CN1051804A

CN1051804A - 低功率电磁数字转换式图形输入板

Info

Publication number: CN1051804A
Application number: CN90108180A
Authority: CN
Inventors: 阿历山大·M·珀塞尔; 托马斯·C·扎连斯基
Original assignee: Summagraphics Corp
Current assignee: Summagraphics Corp
Priority date: 1989-11-15
Filing date: 1990-08-27
Publication date: 1991-05-29
Also published as: EP0432365A3; BR9004222A; KR910010370A; CA2024001A1; EP0432365A2; US4952757A; JPH03161824A

Abstract

一种低功率电磁数字转换式图形输入板，采用配置在一个单一平面的三角电极，一个指向器件线圈激励后在其下面的电极中感应出信号电压。电极按时间顺序被扫描，感应电压被数字化及对比，以便确定指向器件相对于电极陈列的X/Y坐标。

Description

本发明涉及用于指向器件在座标网格结构上定位的数字转换式图形输入板，特别是利用电磁感应来定位的这类数字转换式图形输入板。

数字转换式图形输入板在本技术领域中是众所周知的。在一种通常的类型中，指向器件包括一个在游标或指示笔结构内的线圈，游标或指示笔由用户在图形输入板表面上定位，一个在两个座标方向延伸的导线座标网格被嵌入图形输入板表面内。在一种模式中，指向器件线圈被激励以便在座标网格导线中产生电磁感应信号。在另一种模式中，座标网格导线被激励以便在指向器件中产生电磁感应信号，在两种模式中，座标网格导线被顺序寻址，或者是一次一个的，或者是以组的，以便提供一个与座标网格寻址成同步关系的模拟输出电压。在指向器件线圈附件，随着时间的增加输出电压达到最大值，通过零点，然后达到最小值。当寻址开始时，计算器被启动来记录已寻址的特定座标网格线。当零交叉点确定后，向计算器发出停止信号。计算值确定了指向器件相对于两个或三个最接近的座标网格导线的位置。更详细描述这类数字转换器的专利例子有Kamm等的3904822，Ioanau的3873770和Zimmer的4368351，这里对这些内容做了参考综合。

在典型的图形输入板中，指示笔或游标位置由一个X、Y座标对来表示，对于图形输入板下方左角的座标原点，X和Y轴具有其正常的取向。这个座标系统中的Z轴是由图形输入板表面向上。对于大多数的图形输入板来说，Z轴代表接近度，这是图形输入板的有效区域之上的最大距离，在此区域游标或指示笔能保持并仍能记录有效位置。因此，Z座标典型地被仅表示为两个二进制值之中的一个。Z轴的另一个用途是作为二进制开关。在这种模式中，一个开关（有时称为按钮）装在指示笔筒体内并与指示笔端头相连接。该开关是常开的并由用户把指示笔端头压向图形输入板来启动。该开关作用能用按指示笔上外部按钮或游标上的按钮的相同方式来利用。

若要求上述图形输入板以高分辨率和高精度良好运行，那么它们的制造是相当昂贵的。花费的一部分是需要提供在分离平面上的X和Y轴电极阵列，并要小心地相互校平。这意味着需要两个精细的电路印刷步骤。此外，典型的X和Y电极阵列包括相距0.25英寸的导线并跨越图形输入板的作用区域，即指产生有效座标对的那些图形输入板表面区域。

因此，对一个12英寸的图形输入板来说，需要总数为48根的导线。对于顺序扫描，需要一个48×1多路转换器（Mux）。由于这样的部件太贵了，所以通常的解决办法是串接两个8×1Mux。因此，每个座标需要两个Mux芯片。

为了降低成本，已提出几种图形输入板结构。例如，本申请的受让人Summagraphics制造了一种所谓的CR图形输入板，它记载于美国专利4705919和4771138。这种图形输入板采用在单一平面上的电极阵列，但取决于与定位用的指向器件的静电耦联。若要这种图形输入板也能令人满意地工作，那么就不能完全达到图形输入板廉价这个所期望的目标。主要障碍是依赖于静电或电容性耦合，而不是电磁耦合，这引起了另外的问题，例如，信噪比的降低，较小的接近度高度和较低的信号幅度。因此，信号处理必须加强以便保持分辨率和精确度，通常这需要更多的电子元件，因而再次提高了成本。

记载采用电容性耦合的单层电极阵列的其它专利是美国专利4087625和4659874。

本发明的主要目的是一个低成本的数字转换式图形输入板。

本发明的另一个目的是采用电磁技术的低成本的数字转换式图形输入板。

根据本发明的一个观点，一个电磁数字转换式图形输入板包括一个在单一平面上延伸的电极阵列。电极是这样配置的，当电极获得感应电压之后进行适当寻址时，将获得信号信息，该信息经处理后将产生代表指向器件位置的X和Y座标的信号，该指向器件放置在作用区域上方并与作用区域相电磁耦合。

根据本发明的另一个观点，电极阵列基本是与图形输入板的作用区域共同延伸的。

根据本发明的又一观点，电极阵列包括一排三角形电极，这些三角形电极以其三角顶点沿图形输入板的Y轴延伸的方式成对地排列，而电极对沿图形输入板的X轴成行延伸，按照这种构形，通过利用在每个线圈感应的信号电压幅度对三角形线圈进行的时间相关的寻址来确定X座标和Y座标。

在本发明的优选实施例中，每对三角形线圈以相反方向面对，因而每对基本构成一个矩形。按照这种布置，指向器件线圈的直径最好基本等于三角形底边宽度，该底边宽度基本对应于由电极对构成的矩形宽度。在此实施例中，每个电极由单个线圈构成。

在另一个优选实施例中，电极对中的每个是由多个首尾相连的三角形嵌套构成的，从而在一个三角形区域内形成多个环路或线圈。这种布置将提高输出信号电平。

参考附图，根据几个优选实施例将对本发明进行更详细的说明：

图1是根据本发明的数字转换式图形输入板的平面示意图，它示出全体的电极布置和处理电路;

图2是图1的电极阵列部分放大的顶视图;

图3是图2阵列中一个线圈的平面图，它示出电磁场分布;

图4和5是图1的图形输入板的细节示意图，它说明图形输入板的几何结构和运行。

图6是构成本发明第二实施例的阵列的一对电极的平面图。

图1示出用于根据本发明的数字转换式图形输入板的优选实施例的电极几何结构和电路。相对于X和Y座标的全部电极阵列被显示并表示为10。该阵列是按图形输入板从其正常的用户位置反时针旋转90℃后显示的，其中X-Y座标系统的原点处于图形输入板的左下角。这通过X-Y轴符号指示于11。

电极阵列包括一排沿X轴方向（图1的垂直方向）延伸的三角形导线环路。这些导线环路成对地布置，每对电极中的一个三角形的顶点靠近该对中的另一个三角形的底边，从而标为12-16的每对电极构成一个如图所示的矩形。有时把每对电极12-16称作为一个块。每对中的电极标为a和b，以及它们的顶点C和d。因此，12a是位于上部的第一导线环路并带有顶点12c，而12b是邻近的导线环路并带有顶点12d，如此等等。电极对15与16之间的空间将由另外的电极对占据。我们建议对一个12英寸的图形输入板作用区域使用总数为16个作用电极对或块。标为18和19的尺寸分别代表沿X和Y轴的图形输入板作用区域。将会注意到，电极阵列10基本上是与图形输入板作用区域共同延伸的。正如以下所说明的，可以期望在作用区域的每个端部增加一个附加块。因而，这些块刚好被置于作用区域外侧，它们可以用于计算确定X座标值。

在本发明的图形输入板中，指向器件由用户在图形输入板的作用区域上操作。指向器件在图1由一个线圈20表示。按通常的方式通过与电源21连接来激励该线圈，电源向线圈提供频率例如为10KHz的交流电流，这对于数字转换式图形输入板来说是典型的。线圈20，如同一个变压器初级的作用，产生一个横切电极阵列10的电磁场，结果在位于下面的三角形线圈中感应出交流电信号，如同变压器的次级的作用。每个三角形线圈12a、12b-16a、16b通过一对被开关的1×8多路转换器22、23，逐个地按时间顺序连接到一个具有低通滤波器25的放大器的输入端。一个开关26以及多路转换器22、23由一个微处理器或微控制器27控制，以便在每个线圈感应出的信号按顺序耦合至放大器25。电极扫描顺序最好是线圈12a、12b、13a、13b、14a、14b、15a、15b……16a、16b。也可以采用其它的扫描顺序。来自放大器-滤波器25的模拟信号输出通过A/D转换器采样并转换成数字信号，并存储于内装在微处理器或与微处理器27相连接的存储器中。随后，微处理器27以下述的方式处理信号并最终产生代表指向器件线圈20相对于X、Y座标系统原点的中心位置的一个X、Y座标对。在图1中，标以小圆圈的线圈接线端被共同地连接到一个参考电位，例如地。为了避免附图混乱省略了共同连接。

图2是电极阵列中几个线圈的放大示意图，以便说明本发明的图形输入板的运行。图3示出一个这种线圈。在图1中，三角形是直角三角形，每个电极对（如12a、12b）的直角边构成了沿Y方向延伸的矩形块的边。在图2中，布置有些不同，其中每个三角形是等腰三角形。图1布置的优点是直角边能基本与图形输入板的作用区域边界一致。在图2的布置中，在阵列外侧的每一端将存在一个角，标为29，它将以与图形输入板其它位置不完全相同的方式相互作用。然而如果需要，这可以通过信号处理电路来补偿。

正如在图2中所看到的，表示为30-37的每个完整的线圈在其底边有一个第一外接线端标为a，还有一个第二底边接线端b与用粗线40表示的公共母线相连接。母线40与一个参考电位点41，例如地，相连接。每个第一线圈接线端30a-37a与多路转换器22、23相连接。指示器件线圈20象图1那样由一个圆环表示。线圈的不同位置由点划线来表示。可以看出，线圈直径基本等于三角形底边宽度或者由相邻三角形构成的平行四边形的宽度。线圈的不同位置标为I₁-I₆。

当指向器件线圈在某个半周期内被激励，并且指向器件线圈位于I₁、I₃或I₆位置，即仅覆盖一个电极线圈，这时一个电极线圈的电磁辐射图形如图3所示。x表示场线进入图平面，而圆点表示场线从图平面出来。在位于下面的电极线圈中感应出的信号幅度处于最大值，而与邻近线圈顶端的感应耦合与上述线圈相比要小或处于最小值。当指向器件线圈移至一个中心位置时，例如Z₂，在电极线圈30和37感应出大致相等的信号幅度。在指向器件线圈位置I₄时，在三个线圈34、35和36感应出的信号幅度较小。在位置I₅，在相同的三个电极线圈34-36中再次感应出信号，但它们的相对幅度不同。每个线圈的感应信号幅度通过图1所示的多路传输系统来分别确定。通过对比三个最大数字信号输出来确定X和Y座标位置。这实质上是通过电压比来确定或测量给出的X和Y座标位置。一般来说，处理是分级进行的。在第一级中，X座标被确定并存储。在第二级中，Y座标被确定并存储。如果需要，这些可颠倒过来做。

例如，对于所示的指示器件相对于X座标的六个位置来说，存储的数字数据将做如下的分析。对于I₁来说，线圈30的数字输出最大。对于I₃来说，线圈31的数字输出最大。对于I₆来说，线圈35的数字输出最大。对于I₂，线圈30和31的数字输出大致相同。对于I₄，线圈34和36的数字输出大致相同，但居于中间的线圈35的数字输出要小些。对于I₅，线圈35的数字输出大于相邻线圈34和36的两个基本相同的输出。结果，对于指向器件线圈20的每一个水平或X轴位置，无论其Y轴位置如何，都将存在一个数字输出的单值组合或比值，这能转换或变换成一个X座标值。

确定Y轴位置也采用类似的处理。由于X轴位置已在先确定，所以，对于每一个Y轴位置存在一个电极线圈数字输出的单值组合或比值，并能转换或变换成Y座标。通过计算或者查表这些数字运算能完成转换，该表对应于每个Y轴数字输出存储了单值的数字输出值。

图4示出标为40的一个电极线圈中的感应电压随指向器件线圈20的Y位置的变化，再次，x代表进入图平面的场线，圆点代表从图平面出来的场线。如图下方所示，指向器件线圈的直径D大致等于三角形线圈的底边宽度D。在指向器件线圈20₁的最低位置，最多数量的向外出来的场线和最少数量的向内进入场线与线圈40耦合，这导致最大的感应信号电压。在相反的最上位置20₂，感应情况相反，进入的场线数量减至最少而出来的场线数量增至最多，这导致最小的感应信号电压。在指向器件的基本中间位置20₃，进入和出来的场线大致相等，因而产生一个中间值的感应信号。因此，指向器件线圈相对于一个具体的三角形电极线圈的Y轴位置通过在线圈中感应出来的输出信号幅度来表示。当指向器件线圈直径D基本等于相应于线圈40倒置的那个三角形线圈（图4中未示出）的底边宽度D时，这种关系得以增强。因此，在相邻的相互倒置的三角形电极的感应信号电压之间的比值清楚地表示指向器件线圈中心的Y轴位置。

图5采用图1的参考标号再次示出了直角三角形电极线圈的优选几何结构。标为○的接线端接地，标为V的接线端连接至图1所示的多路转换器22、23。

如上所述，在优选实施例中，对于一个典型的12×12英寸的图形输入板，只需要16对三角形电极，每对构成一个宽度约为0.75英寸的矩形块。所有电极线圈都是由单独印刷布线工序制造的，并且都在单一平面上延伸。所有三角形都具有相同的尺寸，这导致期望的低的制造成本。由于电极线圈数量少，电子元件的数量减少了，这也降低了成本。还因为线圈数量少，图形输入板消耗较少的电流，结果成为一个低功率图形输入板。当对于12英寸图形输入板来说选16对为较好时，还可以选用更小的数量，例如8对。对于较大的图形输入板，例如15×15英寸，可以采用20套线圈，底边宽度也是0.75英寸，但三角形高度是15英寸。因此，本发明不限于特定套数的线圈。

当优选的电极扫描是以下部三角形（底边贴着OY轴）与上部三角形（底边贴着最大Y轴）之间交替单一扫描进行时，这种扫描可分为两次扫描，首先对一个座标，然后对第一个座标。在这种模式中，首先对比存储的数字值来确定Y座标。Y方向的对比测量不是线性的。由于在硬件中难以完成复杂的计算，因而最好采用查表来确定Y座标，使用一个块的两个最大输出的比值作为进入表的索引。对于X座标微处理器将把一个块的最大数字输出值与位于该块两侧的块的输出值做分析对比。这将大致是线性的，因此易于计算。如果需要，可以向沿X轴测得的数字化值提供适当补偿，以此补偿X轴的非线性。

为了说明上述内容，假定一个典型的用户对话，采用图1所示的位于阵列10之上的指向器件线圈20。当感应电压的扫描完成后，将产生如下列表中所示的存储的原始数字输出。表中省略了不相关的数值。

电极号	块号	数字输出
				A	B
		12a12b13a13b14a14b15a15b16a16b	112233441616			3012080202	2010030162

为了确定Y轴位置，需确定具有最大输出值的那个块的两个值的比，称为“第一比值”。对于本例，确定电极13a和13b输出值的第一比值，该比值为120/100＝1.2。

1.2这个值将被用作进入查表的索引，该表返回确定绝对的Y座标值（从原点量起）。对于一个12英寸，则需要1200个表值，这在图形输入板标定时已由制造厂确定并在只读存储器（ROM）或无误差性能只读存储器（EEPROM）内设置。

对于X轴位置的确定，把三个块的输出值做对比。首先，如同Y座标确定那样，确定具有最大输出或MAX的块并对电极做标记，为简明起见，参看图1，电极12a、13a、……16a将称为A电极，而电极12b 13b、……16b称为B电极。如果MAX值来自A电极，于是只使用A输出;如果来自B电极，于是只使用B输出。

然后，确定那个块的电极A或B的输出与在该块两侧的相应A或B电极的输出之间的差。假设，从表中，具有最大输出的块是来自第2号块（图1中的块13）的A电极（13a），这里第2号块标为“N”，然后，确定块N与块N-1（图1的块12）的A电极输出之间的差，并称为“第一差”，而且确定它与块N+1（图1中的块14）输出之差，并称为“第二差”。第一差和第二差也分别标为R和S。于是，以英寸为单位的X座标成为[N+R/（S+R）]K，其中N是具有最大输出的块的号（图1中N＝2），K是一个常数，等于以英寸为单位的图形输入板X方向的总尺寸除以作用块总数量。对于以上给出的例子，具有最大输出的块N＝2，来自电极13a。由于它是一个A电极，因此，在下面计算中只使用A值。如果它是一个B电极，则在下面计算中只使用B值。

因此，R＝块（N）的输出一块（N-1）的输出（120-30＝90），S＝块（N）的输出一块（N+1）的输出（120-80＝40），K＝12/16＝0.75，因而，距原点的X座标是[2+90/（40+90）]0.75＝2.02英寸。

如前所述，在图形输入板的每端最好增加一个附加块（未画出）。当指向器件位于第一个块12或者最后一个块16之上时，对于进行X座标计算来说，希望有这些附加块，以便分别提供N-1块和N+块的输出用于计算。这与已有的图形输入板所采用的降低或消除边缘效应的技术相类似。在这种情况下，图形输入板的作用尺寸是重要的，因此块的编号以及K值可保持不变。

再假设它为基本线性的。对于图形输入板区域上的不同位置，在这些确定的比值之间可能存在某些非线性关系。换言之，当针对不同的Y值沿X轴测量时，对于相同编号不出现比值。这通过以下办法可以容易得到补偿，为指向器件位置的测量比值绘图，并为测量的数字输出构造一个加法或沽法表，以此对非线性区域进行补偿。可以在进行比值计算之前进行这些数值的修正。

尽管推荐了以上计算指向器件X座标的方法，但是本发明并不限于此，基于从被扫描电极获得的数字输出并将把这些输出转换成一个X/Y座标对的其它计算也被认为是处于本发明的范围之内，如同采用查表，其中存在非常多的非线性。

前面的图展示出在每个三角区域设置一个环形线圈的实施例。图6示出的实施例对每个三角形区域采用了多个环形线圈。图6上示出形成一个矩形的一个线圈组，它类似图1所示的形成一个组12的线圈12a和12b。因此，对于整个图形输入板，图6所示的线圈组将沿X轴往下重复至图形输入板的X端点。如同在其它实施例中那样，指向器件线圈标为20。构成一个组的斜边对斜边的两个电极线圈标为50和51。可以看到，线圈50和51中的每个具有一个第一接线端50a、51a，它们并与一个开关52连接，该开关对应于图1实施例的开关26。对于多个线圈组，它们将连接至多路转换器，为清楚起见省略了多路转换器。由于线圈必须是印制在单一平面上，因而每个线圈50、51是一个单一连续导体并构成尺寸不断减小的多个环或圈。图中展示的嵌套的环数量共有4个。导体终止于接线端50b、5b并连接于地，如图所示。如前所述，指向器件线圈直径与由线圈组成的矩形宽度大致相同。矩形的长度对应于图形输入板作用区域在Y方向的尺寸。当电源供电及电极线圈被扫描后，在每个电极线圈感应的信号按前述的方式处理。这个实施例的线圈布置的优点在于，当指向器件从电极线圈底边（其最宽部分）移向其顶点时，感应电压的范围大大增加。这是因为在底边区域，存在比顶点更多的线圈环数或圈数并能与指向器件线圈耦合。数字输出的这种较大范围将提高图形输入板的分辨率，这不仅关系到Y轴测量，而且也关系到X轴测量。然而，指向器件位置在Y轴或X轴上每单位的变化所引起的感应电压的变化将不同于前述那样。因此，为了计算指向器件的位置，必须校正图形输入板，对指向器件位置的数字输出制图，并对含有该图的表进行查阅来确定X/Y座标，或者建立一个与指向器件位置的数字输出相关的函数，然后，计算该函数给出数字输出来确定指向器件的位置。这完全是本技术领域的普通技术，无需在此进行详细的描述。

以上已经描述了一种新的数字化图形输入板，采用在单一平面上的电极阵列，该阵列将提供指向器件的X和Y座标。由于电极阵列基本上是与图形输入板的作用区域共延伸的，因而该图形输入板是紧凑的。由于只需要较少的电极、单一面印刷和较少的电子元件，因而图形输入板的制造成本低。更重要的是，采用电磁感应代替静电或电容性耦合，图形输入板的运行将只需要较少的电能。使用低功率器件，例如C-MOS电路，由一个低功率电源来供图形输入板运行将是可能的，甚至可以在适当的时间期间使用电池。因此，存在成为一个手提数字转换式图形输入板的基础，这将扩展其应用的领域。

尽管结合优选实施例描述和图示出本发明，但是在不脱离本发明实质精神的情况下，可以做出许多对于本领域技术人员是很明显的改型和改进，由于这些改型和改进预定被包括在附加的权利要求的范围内，因此，在附加的权利要求中表述的本发明并不限于上述结构的精确细节。

Claims

1、一种电磁数字转换式图形输入板，包括一个位于图形输入板作用区域之下的电极阵列和一个具有感应线圈的指向器件，当指向器件被激励并位于电极阵列之上时，在该阵列中将电磁感应出电信号，其改进包括：

(a)、所说的电极阵列包括在图形输入板作用区域下面并排配置的一系列三角形电极，使得相邻的三角形电极的各自顶点紧靠图形输入板作用区域相对的各侧边，

(b)、与每个电极相连接的装置，用于确定在每个三角形电极中的感应电信号，

(c)、根据在阵列的每个电极中的感应信号电平来确定指向器件感应线圈相对于电极阵列的位置的装置。

2、根据权利要求1的数字转换式图形输入板，其中每个三角形电极在其每个长边的端头有第一和第二接线端，元件的装置（b）与每个三角形电极的第一接线端连接，所有三角形电极的第二接线端均连接于一个公共的参考电位点。

3、根据权利要求2的数字转换式图形输入板，其中指向器件的电感线圈是一个这样的线圈，其直径大致等于三角形也极的底边宽度。

4、一种电磁数字转换式图形输入板，包括一个位于图形输入板作用区域之下的电极阵列和一个具有电感线圈的指向器件，当指向器件被激励并位于电极阵列之上时，在该阵列中将电磁感应出电信号，其改进包括：

（a）、所说的电极阵列包括一系列三角形导线电极，每个三角形具有两个长导线侧边并在顶点处连接，所说的电极在图形输入板作用区域下面并排配置，使得相邻的三角形电极的各自顶点紧靠图形输入板作用区域相对的各侧边，一个第一接线端与一个长导线侧边的与三角形顶点相反的一端连接，一个第二接线端与另一个长导线侧边的一端连接，

（b）、与导线接线端连接的装置，用于：

（ⅰ）、通过其接线端，确定每个三角形电极感应的电信号，

（ⅱ）通过每个电极感应的信号电平与相邻电极感应的信号电平之间的对比，确定指向器件的电感线圈相对于所有三角形电极的位置。

5、根据权利要求4的数字转换式图形输入板，其中图形输入板作用区域具有一个X轴尺度和一个Y轴尺度，每个三角形的高度对应于X和Y尺度中的一个，配置的多个电极对应于X和Y尺度中的另一个延伸一段距离。

6、根据权利要求5的数字转换式图形输入板，其中装置（b）包括用于按时间顺序对每个电极的第一接线端进行扫描的装置，电极的第二接线端被公共连接。

7、根据权利要求6的数字转换式图形输入板，其中装置（b）包括一个A/D转换器，用于把感应信号电压转换成数字输出。

8、根据权利要求7的数字转换式图形输入板，其中每对相邻的三角形电极构成一个块，装置（b）包括用于把阵列中一个块电极的最大数字输出与同一块的另一个电极的数字输出进行对比的装置，以此确定电感线圈相对于所说的同一个图形输入板尺度的位置，以及用于把阵列中一个块的最大数字输出与相邻块的对应电极的数字输出进行对比的装置，以此确定电感线圈相对于所说的另一个图形输入板尺度的位置。

9、根据权利要求4的数字转换式图形输入板，每个三角形电极由一个直角三角形构成，每对三角形电极组成一个矩形，矩形的边平行于图形输入板的作用区域。

10、根据权利要求4的数字转换式图形输入板，其中每个三角形电极包括多个嵌套的环。