地保持從幅度檢測器122提供的第三幅值。同時，寄存器123b保持已經由寄存器123a保持的第二幅值，寄存器123c保持已經由寄存器123b保持的第一幅值。此時，其它的寄存器123d已經被復位。
在接收到的超聲信號波形的第四周期中，第四個波的負幅度的峰值被負峰值保持電路120b保持，第四個波的正幅度的峰值被正峰值保持電路120a保持。幅度檢測器122將第四幅值提供給寄存器123a，其中第四幅值表示分別由正峰值保持電路120a和負峰值保持電路120b保持的幅度的峰值(絕對值)之和。寄存器123a與來自過零檢測器121的過零檢測定時信號的第四負向邊沿(對應於過零點h)同步地保持從幅度檢測器122提供的第四幅值。同時，寄存器123b保持已經由寄存器123a保持的第三幅值，寄存器123c保持已經由寄存器123b保持的第二幅值，寄存器123d保持已經由寄存器123c保持的第一幅值。
如上所述，在接收到的超聲信號波形的各周期中檢測到的幅值被寄存器123a到123d順序地保持。根據所說明的第一實施例，由於有四個寄存器，所以已經被保持的較早的幅值在接收到的超聲信號波形的第五周期和後續周期中被順序地刪除。因此，這些較早的幅值的拷貝被存儲在模式匹配單元126中。
在接收到的超聲信號波形的各周期中檢測到的幅值被寄存器123a到123d保持之後，模式匹配單元126確定超聲信號接收定時。圖5示出了用於確定超聲信號接收定時的程序，其由模式匹配單元126來執行。
如圖5所示，在步驟100中，模式匹配單元126從各寄存器123a到123d獲取寄存器值(保持的幅值)。然後，在步驟101中，模式匹配單元126對獲取的寄存器值和從閾值設置單元124提供的閾值進行比較，並且生成由若干0和若干1構成的4位的比較模式，其中如果寄存器值小於閾值，則產生「0」，如果寄存器值大於閾值，則產生「1」。然後，在步驟102中，模式匹配單元126確定生成的比較模式是否與從模式生成器125提供的4位參考模式匹配。如果比較模式與參考模式不匹配，則控制返回到步驟100，以在寄存器值已經被移位之後從各寄存器123a到123d獲取寄存器值。如果比較模式與參考模式匹配，則模式匹配單元126確定已經接收到超聲信號，並且在步驟103中輸出超聲信號接收定時信號(脈衝信號)。
圖6示出了模式匹配的具體例子。圖6在(a)處示出了來自紅外接收器14的輸出信號，在(b)處示出了來自反相加法處理11的輸出信號，在(c)示出了來自幅度檢測器122的輸出信號。來自反相相加處理器11的輸出信號表示接收到的超聲信號波形，其是以負電平開始的、具有交替的負電平和正電平的正弦波形。圖6所示的波形包括幅度隨時間增加的第一個波到第五個波。N1到N5表示第一個波到第五個波的負幅度的峰值。峰值N1到N5由負峰值保持電路120b順序地保持。P1到P5表示第一個波到第五個波的正幅度的峰值。峰值P1到P5由正峰值保持電路120a順序地保持。為了說明的目的，接收到的超聲信號波形表示為模擬信號波形。但是，接收到的超聲信號實際上是採樣的離散信號。
如從圖6的(c)處所示的來自幅度檢測器122的輸出信號可以看到，當接收到第一個波時，幅度檢測器122輸出表示幅值「N1+P1」的信號。當接收到第二個波時，幅度檢測器122輸出表示幅值「N2+P2」的信號。當接收到第三個波時，幅度檢測器122輸出表示幅值「N3+P3」的信號。當接收到第四個波時，幅度檢測器122輸出表示幅值「N4+P4」的信號。當接收到第五個波時，幅度檢測器122輸出表示幅值「N5+P5」的信號。如果假設各寄存器123a到123d的寄存器值分別由#1到#4表示，則寄存器值#1到#4如下變化當接收到第一個波時，寄存器值#1＝N1+P1，寄存器值#2＝復位，寄存器值#3＝復位，以及寄存器值#4＝復位。
當接收到第二個波時，寄存器值#1＝N2+P2，寄存器值#2＝N1+P1，寄存器值#3＝復位，以及寄存器值#4＝復位。
當接收到第三個波時，寄存器值#1＝N3+P3，寄存器值#2＝N2+P2，寄存器值#3＝N1+P1，以及寄存器值#4＝復位。
當接收到第四個波時，寄存器值#1＝N4+P4，
寄存器值#2＝N3+P3，寄存器值#3＝N2+P2，以及寄存器值#4＝N1+P1。
當接收到第五個波時，寄存器值#1＝N5+P5，寄存器值#2＝N4+P4，寄存器值#3＝N3+P3，以及寄存器值#4＝N2+P2。
根據本具體例子，當接收到第四個波時，由幅值檢測器12產生的輸出信號「N4+P4」超過了由閾值設置單元124提供的閾值T。4位的參考模式「0011」被從模式生成器125提供到模式匹配單元126。模式匹配單元126生成4位的比較模式，其中當寄存器值#大於閾值T時產生「1」，當寄存器值#小於閾值T時產生「0」。
當接收到第一個波、第二個波和第三個波時，由於一些寄存器是復位的，所以模式匹配單元126不生成比較模式。當接收到第四個波時，模式匹配單元126生成比較模式「0001」，並確定比較模式「0001」是否與參考模式「0011」相匹配。由於比較模式「0001」與參考模式「0011」不匹配，模式匹配單元126確定還沒有接收到超聲信號。當接收到第五個波時，模式匹配單元126生成比較模式「0011」，並且確定比較模式「0011」是否與參考模式「0011」匹配。由於比較模式「0011」與參考模式「0011」匹配，模式匹配單元126確定已經接收到超聲信號，並且將超聲信號接收定時信號(脈衝信號)提供給時間測量單元13。
(3)時間測量單元13的操作時間測量單元13測量來自紅外接收器14的輸出信號的正向邊沿，即紅外信號接收定時脈衝信號的正向邊沿，到超聲信號接收定時脈衝信號的正向邊沿的時間(圖6中的t)。時間t對應於從發射設備發射的超聲信號的到達時間，即直到由發射設備發射的超聲信號到達超聲接收器所消耗的時間。
根據上述第一實施例，由於反相相加處理器和接收定時確定電路是數字電路的形式，所以它們能夠被容易地集成，這能夠使超聲接收設備的成本低且尺寸小。此外，能夠改變延遲間隔和接收的超聲頻率，能夠以較大的自由度、較小的尺寸和簡單的結構來設計超聲接收設備。
模式匹配單元126根據模式匹配處理來確定超聲信號接收定時。因此，模式匹配單元126對噪聲不敏感。下面將描述模式匹配單元126對噪聲不敏感的原因。
通常，超聲接收器在結構上與麥克風相似。因此，超聲接收器易於檢測偶發噪聲或者寬範圍噪聲，例如，語音、關門的聲音、或者顯示器通電時產生的噪聲等等。根據當超聲信號的幅值超過閾值時確定接收到超聲信號的現有處理，如果這些噪聲中的任何一種被包含在超聲接收器的輸出信號中，則甚至當幅值實際上不超過閾值時，幅值也會被錯誤地確定為超過閾值，並且時間測量單元會錯誤地操作。根據本實施例，如圖6的具體例子所示，對比較模式與參考模式進行比較，以確定超聲信號接收定時。如果超聲接收器的輸出信號包含偶發噪聲或者寬範圍噪聲，那麼由於比較模式與參考模式「0011」不匹配，則時間測量單元13不會錯誤地操作。順便提及，如果參考模式由「0001」表示，則當超聲接收器的輸出信號包含偶發噪聲時，時間測量單元13可能會錯誤地操作，並且如果參考模式由「1111」表示，則當超聲接收器的輸出信號包含寬範圍的連續噪聲時，時間測量單元13可能會錯誤地操作。
此外，根據本實施例，反相相加處理器將被反相的接收到的超聲信號和從接收到的超聲信號延遲了半個相位或者一個相位的超聲信號相加，由此除去圖1所示的噪聲N。因此，能夠更精確地確定超聲信號接收定時。根據當超聲信號的幅值超過閾值時確定接收到超聲信號的現有處理，由於沒有執行反相相加，所以由於噪聲N而難以精確地確定超聲信號接收定時。
第二實施例在根據第一實施例的超聲接收設備中，在超聲接收器中的接收到的信號電平隨超聲接收器到發射設備的距離而變化。如果發射設備為在其前端具有超聲發射器的杆的形狀，則發射設備具有在其後端電平較低的超聲信號輻射模式。在該情況中，在超聲接收器中接收到的信號電平隨著發射設備相對於超聲接收器的方向而變化。接收到的信號電平基於距離和方向的變化易於降低由根據第一實施例的超聲接收設備中的模式匹配單元126確定的超聲信號接收定時的精度，其中第一實施例採用固定值作為閾值。根據第二實施例的超聲接收設備採用可動態地變化的閾值，用於增加檢測到的超聲信號接收定時的精度。
圖7以框圖形式示出了根據本發明第二實施例的超聲接收設備。根據圖7所示的第二實施例的超聲接收設備與根據圖2所示的第一實施例的超聲接收設備的不同之處在於用動態閾值設置單元127代替閾值設置單元124。根據第二實施例的超聲接收設備除了動態閾值設置單元127之外的其它細節與根據第一實施例的超聲接收設備的細節相同，並且下面對其它細節不進行描述。下面將主要描述動態閾值設置單元127的操作。假設模式生成器125生成參考模式「0111」。
圖8示出了模式匹配的具體例子，其中閾值是變化的。對於圖6所示的具體例子，當接收到第四個波時，如下給出寄存器值#1到#4寄存器值#1＝N4+P4，寄存器值#2＝N3+P3，寄存器值#3＝N2+P2，以及寄存器值#4＝N1+P1。
此時，動態閾值設置單元127將預置閾值T1(固定值)提供給模式匹配單元126。模式匹配單元126通過對閾值T1和寄存器值#1到#4進行比較來生成比較模式。閾值T1被設置為不受到包含在超聲接收器10中的噪聲(圖1所示的噪聲N)影響的最小值。
如果超聲接收器10中的接收到的信號電平足夠，則由於寄存器值#3「N2+P2」大於閾值T1，所以模式匹配單元126生成比較模式「0111」。由於比較模式「0111」與參考模式「0111」相匹配，所以模式匹配單元126確定已經接收到超聲信號，並且將超聲信號接收定時信號輸出到時間測量單元13。
如果超聲接收器10中的接收到的信號電平不足，則由於寄存器值#3「N2+P2」小於閾值T1，所以比較模式與參考模式「0111」不匹配。例如，如果閾值T1小於寄存器值#1「N4+P4」並且大於寄存器值#2「N3+P3」，則生成比較模式「0001」，並且其與參考模式「0111」不匹配。因此，模式匹配單元126確定沒有接收到超聲信號。
如上所述，如果模式匹配單元126確定沒有接收到超聲信號，則當接收到第五個波時，動態閾值設置單元127基於在前面的模式匹配周期中即當接收到第四個波時的寄存器值來設置閾值T2。具體地，閾值T2被設置為大於在接收到第四個波時的寄存器值#3「N2+P2」並且小於寄存器值#2「N3+P3」的值。
當接收到第五個波時，如下給出寄存器值#1到#4寄存器值#1＝N5+P5，寄存器值#2＝N4+P4，寄存器值#3＝N3+P3，以及寄存器值#4＝N2+P2。
模式匹配單元126對這些寄存器值和由動態閾值設置單元127設置的閾值T2進行比較，由此生成比較模式。具體地，由於寄存器值#3「N3+P3」大於閾值T2，所以模式匹配單元126生成比較模式「0111」。由於比較模式「0111」與參考模式「0111」相匹配，所以模式匹配單元126確定已經接收到超聲信號，並且將超聲信號接收定時信號輸出到時間測量單元13。
圖9示出了用於確定超聲信號接收定時的程序，其由圖7所示的模式匹配單元126執行。
如圖9所示，在步驟200中，模式匹配單元126從各寄存器123a到123d獲取寄存器值，其中寄存器123a到123d已經保持了第一個波到第四個波的幅度的最大值。然後，在步驟201中，模式匹配單元126對獲取的寄存器值和由動態閾值設置單元127提供的閾值T1進行比較，並且生成由若干0和若干1構成的4位的比較模式，其中如果寄存器值小於閾值，則產生「0」，如果寄存器值大於閾值，則產生「1」。然後，在步驟202中，模式匹配單元126確定生成的比較模式是否與模式生成器125提供的4位的參考模式相匹配。
如果比較模式與參考模式不匹配，則動態閾值設置單元127將閾值重設到第一個波到第四個波的某一波(此時為第二個波)的幅度的最大值和接著接收到的波(此時為第三個波)的幅度的最大值之間。如此重設的值是圖8所示的閾值T2。
然後，在步驟204中，模式匹配單元126從各寄存器123a到123d獲取寄存器值，其已經保持了第二個波到第五個波的幅度的最大值。然後，在步驟205中，模式匹配單元126對獲取的寄存器值和由動態閾值設置單元127重設的閾值T2進行比較，並生成4位的比較模式。然後，模式匹配單元126對生成的比較模式和從模式生成器125提供的4位參考模式進行比較。此時，比較模式與參考模式成功匹配。然後，在步驟207中，模式匹配單元126確定已經接收到超聲信號，並且輸出超聲信號接收定時信號(脈衝信號)。
在步驟202中，如果比較模式與參考模式匹配，則控制跳到步驟207。
根據圖9所示的程序，如果超聲接收器10中的接收到的信號電平不足，則在第二比較循環中比較模式成功地與參考模式匹配，並且模式匹配單元126將超聲信號接收定時信號提供給時間測量單元13。此時，時間測量單元13以從實際超聲信號接收定時偏移一個相位的接收定時來測量超聲信號的到達時間。通過對在已經接收到前一紅外信號之後由模式匹配單元126保持的寄存器值(幅度值)和當前幅度值進行比較，能夠確定超聲信號接收定時信號對應於哪個波。超聲信號的一個周期的時間間隔是明顯的。因此，能夠校正到達時間。其原因在於，在下面要描述的電子顯示系統中，由用戶操作的電子筆的平移和傾斜的變化引起了接收到的超聲信號的幅度變化，並且由於生成超聲信號的周期，即紅外信號接收的周期短於由用戶操作電子筆的時間，所以該變化緩慢地發生。因此，在接收到前一紅外信號之後和接收到當前的紅外信號之後，超聲信號的幅度不會顯著地增加或者降低。
僅舉例示出了上述實施例，而其結構和操作細節可以被修改。例如，可以用圖10所示的反相相加處理器11a來代替反相相加處理器11。如圖10所示，反相相加處理器11a包括A/D轉換器110、3個FIR濾波器116a、116b、116c、選擇器117、頻率選擇控制器118以及加法器119。A/D轉換器110將其輸出信號提供給加法器119的負輸入端，並且還提供到FIR濾波器116a、116b、116c。FIR濾波器116a、116b、116c將各輸出信號分別提供到選擇器117的第一、第二和第三輸入端。基於來自頻率選擇控制器118的頻率選擇信號，選擇器117選擇提供到其第一到第三輸入端的信號中的一個，並且將選擇的信號輸出到加法器119的正輸入端。加法器119對來自A/D轉換器110的輸出信號和來自選擇器117的輸出信號進行彼此相加。加法器119將其輸出和信號提供到圖2或者圖7所示的接收定時確定電路。
每個FIR濾波器116a、116b、116c具有圖10的上部所示的結構。具體地，每個FIR濾波器116a、116b、116c包括n個延遲電路301到30n的串聯列、(n+1)個放大器311到31n+1以及n個加法器321到32n的串聯列。放大器311到31n+1具有連接到延遲電路301到30n的各輸入線的各輸入端。放大器31n+1具有連接到延遲電路30n的輸出線的輸入端。放大器311到31n+1具有分別連接到加法器321到32n的輸入端的各輸出端。加法器321具有連接到放大器311的輸出端的另一輸入端。加法器322到32n具有分別連接到前一加法器321到32n-1的輸出端的其它輸入端。
如上所述構造的反相相加處理器11a以與圖2或者圖7所示的反相相加處理器11相同的方式操作。反相相加處理器11a示出了具有三個FIR濾波器116a到116c。但是，反相相加處理器11a可以設計為具有更多或者更少的FIR濾波器。
在第二實施例中，參考模式可以是除了「0111」之外的模式。例如，參考模式可以是「0011」。這時，在圖8所示的具體例子中，閾值T2被設置為大於第三個波的幅值且小於第四個波的幅值。
閾值T還可以設置為接收到前一紅外信號之後的第二個波的幅值和第三個波的幅值之間的中間值。或者說，當生成超聲信號接收定時信號時，可以在接收下一紅外信號之前準備新閾值T。
下面將描述包括根據本發明的超聲接收設備的電子顯示系統。
圖11以透視圖示出了包括根據本發明的超聲接收設備的電子顯示系統。如圖11所示，該電子顯示系統包括投影儀81，其具有多個超聲接收設備84a、84b、84c；以及電子筆82，用於將諸如字符等信息輸入到圖像83上，其中圖像83被從投影儀81投影到諸如牆壁等結構體80上。
電子筆82在其前端具有用於發射超聲信號的超聲發射器、用於發射紅外信號的紅外發射器、以及開關。當電子筆82的前端被按壓在結構體80上時，開關被接通。在接通開關的同時，超聲發射器和紅外發射器開始分別發射超聲信號和紅外信號。在開關接通的同時，超聲發射器和紅外發射器分別連續地發射超聲信號和紅外信號。
每個超聲接收器84a、84b、84c包括根據第一實施例或者第二實施例的超聲接收設備，並且接收從電子筆82發射的超聲信號和紅外信號。每個超聲接收器84a、84b、84c如圖6或者8所示執行模式比較，並且測量來自電子筆820的超聲信號的到達時間。測量的結果被提供到投影儀81的處理電路(CPU)，該處理電路基於來自超聲接收器84a、84b、84c的測量結果，根據三角測量法，來檢測投影圖像83上的電子筆82的前端的位置。檢測到的電子筆82的前端位置作為標記顯示在投影圖像83上。
由於電子筆82的超聲信號輻射模式的電平在其後端較低，所以每個超聲接收器84a、84b、84c優選地包括根據第二實施例的超聲接收設備。
圖11所示的電子顯示系統說明了具有三個超聲接收設備。但是，可以期望該電子顯示系統具有更多或者更少的超聲接收設備，只要它們能夠檢測出電子筆的位置。
根據本發明的超聲接收設備不限於被包括在電子顯示系統中，而是可以被包括在各種裝置或者系統中的任何一個中，用於測量超聲信號的到達時間。
儘管對於基於根據本發明的模式匹配來確定信號接收定時的處理，描述了超聲信號，但是該處理也可以應用於普通的聲信號(包括超聲信號)或者普通的波信號。此外，儘管對於該處理描述了紅外信號，但是該處理也可應用於普通的電磁波信號。
在每個實施例中，當比較模式與參考模式完全相互匹配時，確定已經接收到超聲信號。但是，可以布置超聲接收設備，以便當比較模式和參考模式部分地相互匹配時，確定已經接收到超聲信號。
雖然使用具體術語描述了本發明的優選實施例，但是該描述僅是為了說明目的，並且應該理解，在不偏離權利要求的精神或者範圍的情況下，可以進行修改和變化。
權利要求
1.一種波接收設備，用於接收具有其幅度隨時間消逝而逐漸增加的時間段的波信號，該波接收設備包括接收器，用於接收波信號；以及確定單元，用於基於比較模式來確定所述接收器已經成功地接收到所述波信號，其中所述比較模式是作為由所述接收器接收的所述波信號的多個順序波的各幅值和閾值之間的比較結果而生成的。
2.根據權利要求1的波接收設備，其中所述確定單元包括移位寄存器，用於順序地保持所述波信號的各順序波的幅值，所述移位寄存器包括多個串聯連接的寄存器；以及模式匹配單元，用於基於所述閾值和由所述移位寄存器保持的幅值之間的比較來生成所述比較模式，並且如果生成的比較模式與所述參考模式匹配，則確定所述接收器已經成功地接收到所述波信號。
3.根據權利要求2的波接收設備，其中所述確定單元還包括動態閾值設置單元，如果所述比較模式與所述參考模式不匹配，則將所述閾值重設到由所述移位寄存器保持的所述各波中的一個波的幅值和由所述移位寄存器保持的所述各波中的下一個波的幅值之間。
4.根據權利要求3的波接收設備，其中各波中的所述一個波包括所述時間段期間由所述接收器接收的各波中的第二個波。
5.根據權利要求1的波接收設備，其中所述波信號包括聲信號。
6.根據權利要求1的波接收設備，其中所述波信號包括超聲信號。
7.根據權利要求1的波接收設備，還包括電磁信號接收器，用於接收與來自發射所述波信號的外部發射設備的所述波信號同時發射的電磁信號；以及時間測量單元，用於測量所述電磁信號接收器已經接收到所述電磁信號之後直到所述確定單元確定所述接收器已經成功地接收到所述波信號的時間段。
8.根據權利要求7的波接收設備，其中所述電磁信號包括紅外信號。
9.一種波接收設備，用於接收具有其幅度隨時間消逝而逐漸增加的時間段的波信號，該波接收設備包括接收器，用於接收波信號；以及確定單元，用於基於比較模式和參考模式之間的比較結果來確定所述接收器已經成功地接收到所述波信號，其中所述比較模式是作為由所述接收器接收的所述波信號的多個順序波的各幅值和閾值之間的比較結果而生成的。
10.根據權利要求9的波接收設備，其中所述波信號包括聲信號。
11.根據權利要求9的波接收設備，其中所述波信號包括超聲信號。
12.根據權利要求9的波接收設備，還包括電磁信號接收器，用於接收與來自發射所述波信號的外部發射設備的所述波信號同時發射的電磁信號；以及時間測量單元，用於測量所述電磁信號接收器已經接收到所述電磁信號之後直到所述確定單元確定所述接收器已經成功地接收到所述波信號的時間段。
13.根據權利要求12的波接收設備，其中所述電磁信號包括紅外信號。
14.一種波接收設備，用於接收具有其幅度隨時間消逝而逐漸增加的時間段的波信號，該波接收設備包括接收器，用於接收波信號；以及確定單元，用於確定比較模式是否與參考模式匹配，所述比較模式是作為由所述接收器接收的所述波信號的多個順序波的各幅值和閾值之間的比較結果而生成的，並且如果所述比較模式與所述參考模式匹配，則確定所述接收器已經成功地接收到所述波信號。
15.根據權利要求14的波接收設備，還包括反相相加處理器，用於對從所述接收器接收並輸出的波信號反相的原始信號和從所述波信號延遲半個相位或者一個相位的信號進行彼此相加、產生和信號、並將所述和信號提供給所述確定單元。
16.根據權利要求15的波接收設備，其中所述反相相加處理器和所述確定單元分別包括數字電路。
17.根據權利要求14的波接收設備，其中所述波信號包括聲信號。
18.根據權利要求14的波接收設備，其中所述波信號包括超聲信號。
19.根據權利要求14的波接收設備，還包括電磁信號接收器，用於接收與來自發射所述波信號的外部發射設備的所述波信號同時發射的電磁信號；以及時間測量單元，用於測量所述電磁信號接收器已經接收到所述電磁信號之後直到所述確定單元確定所述接收器已經成功地接收到所述波信號的時間段。
20.根據權利要求19的波接收設備，其中所述電磁信號包括紅外信號。
21.一種電子顯示系統，包括投影儀，其具有每一個都是根據權利要求7的多個波接收設備；以及指示設備，用於發射波信號和電磁信號；其中每個所述波接收設備基于波接收設備接收到所述波信號和所述電磁信號的各時間，來測量從所述指示設備發射的波信號到達波接收設備的時間段。
22.根據權利要求21的電子顯示系統，其中所述電磁信號包括紅外信號。
23.一種電子顯示系統，包括投影儀，其具有每一個都是根據權利要求12的多個波接收設備；以及指示設備，用於發射波信號和電磁信號；其中每個所述波接收設備基于波接收設備接收所述波信號和所述電磁信號的各時間，來測量從所述指示設備發射的波信號到達波接收設備的時間段。
24.根據權利要求23的電子顯示系統，其中所述電磁信號包括紅外信號。
25.一種電子顯示系統，包括投影儀，其具有每一個都是根據權利要求19的多個波接收設備；以及指示設備，用於發射波信號和電磁信號；其中每個所述波接收設備基于波接收設備接收所述波信號和所述電磁信號的各時間，來測量從所述指示設備發射的波信號到達波接收設備的時間段。
26.根據權利要求25的電子顯示系統，其中所述電磁信號包括紅外信號。
27.一種確定波接收的方法，包括如下步驟接收具有其幅度隨時間消逝而逐漸增加的時間段的波信號；以及基於比較模式來確定已經成功地接收到所述波信號，其中所述比較模式是作為接收的所述波信號的多個順序波的各幅值和閾值之間的比較結果而生成的。
28.一種確定波接收的方法，包括如下步驟接收具有其幅度隨時間消逝而逐漸增加的時間段的波信號；以及對比較模式和參考模式進行相互比較，所述比較模式是作為接收的所述波信號的多個順序波的各幅值和閾值之間的比較結果而生成的；以及基於比較步驟的結果來確定已經成功地接收到所述波信號。
29.一種確定波接收的方法，包括如下步驟接收具有其幅度隨時間消逝而逐漸增加的時間段的波信號；以及確定比較模式是否與參考模式匹配，所述比較模式是作為接收的所述波信號的多個順序波的各幅值和閾值之間的比較結果而生成的；以及如果所述比較模式與所述參考模式匹配，則確定已經成功地接收到所述波信號。
30.根據權利要求29的方法，還包括如下步驟將所述波信號的各順序波的幅值順序地保持在移位寄存器中，其中所述移位寄存器包括多個串聯連接的寄存器；以及基於所述閾值和由所述移位寄存器保持的幅值之間的比較來生成所述比較模式。
31.根據權利要求30的方法，還包括如下步驟如果所述比較模式與所述參考模式不匹配，則將所述閾值重設到由所述移位寄存器保持的所述各波中的一個波的幅值和由所述移位寄存器保持的所述各波中的下一個波的幅值之間。
32.根據權利要求31的方法，其中各波中的所述一個波包括所述時間段期間接收的各波中的第二個波。
33.根據權利要求27的方法，其中所述波信號包括聲信號。
34.根據權利要求28的方法，其中所述波信號包括聲信號。
35.根據權利要求29的方法，其中所述波信號包括聲信號。
36.根據權利要求27的方法，其中所述波信號包括超聲信號。
37.根據權利要求28的方法，其中所述波信號包括超聲信號。
38.根據權利要求29的方法，其中所述波信號包括超聲信號。
全文摘要
超聲接收器接收具有其幅度隨時間消逝而逐漸增加的時間段的超聲信號。模式匹配單元在超聲信號的該時間段期間確定比較模式是否和參考模式匹配，其中比較模式是作為所述波信號的多個順序波的各最大幅值和由閾值設置單元所設置的閾值之間的比較結果而生成的。如果比較模式和參考模式匹配，則模式匹配單元確定超聲接收器已經成功地接收到超聲信號。
文檔編號G01S5/00GK1825055SQ20061005497
公開日2006年8月30日 申請日期2006年2月27日 優先權日2005年2月25日
發明者鈴木健二, 小林博之, 村山修司, 稻本賢司 申請人:日本電氣視象技術株式會社