CN111352535B - 数位板系统及电磁式数位板的压感测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数位板系统及电磁式数位板的压感测量方法。其中压感测量方法，包括：将电磁笔的感应线圈的载波频率的量程划分为不同频率多个载波频点；当压感测量周期开始时，电磁式数位板计算产生多个载波频点对应的不同频率所需要的硬件参数；电磁式数位板根据所述硬件参数设定其对应硬件，使电磁式数位板在一个前置驱动载波处理周期中产生由所述不同的驱动载波组成的变频驱动载波，并在线圈扫描处理周期中接收电磁笔的感应线圈产生的反馈信号，通过预设的算法将反馈信号计算得到由不同的载波频点反馈量组合时的压感量化等级。本发明可以在一次落笔起笔周期内有效捕捉到每一阶段压力变化的最强信号，从而使得电磁笔的压力变化可以清晰捕捉。

Description

数位板系统及电磁式数位板的压感测量方法

技术领域

本发明涉及无源电磁式数位板的压感测量技术，特别涉及一种基于数位板硬件线圈驱动前导载波可变频的压感测量方法。

背景技术

数位板系统通常由三部分构成，带有PCB线圈的数位板，带有感应线圈的无源笔（也称为电磁笔），以及带有USB线缆的成像设备。

数位板系统的工作原理为：数位板的PCB线圈经由其MCU（单片机）控制单元发射的固定频率的驱动载波后会产生一定强度的磁场，无源笔自设计有LC（振荡电路）电路，在磁场中运动时自身感应线圈会将磁能转换为LC电路的工作用电，进而向外发射具有一定频率的电磁信号，此信号频率可以根据电磁笔的书写运动过程而动态变化，并被LC电路动态反映出来。

无源笔端磁场和数位板端磁场经过叠加后会经由数位板的信号反馈接收单元接收并处理为MCU可识别处理的数字信号，进而计算出成像设备所需的绘图信息，并经由USB线缆传输至成像设备中。

根据公式可知，无源笔向外发射的磁场频率只和LC（振荡电路）有关，当按压无源笔笔头时会改变公式中的电感L，进而改变了无源笔端的磁场频率f，也就是说笔头按压力度的变化过程其实是无源笔端磁场频率f的变化过程。

但是现有的数位板的MCU控制单元发射的驱动载波通常为一串带有固定频率的PWM脉冲串，而根据电磁场特性，当电磁场叠加时，同向同频的叠加场信号最强，反之最弱。因此，现有的无源笔在书写时很难捕捉到信号较强的叠加场信号。若是要监控无源笔的频率来实现信号较强的叠加场信号，无源笔的频率的量程通常在/>左右，即载波周期只有/>，想要持续监测一个这样的载波对于一般MCU而言是非常困难的。

鉴于无源笔端感应线圈瞬时频率和数位板反馈信号接收单元的处理能级不匹配。因此现有技术中普遍存在以下问题：1、压感量化等级不足；2、检测到无源笔的压力变化非线性；3、无源笔书写时的压力变化不敏感。从而导致成像设备上的线条质感不足，粗细变化不匀称、线性变化和压力变化不对应等性能问题。

发明内容

本发明为了解决上述现有技术中电磁笔的磁场变化较难监测，导致检测到的磁场变化不稳定，从而造成压感量化等级不足等技术问题，提出一种数位板系统及电磁式数位板的压感测量方法。

本发明提出的电磁式数位板的压感测量方法，包括步骤：

将电磁笔的感应线圈的载波频率的量程划分为不同频率的多个载波频点；

当压感测量周期开始时，所述电磁式数位板计算产生所述多个载波频点对应的不同频率所需要的硬件参数；

所述电磁式数位板根据所述硬件参数设定其对应硬件，使所述电磁式数位板在一个前置驱动载波处理周期中产生由所述不同的驱动载波组成的变频驱动载波，并在线圈扫描处理周期中接收所述电磁笔的感应线圈产生的反馈信号，通过预设的算法将所述反馈信号计算得到由所述不同的载波频点反馈量组合时的压感量化等级。

具体的，所述电磁式数位板将电磁笔的一次落笔起笔周期内的多个前置驱动载波处理周期发出的变频驱动载波对应的反馈信号存储为数组，所述数组的每一组数据元素为一个前置驱动载波处理周期对应的反馈信号。

具体的，所述预设的算法为将电磁笔的一次落笔起笔周期内多个前置驱动载波处理周期对应的反馈信号计算得到线性的压感量化等级的拟合算法。

具体的，所述拟合算法为一元二次拟合函数。

具体的，所述硬件参数存储在所述电磁式数位板的计时模块的寄存器中。

本发明提出的数位板系统，包括：电磁式数位板、电磁笔和成像设备，所述电磁式数位板采用上述技术方案所述的压感测量方法来测量所述电磁笔的压感。

具体的，所述电磁式数位板包括：

前置线圈变频单元，用于产生载波频率变化所需的各项硬件参数；

线圈组成单元，由X方向和Y方向上的PCB线圈组成，且X方向和Y方向上的线圈所在平面相互垂直分布；

反馈信号接收单元，将所述电磁笔和电磁式数位板产生的磁场模拟信号叠加，并将叠加后的磁场模拟信号进行相应的处理，并将处理后的磁场模拟信号转换为MCU控制单元可识别的数字信号；

线圈驱动单元，通过线圈控制芯片控制所述线圈组成单元的载波脉冲串通断；

MCU控制单元，对上述各单元进行控制完成所述电磁笔的压感的测量计算。

具体的，所述反馈信号接收单元的所述处理包括依次进行的增益放大处理、带通滤波降噪处理、积分运算放大处理。

具体的，所述电磁笔包括：笔杆和可伸缩笔头，分别安装在所述笔杆和可伸缩笔头上的感应线圈和磁芯，将所述感应线圈和磁芯之间的相互切割磁感线动作产生对应电感的LC振荡电路。

本发明在前置驱动载波处理周期中产生由不同的驱动载波组成的变频驱动载波，且所有的载波频点均位于电磁笔的频率变化量程内，用户使用电磁笔绘制时，一次落笔起笔的周期内，有很多个前置驱动载波处理周期发出的变频驱动载波，从而在每个线圈扫描周期内都可以捕获到最强的磁场叠加信号，从而可以量化无源电磁式数位板系统中压感变化区间最大量程，以及还原无源电磁式数位板系统中压感变化过程的真实性，还可以保证无源电磁式数位板系统中压感量化数据线性平滑。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的数位板系统结构示意图。

图2为本发明的数位板的组成框图。

图3为本发明的电磁笔的结构示意图。

图4为本发明的载波驱动时序图。

图5为本发明的压感测量流程图。

图6为本发明的测量结果表。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明的无源电磁式数位板系统包括电磁式数位板101、电磁笔102、USB传输线缆103、成像装置104（如电脑）。使用时，用户通过将电磁笔102在电磁式数位板101上移动，由电磁感应原理根据磁场强度以及感应线圈载波频率的变化量换算出电磁笔102笔头压力的量化数据，并通过USB传输线缆103将压感信息对应的量化数据上报到成像装置104，最终经由电脑等成像装置进行处理后呈现与压力变化相一致的线条粗细变化效果。

如图2所示，本发明的电磁式数位板101为无源电磁式数位板，具体包括：MCU控制单元201、前置线圈变频单元202、线圈组成单元203、反馈信号接收单元204、线圈驱动单元205。

其中MCU控制单元201负责完成算术逻辑运算、硬件IO管控、业务流程分转等，比如计算变频所需的硬件参数，控制线圈驱动单元205在每个前置驱动载波处理周期内产生对应的变频PWM载波，接收处理反馈信号接收单元204的数字反馈信号等。前置线圈变频单元202是一个纯软件算法单元，用于根据每个前置驱动载波处理周期内的载波频率变化产生所需的各项硬件参数，例如用于产生载波脉冲的周期参数，占空比参数，以及服务于脉冲载波的硬件Timer外设参数。线圈组成单元203是一个纯硬件单元，由X方向和Y方向上的PCB线圈组成，并且需要满足X方向和Y方向上的线圈所在平面相互垂直分布。反馈信号接收单元204是一个模数转换单元，电磁笔102产生的磁场会和电磁式数位板101产生的磁场叠加，叠加后的磁场模拟信号先经过硬件运放增益放大处理，再经过硬件带通滤波降噪处理，再经过硬件积分运算放大处理，最后将处理后的模拟信号通过MCU控制单元201的ADC（模数转换器）模块完成数字量化。线圈驱动单元205具有线圈控制芯片，通过线圈控制芯片控制所述线圈组成单元的载波脉冲串通断。

如图3所示，本发明的电磁笔102为无源电磁笔，具体包括：磁芯301、感应线圈302、可伸缩笔头303、LC振荡电路304以及笔杆（图中未示出）。感应线圈302和磁芯301分别安装在笔杆和可伸缩笔头303上，LC振荡电路304根据感应线圈302和磁芯301之间的相互切割磁感线动作影响电感L产生变化。其中磁芯302是固定长度和径宽的永磁体，感应线圈302是固定匝数的感应线圈，可伸缩笔头303是具有伸缩活动空间的固定长度笔头，LC振荡电路304是无源笔结构中后端LC振荡电路。其中磁芯302直接安装在可伸缩笔头303，由于可伸缩笔头303的可伸缩性，当用户按压可伸缩笔头303时磁芯301会在感应线圈302中小范围上下位移，磁芯301会切割磁感线，从而改变了LC振荡电路304中的电感L，根据公式频率可得知电感L的变化会导致302感应线圈载波频率f的变化（其中C为电容）。当电磁式数位板101和电磁笔102的磁场叠加处于同向同频时，反馈信号接收单元204接收到的信号最强，随着可伸缩笔头303发生位移，感应线圈302的频率f会越来越远离线圈驱动单元205的发射频率，表现出的磁场叠加效应会越来越弱，因此可得知用户感官上的压感体验本质上是电磁笔102中感应线圈302的载波频率f的变化范围量化感知。因此，如何捕捉到感应线圈302的载波频率变化范围是本发明要解决的技术问题。

在详细说明本发明的方法之前，先介绍图4中本发明的线圈驱动单元205载波驱动时序，其中涉及到几个周期：前置驱动载波处理周期401、正常线圈扫描处理周期402、某个固定频点载波处理周期403、X/Y轴线圈扫描处理周期404。本发明将电磁笔的载波频率的量程划分为N个不同频率的多个载波频点，N大于2。因此，一个前置驱动载波处理周期401中包含了多个不同固定频点载波处理周期403，也就是说，本发明在前置驱动载波处理周期401中体现变频的概念。之后进入正常线圈扫描处理周期402，每一次正常线圈扫描处理周期402中分别包含X轴线圈扫描以及Y轴线圈扫描处理周期404。一个前置驱动载波处理周期401和一次正常线圈扫描处理周期构成数位板处理扫描笔的磁场信号的一个完整周期，用户一次落笔至起笔的电磁笔书写时间有长有短，在用户最短的一次落笔至起笔的电磁笔书写时间内，也都存在很多个处理扫描笔的磁场信号完整周期，基本上用户一次落笔至起笔的电磁笔书写时间是一个处理扫描笔的磁场信号完整周期的几十倍以上。

由于302子部件载波频率的变化感知难点是准确抓取到302子部件载波频率/>的当前瞬时值。频率/>的量程/>通常在/>左右，即载波周期只有/>，想要持续监测一个这样的载波对于一般MCU而言是非常困难的。本发明通过在前置驱动载波处理周期401中设定不同频率载波频点/>的变频方式，从而避开了针对感应线圈302的载波频率/>的持续监测过程，，且每一个载波频点/>满足：载波频点/>可以针对不同电磁笔102的感应线圈302的频率变化量程/>设计不同数量，且/>。

图5是本发明的压感测量流程图。

将电磁笔的感应线圈的载波频率的量程划分为不同频率的多个载波频点；

当压感测量周期开始时，电磁式数位板计算产生多个载波频点对应的不同频率所需要的硬件参数，硬件参数存储在所述电磁式数位板的计时模块的寄存器中。

电磁式数位板根据这些硬件参数设定其对应硬件，使电磁式数位板在一个前置驱动载波处理周期中产生由上述不同的驱动载波组成的变频驱动载波，并在线圈扫描处理周期中接收电磁笔的感应线圈产生的反馈信号，并将模拟的反馈信号处理为数字信号，通过预设的算法将反馈信号计算得到由上述不同的载波频点反馈量组合时的压感量化等级。本实施例中，采用的算法为拟合算法，具体是一元多次拟合函数，例如，其中Y为压感量化等级，X为当前频点的反馈量。

具体的，可以被分为/>档，反馈信号接收单元204的反馈量用/>来表示（如Rb1-Rbn），电磁式数位板将电磁笔的一次落笔起笔周期内的多个前置驱动载波处理周期发出的变频驱动载波对应的反馈信号存储为数组，具体可建立为一个二维数组元素表，其横轴表示频点档位Fp，纵轴表示循环处理次数Loop，数组的每一组数据元素为一个前置驱动载波处理周期对应的反馈信号。

以单次处理周期为样本，在（即图6中的Rb1至Rbn）中找出最大，以及次大/>，再经由大量实验获取足够多的样本周期数据组，在连续频谱中结合/>以及/>的变化规律推导得到一元多次拟合函数/>中常数a，b，c的取值，从而得到对应的计算算法。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电磁式数位板的压感测量方法，其特征在于，包括步骤：将电磁笔的感应线圈的载波频率的量程划分为不同频率的2个以上载波频点；当压感测量周期开始时，所述电磁式数位板计算产生所述不同频率的2个以上载波频点对应的不同频率所需要的硬件参数；所述电磁式数位板根据所述硬件参数设定其对应硬件，使所述电磁式数位板在一个前置驱动载波处理周期中产生由不同的驱动载波组成的变频驱动载波，并在线圈扫描处理周期中接收所述电磁笔的感应线圈产生的反馈信号，通过预设的算法将所述反馈信号计算得到由所述不同频率的2个以上载波频点反馈量组合时的压感量化等级；所述预设的算法为将电磁笔的一次落笔起笔周期内多个前置驱动载波处理周期对应的反馈信号计算得到线性的压感量化等级的拟合算法，所述拟合算法为一元二次拟合函数，所述Y为压感量化等级，所述X为对应频点的反馈信号，以找出每一个前置驱动载波处理周期的最大反馈信号，以及次大反馈信号，在电磁笔的感应线圈的载波频率的量程的连续频谱中结合最大反馈信号和次大反馈信号的比值的变化规律推导得到一元二次拟合函数中a、b、c的取值。

2.如权利要求1所述的压感测量方法，其特征在于，所述电磁式数位板将电磁笔的一次落笔起笔周期内的多个前置驱动载波处理周期发出的变频驱动载波对应的反馈信号存储为数组，所述数组的每一组数据元素为一个前置驱动载波处理周期对应的反馈信号。

3.如权利要求1所述的压感测量方法，其特征在于，所述硬件参数存储在所述电磁式数位板的计时模块的寄存器中。

4.一种数位板系统，包括：电磁式数位板、电磁笔和成像设备，其特征在于，所述电磁式数位板采用如权利要求1至3任意一项所述的压感测量方法来测量所述电磁笔的压感。

5.如权利要求4所述的数位板系统，其特征在于，所述电磁式数位板包括：前置线圈变频单元，用于产生载波频率变化所需的各项硬件参数；线圈组成单元，由X方向和Y方向上的PCB线圈组成，且X方向和Y方向上的线圈所在平面相互垂直分布；反馈信号接收单元，将所述电磁笔和电磁式数位板产生的磁场模拟信号叠加，并将叠加后的磁场模拟信号进行相应的处理，并将处理后的磁场模拟信号转换为MCU控制单元可识别的数字信号；线圈驱动单元，通过线圈控制芯片控制所述线圈组成单元的载波脉冲串通断；MCU控制单元，对上述各单元进行控制完成所述电磁笔的压感的测量计算。

6.如权利要求5所述的数位板系统，其特征在于，所述反馈信号接收单元的所述处理包括依次进行的增益放大处理、带通滤波降噪处理、积分运算放大处理。

7.如权利要求4所述的数位板系统，其特征在于，所述电磁笔包括：笔杆和可伸缩笔头，分别安装在所述笔杆和可伸缩笔头上的感应线圈和磁芯，将所述感应线圈和磁芯之间的相互切割磁感线动作产生对应电感的LC振荡电路。