CN102156586A - 手写同步显示电子画板 - Google Patents

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Abstract

本发明请求保护一种电子画板，涉及电子技术领域，由霍尔传感器将笔芯变化的物理范围转换为电压信号传递给带有A/D转换器的单片机进行信号处理，通过无线发送给画板，控制器的将电压信号以及对触摸屏坐标数据进行滤波和坐标变换后按照USBHID1.1协议以鼠标报告描述符的方式传送给PC机，PC机进行图像处理转换为图像数据以及压力信号处理转换为各个级别的粗细笔画，送到液晶屏LCD显示。本发明使触摸响应时间大大缩减、精细程度也极大提升，具有良好的兼容性，解决了专业绘图的操控难题，同时提出一种压力信号感应笔，可以根据压力的大小来实现笔画的粗细变化。

Description

手写同步显示电子画板
技术领域
本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种电子画板。
背景技术
绘图板是设计、绘图用的工作平台，主要用于工程、设计、测绘、地质、服装等领域。传统的绘图板材质有木质、合成材料等，进入二十世纪末，电子画板逐渐在计算机绘图领域推广开来。可视化电子画板同键盘、鼠标、手写板一样都是计算机输入设备，它可以模拟不同的画笔，例如模拟的毛笔、铅笔，当我们用力很重的时候能画很粗很浓的线条，当我们用力很轻的时候，它可以画出很细很淡的线条。同时它可以模拟喷枪，当你用力较重的时候它能喷出更多的墨和更大的范围，而且还能根据你的笔倾斜的角度，喷出扇形等效果。除了模拟传统的各种画笔效果外，它还可以利用电脑的优势，达到传统工具无法实现的效果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是实现高清图像的高速传输，并研发笔上带有压力信号感应和无线传输的可充电式绘图笔画出不同效果的线条，模拟各种画笔。
本发明设计一种电子画板，首先由触摸屏TOUCHSCREEN获取绘图笔坐标数据，霍尔传感器获取绘图笔的压力信号，然后A/D转换芯片将获取的压力信号的模拟数据转换为数字信号，采用中断传输的方式将转换后的触摸屏数字信号实时送至控制器的USB(通用串行总线)芯片，控制器的USB芯片对采集到的数字信号进行滤波和坐标变换后按照USB HID1.1协议以鼠标报告描述符的方式传送给PC(Personal Computer)机，PC机对获取的触摸屏数字信号进行处理转换为图像数据存入PC机显存，单片机控制器的USB芯片从PC机显存读取图像数据，以批量传输方式将图像数据送到先入先出队列FIFO(First Input First Output)缓冲区，然后利用单片机控制器的USB芯片的通用可编程接口GPIF（general programmable interface）模式将数据从FIFO缓冲区读出。利用复杂可编程逻辑器件CPLD (Complex Programmable Logic Device) 或现场可编程门阵列FPGA（Field－Programmable Gate Array）将数据从带单片机控制器的USB芯片端口读出传输到存储器SRAM,同时也利用CPLD将数据从存储器读出送到液晶屏LCD显示，即两片存储器交替的完成读（read）和写（write）。
本发明设计一种压力感应笔，霍尔压力传感器将笔芯变化的物理范围转换为电压信号，并经过A/D转换，对信号进行分级，根据级数的不同可以模拟各种画笔，例如模拟最常见的毛笔，当用力的时候毛笔能画很粗的线条，当用力很轻的时候，它可以画出很细很淡的线条，它可以模拟喷枪，当你用力一些的时候它能喷出更多的墨和更大的范围，而且还能根据笔倾斜的角度，喷出扇形等等的效果。除了模拟传统的各种画笔效果外，它还可以利用电脑的优势，作出使用传统工具无法实现的效果。此压力感应笔是无线可充电式的绘图笔。
手写同步显示电子画图板作为设计、动漫、游戏等领域的必须工具，本发明使触摸响应时间大大缩减、精细程度也极大提升，具有良好的兼容性，解决了专业绘图的操控难题。不仅可以用于专业的工业设计及传媒绘画，还可以用于实现便捷控制功能。
附图说明
图1带控制器的USB芯片连接压力笔；
图2 数据高速传输框图；
图3 无线压力笔工作原理框图；
图4 液晶屏显示原理框图。
具体实施方式
如图1所示，为电子绘图板的工作原理图，首先由触摸屏获取压力笔坐标数据，霍尔传感器获取压力笔压力信号,然后A/D转换芯片将获取的压力信号的模拟数据转换为12位精度的数字信号，采用中断传输的方式将转换后的触摸屏数据实时送给带单片机控制器的高速USB芯片，USB芯片对采集到的触摸屏数据进行滤波和坐标变换后按照HID标准以报告描述符的方式传送给PC机，PC机对获取到的触摸屏数据进行相应的处理转换，从PC机显存里读取图像数据，通过USB芯片以批量传输方式将数据送到FIFO缓冲区，然后利用USB芯片的GPIF模式将数据从FIFO缓冲区读出.利用CPLD将数据从USB芯片端口读出传输到存储器,同时也利用CPLD将数据从存储器读出送到液晶屏显示。整个系统通过上述过程完成触摸屏和液晶屏的同步工作，达到预期的绘图效果。
如图2所示为USB数据高速传输工作原理图。为了保证画面清晰和无滞后感本系统采用全屏刷新方式，如果采用800X600的液晶屏以30帧/s的速度刷新，全屏刷新需要达到800X600X24X30/1024/1024=330Mbit/s的传输速率才能满足数据显示需求，在这里选用具备数据高速传输的Cypress公司的带单片机控制器的USB芯片作为控制处理器，该芯片具有内部集成的单片机增强型微处理器，在采集触摸屏数据时可以直接利用带单片机控制器的USB芯片自带的微控制器即可。具有的USB智能引擎，工作在SLAVE/GPIF模式时数据不用经过单片机处理。四个先进先出缓冲(FIFO)具有4KB容量进行数据处理和交换。芯片内部集成的可编程模块（GPIF），在将数据从FIFO缓冲区读出时不用外加微控制器即可做到数据的高速传输，其速度可以达到768Mb/s。
如图3所示为无线压力笔工作原理框图。触摸笔由压力传感器、AD转换器、微处理器、无线发送器、电池和充电控制器等组成，触摸屏将压力笔画图位置信息转化为电信号，经A/D转换后送往设备微处理器，同时，触摸笔检测笔端压力信号并经AD转换后送往笔上微处理器，笔上微处理器控制无线发送器将压力信号发送给设备微处理器，设备微处理器将接收到的触摸屏画图位置信息和笔端压力信息经USB接口送给PC机，PC将接收到的信息进行处理，生成图象并显示，同时，通过高速USB2.0接口将生成的图象下传到设备LCD进行显示。触摸笔采用高性能电池供电，工作时笔的位置（即图线位置）由触摸屏得到，图线粗细由触摸笔获得，即压力传感器感应的笔端压力大小与显示笔画粗细相关，触摸笔将采集的笔端压力通过无线方式发送给设备微处理器，并通过USB口送给PC， PC里面笔端压力与显示笔画粗细之间可采用以下处理方式，读取霍尔传感器量程，采集器在量程范围内采集笔端压力的1024个离散点，建立笔端压力与笔画粗细关系的对照表，每个离散点对应一种粗细的笔画，PC机接收到检测的笔端压力信号后，查询对照表获得笔画粗细信息，控制器将对应的笔画发送到LCD进行显示。另一种方式是在PC机算法模块中建立一个笔端压力与笔画粗细像素点拟合数学式，PC接收到检测的笔端压力信号后，通过计算获得笔画像素点的数量，再进行描点显示，这种方式可以获得平滑的笔画线条。
为了实现图像动态显示，在本设计中我们使用了两片SRAM配合CPLD工作的方式构建显卡。以800*600的液晶屏为例，一帧图像需要1.3M字节数据，一般来说要实现动态显示需要每秒传输30帧图像数据，即每秒钟需要传输40MByte的数据量。动态图像数据的传输不仅依赖于CPLD读取存储器数据的速度,还要依赖于外围电路写入图像数据的速度，如图2所示，图像数据是通过USB数据线到达USB芯片内部的FIFO（4KB的先进先出缓冲区），再由GPIF（通用可编程逻辑电路）从FIFO中取出，当GPIF从FIFO中读取数据时会同时产生一个时钟信号，CPLD接收到时钟信号就开始读取FIFO端口的数据，然后将其送入SRAM中存储。单口的SRAM在读写切换时,存储器处于写状态时写满一帧图像数据需要时间较长，液晶屏会产生黑屏现象，不能满足动态图像显示需求。双口RAM从理论上来说是一种很好的选择，但其价格昂贵，不适合用于本系统。所以我们设计了用CPLD控制两片SRAM轮流读写的方式实现动态图像显示，图2为CPLD和两片SRAM的工作原理框图。
本设计中设备与PC之间的通讯采用USB2.0高速模式，USB2.0高速模式提供了高达480Mb/s的传输速率。 但外围设备与USB接口之间在速度上可能会存在着不可忽视的传输瓶颈。选用Cypress公司生产的带USB2．0高速接口的微处理器，该微处理器提供了一种独特的接口方式，即通用可编程接口(GPIF)方式，GPIF有8/16位两种数据宽度，当GPIF配置为16位数据宽度，时钟频率配置为48MHZ时传输速度可达768Mb/s。

Claims (4)

1.一种电子画板，其特征在于：由触摸屏TOUCHSCREEN获取绘图笔坐标数据，霍尔传感器获取绘图笔的压力信号，然后A\D转换芯片将获取的压力信号的模拟信号转换为数字信号，采用中断传输方式将数字信号实时送至控制器的通用串行总线USB芯片， USB芯片对采集到的数字信号进行滤波和坐标变换后按照USB HID1.1协议以鼠标报告描述符的方式传送给PC机，PC机对获取的触摸屏数字信号进行处理转换为图像数据存入PC机显存，单片机控制器的USB芯片从PC机显存读取图像数据，以批量传输方式将图像数据送到先入先出队列FIFO缓冲区，然后利用单片机控制器的USB芯片的通用可编程接口GPIF模式将数据从FIFO缓冲区读出，利用复杂可编程逻辑器件CPLD或现场可编程门阵列FPGA将数据从带单片机控制器的USB芯片端口读出传输到存储器SRAM,同时CPLD将数据从存储器读出送到液晶显示屏。
2.根据权利要求1所述的电子画板，其特征在于：设置两片存储器交替的完成读和写。
3.根据权利要求1所述的电子画板，其特征在于：PC机对获取的触摸屏数字信号进行处理具体为：设置笔端压力与笔画粗细的对应关系表：在压力笔量程范围内将笔端压力分成1024个离散点，每个离散点对应一种笔画，PC机获取触摸屏数字信号并查询对应关系表，提取相应笔画输出到液晶显示屏。
4.根据权利要求1所述的电子画板，其特征在于：在PC机中建立笔端压力与笔画粗细像素点拟合数学式，PC机获取触摸屏数字信号，调用笔画粗细像素点拟合数学式计算获得笔画像素点的数量，合成笔画送入液晶显示屏。
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