CN102354232A - 振动系统及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种振动系统，其包括采集控制信号的输入模块和振动器。其中，所述振动系统还包括：低通滤波器、包络检测器、包络滤波器、调制器和驱动电路模块。本发明还提供了一种基于本发明振动系统的驱动方法。与相关技术相比，本发明的振动系统其具有更丰富的振动反馈效果。

Description

振动系统及其驱动方法

【技术领域】

本发明涉及一种振动系统及其驱动方法，尤其涉及一种运用在便携式通讯领域的振动系统及其驱动方法。

【背景技术】

电子设备制造商，特别是便携式电子设备制造商，总是在不断改善用户的使用体验。传统的设备使用视觉和听觉为用户提供反馈，如视频播放和音频播放等。在一些设备中，运动反馈(如主动力和阻力反馈)以及触觉反馈(如振动、热能)，被称为“触觉反馈”，触觉反馈能够提供给用户更强烈的使用体验。具体地，振动效果、振动触觉的触觉效果在提供真实的反馈以造成在模拟或虚拟环境里面的感官感受，如游戏机里面的爆炸效果会引起用户设备的强烈振动，而水滴则会引起较小的振动，这种体验的需求，正在不断被加温。

触觉反馈正在被合并到手机、个人掌上电脑、便携式游戏机等设备中，例如一些便携式游戏机能够在操纵杆上给用户以振动的效果，此外，个人掌上电脑中也可以利用振动的方式进行日程警报等操作。对于便携式设备的应用与推广，振动系统的发展也日益升温。

相关技术的振动系统包括振动电机，而所述振动电机的驱动信号比较简单，其为周期性的正弦PwM信号，所述正弦PWM信号的频率为所述振动电机的谐振频率，因此，所述振动电机的振动方式也只限于振动与停止，其反馈的振动效果很单调，使得运用相关技术的产品其触觉效果贫乏。

因此，实有必要提出一种新的振动系统及其振动方法解决上述问题。

【发明内容】

本发明需解决的技术问题是提供一种且有丰富振动反馈效果的振动系统及其驱动方法。

根据上述的技术问题，设计了一种振动系统，其目的是这样实现的：

一种振动系统，其包括采集控制信号的输入模块和振动器。其中，所述振动系统还包括：

低通滤波器，用于接收所述输入模块采集的所述控制信号并对其进行滤波处理，除去所述控制信号的高频段部分，得到滤波后控制信号并输出；

包络检测器，用于对所述滤波后控制信号进行包络提取，得出包络信号并输出；

包络滤波器，用于对所述包络信号进行滤波处理，得出纯包络信号并输出；

调制器，用于产生频率与所述振动器的谐振频率相同的正弦调制信号，并将所述纯包络信号与所述正弦调制信号进行相乘调制得到准驱动信号；

驱动电路模块，包括信号放大单元，用于将所述准驱动信号进行放大处理得出驱动信号并输入给所述振动器。

本发明还提供了一种基于本发明振动系统的驱动方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

步骤S001、通过所述输入模块采集控制信号并输入给所述低通滤波器；

步骤S002、设置所述低通滤波器的截止频率、阻带衰减量和通带波纹，再对所述控制信号进行滤波处理，滤除所述控制信号中频率大于所述低通滤波器的截止频率的部分，得到滤波后控制信号并将其输入到所述包络检测器；

步骤S003、利用所述包络检测器通过希尔伯特变换对所述滤波后控制信号进行包络提取得出包络信号并输出给所述包络滤波器，希尔伯特变换定义如下：

设一函数为x(t)，则希尔伯特变换定义为函数x(t)与h(t)＝1/(πt)的卷积：

$H\left[x\left(t\right)\right]=x\left(t\right)*h\left(t\right)$

$=x\left(t\right)*\frac{1}{\mathrm{\πt}}$

$=\frac{1}{\mathrm{\π}}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}\frac{x\left(\mathrm{\τ}\right)}{t-\mathrm{\τ}}\mathrm{d\τ}$

其中，“*”表示卷积，H[x(t)]表示对函数x(t)的希尔伯特变换；在频域中，希尔伯特变换可以表示为h(t)的傅里叶变换：

$F\left[h\left(t\right)\right]=-j\&CenterDot;\mathrm{sgn}\left(f\right)=-j\left\{\begin{array}{c}1,f>0\\ -1,f<0\end{array}\right.$

步骤S004、设置所述包络滤波器的截止频率、阻带衰减量和通带波纹，通过所述包络滤波器对所述包络信号进行进一步滤波处理，得出纯包络信号并输入给所述调制器；

步骤S005、通过所述调制器产生频率与所述振动器的谐振频率相同的正弦调制信号，并将所述正弦调制信号与所述纯包络信号相乘，从而使所述纯包络信号的频谱调制至所述振动器的响应频率范围，得出准驱动信号并输入给所述驱动电路模块；

步骤S006、通过所述驱动电路模块的信号放大单元将所述准驱动信号进行放大处理得出驱动信号，并将所述驱动信号输入给所述振动器驱动其振动。

与相关技术相比，本发明的振动系统其振动反馈效果丰富。

【附图说明】

图1为本发明振动系统的结构框图。

图2为本发明振动系统的振动器频率响应曲线图。

图3为本发明振动系统的实施例中人的心跳信号及心跳的包络(曲线a为心跳信号曲线，曲线b为心跳信号的包络信号曲线)。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种振动系统1，其包括采集控制信号的输入模块2和振动器8。其中，振动系统1还包括：

低通滤波器3，用于接收输入模块2采集的所述控制信号并对其进行滤波处理，除去所述控制信号的高频段部分，得到滤波后控制信号并输出；

包络检测器4，用于对所述滤波后控制信号进行包络提取，得出包络信号并输出；

包络滤波器5，用于对所述包络信号进行滤波处理，得出纯包络信号并输出；

调制器6，用于产生频率与所述振动器的谐振频率相同的正弦调制信号，并将所述纯包络信号与所述正弦调制信号进行相乘调制得到准驱动信号；

驱动电路模块7，包括信号放大单元71，用于将所述准驱动信号进行放大处理得出驱动信号并输入给所述振动器8。

本发明还提供了一种基于本发明振动系统的驱动方法，即提取信号的包络，通过使用包络信号驱动所述振动器工作。包络信号的频率公布在很低的频带中，其频率低于50Hz甚至更低，而振动器的频率响应呈带通特性，不同的振动器其带通有所差异，一般的其频率响应范围在100-250Hz之间，因此，不能直接用包络信号驱动振动器工作，而需要将包络信号的频率调制到振动器的谐振频率附近，本发明的振动器1选用振动电机，其频率响应曲线如图2所示，所述振动电机的谐振频率f₀＝151.6Hz，以该振动电机为例对本发明振动系统的驱动方法进行说明，该方法包括如下步骤：

步骤S001、通过输入模块2采集所述控制信号并将其输入给低通滤波器3。本发明的驱动方法中，所述控制信号即为驱动所述振动系统1的原始信号，可以是音频信号也可以是振动信号，如图3所示，本实施方式中以人的心跳信号为所述控制信号；

步骤S002、设置低通滤波器3的截止频率、阻带衰减量和通带波纹，再对所述控制信号进行滤波处理，滤除所述控制信号中频率大于低通滤波器3的截止频率的部分，得到滤波后控制信号并将其输入到包络检测器4，具体的，本实施方式中低通滤波器3的截止频率设为f_s＝500Hz，阻带衰减量设为A_s≥30dB，这里取A_s＝30dB，通带波纹设为A_p≤2dB，这里取A_p＝2dB。

步骤S003、利用包络检测器4通过希尔伯特变换对所述滤波后控制信号进行包络提取得出包络信号并输出给包络滤波器5。希尔伯特变换定义如下：

设一函数为x(t)，则希尔伯特变换定义为函数x(t)与h(t)＝1/(πt)的卷积：

$H\left[x\left(t\right)\right]=x\left(t\right)*h\left(t\right)$

$=x\left(t\right)*\frac{1}{\mathrm{\&pi;t}}$

$=\frac{1}{\mathrm{\&pi;}}{\&Integral;}_{-\&infin;}^{+\&infin;}\frac{x\left(\mathrm{\&tau;}\right)}{t-\mathrm{\&tau;}}\mathrm{d\&tau;}$

其中，“*”表示卷积，H[x(t)]表示对函数x(t)的希尔伯特变换；

在频域中，希尔伯特变换可以表示为h(t)的傅里叶变换：

$F\left[h\left(t\right)\right]=-j\&CenterDot;\mathrm{sgn}\left(f\right)=-j\left\{\begin{array}{c}1,f>0\\ -1,f<0\end{array}\right.,$ 其中f为频率，j＝π/2。

因此，希尔伯特变换的意义为使信号负频率乘以j，移相π/2，正频率乘以-j，移相-π/2。

对于任一正弦信号f(t)＝sin(ωt)，其希尔伯特变换即为：

H[sin(ωt)]＝-cos(ωt)

步骤S004、设置包络滤波器5的截止频率、阻带衰减量和通带波纹，通过包络滤波器5对所述包络信号进行进一步滤波处理，得出纯包络信号并输入给调制器6。

在步骤S003中得到的所述包络信号中通常会含有一些中高频部分，而包络滤波器5实质上也是低通滤波器，因此用包络滤波器5对所述包络信号进行进一步滤波得到纯包络信号，本实施方式中，包络滤波器5的截止频率设为f_s’＝50Hz，阻带衰减量设为A_s’≥30dB，这里取A_s’＝30dB，通带波纹设为A_p’≤2dB，这里取A_p’＝2dB；

步骤S005、通过调制器6产生频率与所述振动器8的谐振频率相同的正弦调制信号，并将所述正弦调制信号与所述纯包络信号相乘，从而使所述纯包络信号的频谱调制至所述振动器8的响应频率范围，得出准驱动信号并输入给所述驱动电路模块7。具体的，所述纯包络信号设为e(t)，所述正弦调制信号设x’(t)：

x’(t)＝sin(ωt)，其中ω＝2π·f₀，

调制器6输出的准驱动信号设为y(t)，因此，准驱动信号为：

y(t)＝E(t)·sin(2π·f₀t)，其中，E(t)为e(t)的频率变换。

步骤S006、通过驱动电路模块7的信号放大单元71将所述准驱动信号进行放大处理得出驱动信号，并将所述驱动信号输入给所述振动器8驱动其振动。

通过上述方法驱动所述振动器后，振动器将反馈出心跳的振动效果。

与相关技术相比，本发明的驱动系统通过对控制信号的包络进行提取，从而利用包络信号为驱动信号完成对驱动器的驱动，这样使得本发明驱动系统的驱动方法让驱动器具有更丰富的振动反馈效果。

以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种振动系统，其包括采集控制信号的输入模块和振动器，其特征在于：所述振动系统还包括：

低通滤波器，用于接收所述输入模块采集的所述控制信号并对其进行滤波处理，除去所述控制信号的高频段部分，得到滤波后控制信号并输出；

包络检测器，用于对所述滤波后控制信号进行包络提取，得出包络信号并输出；

包络滤波器，用于对所述包络信号进行滤波处理，得出纯包络信号并输出；

调制器，用于产生频率与所述振动器的谐振频率相同的正弦调制信号，并将所述纯包络信号与所述正弦调制信号进行相乘调制得到准驱动信号；

驱动电路模块，包括信号放大单元，用于将所述准驱动信号进行放大处理得出驱动信号并输入给所述振动器。

2.一种如权利要求1所述的振动系统的驱动方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

步骤S001、通过所述输入模块采集控制信号并输入给所述低通滤波器；

步骤S002、设置所述低通滤波器的截止频率、阻带衰减量和通带波纹，再对所述控制信号进行滤波处理，滤除所述控制信号中频率大于所述低通滤波器的截止频率的部分，得到滤波后控制信号并将其输入到所述包络检测器；

步骤S003、利用所述包络检测器通过希尔伯特变换对所述滤波后控制信号进行包络提取得出包络信号并输出给所述包络滤波器，希尔伯特变换定义如下：

设一函数为x(t)，则希尔伯特变换定义为函数x(t)与h(t)＝1/(πt)的卷积：

$H\left[x\left(t\right)\right]=x\left(t\right)*h\left(t\right)$

$=x\left(t\right)*\frac{1}{\mathrm{\&pi;t}}$

$=\frac{1}{\mathrm{\&pi;}}{\&Integral;}_{-\&infin;}^{+\&infin;}\frac{x\left(\mathrm{\&tau;}\right)}{t-\mathrm{\&tau;}}\mathrm{d\&tau;}$

其中，“*”表示卷积，H[x(t)]表示对函数x(t)的希尔伯特变换；在频域中，希尔伯特变换可以表示为h(t)的傅里叶变换：

$F\left[h\left(t\right)\right]=-j\&CenterDot;\mathrm{sgn}\left(f\right)=-j\left\{\begin{array}{c}1,f>0\\ -1,f<0\end{array}\right.$

步骤S004、设置所述包络滤波器的截止频率、阻带衰减量和通带波纹，通过所述包络滤波器对所述包络信号进行进一步滤波处理，得出纯包络信号并输入给所述调制器；

步骤S005、通过所述调制器产生频率与所述振动器的谐振频率相同的正弦调制信号，并将所述正弦调制信号与所述纯包络信号相乘，从而使所述纯包络信号的频谱调制至所述振动器的响应频率范围，得出准驱动信号并输入给所述驱动电路模块；

步骤S006、通过所述驱动电路模块的信号放大单元将所述准驱动信号进行放大处理得出驱动信号，并将所述驱动信号输入给所述振动器驱动其振动。

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