CN103294228A - 具有自动相位校正功能的电磁触控手写装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种具有自动相位校正功能的电磁触控装置及自动相位校正方法，该电磁触控装置包括微控制器、线圈阵列天线板、线圈切换器、接收信号处理单元以及具有LC谐振电路的笔，该自动相位校正方法通过发射相位逐级变化的相位检测方波，来得到相位积分值数组，然后根据该数组来判断出初始按压相位与相位检测方波的相位差，并相应调节发射波相位与相位检测方波的相位，使电磁触控装置处于最佳手写状态，本发明具有以下创新优点：（1）简化生产过程中确定初始按压相位的工序；（2）当由于各种因素而导致初始按压相位值变化后，可以校正并自动修改存储在固件中的初始按压相位值，从而提高电磁触控装置的抗干扰能力并延长使用寿命。

Description

具有自动相位校正功能的电磁触控手写装置

技术领域

本发明涉及电磁式触控技术，尤其涉及一种具有自动相位校正功能的电磁触控装置。

背景技术

由于电磁（EM）触控技术具有精度高，响应速度快等优点，使得其在手写应用中得以广泛使用。根据基本原理，电磁触控目前可以分为两种，以下称有源电磁触控和无源电磁触控。它们相同点都具有天线阵列和电磁笔，不同之处在于，有源电磁触控（有源笔）技术的笔中具有电池，由笔主动发射电磁波，由天线板接收，并计算出笔的位置和压力值；而无源电磁触控（无源笔）技术的笔中没有电池，首先由天线板发射固定频率的电磁波，在靠近天线板的笔中产生谐振，然后天线板停止发射，转为接收，而笔中的谐振波会感应回天线板，由天线板接收并计算位置和压力。

在无源笔技术中，由于需要在笔中产生与天线板频率基本相同的谐振波，所以也称为电磁谐振（Electromagnetic Resonance）触控。电磁笔主要是由一个LC回路组成，其固有谐振频率与发射波频率f₀相等。当笔尖按下时，会改变回路中的电感值或者电容值，可以使LC回路的谐振频率发生少许变化至f₁，只要LC回路的品质因子Q值以及发射波频率f₀、变化频率f₁选择适当，则可以保持f₁位于LC谐振电路的通频带之内，笔中的LC回路仍然可以与天线板发射的发射波产生谐振，谐振后天线板停止发射电磁波，而转为接收，此时笔中LC回路不会立即停止振荡，并向天线板回射，天线板可以检测到回射波，并且根据各个线圈中所感应回射波幅度的大小，而计算出笔所在的具体位置。此外，参考图1，可以看出在发射波频率f₀附近的频率变化将得到显著的谐振波相位变化，通过检测相位变化的大小，可以得到笔尖是否按下，以及按下的压力等信息。此原理已经为本领域技术人员所熟知，可以参考专利PAT 4878553 《Position Detecting Apparatus》等，而得到进一步的理解。

天线板以固定频率，发射一个具有初始相位φ₀、频率f₀的电磁波，由笔谐振后再回射回来，频率基本一样，或者改变很微小，但回射波相位会变化为φ₁，通常φ₁不等于φ₀。在实际应用中，笔尖在按下时会有微小的伸缩，导致电容变化或者电感变化，从而使笔的固有谐振频率改变，并且使回射波产生相位变化。笔尖按下之前无限接近触控面板时的相位假定为φ_ini，以下称之为初始按压相位，目前检测的相位较大范围是在φ_ini到φ_ini +2π/3，即-60?到+60?之间（参考专利PAT5134689,《Coordinate Input System And Input ImplementUsed In The System》），将相位值转换为压力阶数，例如1024阶或2048阶，就可以得到压感值。

电磁谐振触控的一个难点是如何确定初始按压相位φ_ini的值。理想状态下，即使笔的谐振频率完全等于发射波频率f₀，通常φ_ini也不等于发射波相位φ₀，原因如下，出于对信号的处理需要，在回路中加入反相放大器、带通或单边滤波器、在天线板谐振回路中串入电感或电容等措施，以及电磁笔中的LC谐振回路固有谐振频率偏移等都会改变电磁波信号的相位。现有技术，都是通过精密地调校和测量，取得φ_ini值，并且将φ_ini固定在固件中，作为一个常量，在出厂时已经设定好，并且在以后不再改变。

初始按压相位φ_ini值的稳定性取决于很多因素，在电路完全不变的前提下，触控面板离天线板的距离变化而造成检测值的非线性变化、笔尖由于按压松动或者笔尖磨损导致高度变化而造成检测值的非线性变化、笔中被动元件的电感值或者电容值不稳定或者漂移等等，都会造成φ_ini实际产生变化。其中电感值或者电容值变化导致的影响较大，由于谐振频率

，如果电感L或电容C随着环境变化，例如温度、湿度变化，或时间推移而发生变化时，会导致固有谐振频率发生变化，从图1看出，固有谐振频率变化会影响到φ_ini值的变化。现有技术中，除了采用性能较好的被动元件以外，还需要设置一个阈值范围，来允许φ_ini值存在少许改变。

而实际φ_ini的变化，造成与固件中存储的φ_ini值出现差别，会直接影响到笔的使用，如果实际φ_ini变大而超过设定阈值上限，会出现笔接近板面而无按压动作时，已经画出来线，俗称“漏水”现象；如果φ_ini变小而小于设定阈值下限，会出现按压不灵敏现象。

针对这些问题，有的厂家在驱动程序设置了灵敏度调节，可以由使用者修改检测的阈值，但那是基于使用者的感受主观进行的改动，不能设置到最佳，并且灵敏度调节相位的范围极为有限。

现有技术中，一般通过向相位检测单元发送两个相位差固定为π/2的方波来检测回射波的相位，参考专利PAT 4878553 《Position Detecting Apparatus》，以及专利CN1453741A 《用于计算机录入的无线、无源手写装置》等。将这两个波分别与回射波相乘，并且通过低通滤波或者积分等方法得到相应的幅度分量和相位分量，并且采用反正切计算来得到相位偏移值。

发明内容

本发明提供一种具有自动相位校正功能的电磁触控装置及自动相位校正方法，该电磁触控装置包括微控制器、线圈阵列天线板、线圈切换器、接收信号处理单元以及具有LC谐振电路的笔，该接收信号处理单元包括放大、带通滤波、整流、相位检测、积分、模拟数字转换等功能。所述自动相位校正方法为：首先，可以采用一个笔座，置于触控板面上，将电磁笔竖直插入笔座，与触控板面基本垂直，使笔座上的笔尖接近触控板，但不按压，处于一种按压初始状态，为了简便，也可以简单用手持笔静立于板面上，由于手不可避免存在抖动，因此其校正效果要略差。然后，利用一触发信号，例如可以为触控装置上的按键或者是通过上位机软件从USB等端口发送命令信息，来触发相位校正开始。其次，以相位角0发射频率为f₀的方波，该方波经过驱动和低通滤波后送入天线板，使电磁笔产生谐振，然后停止发射而转为接收状态，则笔中的谐振波会回射到天线板，经过信号放大、滤波和整流，再与一相位检测波相乘，然后进行积分，该相位检测波频率为f₀，其相位从0开始，逐级增加，一直到π，通过发射相位逐级变化的相位检测方波，来得到积分值数组，并且根据该数组来判断出回射波相位与相位检测方波的相位差，然后调整发射波的相位，使回射波的初始按压相位值与相位检测波相位差固定，使电磁触控装置处于最佳手写状态。本发明提出的自动相位校正方法具有以下创新优点：（1）简化生产过程中确定初始按压相位的工序；（2）使得当由于外界环境因素或其他因素改变而导致初始按压相位值变化后，可以自动修改该值，从而能够提高电磁触控装置的抗干扰能力，并且能够延长电磁触控装置的使用寿命；（3）仅采用一路相位检测方波，相比现有技术中的两路相位相差为π/2的检测方波而言，电路更简单；（4）可以灵活地设定相位检测灵敏度优先，或者是相位检测范围优先。所谓相位检测灵敏度优先，是指取得最佳的灵敏度，例如轻触功能；而相位检测范围优先，是指要取得更大的压力检测范围，例如业界较高的2048级压力感应。

附图说明

图1为说明无源电磁式触控原理而引用的LC谐振电路的相频特性图；

图2为本发明实施例提供的一种电磁式触控装置的结构原理图；

图3为本发明实施例提供的一种带通滤波电路；

图4为本发明实施例中所提供的精密半波整流电路；

图5为本发明实施例的波形图；

图6为图5的放大显示；

图7为本发明实施例中相位校正的初始状态波形；

图8为说明本发明实施例中相位校正原理的波形图；

图9为本发明实施例中相位校正波形图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。需要说明的是，在附图或说明书中，相似或相同的元件皆使用相同的附图标记。

如图2为本发明硬件组成图。其中1为微控制器，它首先使切换器3、3’处于发射状态，然后发出一个频率为f₀的方波，频率例如为400KHz，经过驱动器2，送至切换器3、3’，天线板4为分别按X方向和Y方向依次排列的多个U形线圈组成，切换器每次选择其中之一连通，直到将X方向和Y方向线圈扫描完毕，当带有LC谐振电路且固有谐振频率为f₀的笔靠近天线板时，其会感应到天线板向外辐射的电磁波，而在其LC回路中产生谐振。然后微控制器1停止发射方波，并将切换器3、3’切换至输入回路。此时，笔中的LC回路继续振荡，从而向天线板辐射，天线板线圈感应到回射波，并将其通过切换器送到输入回路。输入回路先通过放大器5将信号放大，然后经过带通滤波器6，滤除干扰信号，再由整流器7整流为直流信号。经过整流后的直流信号分成两路，一路经过积分器9和模数变换器10，变成数字信号后，送入微控制器1中进行处理；另一路，经过相位检测器8，然后经过积分器9’和数模转换器10’后，送入MCU中处理。

附图4为本发明的部分波形图，其中A上升沿表示控制切换器从发射状态转换为接收状态，B表示相位检测方波，C为积分控制方波，C为低时表示开始积分，为高时表示停止积分。D表示发射方波，E为幅度积分显示。

附图5是附图4的放大显示。

以下结合实施例更详细地说明有关本发明的创新之处。

实施例一［说明相位调整方法］

在本实施例中，采用精密半波整流来对回波信号进行整流，也可以采用全波整流，但电路的复杂度略高。

本发明中所使用的相位校正的目的为，在进行相位检测时，使回射波的相位与相位检测波相位的相位差，在笔没有按压之前，处于一个相对合理固定的值，这个固定的值即前面所说的初始按压相位φ_ini，如前所述，在没有经过校正之前，很可能由于在生产过程中制程不同、产品元件差异，以及在产品使用后受到环境变化、时间推移而导致实际初始按压相位φ_ini变化，与在存储器中存储的初始按压相位φ_ini值不同，从而有可能出现使用上的问题。笔按压后，回射波的相位会发生移动，即相对该固定值有所变化，经过换算，可以对应于按压的压力值。

本发明的一个必要条件是，所产生的波形的相位是数字可调的。目前业界许多微控制器，都具备此功能。例如常见的ARM CORTEX3系列的芯片，工作在72MHz主频下。可以发射出相位可调的690KHz方波，可调级数PL为104级(针对2π相位)。如果调低发射方波的频率，例如用300K来工作，可调相位级数PL为240级，对应的相位校准精度为360^?/240=1.5^?。

相位校正算法步骤为：

S1、将笔竖直固定在触控面板上，使笔轻微接触板面，但笔尖不受力，处于一种按压初始状态；

S2、触发开始进行相位校正，使电磁触控装置处于相位校正模式；

S3、将发射波D与相位检测波B的初始相位都设置为为0；

S4、取得幅度和相位积分值；

S5、增加相位检测波B的相位为1(指增加1级，对应于1*π/PL)；

S6、取得幅度和相位积分值；

S7、重复S4的过程，直到取遍所有PL级相位，得到PL个相位积分值P[PL]；

S8、根据PL个相位积分值，找到相位检测波与回射波的相位差值，调节发射波相位，确定初始按压相位值；

S9、将初始按压相位值写入FLASH保存，并从相位校正模式恢复为正常工作模式。

下面结合附图，详细说明本相位校正方法。

初始时刻，让发射波与相位检测波的相位相同，如果假定都为0。经过笔的回射和滤波、整流等处理后，出现了相位差φ。如附图7所示，其中D表示发射波，B表示相位检测波，其初始相位相同。F表示回射波，其与发射波D和相位检测波B之间存在相位差φ。根据本发明相位校正方法，首先要自动计算出此相位差。在进行相位校正之前，由于无法预知回射波的相位，因此要通过连续地改变检测波的相位，并进行积分，获取多个积分值，然后对积分值进行判断，来取得回射波的相位信息。

下面，再假定回射波的相位为0，如附图8中的F，则检测波的初始相位相对于回射波有相位差，其相位θ在(-π，π)之间。固定发射波相位不变，连续改变检测波的相位，从初始相角θ开始，如B1所示，一直到θ+π，如B2所示，并且积分，积分值正比于图中的阴影部分的面积，则积分值的曲线如G所示。

当θ在(-π，π)之间移动时，对应于从相角θ开始，一直到θ+π的积分值数组，数组的大小为PL，按数组中各个数值的大小顺序，会呈现出H、I、J、K四种情形。

以下根据此数组的取值分布，来取得θ值。

当θ值处于(-π，0)之间时，表示相位检测波B超前于回射波，数组中的值对应于H、I两种情形；而当θ值处于(0，π)之间时，表示相位检测波B落后于回射波，数组中的值对应于J、K两种情形。

积分值数组表示为：

Integral[PL], PL=0, 1, 2, …, PL-1，表示可调节相位的级数，在此处，可调节相位的级数等间距地分布在(0，π)之间。

具体判断相位的方法为：

求出极值位置，即数组中极小值和极大值所对应的索引号i_min, i_max。

下面给出C语言代码，其中

用phase表示θ，pai表示π，imax表示i_max，imin表示i_min

得到θ值后，可以根据该值调节发射波的相位和相位检测波的相位，使它们之间的相位差达到固定，并且将初始相位值保存在存储器中。

实施例二［灵敏度、检测范围设定］

本实施例根据灵敏度优先或压力范围优先等原则来选取初始发射波相位和相位检测波的相位。所谓相位检测灵敏度优先，是指取得最佳的灵敏度，例如轻触功能；而相位检测范围优先，是指要取得更大的压力检测范围，例如业界较高的2048级压力感应。

参考图9，B为相位检测波，以它的相位作为参考，即B的相位偏移为0，F1、F2、F3分别为经过精密半波整流后的波形。其中F1是没有进行相位校正时的笔回射波整流后的波形。F2与F3分别是经过本发明相位校正后的笔回射波整流后的波形，其中，F2是相位检测范围优先情形，F3是灵敏度优先情形。图中所显示的相位差均是指在笔没有按压时的情况，即按压初始相位φ_ini。在按压后，F波形将向右偏移，偏移的幅度小于π。F与B相乘后(即图2中的相位检测器8)进行积分，对应于图2中的9’、10’。根据积分电路的原理，对应B为高电平的F波形面积进行累积。对于相位检测范围优先的F2情形，参考图1中的相频特性曲线，可以使φ_ini为-2π/3，按压最大偏移相位φ_end值为0，实际可能超过0而小于π/3，超过部分均当作最大值处理，如此可以认为相位的检测范围为2π/3。故其相位偏移幅度较大，所以称其为相位检测幅度优先。再来看F3，其初始相位对应于B的-π/2处，即φ_ini等于-π/2，当F3在按压后向右偏移后，瞬间的积分值改变量较大，所以可以灵敏地检测出笔是否被按下，但是它的相位检测范围只有π/2，小于F2的情形。

图2中的9、10是对回射波直接进行积分，假设其积分值为V_amplitude，另一方面，回射波经过相位检测波相乘后的积分为V_phase，对应于图2中的9’、10’，则其二者的比值可以表示为：

$\begin{array}{c}\frac{V_{\mathrm{phase}}}{V_{\mathrm{amplitude}}}\frac{\underset{\mathrm{\θ}}{\overset{x}{\text{\∫}}}\sin \mathrm{xdx}}{\underset{0}{\overset{x}{\∫}}\sin \mathrm{xdx}}=\frac{1+\cos \mathrm{\θ}}{2}|\\ \mathrm{\θ}=\arccos (\frac{2V_{\mathrm{phase}}}{V_{\mathrm{amplitude}}}-1)\end{array}$

这是笔按压所得到的实际相位角度值，可以将其与笔的压力作一个对应，从而得到笔的压力值。因此，本发明不需要采用两路相位差为π/2的相位检测波来分别与回射波相乘后再积分，降低了电路设计的复杂度。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种电磁式触控手写装置，包括微控制器、线圈阵列天线板、线圈切换器、接收信号处理单元以及具有LC谐振电路的笔，其特征在于：

该控制器发射一发射波，然后接收来自笔中LC谐振电路的回射谐振波，并对该回射谐振波进行处理；

对处理后的回射谐振波直接积分，以确定笔所处的位置；

该控制器发射一相位检测波，与该处理后的回射谐振波相乘，然后积分，以确定笔中LC谐振电路的相位偏移，从而确定笔按压的力度；

当将笔静置于触控面板上，并且发出相位校正命令后，可以进行初始按压相位校正。

2.根据权利要求1所述的电磁式触控手写装置，其特征在于：

所述接收信号处理单元包括放大器、带通滤波器、精密半波整流器、相位检测单元、积分器和模拟数字转换器。

3.根据权利要求1所述的电磁式触控手写装置，其特征在于：

对所述回射谐振波进行处理包括放大、带通滤波、精密半波整流。

4.根据权利要求1所述的电磁式触控手写装置，其特征在于：

所述发出相位校正命令，通过计算机从USB端口发送命令实施或者通过手写装置上一个按键实施。

5.根据权利要求1所述的电磁式触控手写装置，其特征在于：

所述初始按压相位校正是指使谐振回射波与相位检测波的相位差固定。

6.一种电磁式触控手写装置相位校正方法，用于校正笔按压的初始相位，包括：

(1)将笔竖直静置于触控面板上；

(2)发出相位校正命令，触发电磁式触控手写装置进入相位校正模式；

(3)笔谐振后的回射波经过放大、滤波和精密半波整流之后，利用一相位检测波来与该回射波相乘，然后积分；

(4)在0到π之间逐级变化相位检测波的相位，并取得相应的积分值数组；

(5)根据该积分值数组来判断回射波与初始相位检测波之间的相位差；

(6)利用该相位差来调节发射波的初始相位；

(7)存储调节后的初始相位值；

(8)相位校正结束，恢复成正常工作模式。

7.根据权利要求6所述的电磁式触控手写装置相位校正方法，其特征在于：

所述发出相位校正命令，通过计算机从USB端口发送命令实施或者通过手写装置上一个按键实施。

8.根据权利要求6所述的电磁式触控手写装置相位校正方法，其特征在于：

所述利用该相位差来调节发射波的初始相位，使回射波相位与相位检测波的相位差固定。

9.根据权利要求6所述的电磁式触控手写装置相位校正方法，其特征在于：

所述利用该相位差来调节发射波的初始相位，使回射波相位与相位检测波的相位差为-π/2。

10.根据权利要求6所述的电磁式触控手写装置相位校正方法，其特征在于：

所述利用该相位差来调节发射波的初始相位，使回射波相位与相位检测波的相位差为-2π/3。

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