CN106843539B - 无线无源手写输入系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无线无源手写输入系统，包括手写笔和与所述手写笔配合的手写板，所述手写笔包括线圈组件和与所述线圈组件连接的LC谐振电路，所述手写板包括与所述线圈组件耦合的天线、与所述天线连接的天线选择开关、与所述天线选择开关连接的各电子元器件。与相关技术相比，本发明提供的无线无源手写输入系统采用LC谐振电路，无需用电池作电源，省去频繁换电池的烦恼，电路结构简单，材料成本低，易于生产；手写笔与手绘板之间通过无线连接，省去了电线，因此用户可以很方便地移动手写板，也不会影响用户对手写笔的使用。

Description

无线无源手写输入系统

技术领域

本发明涉及手写输入技术领域，尤其涉及一种无线无源手写输入系统。

背景技术

手绘板，又名数字板、数位板、绘图板、绘画板、手写板等，是计算机、平板电脑、嵌入式系统等的输入设备的一种，通常是由一块手绘板和一支压感手写笔组成，其主要针对设计类的办公人士，用作绘画创作方面，主要面向设计、美术相关专业师生、广告公司与设计工作室以及Flash矢量动画制作等。手绘板硬件上采用的是电磁式感应原理，在光标定位及移动过程中，完全是通过电磁感应来完成的。随着技术的不断进步，手绘板朝着越来越便于使用及维护的方向发展，无源无线手绘板成为新的主要技术发展方向，无源是指手写笔中无电池，无线是指手绘板与主机之间采用无线通讯连接，而没有常见的连接线。

在相关技术中，手绘板中有一块印刷电路板(PCB)，其面积比手绘板的手写区域大，PCB上对应于手写区域分布着由铜箔走线构成的天线。对于有线有源手写笔，其与手绘板通过电线连通，天线通过该电线接收手写笔发出的电信号，手写笔自带电池以便产生电信号。通过对这些电信号的放大处理，就可得到手写笔的位置坐标和感知压感。这种手写笔不能长时间使用，需要更换电池或充电，另外，手写笔与手绘板之间通过电线连接，影响使用者对手写笔的使用。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种无线无源手写输入系统，其无需对手写笔更换电池或充电，手写笔与手绘板之间通过无线连接。

本发明提供了一种无线无源手写输入系统，包括手写笔和与所述手写笔配合的手写板，所述手写笔包括线圈组件和与所述线圈组件连接的LC谐振电路，所述手写板包括与所述线圈组件耦合的天线、与所述天线连接的天线选择开关、与所述天线选择开关依次串接的第一放大器、第二放大器、比较器、处理器及无线模块、串接于所述第二放大器与所述处理器之间的检波器和采样保持器、串接于所述天线选择开关与所述处理器之间的天线发射信号驱动器、与所述处理器连接的USB接口以及依次与所述USB接口串接的电源管理和充电电池。

优选的，所述LC谐振电路包括电感和与所述电感连接的电容。

优选的，所述天线选择开关为八选一模拟开关。

优选的，所述天线由X和Y方向分布的环形铜箔走线构成。

优选的，所述第一放大器和所述第二放大器为低噪声增益带宽积大于10MHz集成运算放大器。

优选的，所述处理器具有ADC、USB、SPI接口，且其工作时钟频率为40MHz。

优选的，检波器为二极管检波电路。

优选的，所述天线发射信号驱动器为射随电路。

优选的，所述无线通讯模块为具有SPI接口的蓝牙模块。

优选的，所述采样保持器由RC积分电路构成。

与相关技术相比，本发明提供的无线无源手写输入系统采用LC谐振电路，无需用电池作电源，省去频繁换电池的烦恼，电路结构简单，材料成本低，易于生产；手写笔与手绘板之间通过无线连接，省去了电线，因此用户可以很方便地移动手写板，也不会影响用户对手写笔的使用。

附图说明

图1为本发明无线无源手写输入系统的框架图；

图2为本发明无线无源手写输入系统中第一放大器的输出波形图；

图3为本发明无线无源手写输入系统中比较器的输出波形图；

图4为本发明无线无源手写输入系统中检波器的输出波形图；

图5为本发明无线无源手写输入系统中采样保持器的输出波形图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，图1为本发明无线无源手写输入系统的框架图。本发明提供了一种无线无源手写输入系统100，包括手写笔1和与所述手写笔1配合的手写板2，所述手写笔1与所述手写板2无线连接。所述手写笔1发出特定频率的无线电信号，所述手写板2接收后感应出另一无线电信号，通过对这些无线电信号的放大处理，就可得到所述手写笔1的位置坐标和感知压感，通过计算，可以在所述手写板2上显示出相应的笔迹。

所述手写笔1包括线圈组件10和与所述线圈组件10连接的LC谐振电路11。所述线圈组件10用于接收电磁波并产生电能，同时也可以用于发射压感信号，当然，所述线圈组件10可以只一个线圈，通过一个线圈来实现产生电能和发射压感信号的功能，也可以包括两个线圈，一个线圈用于产生电能，一个线圈用于发射压感信号。

所述LC谐振电路11包括电感L和与所述电感L连接的电容C。上述线圈中均设置磁芯，通过磁芯在线圈中的位置，从而改变所述电感L的电感量的大小，从而改变了所述LC谐振电路11的谐振频率。

所述手写板2包括与所述线圈组件10耦合的天线20、与所述天线20连接的天线选择开关21、与所述天线选择开关21依次串接的第一放大器22、第二放大器23、比较器24、处理器25及无线模块26、串接于所述第二放大器23与所述处理器25之间的检波器27和采样保持器28、串接于所述天线选择开关21与所述处理器25之间的天线发射信号驱动器29、与所述处理器25连接的USB接口30以及依次与所述USB接口30串接的电源管理31和充电电池32。

所述天线20由环形铜箔走线构成，铜箔的宽度和形状决定所述天线20的电性能特性，且所述天线20的长度决定所述手写板2的长度或宽度，宽度决定所述手写板2的精度。铜箔在所述手写板2上呈X和Y方向分布的，且两个方向上的所述天线20的形状一致，均可采用“口”字型，用于检测所述手写笔1在所述手写板2上的位置坐标。所述天线20一端通过所述天线选择开关21接所述第一放大器22的输入端，所述天线20的另一端通过所述天线选择开关21接地或者直接接地。

在本发明优选的实施方式中，所述天线选择开关21优选的为八选一模拟开关，根据所述天线20的数量来选择八选一模拟开关的用量，一般会用到5至8个。所述第一放大器22和所述第二放大器23为低噪声增益带宽积大于10MHz集成运算放大器。所述处理器25具有ADC、USB、SPI接口，且其工作时钟频率为40MHz。所述检波器27为二极管检波电路。所述天线发射信号驱动器29为射随电路。所述无线通讯模块为具有SPI接口的蓝牙模块。所述采样保持器28由RC积分电路构成。

所述无线无源手写输入系统100工作原理如下：工作时，所述处理器25控制所述天线选择开关32接通O点，即所述天线20连接所述天线发射信号驱动器29，同时，所述处理器25发送一个几百kHz的方波信号，这个方波信号被所述手写笔1放大后送到所述天线20，所述天线20向外发送几百kHz的电磁波信号，持续约40μs左右。所述手写笔1内的所述LC谐振回路11的谐振频率与所述天线20发射的电磁波信号频率相同，在所述手写笔1内的所述LC谐振回路11里感应出振幅逐渐衰减的正弦波信号，这个正弦波信号又被作为发射天线的所述LC谐振回路11发射出来，这时所述天线20作为接收天线，接收到振幅逐渐衰减的正弦波信号，同时所述处理器25控制所述天线选择开关21接通I点，所述天线20接收的正弦波信号就被送到所述第一放大器22，所述第二放大器23的工作点设置在刚好使振幅逐渐衰减的正弦波信号的半波被放大。所述第二放大器的输出端的波形如图2，图2所示的信号被送到所述比较器24，比较电压设置在至少低于图2所示的信号的前几十个半波的幅度，这样所述比较器24的输出端就会得到图3所示的方波信号。

图3所示方波信号显然是和所述手写笔1的谐振信号同频率的，如前所述，谐振信号频率的变化量与写字用力的大小相对应，只要测到这个方波信号频率的变化量就得到了压感。在所述处理器25的处理速度足够快、定时器够用的情况下，可以由所述处理器25直接测量这个方波信号。为测量方便和保证测量精度，所述处理器25记录前几十个方波的周期长度T。所述手写笔1的笔尖未受力时的自由谐振信号的几十个周期长度T0已被记录在所述处理器25中，计算T与T0的差就得到了所述手写笔1在写字时用力的大小，即压感。

所述手写板2同时还能确定所述手写笔1在所述手写板2中的位置坐标，其位置坐标的信号提取由所述检波器27和所述采样保持器28完成。所述第二放大器23输出的信号送到所述检波器27，该信号波形如图2，但它是许多组这样的波形，且由于各所述天线20离开所述手写笔1的距离不同，各组波形的幅度不同。这些波形经所述检波器27后会滤掉其基波，得到反映波形幅度的包络，如图4所示。一般所述手写笔1附近3～5条所述天线20的感应信号会被测到，图5中表示的是3条所述天线20感应到的信号的强度。所述检波器27输出的波形为图4所示的锯齿波，这种波形不易于被ADC测量幅度，所以该信号还要送到所述采样保持器28。所述采样保持器28由积分电路构成，经积分电路，图4所示的锯齿波就被转换成图5所示的柱状波形。该路信号最终送到所述处理器25的ADC口，所述处理器25就会得到各柱状波形幅度值。通过计算各组柱状波形幅度值之间的差异，就可计算出所述手写笔1在所述手写板2上的坐标值。当所述手写笔1处于所述手写板2上边界位置时，就不可能同时有3条以上所述天线20接收到发出的电磁波信号，也就是图4所示的锯齿波就不会有3个为一组，可能只有2个锯齿波为一组。这时计算所述手写笔1在所述手写板2上的坐标值的算法就要针对边界进行优化。

为了保证所述手写板2使用方便，所述手写板2与上位机之间采用无线通讯，如蓝牙技术。

为了让本行业技术人员更清楚地了解本发明，现举一具体实施例对本发明进行详细说明。所述天线20的发射信号由所述处理器25内部时钟信号经分频后得到，该信号频率可选500kHz，周期为2μs。所述手写笔1内的所述电容器C选1000pF，所述电感L的电感量选100μH，所述LC谐振回路的谐振频率就是500kHz。所述处理器25测量前50个方波的周期长度，所以基准T0＝50×2＝100μs。

当所述手写笔1用力写字时，笔尖带动磁芯移出线圈，致使所述LC谐振回路11中电感量减小，约最大减小10％左右，即90μH，这时谐振频率会最高升高到530kHz(0.53MHz)，即谐振频率增加了30kHz(6％)，50个方波的周期时长T＝50/0.53＝94.3μs，与基准T0的差Δt＝T0-T＝100-94.3＝5.7μs，这个差值就代表了压感的大小，可与写字时笔迹的宽度对应起来，从而在所述手绘板2上实现仿毛笔书写。

与相关技术相比，本发明提供的所述无线无源手写输入系统100采用所述LC谐振电路11，无需用电池作电源，省去频繁换电池的烦恼，电路结构简单，材料成本低，易于生产；所述手写笔1与所述手绘板2之间通过无线连接，省去了电线，因此用户可以很方便地移动所述手写板1，也不会影响用户对所述手写笔1的使用。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种无线无源手写输入系统，包括手写笔和与所述手写笔配合的手写板，其特征在于，所述手写笔包括线圈组件和与所述线圈组件连接的LC谐振电路，所述手写板包括与所述线圈组件耦合的天线、与所述天线连接的天线选择开关、与所述天线选择开关依次串接的第一放大器、第二放大器、比较器、处理器及无线模块、串接于所述第二放大器与所述处理器之间的检波器和采样保持器、串接于所述天线选择开关与所述处理器之间的天线发射信号驱动器、与所述处理器连接的USB接口以及依次与所述USB接口串接的电源管理和充电电池，所述天线由X和Y方向分布的环形铜箔走线构成，所述天线一端通过所述天线选择开关接所述第一放大器的输入端，所述天线的另一端通过所述天线选择开关接地或者直接接地。

2.根据权利要求1所述的无线无源手写输入系统，其特征在于，所述LC谐振电路包括电感和与所述电感连接的电容。

3.根据权利要求1或2所述的无线无源手写输入系统，其特征在于，所述天线选择开关为八选一模拟开关。

4.根据权利要求1所述的无线无源手写输入系统，其特征在于，所述第一放大器和所述第二放大器为低噪声增益带宽积大于10MHz集成运算放大器。

5.根据权利要求1或4所述的无线无源手写输入系统，其特征在于，所述处理器具有ADC、USB、SPI接口，且其工作时钟频率为40MHz。

6.根据权利要求5所述的无线无源手写输入系统，其特征在于，检波器为二极管检波电路。

7.根据权利要求1所述的无线无源手写输入系统，其特征在于，所述天线发射信号驱动器为射随电路。

8.根据权利要求1或7所述的无线无源手写输入系统，其特征在于，所述无线模块为具有SPI接口的蓝牙模块。

9.根据权利要求1所述的无线无源手写输入系统，其特征在于，所述采样保持器由RC积分电路构成。

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