CN106843544B - 无源手写笔的压感信号处理系统、方法及手绘板 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种无源手写笔的压感信号处理系统。所述无源手写笔的压感信号处理系统包括设于无源手写笔内的压感发生电路和压感处理电路；所述压感发生电路包括共同组成LC谐振电路的线圈和电容，所述线圈内设有磁芯，所述磁芯随笔尖的上下移动而改变所述磁芯与所述线圈的相对位置；所述压感处理电路向所述LC谐振电路发射检测信号，并接收所述LC谐振电路基于所述检测信号产生的反馈信号；所述压感处理电路根据所述反馈信号计算当前所述无源手写笔内LC谐振电路的谐振频率，并根据所述LC谐振电路的谐振频率变化量获得当前所述无源手写笔的压感。本发明还提供一种使用上述无源手写笔的压感信号处理系统的方法和手绘板。

Description

无源手写笔的压感信号处理系统、方法及手绘板
技术领域
本发明涉及无源手绘技术领域，尤其涉及一种无源手写笔的压感信号处理系统、方法及手绘板。
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(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。数位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，无线是指手绘板的手写笔没有常见的连接线。
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。对于有源手写笔，天线接收手写笔发出的无线电信号；对于无源手写笔，天线先发出特定频率的无线电信号，经手写板接收后感应出另一无线电信号，天线还需接收手写笔发出的该无线电信号。通过对这些无线电信号的放大处理，就可得到笔的位置坐标和感知压感，这是手绘板的关键技术。
得到无源手写笔的位置坐标和压感的技术相对难一些。目前常见的技术是利用手写笔上的线圈作为天线，接收手写板天线发出的特定频率无线电信号。这种电磁感应就是电磁能的传递，得到的电能就可以给手写笔上的电路供电。这种无源手写笔的发射电路与有源手写笔的电路类似(都有振荡电路，产生发射信号)，因此得到位置坐标和压感的方法也与有源手写板相同。
这种无源手写笔接收电能的线圈和发射压感信号的线圈可以是同一线圈，也可以分成两个线圈。分成两个线圈，可以根据各自的不同需要，精准地设计各自的线圈，从而得到完美的性能指标，但这样做会增加成本，同时增大了笔的结构设计难度。
而且，目前无源无线电磁感应式电磁板压感测量主要方法有：第一种是通过RC电路、比较器和定时器构成的电路来测量，这种办法需要增加电路另外需要开辟额外的资源来计算笔的谐振频率且计算，导致压感的测量成本高；第二种根据笔内电感值变化导致波形相位变化来实现，这种方法压感随压力的变化不是平滑的，导致压感测量难度大。
因此，有必要提供一种不需要增加额外硬件成本的无源手写笔的压感信号处理系统、方法及手绘板。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种不需要增加额外硬件成本的无源手写笔的压感信号处理系统、方法及手绘板。
为解决上述技术问题，本发明提供一种无源手写笔的压感信号处理系统，所述无源手写笔包括随写字或绘画用力大小变化而上下移动的笔尖，所述压感信号处理系统包括：设于无源手写笔内的压感发生电路和与所述压感发生电路对应耦合连接的压感处理电路；所述压感发生电路包括共同组成LC谐振电路的线圈和电容，所述线圈内设有磁芯，所述磁芯随所述笔尖的上下移动而改变所述磁芯与所述线圈的相对位置；所述压感处理电路向所述LC谐振电路发射检测信号，并接收所述LC谐振电路基于所述检测信号产生的反馈信号；所述压感处理电路根据所述反馈信号计算当前所述无源手写笔内LC谐振电路的谐振频率，并根据所述LC谐振电路的谐振频率变化量获得当前所述无源手写笔的压感。
优选地，所述压感处理电路包括天线单元、天线选择开关、天线发射驱动单元、天线接收处理单元和MCU单元，所述天线单元与所述天线选择开关电连接，并通过所述天线选择开关选择与所述天线发射驱动单元或所述天线接收处理单元电连接，所述天线发射驱动单元和所述天线接收处理单元还均与所述MCU单元电连接，且所述MCU单元控制所述天线选择开关的开关选择；所述天线单元与所述LC谐振电路耦合连接。
优选地，如果所述天线单元通过所述天线选择开关选择与所述天线发射驱动单元和所述MCU单元依次电连接，则所述压感处理电路通过所述天线单元向所述LC谐振电路发送所述检测信号；如果所述天线单元通过所述天线选择开关选择与所述天线接收处理单元和所述MCU单元依次电连接，则所述压感处理电路通过所述天线单元接收所述LC谐振电路基于所述检测信号产生的反馈信号。
优选地，所述天线单元包括分别按照相互垂直的X方向和Y方向排列的两个天线，在所述X方向和所述Y方向上的两个所述天线的形状均采用“口”字形天线；每一所述天线的一端与所述天线选择开关电连接，另一端接地。
优选地，所述天线接收处理单元包括依次电连接的第一放大器、第二放大器、检波器和采样器；且所述第一放大器的输入端与所述天线选择开关的触点J电连接，所述采样器的输出端与所述MCU单元电连接。
优选地，所述天线发射驱动单元是用于驱动所述天线单元发射信号的驱动器；所述驱动器的输入端与所述MCU单元电连接，所述驱动器的输出端与所述天线选择开关的触点F电连接。
一种根据上述无源手写笔的压感信号处理系统的方法包括如下步骤：
按压无源手写笔的笔尖使得LC谐振电路中线圈内的磁芯随所述笔尖的上下移动以改变所述磁芯与所述线圈的相对位置；
压感处理电路向所述LC谐振电路发射检测信号，并接收所述LC谐振电路基于所述检测信号产生的反馈信号；
所述压感处理电路根据所述反馈信号计算当前所述无源手写笔内LC谐振电路的谐振频率，并根据所述LC谐振电路的谐振频率变化量获得当前所述无源手写笔的压感。
优选地，所述压感处理电路包括天线单元、天线选择开关、天线发射驱动单元、天线接收处理单元和MCU单元，所述压感处理电路向所述LC谐振电路发射检测信号，并接收所述LC谐振电路基于所述检测信号产生的反馈信号具体包括如下步骤：
天线单元通过天线选择开关选择与天线发射驱动单元电连接，以向所述LC谐振电路发送所述方波信号；
所述天线单元通过所述天线选择开关选择与天线接收处理单元电连接，以接收所述LC谐振电路基于所述检测信号产生的反馈信号。
一种根据上述无源手写笔的压感信号处理系统的手绘板包括手写笔和与所述手写笔配合使用的画板，所述手写笔是所述无源手写笔，所述手绘板内设置所述压感信号处理系统，且所述压感信号处理系统的压感发生电路设于所述手写笔内，所述压感处理电路设于所述画板内。
优选地，所述压感处理电路包括天线单元，所述天线单元由所述画板内电路板表面的铜箔走线构成。
本发明的技术方案具有如下有益效果：
所述无源手写笔的压感信号处理系统、方法及手绘板不需要增加额外的硬件成本和用于计算坐标的电路，仅通过轮询发射不同频点的方波，得到不同频率的振幅，根据振幅之间关系就可以计算出无源手写笔当前的谐振频率，根据所述谐振频率就可以计算出无源手写笔的压感，因此，不仅方法简单，且易于实现。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1是本发明实施例提供的无源手写笔的压感信号处理系统的结构框图；
图2是图1所示无源手写笔的压感信号处理系统的电路结构示意图；
图3是图1所示无源手写笔的压感信号处理系统中天线单元的天线结构示意图；
图4是图1所示无源手写笔的压感信号处理系统中压感处理电路发出的检测信号波形示意图；
图5是图1所示无源手写笔的压感信号处理系统中压感处理电路接收的反馈信号经采样器后输出的波形示意图；
图6是根据图1所示无源手写笔的压感信号处理系统的方法的流程框图；
图7是根据图1所示无源手写笔的压感信号处理系统的手绘板的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。
请同时参阅图1、图2和图3，所述无源手写笔的压感信号处理系统100适用于无源手写笔的压感信号采集和处理，并根据所述压感信号获得所述无源手写笔的压感。其中，所述无源手写笔的压感是所述无源手写笔在书写或绘画时的用力大小。而且，所述无源手写笔的外形与普通的书写笔类似，并包括随写字或绘画用力大小变化而上下移动的笔尖，因此可以根据所述笔尖往上移动的距离来判断写字或绘画时的力度。
具体地，所述无源手写笔的压感信号处理系统100设于无源手写笔内的压感发生电路10和与所述压感发生电路10对应耦合连接的压感处理电路30。
所述压感发生电路10包括共同组成LC谐振电路的线圈11和电容13，所述线圈11内设有磁芯(图未示)，所述磁芯随所述笔尖的上下移动而改变所述磁芯与所述线圈11的相对位置，进而改变所述线圈11的电感量的大小，从而改变所述LC谐振电路的谐振频率。因此，所述LC谐振电路的谐振频率的变化量就与所述无源手写笔在写字或绘画时的用力大小相对应，只要测到了所述LC谐振电路的谐振频率的变化量就得到了所述无源手写笔的压感。
所述压感处理电路30包括天线单元31、天线选择开关33、天线发射驱动单元35、天线接收处理单元37和MCU单元39。其中，所述天线单元31与所述天线选择开关33电连接，并通过所述天线选择开关33选择与所述天线发射驱动单元35或所述天线接收处理单元37电连接，所述天线发射驱动单元35和所述天线接收处理单元37还均与所述MCU单元39电连接，且所述MCU单元39控制所述天线选择开关33的开关选择。
所述天线单元31与所述LC谐振电路耦合连接，并包括分别按照相互垂直的X方向和Y方向排列的两个天线，在所述X方向和所述Y方向上的两个所述天线的形状均采用“口”字形天线。而且，每一所述天线的一端与所述天线选择开关33的触点H电连接，另一端通过开关接地或直接接地。
所述天线发射驱动单元35是用于驱动所述天线单元31发射信号的驱动器。而且，所述驱动器的输入端A与所述MCU单元39电连接，所述驱动器的输出端K与所述天线选择开关33的触点F电连接。
所述天线接收处理单元37包括依次电连接的第一放大器371、第二放大器373、检波器375和采样器377；
具体地，在所述天线接收处理单元37内，所述第一放大器371的输入端L与所述天线选择开关33的触点J电连接，所述第一放大器371的输出端B与所述第二放大器373的输入端Q电连接，所述第二放大器373的输出端C与所述检波器375的输入端M电连接，所述检波器375的输出端N与所述采样器377的输入端O电连接，所述采样器377的输出端E与所述MCU单元39电连接。
所述MCU单元39选用工作时钟频率达48MHz的MCU。而且，所述MCU单元39的天线发射信号由IO模拟得到，其发射信号的频率根据所述无源手写笔中LC谐振电路的谐振频率在452KHz-542KHz之间不停变换。
当所述无源手写笔用力写字或绘画时，所述笔尖带动所述磁芯移出所述线圈，致使所述线圈与所述磁芯的相对位置发生变化，所述线圈的电感量发生变化，可以根据公式f＝1/(2π×√LC)进行计算；
在使用所述压感信号处理系统100进行压感信号处理过程中，所述压感处理电路30向所述LC谐振电路发射检测信号，并接收所述LC谐振电路基于所述检测信号产生的反馈信号；
所述压感处理电路30根据所述反馈信号计算当前所述无源手写笔内LC谐振电路的谐振频率，并根据所述LC谐振电路的谐振频率变化量获得当前所述无源手写笔的压感。
例如，工作时，所述MCU单元39控制所述天线选择开关33接通F点，即所述天线单元31连接天线发射驱动单元35作为发射天线；所述MCU单元39发送方波信号作为所述检测信号，所述方波信号被所述天线发射驱动单元35放大后送到所述天线单元31，所述天线单元31向外发送基于所述检测信号的电磁波信号，持续约50μs左右；所述无源手写笔内的LC谐振回路的谐振频率与所述天线单元31发射的电磁波信号频率接近，在所述无源手写笔内的LC谐振回路里感应出振幅逐渐衰减的正弦波信号，所述正弦波信号被作为所述压感发生电路10中LC谐振回路发射出的反馈信号；
然后，所述MCU单元39控制所述天线选择开关33接通J点，所述天线单元31又被作为接收天线以接收所述LC谐振回路提供的振幅逐渐衰减的所述正弦波信号；所述天线单元31接收的正弦波信号被送到所述第一放大器371和所述第二放大器373，且所述第二放大器373的工作点设置在刚好使振幅逐渐衰减的所述正弦波信号的半波被放大，使得所述第二放大器373输出点C的波形如图4所示。所述第二放大器373放大后的所述正弦波信号被送到所述检波器375和所述采样器377，且经过所述采样器377输出得到如图5所示的波形；
如图5所示的波形的振幅与发射频率有关系，当发射频率越接近所述无源手写笔的谐振频率时其振幅越大，根据采样信号的最大振幅，次大振幅，第三大振幅之间的关系就可以求出当前所述无源手写笔的谐振频率，也就是说通过比较振幅之间的关系就可以获得所述无源手写笔当前的压感。
请参阅图6，一种根据图1所示无源手写笔的压感信号处理系统100的方法200，并包括如下步骤：
S1、按压无源手写笔的笔尖使得LC谐振电路中线圈内的磁芯随所述笔尖的上下移动以改变所述磁芯与所述线圈的相对位置；
S2、压感处理电路30向所述LC谐振电路发射检测信号，并接收所述LC谐振电路基于所述检测信号产生的反馈信号；
S3、所述压感处理电路30根据所述反馈信号计算当前所述无源手写笔内LC谐振电路的谐振频率，并根据所述LC谐振电路的谐振频率变化量获得当前所述无源手写笔的压感。
具体地，在所述步骤S2内包括如下步骤：
具体包括如下步骤：
所述天线单元31通过天线选择开关33选择与天线发射驱动单元35电连接，以向所述LC谐振电路发送所述方波信号；
所述天线单元31通过所述天线选择开关35选择与天线接收处理单元37电连接，以接收所述LC谐振电路基于所述检测信号产生的反馈信号。
请参阅图7，一种根据图1所示无源手写笔的压感信号处理系统的手绘板300包括手写笔301和与所述手写笔301配合使用的画板303。所述手写笔301是所述无源手写笔，且所述手绘板300内设置所述压感信号处理系统。而且，所述手绘板300是用于计算机、平板电脑、嵌入式系统等设备上手写输入、可进行绘画、写字、制图的数字输入设备。
具体地，所述压感信号处理系统100的压感发生电路10设于所述手写笔301内，所述压感处理电路30设于所述画板303内。
而且，所述压感处理电路30内的天线单元31由所述画板303内电路板表面的铜箔走线构成。
在本实施例中，如果设定所述X方向和所述Y方向分别与所述画板303的长度方向和宽度方向相平行，而且，则所述天线单元31中X方向或Y方向的天线的长度决定于所述画板303的长度或宽度，所述天线的宽度决定于所述手绘板300的精度。
本发明提供的技术方案具有如下有益效果：
所述无源手写笔的压感信号处理系统、方法及手绘板不需要增加额外的硬件成本和用于计算坐标的电路，仅通过轮询发射不同频点的方波，得到不同频率的振幅，根据振幅之间关系就可以计算出无源手写笔当前的谐振频率，根据所述谐振频率就可以计算出无源手写笔的压感，因此，不仅方法简单，且易于实现。
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 (8)

1.一种无源手写笔的压感信号处理系统，所述无源手写笔包括随写字或绘画用力大小变化而上下移动的笔尖，其特征在于，包括：设于无源手写笔内的压感发生电路和与所述压感发生电路对应耦合连接的压感处理电路；
所述压感发生电路包括共同组成LC谐振电路的线圈和电容，所述线圈内设有磁芯，所述磁芯随所述笔尖的上下移动而改变所述磁芯与所述线圈的相对位置；
所述压感处理电路向所述LC谐振电路发射检测信号，并接收所述LC谐振电路基于所述检测信号产生的反馈信号；
所述压感处理电路根据所述反馈信号计算当前所述无源手写笔内LC谐振电路的谐振频率，并根据所述LC谐振电路的谐振频率变化量获得当前所述无源手写笔的压感，所述压感处理电路包括天线单元、天线选择开关、天线发射驱动单元、天线接收处理单元和MCU单元，所述天线单元与所述天线选择开关电连接，并通过所述天线选择开关选择与所述天线发射驱动单元或所述天线接收处理单元电连接，所述天线发射驱动单元和所述天线接收处理单元还均与所述MCU单元电连接，且所述MCU单元控制所述天线选择开关的开关选择，所述天线单元与所述LC谐振电路耦合连接，所述天线接收处理单元包括依次电连接的第一放大器、第二放大器、检波器和采样器，且所述第一放大器的输入端与所述天线选择开关的触点J电连接，所述采样器的输出端与所述MCU单元电连接。
2.根据权利要求1所述的无源手写笔的压感信号处理系统，其特征在于，如果所述天线单元通过所述天线选择开关选择与所述天线发射驱动单元和所述MCU单元依次电连接，则所述压感处理电路通过所述天线单元向所述LC谐振电路发送所述检测信号；
如果所述天线单元通过所述天线选择开关选择与所述天线接收处理单元和所述MCU单元依次电连接，则所述压感处理电路通过所述天线单元接收所述LC谐振电路基于所述检测信号产生的反馈信号。
3.根据权利要求1所述的无源手写笔的压感信号处理系统，其特征在于，所述天线单元包括分别按照相互垂直的X 方向和 Y 方向排列的两个天线，在所述X 方向和所述Y 方向上的两个所述天线的形状均采用“口”字形天线；
每一所述天线的一端与所述天线选择开关电连接，另一端接地。
4.根据权利要求1所述的无源手写笔的压感信号处理系统，其特征在于，所述天线发射驱动单元是用于放大所述天线单元发射信号的驱动器；
所述驱动器的输入端与所述MCU单元电连接，所述驱动器的输出端与所述天线选择开关的触点F电连接。
5.一种根据权利要求1所述的无源手写笔的压感信号处理系统的方法，其特征在于，包括如下步骤：
按压无源手写笔的笔尖使得LC谐振电路中线圈内的磁芯随所述笔尖的上下移动以改变所述磁芯与所述线圈的相对位置；
压感处理电路向所述LC谐振电路发射检测信号，并接收所述LC谐振电路基于所述检测信号产生的反馈信号；
所述压感处理电路根据所述反馈信号计算当前所述无源手写笔内LC谐振电路的谐振频率，并根据所述LC谐振电路的谐振频率变化量获得当前所述无源手写笔的压感。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述压感处理电路包括天线单元、天线选择开关、天线发射驱动单元、天线接收处理单元和MCU单元，则所述压感处理电路向所述LC谐振电路发射检测信号，并接收所述LC谐振电路基于所述检测信号产生的反馈信号具体包括如下步骤：
所述天线单元通过所述天线选择开关选择与所述天线发射驱动单元电连接，以向所述LC谐振电路发送所述检测信号；
所述天线单元通过所述天线选择开关选择与所述天线接收处理单元电连接，以接收所述LC谐振电路基于所述检测信号产生的反馈信号。
7.一种根据权利要求1所述的无源手写笔的压感信号处理系统的手绘板，其包括手写笔和与所述手写笔配合使用的画板，其特征在于，所述手写笔是所述无源手写笔，所述手绘板内设置所述压感信号处理系统，且所述压感信号处理系统的压感发生电路设于所述手写笔内，所述压感处理电路设于所述画板内。
8.根据权利要求7所述的手绘板，其特征在于，所述压感处理电路包括天线单元，所述天线单元由所述画板内电路板表面的铜箔走线构成。
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