CN101673149B

CN101673149B - 电磁手写输入装置及方法

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Publication number: CN101673149B
Application number: CN2008102128428A
Authority: CN
Inventors: 叶嘉瑞
Original assignee: Waltop International Corp
Current assignee: Waltop International Corp
Priority date: 2008-09-10
Filing date: 2008-09-10
Publication date: 2011-11-23
Anticipated expiration: 2028-09-10
Also published as: CN101673149A

Abstract

一种电磁手写输入装置及方法，用以提供手写输入功能，该电磁手写输入装置包括电磁笔与数字板，其中该电磁笔包含线圈、电容以及电路板，能发射电磁波且具电源的主动式或不具电源的被动式的笔形输入装置，而该数字板具有多个正交排列的天线或线圈，用以感应电磁笔的电磁波。先利用该数字板的控制器进行全域扫描以找出具最大感应电位的线圈位置，进而找出二相邻线圈位置，再以高斯分布函数来做最佳逼近，获得精确的坐标算法，进而由硬件电路操作或软件程序进行运算以求得具倾斜角的电磁笔在数字板上的精确坐标值。

Description

电磁手写输入装置及方法

技术领域

本发明涉及一种电磁手写输入装置及方法，尤其是具准确定位功能的手写输入装置及方法。

背景技术

计算机、终端机以及具类似功能的电子装置需要适当的输入装置，以方便使用者输入指令、数据、或点选显示器上的选项，以控制该计算机的操作。一般常使用的输入装置包括接触式输入装置与非接触式输入装置，接触式输入装置包括键盘、鼠标、摇杆、触控面板、光笔、遥控器、数字板，而非接触式输入装置包括语音输入装置。

数字板(Tablet或Di gitizer)或电磁式的电子白板(White-board)需搭配电磁笔，并配合显示装置上的光标或图标，由电磁笔接近或接触数字板，以选取功能图标、手写文字或绘图，是很方便的输入装置，尤其是写字与绘图功能，广泛的应用于许多电子装置，比如计算机、终端机、手机、手持式数字秘书以及触控面板。

电磁笔是笔形的输入装置，包含线圈、电容以及电路板，具发射电磁波功能，可以是具有电源的主动式或不具电源的被动式，主动式电磁笔的电源一般是电池，而被动式电磁笔的电源一般是由数字板的电磁波提供，亦即电磁笔需感应数字板所发射的电磁波，以提供电力来源。

参阅图1，现有技术电磁手写输入装置的功能方块图，该电磁手写输入装置包括电磁笔10与数字板20，其中电磁笔10包含线圈、电容以及电路板(图中未显示)，具发射电磁波功能。数字板20的功能方块包括多个X线圈、多个Y线圈、X轴扫描电路22、Y轴扫描电路23、信号侦测电路24、扫描驱动器26、模拟至数字转换器(ADC)28以及坐标控制器29，用以产生坐标输出信号32并传送给后级处理装置，比如计算机，或传输接口，比如通用串行总线(USB)接口。

参考数号X1、X2、X3等表示多个X线圈，比如Xn表示第n个X线圈，而参考数号Y1、Y2、Y3等表示多个Y线圈，比如Ym表示第m个Y线圈。X线圈或Y线圈会感应电磁笔10所发射的电磁波，并产生感应电位。

坐标控制器29控制电磁手写输入装置的所有操作。扫描驱动器26接收坐标控制器29的控制驱动信号，并将扫描驱动信号25传送到X轴扫描电路22与Y轴扫描电路23，X轴扫描电路22与Y轴扫描电路23分别驱动多个X线圈与多个Y线圈。当X线圈或Y线圈被驱动时，X线圈或Y线圈的感应电位会由信号侦测电路24侦测出来，并由后级的ADC28产生数字信号，传送给坐标控制器29。坐标控制器29接收该数字信号并进行处理，比如与噪声临界值比较，或比较相邻线圈的数值大小，以判断最大值并获得正确的感应电位数值。接着，坐标控制器29重复以上动作，以获得所有X线圈与Y线圈的感应电位数值。具最大感应电位数值的X线圈即表示电磁笔10最接近的X坐标，同理，具最大感应电位数值的Y线圈即表示电磁笔10最接近的Y坐标。精确的坐标值一般需由不同算法，进行运算而求得，已知技术通常是使用内插法，比如一次近似法、或二次抛物曲线的近似法。

参阅图2，电磁笔感应电磁场的示意图。当电磁笔10与数字板20具有倾斜角时，还需进一步考虑倾斜角对感应电位的影响。如图2所示，如果倾斜角(θ)越大时，靠近该倾斜角的感应线圈会具有越大的感应电位，因此需对倾斜角进行补偿或校正。

参阅图3，电磁笔对数字板的感应电位分布图，图中的曲线显示出左右不对称，代表电磁笔倾斜。在电磁笔10附近的X线圈(XPO)具有最大峰值(VPO)的感应电位，在左右二侧(XPR、XPL)各有一极大峰值(VPR、VPL)，另外XPO线圈的相邻二线圈(XP+、XP-)具有感应电位(VP+、VP-)。参阅图4，数字板中天线线圈的感应电位分布图，其中斜线条状表示X线圈的感应电位，而空白条状表示该处并没有X线圈，而且与图3比较，本图已被简化，用以清楚说明现有技术中的坐标定位方法，其中相同数号表示相似意义。

已知技术中的一次近似法：以内插法求得电磁笔10的坐标。例如，由线圈位置XPO、XPR、XPL、XP+、XP-以及感应电位VPO、VPR、VPL、VP+、VP-，配合储存校正值的存储器，比如只读存储器(ROM)，求得电磁笔10的X坐标，同理可应用到Y坐标。D表示正确的X坐标，Sx表示具最大感应电位的线圈编号，T表示线圈间隔所代表的坐标数值(为简化起见，在此使用等间隔排列的线圈)，G表示一常数，Q表示与感应电位VPO、VPR、VPL有关的参数，f表示与感应电位VPR、VPL有关的参数，H(f)表示与f有关的校正量，则D可表示成：

方程式[1]

D＝Sx*T+Q/G+H(f)

其中

Q＝(VPO-VP+)/(VPO-VP-)，VP+≥VP-

或

Q＝(VPO-VP-)/(VPO-VP+)，VP+<VP-

而且H(f)值储存在存储器中。

另一现有技术的二次抛物曲线的近似法：是使用二次近似内插法求得电磁笔10的坐标。例如，利用线圈位置XPO、XPR、XPL以及感应电位VPO、VPR、VPL，计算如下：

方程式[2]

VPL＝a*(XPL-D)2+b

VPO＝a*(XPO-D)2+b

VPR＝a*(XPR-D)2+b

求得

D＝XPL+T/2*{(3*VPL-4*VPO+VPR)/(VPL-2*VPO+VPR)}

现有技术一次近似内插法的缺点是，因利用一次近似法逼近具近似高斯分布的感应电位，所以误差较大，需存储器储存校正值以进行补偿，但对于线圈数目越大的系统，所需的存储器便越大，增加硬件成本以及复杂度，对产品的可靠度有不利的影响，同时相邻线圈的交互感应作用，让该方法的精确性降低。

现有技术二次近似内插法的缺点是，因利用二次抛物线近似法逼近具近似高斯分布的感应电位，还是造成很大误差，因此特别提出相邻线圈的布局限制，比如须降低相邻线圈的间距，同时限定电磁笔不得太靠近线圈，以弥补假设基础上的不当。

综上所述，需要一种能精确定位出电磁笔坐标位置的装置与方法，以应付精确度要求越高的系统需求，并减少硬件设计的复杂度，同时提高产品的可靠度。

发明内容

本发明的主要目的在提供一种电磁手写输入方法，利用高斯分布函数所推导出来的对数坐标定位公式，使用对数、乘积以及加成运算，以获得精确的电磁笔坐标。

本发明的另一目的在提供一种电磁手写输入装置，利用对数电路与运算电路，实现具对数、乘积以及加成运算的对数坐标定位公式，以逼近实际的高斯分布函数，产生精确的电磁笔坐标。

本发明的另一目的在提供一种电磁手写输入装置，利用坐标控制器内处理器，执行具对数、乘积以及加成运算的对数坐标定位公式，产生逼近实际高斯分布函数的精确电磁笔坐标。

本发明的另一目的在提供一种电磁手写输入方法，利用全域扫描找出具最大值感应电位的线圈位置以及二相邻线圈位置，接着针对所述三线圈位置，侦测获得感应电位，以供计算精确坐标用。

本发明提供一种电磁手写输入方法，用以针对具一电磁笔与一数字板的电磁手写输入装置，获得该电磁笔在该数字板上的一坐标，该电磁手写输入方法，包括：

利用该数字板的一坐标控制器发送一驱动控制信号，以驱动该数字板的一驱动电路，由该驱动电路发送一驱动信号给该数字板的多个水平线圈的其中一水平线圈或多个垂直线圈的其中一垂直线圈，其中所述水平线圈是在该数字板的水平方向上平行排列，而所述垂直线圈是在该数字板的垂直方向上平行排列；

该数字板的一侦测电路，侦测被驱动的该水平线圈或该垂直线圈上因该电磁笔所发射的电磁波而感应到的感应电位；

利用该数字板的一模拟至数字转换器，将该感应电位转换成一数字信号，传送给该坐标控制器，其中该坐标控制器具有一处理器；

该坐标控制器由该处理器储存该数字信号，发送另一驱动控制信号给另一水平线圈或另一垂直线圈；

该侦测电路与该数字转换器进行侦测与转换操作，产生另一数字信号，并传送给该坐标控制器；

该坐标控制器由该处理器进行该数字信号与该另一数字信号的比大小操作，找出一较大数字信号，并储存该较大数字信号；

该坐标控制器发送另一不同驱动控制信号，并由该侦测电路与该数字转换器进行侦测与转换操作，产生相为应于该另一不同的驱动控制信号的数字信号，再由该坐标控制器由该处理器对所储存的该较大数字信号进行比大小操作，将另一较大数字信号更新为该较大数字信号，直到所有所述水平与垂直线圈皆经过驱动操作；

该坐标控制器由该处理器将该较大数字信号所对应的水平与垂直线圈设定成具最大感应电位的水平与垂直线圈，并由该处理器记录相对应的的最大水平与垂直位置；

该坐标控制器由该处理器依据该最大水平与垂直位置，找出二相邻的水平与垂直位置，并由该处理器储存所述三水平与垂直位置；

该坐标控制器由该处理器依据所述三水平与垂直位置发送相对应驱动控制信号，并由该处理器储存相对应的六感应电位；

利用代表该感应电位的高斯分布函数所相对应的一坐标算法，计算出该电磁笔在该数字板上的坐标，其中该坐标算法包括对数操作、乘积以及加成的运算。

本发明提供一种电磁手写输入装置，用以提供手写输入功能，包括：

一电磁笔，用以发射电磁波，该电磁笔包含一线圈、一电容以及一电路板；以及

一数字板，包括：

多个水平线圈，在该数字板的水平方向上平行排列，用以感应该电磁笔所发射的电磁波，产生感应电位；

多个垂直线圈，在该数字板的垂直方向上平行排列，用以感应该电磁笔所发射的电磁波，产生感应电位；

一坐标控制器，包含一处理器，该处理器发送一驱动控制信号，用以对所述水平线圈以及所述垂直线圈进行扫描操作；

一驱动电路，用以接收该驱动控制信号，并传送一驱动信号至所述水平线圈的其中一水平线圈或所述垂直线圈的其中一垂直线圈；

一侦测电路，用以侦测该驱动信号所驱动的该水平线圈或该垂直线圈的感应电位；

一模拟至数字转换器，用以接收该侦测电路所侦测到的该感应电位，转换成一数字信号，传送给该坐标控制器；

一频率计数器，用以计算该侦测电路所处理的感应电位个数，并当所有所述线圈皆经过扫描时，输出一通知信号给该坐标控制器，以由该坐标控制器进行再确认操作，以避免该坐标控制器误动作；

一对数电路，用以接收该数字转换器的数字信号，并在由该坐标控制器输入的一致能信号为高位准时，进行对数转换而产生一对数信号，而且在该致能信号为低位准时，停止进行对数转换；以及

一运算电路，用以接收该对数电路的该对数信号，进行包括乘积、加成以及除法的运算，以获得该电磁笔在该数字板上的坐标；

其中该坐标控制器在完成所有所述水平线圈与所述垂直线圈的扫描操作前，发送具低位准的该致能信号给该对数电路，并在完成所有所述水平线圈与所述垂直线圈的扫描操作后，发送具高位准的该致能信号给该对数电路，而且该坐标控制器在扫描操作中，比较该数字转换器所输入的该数字信号大小，以找出具最大感应电位的最大水平线圈位置以及该最大水平线圈位置的二相邻水平线圈位置，并且进一步找出该最大垂直线圈位置以及该最大垂直线圈位置的二相邻垂直线圈位置，由该对数电路与该运算电路依据由高斯分布函数的一相对应坐标算法，计算出该电磁笔在该数字板上的坐标。

由上述方法与装置，解决现有技术的缺点，获得精确的电磁笔坐标，进而降低硬件的复杂度，并提高产品的可靠度。

附图说明

以下配合附图及元件符号对本发明的实施方式做更详细的说明，以使熟习该项技术者在研读本说明书后能据以实施，其中：

图1为现有技术电磁手写输入装置的功能方块图。

图2为电磁笔感应电磁场的示意图。

图3为电磁笔对数字板的感应电位分布图。

图4为数字板中线圈的感应电位分布图。

图5为显示本发明第一实施例的功能方块图。

图6为显示本发明的运算电路的功能方块图。

图7为显示本发明第二实施例的功能方块图。

图8为显示本发明第三实施例的功能方块图。

具体实施方式

由于图3显示感应电位为高斯分布函数，因本发明直接由高斯分布函数推导出所需计算公式，详细说明如下。高斯分布函数表示为：

方程式[3]

V(Xi)＝AO/(σ*(2*π)^1/2)*exp(-(Xi-D)/(2*σ²))

其中σ为标准差。

将线圈位置XPO、XPR、XPL以及相对应的感应电位VPO、VPR、VPL带入上式后，整理得电磁笔的X坐标值D：

方程式[4]

D＝XPO+T/2*ln(VPR/VPL)/ln(VPO²/VPR/VPL)

其中XPO、XPR、XPL、VPO、VPR、VPL、T的定义如上所述，在此不重复说明。

另用方程式[5]的α以简化方程式[4]：

方程式[5]

α＝ln(VPR/VPL)/ln(VPO²/VPR/VPL)

将方程式[4]整理得：

方程式[6]

D＝XPO+T/2*α

同理可得电磁笔的Y坐标。

上述说明中，主要是利用高斯分布函数表示感应电位，并推导出电磁笔的坐标表示式，亦即方程式[4]，其中只需最大感应电位的线圈位置与二相邻线圈位置，以及所述线圈的感应电位，即可得到电磁笔的X坐标与Y坐标，亦即需要三线圈的位置与三线圈的感应电位。

因此，本发明的方法还包括找出所需三线圈位置与三线圈感应电位的方式。主要流程是：(1)对所有线圈进行全域扫描，找到所需的三线圈位置；(2)输入该三线圈位置并取得三线圈感应电位；(3)利用三线圈位置与三线圈感应电位进行运算以求得电磁笔的坐标。以上的流程可用硬件电路或软件程序来实现。以下将对详细操作进行说明。

首先，本发明的第一实施例是利用硬件电路来实现发明方法的上述操作流程。

参阅图5，本发明第一实施例的功能方块图，电磁手写输入装置包括电磁笔10与数字板40，而该数字板40包括多个X线圈(未显示)、多个Y线圈(未显示)、X轴扫描电路(未显示)、Y轴扫描电路(未显示)、扫描驱动器(未显示)、ADC28、多任务器52、放大器53、带通滤波器54、取样保持电路55、频率计数器56、对数电路62、运算电路64以及坐标控制器29。要注意的是，其中与现有技术相同构造单元的操作将不进行说明，另为清楚说明起见，附图中并不显示出多个X线圈、多个Y线圈、X轴扫描电路、Y轴扫描电路与扫描驱动器，但不影响本发明内容的说明。此外，多任务器52、放大器53、带通滤波器54与取样保持电路55的功能类似于现有技术中的信号侦测电路24，因各个单元的操作为众所周知的技术，因此不做进一步说明。

该坐标控制器29包括一处理器(未显示)，可执行软件程序，该软件程序可以是储存在外挂的存储器(ROM或闪存)内，或是储存在坐标控制器29的内建存储器中。此外，坐标控制器29还可包括随机存储器(RAM)，以加快处理速度。

首先，坐标控制器29对所有线圈进行全域扫描，该流程与现有技术类似，亦即发送驱动控制信号，以驱动每个X线圈与Y线圈，并侦测出线圈上的感应电位，而差异点是本发明只依序进行所有线圈感应电位大小比对，以找出具最大感应电位的线圈位置，接着找到二相邻线圈位置，亦即要找到三线圈的位置，然而现有技术除了所述三线圈位置外，还需储存所述三线圈的感应电位以及二侧边相对极大峰值的线圈位置以及感应电位，亦即需找到五个线圈位置以及五个感应电位。

在本实施例中，图5的频率计数器56计算输入信号的个数，亦即对线圈的扫描数，当所有线圈皆经过扫描时，会输出Pass信号，以通知坐标控制器29，坐标控制器29可以进行再确认，以避免其它干扰因素引起的误动作。

找到所需三线圈的位置后，坐标控制器29只针对所述三线圈发送驱动信号以取得感应电位值。接着，利用对数电路62与运算电路64进行方程式[4]的运算，以求得精确的电磁笔坐标，如图5所示。该对数电路62是由致能信号控制，亦即当该致能信号为高位准时，对数电路62才能运作，而当该致能信号为低位准时，对数电路62停止运作。因此，在全域扫描时，坐标控制器29会发送低位准的致能信号，而要进行电磁笔位置计算时，坐标控制器29会发送高位准的致能信号。

当坐标控制器29会发送高位准的致能信号以启动对数电路62时，对数电路62将ADC28所输入的六笔数字信号转换成对数值，并传送给运算电路64，所述六笔数字信号是指三X线圈的感应电位以及三Y线圈的感应电位，亦即三组XY坐标，分别为第一、第二与第三坐标。参阅图6，本发明的运算电路的功能方块图，运算电路64包括二乘2乘法器71、73、一乘4乘法器72、二减法器(SUB1与SUB2)74、75以及一除法器(DIV)76，用以处理第一、第二与第三坐标，如图6所示。该运算电路64负责执行方程式[5]的运算以求得α值，再将α值传送给坐标控制器29，由坐标控制器29中的处理器(未显示)，进行方程式[6]的运算以求得电磁笔的坐标。

参阅图7，本发明第二实施例的功能方块图，其中对数电路62的输入信号由坐标控制器29提供，亦即ADC28的输位信号经坐标控制器29旁通到对数电路62，其它操作与第一实施例相同。

参阅图8，本发明第三实施例的功能方块图，其中不包含对数电路62与运算电路64，而是由坐标控制器29执行对数电路62与运算电路64的对数转换与运算，亦即使用软件程序来实现方程式[3]，以求得电磁笔的坐标。

依据本发明的方法与装置，可快速获得电磁笔的精确坐标，不只简化设计复杂度，也提高产品的可靠度。

以上所述的仅为用以解释本发明的较佳实施例，并非企图据以对本发明做任何形式上的限制，是以，凡有在相同的发明精神下所作有关本发明的任何修饰或变更，皆仍应包括在本发明权利要求保护的范畴。

Claims

1.一种电磁手写输入方法，用以针对具有一电磁笔与一数字板的电磁手写输入装置，获得该电磁笔在该数字板上的一坐标，该电磁手写输入方法，包括：

该坐标控制器发送另一不同驱动控制信号，并由该侦测电路与该数字转换器进行侦测与转换操作，产生相对应于该另一不同的驱动控制信号的数字信号，再由该坐标控制器由该处理器对所储存的该较大数字信号与该另一不同的驱动控制信号的数字信号进行比大小操作，将另一较大数字信号更新为该较大数字信号，直到所有所述水平与垂直线圈皆经过驱动操作；

该坐标控制器由该处理器将该较大数字信号所对应的水平与垂直线圈设定成具最大感应电位的水平与垂直线圈，并由该处理器记录相对应的最大水平与垂直位置；

该坐标控制器由该处理器依据该最大水平与垂直位置，找出该最大水平与垂直位置相邻的二个水平与垂直位置，并由该处理器储存所述二个水平与垂直位置；

该坐标控制器由该处理器依据所述二个水平与垂直位置发送相对应驱动控制信号，并由该处理器储存相对应的六感应电位；

利用代表该感应电位的高斯分布函数所相对应的一坐标算法，计算出该电磁笔在该数字板上的坐标，其中该坐标算法由以下方程式表示：

V(Xi)＝AO/(σ*(2*π)^1/2)*exp(-(Xi-D)/(2*σ²))

其中σ为标准差、Xi为线圈位置、V(Xi)为相对线圈位置的感应电位、AO为常数；

将线圈位置XPO、XPR、XPL以及相对应的感应电位VPO、VPR、VPL带入上式后，整理得电磁笔的X坐标值D。

2.依据权利要求1所述的电磁手写输入方法，其中该电磁笔包含一线圈、一电容以及一电路板，用以发射电磁波。

3.依据权利要求1所述的电磁手写输入方法，其中该电磁笔包含一电池，用以提供该电磁笔的电源。

4.依据权利要求1所述的电磁手写输入方法，其中该坐标算法可利用该坐标控制器的该处理器执行相对应运算软件程序而实现。

5.依据权利要求1所述的电磁手写输入方法，其中该数字板进一步包括一频率计数器，用以计算该侦测电路所处理的感应电位个数，并当所有所述水平线圈及所述垂直线圈皆经过扫描时，输出一通知信号给该坐标控制器，以由该坐标控制器进行再确认操作，以避免误动作。

6.依据权利要求1所述的电磁手写输入方法，其中该坐标算法可利用一对数电路与一运算电路而实现。

7.一种电磁手写输入装置，用以提供手写输入功能，包括：

一数字板，包括：

一频率计数器，用以计算该侦测电路所处理的感应电位个数，并当所有所述水平线圈及所述垂直线圈皆经过扫描时，输出一通知信号给该坐标控制器，以由该坐标控制器进行再确认操作，以避免该坐标控制器误动作；

其中该坐标控制器在完成所有所述水平线圈与所述垂直线圈的扫描操作前，发送具低位准的该致能信号给该对数电路，并在完成所有所述水平线圈与所述垂直线圈的扫描操作后，发送具高位准的该致能信号给该对数电路，而且该坐标控制器在扫描操作中，比较该数字转换器所输入的该数字信号大小，以找出具最大感应电位的最大水平线圈位置以及该最大水平线圈位置的二相邻水平线圈位置，并且进一步找出该最大垂直线圈位置以及该最大垂直线圈位置的二相邻垂直线圈位置，由该对数电路与该运算电路依据由高斯分布函数的一相对应坐标算法，计算出该电磁笔在该数字板上的坐标，该坐标算法由以下方程式表示：

V(Xi)＝AO/(σ*(2*π)^1/2)*exp(-(Xi-D)/(2*σ²))

8.依据权利要求7所述的电磁手写输入装置，其中该数字板进一步包括一非挥发性存储器，用以储存该坐标控制器所需执行的软件程序。

9.一种电磁手写输入装置，用以提供手写输入功能，包括：

一数字板，包括：

一模拟至数字转换器，用以接收该侦测电路所侦测到的该感应电位，转换成一数字信号，传送给该坐标控制器；以及

其中该坐标控制器在扫描操作中，比较该数字转换器所输入的该数字信号大小，以找出具最大感应电位的最大水平线圈位置以及该最大水平线圈位置的二相邻水平线圈位置，并且进一步找出该最大垂直线圈位置以及该最大垂直线圈位置的二相邻垂直线圈位置，该坐标控制器依据由高斯分布函数的一相对应坐标算法执行对数转换与运算，计算出该电磁笔在该数字板上的坐标，该坐标算法由以下方程式表示：

V(Xi)＝AO/(σ*(2*π)^1/2)*exp(-(Xi-D)/(2*σ²))