CN102591480A - 一种动作传感器及动作检出方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种动作传感器及动作检出方法，通过设置多通道信号调理电路，加快了检测速度、消除了干扰。

Description

一种动作传感器及动作检出方法

技术领域：

本发明涉及数位板、点读机等指针动作传感器。

背景技术：

为了描述简明，数位板、点读机中的笔、鼠标(不同于普通鼠标是一种鼠标状的位置指示器)等称为指针；指针的位置(包括x、y、z轴)、姿态(包括与x、y、z轴夹角、指针自旋角)、压力(包括笔尖和面板之间的接触力、手指握指针的握力)、按键状态等都分别对应手持笔的不同动作，我们将这些与指针特性相关的通过电磁耦合方式检出的待检量统称为动作变量，这些待检量的检出称为动作变量检出，将与指针配套检出动作变量的装置成为动作检出装置，动作检出装置又包括天线矩阵和动作检出电路，天线矩阵又由多个子天线组成，将指针和动作检出装置一起称为动作传感器，动作传感器可以检出上面提到的所有动作变量，也可以检出其中的一种或者几种，或者是上面还没有提到其他动作变量。

上述传感器有一共同的特性即依靠指针和天线矩阵电磁耦合方式来检出指针的动作，在专利“200420003299.8”“200910075485x”技术中得到了实际运用，其中“200420003299.8”是指针中有电池，指针只有电磁发射状态、没有电磁接受状态的动作检出技术，“200910075485x”是指针中既有电磁发射又有电磁接收状态的动作检出技术。原理是通过扫描的方式依次接入待检的子天线并采样，根据采样的数据计算出动作变量。

由于上述装置利用的是磁耦合方式来检测指针的动作，天线矩阵和指针会接收各种干扰信号，这些干扰会降低设备的检测精度甚至产生误动作。

为了解决上述问题，普遍的做法是增加硬件或者软件滤波器，来增加信噪比，以便提高动作检出的精度，由于采样方式、算法原理上的缺陷，这样并不能根本解决问题，总有一些干扰无法消除，或者在不同类型的干扰下顾此失彼，如果将滤波器的时间常数设计的过长则会影响动作变量的检出速度，从而影响使用手感。

发明内容：

为了解决以上问题，本发明的目的在于实现一种动作传感器，降低了干扰，提高了动作变量的检出精度和检出速度，改善了使用手感。

为了实现本发明的目的，技术方案1的发明为一种动作传感器，包括指针、动作检出装置，动作检出装置包括天线矩阵和动作检出电路，天线矩阵包括多个子天线，其特征在于，所述动作检出电路有多个子天线同时接入，同时接入的子天线包括多个与待检动作变量相关的子天线；动作检出电路包括多路信号调理电路，多路信号调理电路中包括多个与待测动作变量相关的信号调理电路，与待测动作变量相关的不同的信号调理电路之间具有相同的采样功能。具有相同采样功能是指当其他条件不变的情况下，将相同的子天线接入不同的信号调理电路，在原理上最终得到相同的采样值，值得注意的是在有些情况下信号调理电路之间的结构可能会有些差异，甚至要增加一些电路来调节不同信号调理电路的偏置、增益差异，或者一部分调整和转换在软件中完成，但在计算动作变量之前有基本相同的采样值，正常情况下本发明涉及的不同信号调理电路有者基本相同的电路结构。这样多个子天线的并行采样会加快采样的速度，不同的信号调理电路之间相同的采样功能为进一步消除干扰影响提供基础，并直接消除了某些干扰影响。

技术方案2的发明为根据权利要求1所述动作传感器，其特征在于，在一个动作变量检出周期中的多次扫描中，每个扫描周期中同时接入的子天线中总能找到至少一个子天线在其他扫描周期中接入过。这样的接入配置可以将采样数据形成可校准数据链，从原理上消除干扰。

技术方案3的发明为根据权利要求1所述动作传感器，其特征在于，所述同时接入的子天线包括全部与待检动作变量相关的子天线。进一步减少采样时间，精简误差校准算法，从原理上消除干扰。

技术方案4的发明为根据权利要求1所述动作传感器，其特征在于，天线矩阵的X、Y轴子天线分成三组，每个子天线连接一个模拟开关，每组子天线接出一个公共端。

技术方案5的发明为根据权利要求1所述动作传感器，其特征在于，所述动作检出装置包括差分电路。硬件上消除偏置干扰，并可以使用两路信号调理电路，完成两个以上子天线的接入，节省了硬件成本。

技术方案6的发明为根据权利要求4、5所述的动作传感器，其特征在于，动作检出电路包括两路差分信号调理电路；同时接入的三个子天线中有一条子天线分别接入不同的信号调理电路的差动放大器。

技术方案7的发明为一种动作检出方法，包括步骤，天线扫描，计算动作变量，一次扫描包括天线接入和采样天线数据，其特征在于：在一次扫描中天线矩阵中多个与待检动作相关的子天线同时接入，由多路信号调理电路同步采样子天线的数据，重复扫描得到所有与待检动作变量相关的扫描数据，形成可校准数据链，根据可校准数据链，使用误差变换的反变换消除误差，计算动作变量。可校准数据链是指，子天线的接入方式使每个扫描的采样中有一个数据在没有干扰的情况下应该与其他扫描采样中的一个数据相同，这样可以通过误差反变换算法遍历所有的采样数据，进行校准消除误差。

技术方案8的发明为根据权利要求7所述的动作检出方法，其特征在于，校准数据链消除误差的变换是比例变换。

技术方案9的发明为一种动作检出方法，包括步骤，天线扫描，计算动作变量，一次扫描包括天线接入和采样天线数据，其特征在于：在一次扫描中天线矩阵中同时接入全部与待检动作相关的子天线，多路信号调理电路同步采样子天线的数据，一次扫描得到所有与待检动作变量相关的扫描数据，计算动作变量。也就是说一个扫描周期即完成动作变量相关的全部采样，加快了动作检出速度，消除了干扰影响。

技术方案10的发明为一动作检出方法，其特征在于，包括步骤，多路信号调理电路接入同一信号源，采样多路信号调理电路的采样数据，此采样数据作为校准数据校准多子天线同时接入的采样数据组。同一信号源可以是子天线，也可以是特定的信号发生电路产生，这样可以使用软件方法消除信号调理硬件电路的信号通道之间的不平衡引起的误差。

其中“接入”是指，使用交叉开关将子天线与信号调理电路连接在一起，或者说是低阻抗耦合。

其中“一次扫描”是指，在子天线接入状态不变的情况下的一次采样，本发明中一次扫描的采样可能会有多个数据。

其中“多个”是指两个或者两个以上。

其中“同步采样”是指，在检测时，不同信号调理通道之间检测开始与检测开始、检测结束与检测结束同时发生，复位信号发生的时间没有要求。

由于模拟开关的应用，电路形式是可以使用软件配置的，本说明书中提到的涉及模拟开关的电路形式，并不一定要始终如一，而是在本发明范围内的指定情况下出现的形式。

附图说明：

图1传统技术方案的原理框图

图2没有干扰的x轴波形图

图3偏置干扰的x轴波形示意图

图4增益干扰的x轴波形示意图

图5技术方案2的原理框图

图6技术方案3的原理框图

图7技术方案6的原理框图

图8包括技术方案7、8、9、10的动作变量检出的流程图

图9信号通道不平衡校准数据检出流程图

图中数字、标号代表的意义：

1；指针

2：天线矩阵

21：子天线

S1：发射接收控制开关

MUX1：80选一交叉开关

MUX2：80选二交叉开关

MUX3：80选三交叉开关

IN1+：差分放大器1正端

IN1-：差分放大器1负端

IN2+：差分放大器2正端

IN2-：差分放大器2负端

W11：处于偏置干扰的第一次扫描数据的波形

W12：处于偏置干扰的第二次扫描数据的波形

N1：偏置干扰源波形

W21：处于增益干扰的第一次扫描数据的波形

W22：处于增益干扰的第二次扫描数据的波形

N2：增益干扰源波形

具体实施方式：

如图1所示是传统电磁耦合方式指针动作检出方案的原理框图，整个系统由指针、动作检出装置组成，动作检出装置包括天线矩阵和动作检出电路，天线矩阵包括多个x轴、y轴分别排列的子天线，动作检出电路由子天线选择开关、放大滤波电路、检波器、采样保持、模数转换器、cpu组成，将放大滤波电路、检波器、采样保持器、模数转换器作为一个整体称为信号调理电路。

假设待检动作变量为x轴的位置，在理想状态下，依次接入x轴的子天线X1、X2、…Xn，得到采样数据，其波形如图2，假设计算x位置的算法是求图2中波形的顶点，至少需要扫描顶点附近的3个点如图2中的Xp1、Xp2、Xp3计算顶点；为了研究不同干扰产生的误差，假设使用Xp1、Xp2、Xp3可以完全还原顶点附近波形求得顶点不产生误差，则检出动作变量的主要误差来自外界干扰，根据对采样值的影响，将外界的主要干扰分成两种形式，一种是偏置干扰，一种是增益干扰，偏置干扰是指叠加在正常采样值的干扰信号，干扰与正常信号加运算后形成带噪声采样值，比如其他设备对本设备的磁耦合、电耦合、电磁波干扰等，增益干扰是指能缩放正常采样值的干扰信号，干扰信号与正常信号乘运算后形成带噪声采用值，比如指针的远近移动、点击动作对指针耦合特性、滤波特性的影响，再比如无线无源方案中发射功率的抖动等；偏置干扰对采样波形的影响如图3，伴随偏置干扰信号，采样波形上下移动，增益干扰对采样波形的影响如图4，伴随增益干扰采样波形放大缩小，在图3图4中可以看出如果干扰信号的大小在采样Xp1、Xp2、Xp3一组采样数据的过程中没有改变，则Xp1、Xp2、Xp3还原出的波形的顶点位置就没有改变，即在这种情况下是没有误差的，反过来误差产生的原因是，扫描Xp1、Xp2、Xp3过程中误差的输入量变化了，使Xp1、Xp2、Xp3采样点无法正确还原原始波形，不能正确求得顶点。通常的做法是多次采样求平均，对于平均分布的噪声有效，但对于周期性、突发性的大干扰，则通常效果不佳，甚至产生误动作。为了减少这种误差本发明的方案是减少采样次数、甚至一次采样全部相关数据，消除采样间隔。

如图6本发明的一种优选方案是同时接入、采样Xp1、Xp2、Xp3，这样无论干扰在什么时间产生都不会产生求顶点的误差。

考虑到有些的待检动作变量需要采样的相关的子天线的个数很多，这样检出电路就要每个子天线对应一个信号调理电路通道，则硬件变的非常庞大，成本高且可靠性不易控制，为了解决这个问题，本发明如图5的一种优选方案设置两路信号调理电路，设一个动作变量相关的子天线为Xp1、Xp2、Xp3、Xp4、Xp5、Xp6、在一个动作变量检出周期中的多次扫描中，接入子天线的顺序为Xp1Xp2、Xp2Xp3、Xp3Xp4、Xp4Xp5、Xp5Xp6，设采样到的数据依次为X1X2、X2nX3、X3nX4、X4nX5、X5nX6，这些数据中有校准自身误差的信息，其又形式上首尾相连，所以把这些数据称为可校准数据链，

由于两个信号调理通道有相同的采样功能，在没有干扰的情况下应该有

X2＝X2n，

X3＝X3n，

X4＝X4n，

X5＝X5n，

在一般情况下干扰信号对于两个信号调理电路与其相连的子天线的影响相同或者基本相同，如果已知干扰信号对采样值影响的变换公式则可以使用反变换消除干扰还原波形，

假设设备所处环境偏置干扰占主导，忽略其他干扰，则

X2n＝X2+N2，

X3n＝X3+N3，

X4n＝X4+N4，

X5n＝X5+N5，

其中Nx x＝1，2，3，4，5是第x次扫描的干扰，其中N1设为0不影响波形形状，由于在一次扫描中的两个采样通道有同样的干扰，所以要消除偏置干扰则可使用零点偏移运算还原波形，如下公式：

X1s＝X1，

X2s＝X2，

X3s＝X3+X2s-X2n，

X4s＝X4+X3s-X3n，

X5s＝X5+X4s-X4n，

X6s＝X6+X5s-X5n，

其中Xxs代表最终采样值x＝1-6，Xxs用于还原波形求解待检动作变量。

如果设备所处环境增益干扰占主导，忽略其他干扰，则

X2n＝X2*N2，

X3n＝X3*N3，

X4n＝X4*N4，

X5n＝X5*N5，

其中Nx x＝1，2，3，4，5是第x次扫描的干扰，其中N1设为0，由于在一次扫描中的两个采样通道有同样的干扰，所以要消除增益干扰则可使用比例运算还原波形，如下公式：

X1s＝X1，

X2s＝X2，

X3s＝X3*X2s/X2n，

X4s＝X4*X3s/X3n，

X5s＝X5*X4s/X4n，

X6s＝X6*X5s/X5n，

其中Xxs代表最终采样值x＝1-6，Xxs用于还原波形求解待检动作变量。

考虑到在有些环境下偏置干扰和增益干扰同时存在，并且其所占比例并不确定，无法使用一个函数来描述干扰对原始信号产生的影响，所以无法使用反函数来还原波形，所以当两种干扰同时存在且都不能忽略的情况下还有必要对上面的方案进行改进，本发明如图7的一种优选方案，使用两路前级带差动放大器的信号调理电路，每路信号调理电路采样的值变成了两个子天线采样值的差分值，消除了偏置干扰，使用两路差分信号调理电路同步采样可以形成可校准采样数据链并使用比例运算消除增益干扰，另一方面其可以同时接入三路子天线对于三或者两路采样点动作变量检出算法，采样过程一次完成，并同时消除了偏置干扰和增益干扰。对于上面假设的三子天线接入的方式求x轴位置的问题，设接入信号调理电路的顺序为IN1+、IN1-、IN2+、IN2-，需要接入的子天线为Xp1、Xp2、Xp3则，接入差分信号调理电路的子天线顺序为Xp1Xp2Xp2Xp3，设采用到的数据分别是X1、X2，进行积分运算，

令X1s＝0

X2s＝X1s+X1，

X3s＝X2s+X2，

得到结果其中Xxs代表最终采样值x＝1-6，Xxs用于还原波形求解顶点位置；

对于上面假设的6子天线的情况，设一动作变量相关的子天线为Xp1、Xp2、Xp3、Xp4、Xp5、Xp6，则接入的子天线的顺序为Xp1Xp2Xp2Xp3、Xp2Xp3Xp3Xp4、Xp3Xp4Xp4Xp5、Xp4Xp5Xp5Xp6，设采样到的数据为X1X2、X2nX3、X3nX4、X4nX5，首先进行消除增益干扰的比例运算，

X1t＝X1，

X2t＝X2，

X3t＝X3*X2s/X2n，

X4t＝X4*X3s/X3n，

X5t＝X5*X4s/X4n，

其中Xxt代表相邻最终采样值的差分x＝1-5，然后积分运算

令X1s＝0

X2s＝X1s+X1，

X3s＝X2s+X2，

X4s＝X3s+X3，

X5s＝X4s+X4，

X6s＝X5s+X5，

得到结果其中Xxs代表最终采样值x＝1-6，Xxs用于还原波形求解待检动作变量，

使用差分电路得到的还原后的波形和原波形相比，波形不变，整体偏移到了X1s＝0点，在全部依靠波形求解动作变量的算法中不会产生影响，在原理上消除了误差，对于部分依靠波形求解动作变量的算法中也能提高信噪比。

上面差分电路的实现方案中使用的是差动放大器进行差分，另外的一优选方案是天线矩阵中子天线布线使用相反的缠绕方向，使相邻的子天线和指针的耦合成相反方向，也可以实现差分效果。

为了更全面的了解本发明，图8是含有本发明的技术方案7、8、9、10的动作变量检出流程图，其对应的硬件电路如图7，这是一个无线无源方案，流程中有发射电磁信号的步骤，对于无线有源方案则不需要。

考虑到本发明算法中一个关键的前提条件是信号调理通道之间的采样功能相同，实际电路中的不同信号调理电路总会有些偏置偏差和增益偏差，为了更准确的检出动作变量，可以对其进行校准，校准的方法是，首先取得校准数据如图9所示是检出校准数据的流程，将多个信号调理通道接入同一子天线，设有两路信号调理电路，在指针信号为零的情况下采样每个信号调理通道的采样值，作为偏置并存储设为Off1、Off2，然后在指针发射信号的情况下采样每个信号调理通道的采样值，减去Off1、Off2作为增益并存储设为G1G2，假设在一次扫描中得到原始采样值为X1、X2则如图8中“消除信号调理通道不平衡误差”步骤的公式为：

X1s＝(X1-Off1)/G1，

X2s＝(X2-Off2)/G2，

X1s X2s是消除信号调理电路不平衡误差后的采样值。

上面描述中对于信号调理电路的不平衡校准，使用的是接入子天线的方法得到校准数据，同理也可以使用接入标准信号的方法来的到校准数据。对于更多的信号调理电路通道的方案原理相同不再累述。

比较模拟开关MUX1和MUX3，MUX1有一路公共端MUX3有三路公共端，一般情况下认为80*3(80选3)的交叉开关应该有三个80*1比如MUX1并联实现，这样会成倍增加模拟开关的用量，为了减少加模拟开关的数量，本发明的一种优选方案是，将子天线分成三组，每个子天线使用一路模拟开关，具体描述如下，设天线矩阵由子天线Xp1-Xp39、Yp1-Yp39组成，则将Xp1-Xp40分成Xp1、Xp4、Xp7…X37，Xp2、Xp5、Xp8…X38，Xp3、Xp5、Xp9…X39，三组，每组使用13*1的模拟开关连接，会得到三个公共端设为Xcom1、Xcom2、Xcom3，同理Y轴也有三个公共端Ycom1、Ycom2、Ycom3，共有6路，然后再通过一个6*3交叉开关连接Xcom1、Xcom2、Xcom3、Ycom1、Ycom2、Ycom3(6路)到信号调理电路，设输出分别为Com1、Com2、Com3；假设为了实现上面提到的差分信号调理电路的接入方案，在一次扫描中接入Xp3Xp4Xp4Xp5，则子天线接入路径为Xp3<->Xcom3、Xp4<->Xcom1、Xp5<->Xcom2、Xcom3<->Com1、Xcom1<->Com2、Xcom2<->Com3、Com1<->IN1+、Com2<->IN1-、Com2<->IN2+、Com3<->IN2-。

注：本说明书记载的具体实施方式，是优选的实施方案，其可以整体上说明发明的目的、和手段，并不是发明实例穷举。

完毕

Claims (10)

1.一种动作传感器，包括指针、动作检出装置，动作检出装置包括天线矩阵和动作检出电路，天线矩阵包括多个子天线，其特征在于：

所述动作检出电路有多个子天线同时接入，同时接入的子天线包括多个与待检动作变量相关的子天线；

动作检出电路包括多路信号调理电路，多路信号调理电路中包括多个与待测动作变量相关的信号调理电路；

与待测动作变量相关的不同的信号调理电路之间具有相同的采样功能。

2.根据权利要求1所述的动作传感器，其特征在于，

在一个动作变量检出周期中的多次扫描中，每个扫描周期中同时接入的子天线中总能找到至少一个子天线在其他扫描周期中接入过。

3.根据权利要求1所述的动作传感器，其特征在于，

所述同时接入的子天线包括全部与待检动作变量相关的子天线。

4.根据权利要求1所述的动作传感器，其特征在于，

天线矩阵的X、Y轴子天线分成三组，每个子天线连接一个模拟开关，每组子天线接出一个公共端。

5.根据权利要求1所述的动作传感器，其特征在于，

所述动作检出装置包括差分电路。

6.根据权利要求4、5所述的动作传感器，其特征在于，

动作检出电路包括两路差分信号调理电路；

同时接入的三个子天线中有一条子天线分别接入不同的信号调理电路的差动放大器。

7.一种动作检出方法，包括步骤，天线扫描，计算动作变量，一次扫描包括天线接入和采样天线数据，其特征在于：

在一次扫描中天线矩阵中多个与待检动作变量相关的子天线同时接入，由多路信号调理电路同步采样子天线的数据，

在一个动作变量检出周期中的多次扫描中，每个扫描周期中同时接入的子天线中总能找到至少一个子天线在其他扫描周期中接入过，

扫描得到所有与待检动作变量相关的扫描数据，形成可校准数据链，根据可校准数据链，使用误差变换的反变换消除误差，计算动作变量。

8.根据权利要求7所述的动作检出方法，其特征在于，

校准数据链消除误差的变换是比例变换。

9.一种动作检出方法，包括步骤，天线扫描，计算动作变量，一次扫描包括天线接入和采样天线数据，其特征在于：

包括步骤一次扫描中同时接入天线矩阵中全部与待检动作相关的子天线；由多路信号调理电路同步采样子天线的数据，得到所有与待检动作变量相关的扫描数据，根据这些数据就可计算出动作变量。

10.一种动作检出方法，其特征在于，包括步骤，多路信号调理电路接入同一信号源，采样多路信号调理电路的采样数据，此采样数据作为校准数据校准多子天线同时接入的采样数据组。

Images