CN106909229A - 一种分布式光纤键盘及其按键检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分布式光纤键盘及其按键检测方法，包括键盘基体，横向光纤、纵向光纤、三通光纤连接器、激光发射器、激光探测器、中央处理单元、数据采集模块、信号调理模块，通过利用激光在光纤中传输过程中的拉曼背向散射对温度变化敏感的原理，当触摸按键时，该按键区域的温度与未触摸时不同，从而根据温度变化检测被触摸的按键，本发明实现无物理机械按键的键盘功能，排除了机械按键接触导通抖动的影响，按键检测通过激光在光纤中的背散射温敏效应完成，排除了电磁干扰；键盘基体通过可任意弯曲的纤薄柔性材料制成，不仅具有体积小、重量轻、携带方便、而且还具有精度高、稳定性好，抗干扰能力强的特点。

Description

一种分布式光纤键盘及其按键检测方法

技术领域

本发明涉及一种键盘，尤其是一种分布式光纤键盘及其按键检测方法。

背景技术

现在台式电脑、笔记本电脑的键盘均是一种机械按压式键盘，在使用时通过按下机械按键使电路导通，通过中央处理单元处理完成按键检测，识别、转换，完成输入工作，现有的机械式键盘存在体积大，携带不方便，电路故障维修不方便，机械按压导电检测容易受抖动和电磁干扰，精度不高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种分布式光纤键盘及其按键检测方法。

本发明的技术方案为：一种分布式光纤键盘，包括键盘基体，横向光纤、纵向光纤、三通光纤连接器、激光发射器、激光探测器、中央处理单元、数据采集模块、信号调理模块，所述键盘基体由可任意弯曲的纤薄柔性材料制成，所述键盘基体上印刷有若干键盘按键以及布设有横向光纤、纵向光纤，所述横向光纤一端与三通光纤连接器连接，所述横向光纤的另一端按照从左至右、从上至下的顺序延伸布设在键盘基体上并与纵向光纤的一端连接，所述纵向光纤的另一端按照从下至上、从右至左的顺序延伸布设在键盘基体上，所述横向光纤和纵向光纤在每个按键上均垂直连接，所述三通光纤连接器还分别与激光发射器、激光探测器连接，所述激光发射器与中央处理单元通讯连接，中央处理单元与数据采集模块连接，所述数据采集模块与信号调理模块通讯连接，所述信号调理模块与激光探测器连接，所述中央处理单元控制激光发射器发射激光脉冲到横向光纤和纵向光纤中，并通过激光探测器接收激光脉冲的回波信号，转换成可测量的电信号，然后输出给信号调理模块，信号对电信号进行滤波等处理后，数据采集模块完成对信号调理模块输出的信号进行高速采样，并转换成中央处理单元能识别数字信号。

所述的光纤式键盘还包括与中央处理器连接的电源模块，通过电源模块给键盘供电。

所述的光纤式键盘还包括与中央处理器连接的通讯模块，所述中央处理单元通过通讯模块与PC电脑端或上位机或其他与键盘通讯的设备通讯连接并进行相应的数据交换。

所述的横向光纤和纵向光纤均为单模光纤或多模光纤，考虑到光纤自身对激光传输的损耗，优选为单模光纤。

所述信号调理模块包括信号滤波电路模块和自动增益放大电路模块，通过滤波电路模块用于对激光探测器输出的电信号进行抗干扰处理，根据发射激光功率不同，激光回波信号幅度数量级在pw(皮瓦)到nw(纳瓦)之间。

一种分布式光纤键盘按键的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)、设激光发射器与按键横向光纤与纵向光纤交点的横向距离为L_i，纵向距离为H_i，从而得到各个按键的识别区域的位置坐标为(L_i,H_i)，例如，第一个按键Esc的识别区域的位置坐标定义为(L_Esc,H_Esc)，并定义其他各个按键的位置坐标，全部按键识别区域的位置坐标则组成一个按键识别矩阵表；

2)、中央处理单元通过激光发射器发射脉冲宽度为t的激光脉冲至光纤中；

3)、通过激光探测器同步接收光纤中激光的回波信号，并转换为电信号传输给信号调理模块的信号滤波电路模块进行滤波处理；

4)、中央处理单元通过自动增益放大电路模块将滤波处理后的电信号进行相应的放大；

5)、数据采集模块对自动增益放大电路模块输出信号进行高速采样；

6)、中央处理单元完成整条光纤的激光反射回波信号采样后，利用激光在光纤中传输过程中的拉曼背向散射对温度变化敏感的原理，在按压按键光纤位置，因激光在光纤中传输的拉曼背向散射温度敏感效应，在光纤覆盖的按键位置会出现明显的回波反射尖峰，从而得到具有尖峰的两个采样点采样序号n，m，每个按键的横向距离与纵向距离分别对应一个采样序号；

7)、根据两个尖峰采样点的序号n，m，以及数据采样频率f，可计算出这两个尖峰采样点位置背散射的激光回波信号到达激光探测器的传输时间

8)、根据激光传输速度v，可计算出序号n，m采样点到激光发射器的距离：

9)、根据L_n、L_m从按键识别矩阵表中找到对应的坐标(L_i,H_i)，则该坐标对应的按键标识名即为所按的按键。

本发明的有益的效果为：实现无物理机械按键的键盘功能，排除了机械按键接触导通抖动的影响，按键检测通过激光在光纤中的背散射温敏效应完成，排除了电磁干扰；

键盘基体通过可任意弯曲的纤薄柔性材料制成，不仅具有体积小、重量轻、携带方便、而且还具有精度高、稳定性好，抗干扰能力强的特点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的框架图；

图3为本发明的按键在无按压情况下的激光回波信号采集数据波形；

图4为本发明在按压按键情况下的激光回波信号采集数据波形；

图中，1‐键盘基体，2‐横向光纤，3‐纵向光纤，4‐三通光纤连接器，5‐激光发射器，6‐激光探测器，7‐按键；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

如图1和图2所示，一种分布式光纤键盘，包括键盘基体1，横向光纤2、纵向光纤3、三通光纤连接器4、激光发射器5、激光探测器6、中央处理单元、数据采集模块、信号调理模块，所述键盘基体1上印刷有若干按键标识以及布设有横向光纤2、纵向光纤3，所述横向光纤2一端与三通光纤连接器4连接，所述横向光纤2的另一端按照从左至右、从上至下的顺序延伸布设在键盘基体1上并与纵向光纤3的一端连接，所述纵向光纤3的另一端按照从下至上、从右至左的顺序延伸布设在键盘基体1上，所述横向光纤2和纵向光纤3在每个按键7上均垂直连接，所述三通光纤连接器4还分别与激光发射器5、激光探测器6连接，所述激光发射器5与中央处理单元通讯连接，中央处理单元与数据采集模块连接，所述数据采集模块与信号调理模块通讯连接，所述信号调理模块与激光探测器6连接，所述中央处理单元控制激光发射器5发射激光脉冲到横向光纤2和纵向光纤4中，并通过激光探测器6接收激光脉冲的回波信号，转换成可测量的电信号，然后输出给信号调理模块，信号对电信号进行滤波等处理后，数据采集模块完成对信号调理模块输出的信号进行高速采样，并转换成中央处理单元能识别数字信号。

所述键盘基体1由可任意弯曲的纤薄柔性材料纸制成。

所述的光纤式键盘还包括与中央处理器连接的电源模块，通过电源模块给键盘供电。

所述的光纤式键盘还包括与中央处理器连接的通讯模块，所述中央处理单元通过与通讯模块上位机通讯连接并进行相应的数据交换。

所述的横向光纤2和纵向光纤3为单模光纤或多模光纤，考虑到光纤自身对激光传输的损耗，优先使用单模光纤。

所述信号调理模块包括信号滤波电路模块和自动增益放大电路模块，通过滤波电路模块用于对激光探测器输出的电信号进行抗干扰处理，根据发射激光功率不同，激光回波信号幅度数量级在pw(皮瓦)到nw(纳瓦)之间。

一种分布式光纤键盘按键的检测方法，其特征在于：

主要利用激光在光纤中传输过程中的拉曼背向散射对温度变化敏感的原理，当触摸按键7时，该按键7区域的温度与未触摸时不同，从而根据温度变化检测被触摸的按键7，通过激光发射器5向光纤中发出一个脉冲宽度为t的窄激光脉冲(纳秒级)，并通过激光探测器6检测光纤中反射的激光回波形成模拟信号，并转换为电信号传输给信号调理模块进行滤波处理以及进行相应的放大；数据采集模块对自动增益放大电路模块输出信号进行高速采样；在数据采样频率f足够高情况下，采样识别精度可达到激光传输3mm距离，完成整条光纤背散射效应反射的激光回波采样，为增加采样识别精度，在分布式布设光纤时，可在每个按键7上进行平面回绕的方式增加按键7上的光纤长度，完成一个键盘的光纤布设后，光纤长度即已固定，设单条横向光纤2长度为L₁，如图1所示，则横向光纤2总长度为7L₁，设定单条纵向光纤3长度为L₂，则纵向光纤3总长度为21L₂，则光纤总长度为7L₁+21L₂，激光从输入光纤，激光传输速度v，则传输时间为：在没有按压任何按键7区域的情况下，采集的激光回波数据具有如图3所示的波形特征，其中，横坐标的光纤长度，纵坐标为激光强度；

在整条光纤上的按键分布顺序，为从激光入射光纤的点开始，光纤顺序穿过的按键顺序，如图1所示光纤上按键顺序为第一行从左到右，第二行为从右到左，第三行为从左至右、第四为从右到左……，后续的按键顺序依次类推；

在有按压某个按键7区域时，例如，按压第二行左起第二个数字按键情况下，采集的激光回波数据具有如图4所示的波形特征，横坐标的光纤长度，纵坐标为激光强度，在按压光纤位置，因激光在光纤中传输的拉曼背散射温度敏感效应，在光纤覆盖数字按键的位置会出现明显的回波反射尖峰，根据激光在光纤中的传输速度v和数据采样频率f，以及出现明显的数据尖峰点的采样数据序号n，m，从而确定该按压位置为数字1按键。

上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和最佳实施例，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (7)

1.一种分布式光纤键盘，包括键盘基体，横向光纤、纵向光纤、三通光纤连接器、激光发射器、激光探测器、中央处理单元、数据采集模块、信号调理模块，所述键盘基体上印刷有若干键盘按键以及布设有横向光纤、纵向光纤，所述横向光纤一端与三通光纤连接器连接，所述横向光纤的另一端按照从左至右、从上至下的顺序延伸布设在键盘基体上并与纵向光纤的一端连接，所述纵向光纤的另一端按照从下至上、从右至左的顺序延伸布设在键盘基体上，所述横向光纤和纵向光纤在每个按键上均垂直连接，所述三通光纤连接器还分别与激光发射器、激光探测器连接，所述激光发射器与中央处理单元通讯连接，中央处理单元与数据采集模块连接，所述数据采集模块与信号调理模块通讯连接，所述信号调理模块与激光探测器连接，所述中央处理单元控制激光发射器发射激光脉冲到横向光纤和纵向光纤中，并通过激光探测器接收激光脉冲的回波信号，转换成可测量的电信号，然后输出给信号调理模块，信号对电信号进行滤波等处理后，数据采集模块完成对信号调理模块输出的信号进行高速采样，并转换成中央处理单元能识别数字信号。

2.根据权利要求1所述的一种分布式光纤键盘，其特征在于：所述的光纤式键盘还包括与中央处理器连接的电源模块。

3.根据权利要求1所述的一种分布式光纤键盘，其特征在于：所述的光纤式键盘还包括与中央处理器连接的通讯模块。

4.根据权利要求1所述的一种分布式光纤键盘，其特征在于：所述的横向光纤和纵向光纤均为单模光纤或多模光纤。

5.根据权利要求1所述的一种分布式光纤键盘，其特征在于：所述信号调理模块包括信号滤波电路模块和自动增益放大电路模块。

6.根据权利要求1所述的一种分布式光纤键盘，其特征在于：所述键盘基体由可任意弯曲的纤薄柔性材料制成。

7.根据权利要求1‐6中任一项所述的一种分布式光纤键盘按键的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)、设激光发射器与按键横向光纤与纵向光纤交点的横向距离为L_i，纵向距离为H_i，从而得到各个按键的识别区域的位置坐标为(L_i,H_i)，全部按键识别区域的位置坐标则组成一个按键识别矩阵表；

2)、中央处理单元通过激光发射器发射脉冲宽度为t的激光脉冲至光纤中；

3)、通过激光探测器同步接收光纤中激光的回波信号，并转换为电信号传输给信号调理模块的信号滤波电路模块进行滤波处理；

4)、中央处理单元通过自动增益放大电路模块将滤波处理后的电信号进行相应的放大；

5)、数据采集模块对自动增益放大电路模块输出信号进行高速采样；

6)、中央处理单元完成整条光纤的激光反射回波信号采样后，利用激光在光纤中传输过程中的拉曼背向散射对温度变化敏感的原理，在按压按键光纤位置，因激光在光纤中传输的拉曼背向散射温度敏感效应，在光纤覆盖的按键位置会出现明显的回波反射尖峰，从而得到具有尖峰的两个采样点采样序号n，m；

7)、根据两个尖峰采样点的序号n，m，以及数据采样频率f，可计算出这两个尖峰采样点位置背散射的激光回波信号到达激光探测器的传输时间

8)、根据激光传输速度v，可计算出序号n，m采样点到激光发射器的距离：

9)、根据L_n、L_m从按键识别矩阵表中找到对应的坐标(L_i,H_i)，则该坐标对应的按键标识名即为所按的按键。