CN1129059C - 一种人机介面装置 - Google Patents

Abstract

一种人机介面装置，与传统方法最大的不同点是用户连接的诸本体，没有接头，也不需要另接电池，但要有一组耦合线圈，同时机器介面端也有一组耦合线圈，两组线圈可以进行电能传递与数据单向沟通的应用，如鼠标器、摇杆或键盘，也可以是双向沟通的应用，如存储卡，IC卡等均可应用。用户介面的耦合线圈与机器介面端的耦合线圈以电磁感应而获得所需的电能。两组线圈可经由一组(或两组)调制耦合线圈上的电磁负载特性，如电流响应或频率响应而进行单向(或双向)数据与电能传送。

Description

一种人机介面装置

技术领域

本发明有关一种介面装置，特别是一种藉由感应线圈耦合方式传输电能与传输数据的人机介面装置。

背景技术

传统的无线电脑外围设备，例如：无线鼠标器、无线摇杆、无线键盘，或者各种型式的个人数据处理器等人机介面，是利用无线电波来传递与接收数据，基本上需要有一对收发装置来实现系统需求。一个收发装置与电脑连接，另一个收发装置则和用户介面连接，再经由用户介面连接至鼠标器本体、键盘本体或摇杆本体。和用户介面连接的诸本体需要另接电池来提供电能。两个收发装置之间的数据传递是利用无线电波来传递，通常是FSK(frequencyshift keying)调制的方式来调制无线电波的频率，往上或往下位移少许以表示不同的数字信号，电波频率则至少超过27MHz，以免受到环境干扰，例如418MHz、900MHz或2.4GHz。由于使用高频的无线电波，为了得到良好的信号高频频率响应，相关元件的成本就得提高，且由于外接电池，在高频操作条件下，耗电能也高，这将造成用户额外的成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种人机介面装置，该装置利用用户端的电磁感应线圈，耦合机器介面端的另一电磁感应线圈所提供的电能而可以无需电池，且达到用户端无接头的便利；机器介面端同时耦合用户端的数据，从而进行数据传输。

本发明的不需电池的无线人机介面装置是这样实现的：其至少包含：用户介面装置，该用户介面装置至少包含第一电磁感应线圈、一整流器单元、一第一电磁负载调制单元、一电压稳压单元、一第一附加数据解调单元以及一第一收发数据控制单元，该第一收发数据控制单元具有一第一数据输出端与一第一数据输入端，该第一数据输出端输出的数据经由该第一电磁负载调制单元调制该第一电磁感应线圈的电磁负载以传递数据，该第一数据输入端是用以取得该第一电磁感应线圈耦合的信号，经由该整流器单元及该第一附加数据解调单元解调数据信号而输入该第一数据输入端，其中该电压稳压单元连接于该整流器单元与该第一收发数据控制单元之间，并连接该第一附加数据解调单元于该电压稳压单元与该整流器单元之间；以及机器介面装置，该机器介面装置至少包含有一第二电磁感应线圈、一驱动单元、一振荡器单元、一第二电磁负载调制单元、一耦合单元、一第二附加信息解调单元、一低通滤波器、一放大器及一第二收发数据控制单元，该第二电磁感应线圈由该驱动单元驱动并耦合该振荡器单元所提供的高频交变磁场，由该第一电磁感应线圈感应以提供该用户介面装置电能，该第二收发数据控制单元有一第二数据输出端与一第二数据输入端，当该第二数据输出端输出数据时，是经由该第二电磁负载调制单元调制该第二电磁感应线圈的电磁负载而输出数据信号，该第二电磁感应线圈耦合自该用户介面装置的数据信号时，是由该第二电磁感应线圈接收由该第一电磁感应线圈所传送出的数据，再经该耦合单元取出该第二电磁感应线圈的一部分的电能及编码的数字信号，并经由该第二附加信息解调单元解调信息振幅，再经由该低通滤波器取得低频数据信息，再由放大器放大至数字信号水准，并经由第二数据输入端接收数据。

所述的第一电磁负载调制单元包含MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)，该MOSFET的栅极由编码后的数字信号控制，进而调制所述的整流器单元的电流响应。

本发明的不需电池的无线鼠标器装置可以是这样实现的，至少包含：无线鼠标器本体装置，该无线鼠标器本体装置至少包含一副电磁感应线圈、一整流单元、一稳压单元、一第一鼠标器控制单元、以及一电磁负载调制单元；一鼠标垫，该鼠标垫具有一与电脑耦合的机器介面，该机器介面至少包含：一主电磁感应线圈，用以提供该无线鼠标器本体装置运作所需的电能；该机器介面更包含：一振荡器单元、一驱动器单元、一耦合单元、一附加信息解调单元(demodulator unit)、一低通滤波器、一放大器，以及一第二鼠标器控制单元；所述的振荡器单元提供交变磁场交变频率，经由该驱动器单元传递并驱动该主电磁感应线圈，以形成一交变磁场，所述的副电磁感应线圈感应来自该主电磁感应线圈的电能，经该整流单元予以整流，及该稳压单元稳压而获得供应该第一鼠标器控制单元的电源；所述第一鼠标器控制单元将无线鼠标器本体装置运作时所检测到的数据予以编码，且经由该电磁负载调制单元调制后传送给该副电磁感应线圈；所述的主电磁感应线圈与该副电磁感应线圈耦合以接收该数据，该耦合单元取得上述数据，并经由该附加信息解调单元解调信息振幅，再经由该低通滤波器取得低频数据信息，再由该放大器放大至数字信号水准，并经由该第二鼠标器控制单元解码成电脑可接收的数字信号，而可以检测鼠标器的位置。

本发明的适用于无电池无线鼠标器的鼠标垫装置是这样实现的：一种适用于无电池无线鼠标器的鼠标垫装置，其特征在于：该鼠标垫具有一和电脑连接的机器介面，该机器介面包含一电磁感应线圈、一振荡器单元、一驱动器单元、一耦合单元、一附加信息解调单元(demodulator unit)、一低通滤波器、一放大器，及一鼠标器控制单元，该电磁感应线圈具有两个端子，用以和所述的驱动器单元和耦合单元连接；该电磁感应线圈用以和该无电池无线鼠标器相耦合，以提供该无电池无线鼠标器电能及接收该无电池无线鼠标器所传出的数据；该振荡器单元提供交变磁场交变频率，经由该驱动器单元传递并驱动该电磁感应线圈，以形成一交变磁场；该耦合单元与该电磁感应线圈耦合，以取得上述经由该无电池无线鼠标器所传送出的信号，并经由该附加信息解调单元解调信息振幅，再经由该低通滤波器取得低频数据信息，再由该放大器放大至数字信号水准，并经由该鼠标器控制单元解码成电脑可接收的数字信号而可以检测鼠标器的位置。

本发明的适用于具有电磁感应线圈及机器介面的鼠标垫的无电池无线鼠标器装置可以是这样实现的，该无电池无线鼠标器装置至少包含：一副电磁感应线圈，用于以电磁感应方式取得该鼠标垫所提供的电能；一整流单元；一稳压单元；一第一鼠标器控制单元；以及一电磁负载调制单元；其中该整流单元将该电能予以整流，并经该稳压单元稳压以提供稳定的直流电以提供该第一鼠标器控制单元电源，以使得当该第一鼠标器控制单元在该鼠标垫运作时可以传出编码后的信号，而输出至该电磁负载调制单元，以调制电磁负载的方式传送出数据。

本发明揭露一种人机介面装置，其用户介面可以是鼠标器本体、摇杆本体或存储卡、或信号感测装置、数据输出入控制装置、携带型数据处理器，而机器介面端则是和电脑或微处理器连接的另一介面，例如收发装置、或鼠标垫、键盘、写字板或装于机壳内的收发装置等，与传统方法最大的不同点是用户连接的诸本体除了没有接头外，也不需要另接电池，但要有一组耦合线圈，同时机器介面端也有一组耦合线圈，两组线圈可以进行电能传递与数据单向沟通的应用，如鼠标器、摇杆，也可以是双向沟通，如存储卡，IC卡等均可应用。用户介面的耦合线圈与机器介面端的耦合线圈以电磁感应而获得所需的电能。两组线圈也可经由一组(或两组)调制耦合线圈上的电磁负载特性，如电流响应或频率响应，而进行单向(或双向)数据与电能传递。

以无线鼠标器为例，无线鼠标器本体至少包含一副电磁感应线圈、一整流单元、一稳压单元、一第一鼠标器控制单元、及一电磁负载调制单元。而机器介面端至少包含一主电磁感应线圈，用以提供无线鼠标器本体运作所需的电能，该电能是经由副电磁感应线圈感应自主电磁感应线圈的交流感应电流，经整流器整流及稳压单元稳压而获得，主电磁感应线圈还可耦合无线鼠标器本体运作时经第一鼠标器控制单元予以编码，且经由电磁负载调制单元所传送出的数据。

机器介面端是由一和电脑连接的鼠标垫，鼠标垫内除了主电磁感应线圈外，更包含一振荡器单元、一驱动器单元、一耦合单元、一附加信息解调单元(demodulator unit)、一低通滤波器、一放大器，一第二鼠标器控制单元，振荡器单元提供交变磁场交变频率，由耦合单元取得上述用户端所传送出的数据，经由该附加信息解调单元解调信息，再经由低通滤波器取得杂讯较小的数据信息，再由放大器放大至数字信号水准，并经由第二鼠标器控制单元解码成电脑可接收的数字信号而可以检测鼠标器的位置。

附图说明

图1是依据本发明的方法描绘的用户端鼠标器本体的功能方块图。

图2是依据图1的各单元所描绘出的对应的电路图。

图3是依据本发明的方法描绘的机器介面端，含鼠标垫的功能方块图。

图4是依据图3的各单元所描绘出的对应的电路图。

图5是依据本发明的方法描绘的具有双向沟通的用户端的功能方块图。

图6是依据本发明的方法描绘的具有双向沟通的机器介面端的功能方块图。

具体实施方式

下面结合本发明的较佳实施例和附图，详细说明本发明的结构、电路、功能和特点：

本发明的人机介面一如发明背景所述，具有一收发装置与电脑连接，另一收发装置则和用户介面连接，再经由用户介面连接至鼠标器本体、键盘本体、或摇杆本体、或便携式个人数据处理器。而与传统方法最大的不同点是用户连接的诸本体不再需要另接电池，所需要的是用户介面，例如鼠标器本体，或便携式个人数据处理器具有一组耦合线圈，以及和电脑连接的另一介面，也具有一组耦合线圈，例如加装了耦合线圈的收发装置、或鼠标器板等，两组线圈以相对的电磁感应而获得所需的电能，并经由调制耦合线圈上的电磁场而进行数据传递。

以下的实施例将以免用电池的无线鼠标器为例做说明：

图1是依据本发明的方法描绘的用户端的功能方块图。图2则是依据图1的鼠标器本体100各单元所描绘出对应的电路图。因此请将图1及图2两图对照，以了解图1功能方块的对应线路。由于用户端并未接电池，因此本发明的电源供应是由一副电磁感应线圈110获得，在本说明书内的副电磁感应线圈110的称为“副”是就电能取得的主动或被动而言，也就是相对机器介面端200的主电磁感应线圈230而称之。即主电磁感应线圈230是电能提供者，这部分请容后再述。

副电磁感应线圈110可以是以电路板蚀刻成线圈形状及所需的圈数，或者以漆包线绕出线圈，与副电磁感应线圈110连接的是一整流器单元120。由于取得的电能是交流电，因此，接着由整流器单元120进行全波或半波整流，例如桥式整流器所构成的整流单元120进行整流，并经由电压稳压单元130处理，以获得驱动鼠标器本体所需的直流电源。电压稳压单元130是一电阻R131和一较大的电容132。电压稳压单元130的加入是因鼠标器移动时电磁负载调制单元160和整流单元120的耦合关系，必须有稳压单元130以提供稳定的直流电源，以提供第一鼠标器控制单元140稳定直流电源141。第一鼠标器控制单元140是用以将相对或绝对位置编码成数字信号。一种如传统鼠标器，本发明的第一鼠标器控制单元140可以是具有滚球移动、或者轨迹球、或者光感测器，以检测X轴或Y轴的相对或绝对位置，并有一至五个按键，内部并有编码器以输出编码后的数字信号150。另一种如熟悉上项技术人士所知，此时若将第一鼠标器控制单元140替换成一般需要电源供应的电路，则变更单向电能传输应用。另外，如前述的整流器单元和稳压单元都是应用电磁感应所耦合的电能而工作。

仍请参考图1，编码后的数字信号150再经由电磁负载调制单元(modulator)160调制副电感应线圈110的电磁负载，用以传送经编码的数字信号至机器介面端200。以一较佳的实施例而言，电磁负载调制单元160是由编码后的数字信号150控制一MOSFET 161的栅极以调制整流单元的电流响应，例如控制是否将全波整流的某一个或二个二极管短路或者接一电阻至整流器单元120，以改变副电磁感应线圈110的电流量。

接着请参考图3和图4，图3是依据本发明的方法描绘的机器介面端200的功能方块图。图4则是依据图3的各单元所描绘出对应的电路图。和电脑连接的机器介面端200，以本发明的鼠标器实施例而言，即是和鼠标器本体耦合的鼠标垫(图中未示)，鼠标垫具有一和电脑连接的机器介面200，机器介面端(machine end)200至少包含一主电磁感应线圈230，主电磁感应线圈230位于鼠标垫的提供鼠标器100的操作区内。与副电磁感应线圈110类似的方式形成主电磁感应线圈230。

此外，机器介面200还包含一振荡器单元210、一驱动器单元220、一耦合单元240、一附加信息解调单元(demodulator unit)250、一低通滤波器260、一放大器270。这几个部分可以全部放在鼠标垫内，也可以另外与另一收发装置相连接。此时，以本实施例而言，就是将鼠标垫内仅放置主电磁感应线圈230和主电磁感应线圈230的端点接出端子，以便和收发装置的驱动器单元220及耦合单元240连接。主电磁感应线圈230是首先由一振荡器单元210产生一电磁振荡频率，以一较佳的实施例而言，电磁振荡频率为13.56MHz，采用此频率是适应目前政府所开放可以使用的频率范围。因为，事实上，电磁振荡频率可以低至数百千赫也可，只要将电磁感应线圈的圈数增加，即可以获得所需的电能。为能顺利耦合出电能与接收用户端所传来的编码数据，鼠标器本体内的副电磁感应线圈110与鼠标垫内的主电磁感应线圈230之间的距离，就上述的感应线圈与13.56MHz频率而言，两者距离宜小于20mm，以读取可靠的数据及所要的电能，当然上述的距离在更高的频率或更高的线圈圈数下，可以传递的距离可以再加大。

仍请参考图3和图4，振荡频率由振荡器单元210产生，再经由驱动器单元220传递至主电磁感应线圈230，并驱动主电磁感应线圈230以提供足够的交变电流，藉以提供副电磁感应线圈110电能。此外，当鼠标器本体端或用户端100藉由电磁负载调制单元160调制副电磁感应线圈110的电磁负载，以传递编码后的数字信号150至机器介面端200的主电磁感应线圈230，耦合器单元240耦合部分的电能及编码后的数字信号150。再由附加信息解调单元(demodulator unit)250加以解调，以得到带有数据信号的波幅，再经由低通滤波器260滤掉13.56MHz，以取得低频成分的数据信号，接着，再以放大器单元270将信号放大至数字信号水准，随后，再经由具有和鼠标器本体100对应的具有解码功能的鼠标器控制器单元280，以取得数字信号，再读入PC或微处理器单元290进行处理，以获得鼠标器所控制的游标位置。

请注意，图2及图4中的电路图仅是配合图1和图3的功能方块图的说明，并不用以限制本发明的范围，熟悉本发明领域的人士应可利用本发明的方法轻易替换，例如，上述的稳压单元可以以市售的集成电路元件替代，在此不再赘述。

上述的以鼠标器说明的实施例中，机器端的介面和用户端的介面只有作单向的沟通，这是因为鼠标器用户只要将鼠标器控制的游标传给电脑即可，而不需要双向沟通，不过在某些人机介面的应用情况下，双向沟通是必要的，例如感测器、无线的存储卡、IC卡或个人数据处理器对应安装于电脑收发器等。以本发明的方法，人机介面可以进行双向沟通，只需类似于上述鼠标器实施例，在用户介面端有一电磁负载调制单元，而机器端介面端加入另一电磁负载调制单元，以下的图5及图6将说明这样的情形。

请参考图5，本发明的第二实施例的用户端介面的功能方块图，首先与前一实施例相同，本实施例至少包含一第一电磁感应线圈310，其构造及功能相似于副电磁感应线圈110；一整流器单元320进行全波或半波整流；一电压稳压单元330处理以获得驱动第一收发数据控制单元350的直流电源。电压稳压单元330的加入是因数据变动时，第一电磁负载调制单元360和整流单元320的耦合的关系，必须有稳压单元330提供稳定的直流电源，以提供第一收发数据控制单元350稳定直流电源。第一收发数据控制单元350包含了取自稳压单元330的直流电源的电源输入端351，一数据输出端353，第一收发数据控制单元350，可以是包含存储卡或者一数据感测器。当然存储卡或者一数据感测器本身既没有接电池，同时也是无线的。当数据由存储卡或者一数据感测器传到第一收发数据控制单元350之后将会被编码，再由数据输出端353输出至第一电磁负载调制单元360，以改变整流器单元的阻值或整流电流状态而传送编码的数据给第一电磁感应线圈310。由于是双向沟通，在用户介面300端另有一附加数据解调单元340，以接收第一电磁感应线圈310经整流器单元320所传来的附加数据，接着，再由第一收发数据控制单元350的数据输入端352取得数据，以存入存储卡或数据感测器。

请参考图6所示的本发明的第二实施例机器介面端400的功能方块图。机器介面端400包含有第二电磁感应线圈410、一驱动单元420、一振荡器单元430、一第二电磁负载调制单元450、一耦合单元440、一附加信息解调单元460、一低通滤波器470、一放大器480及第二收发数据控制单元490。振荡器单元430产生高频载波，振荡器单元430同时也提供第二电磁感应线圈410交变的磁场，用以提供第一电磁感应线圈310的电能与数据传递(若第二电磁负载调制单元450作用时)。第二电磁感应线圈410由驱动器单元420驱动。耦合器单元440将取出第二电磁感应线圈410一部分的电能及编码的数字信号。再由附加信息解调器460得到带有数据信号的波幅，再经由低通滤波器470滤掉高频部分，以取得低频成分的数据信号；当然对于某些应用，上述低通滤波器470并不限于是低通滤波器，也可以是只让某一频带范围信号可以通过的滤波器，以取得适当频带的数据，这是熟悉该项技术者可以应用本发明的方法而修改的，因此将不再赘述。接着，再由放大器单元480将信号放大至数字信号水准，随后，再经由第二收发数据控制单元490的数据输入端491取得用户端300的编码数据予以解码。第二收发数据控制单元490也可以由数据输出端492输出数据给第二电磁负载调制单元430，调制第二电磁感应线圈410的电磁负载。以本实施例而言，采用调制驱动器单元420的状态，以便传递第二收发数据控制单元490输出端492输出的数据给用户介面端300的第一电磁感应线圈310。由于用户介面端300和机器端400分别具有第一电磁感应线圈310，第一电磁负载调制单元360与第二电磁感应线圈410及第二电磁负载调制单元450。因此，可以进行双向的沟通。

Claims (5)

1.一种不需电池的无线人机介面装置，其特征在于：至少包含：用户介面装置，该用户介面装置至少包含第一电磁感应线圈、一整流器单元、一第一电磁负载调制单元、一电压稳压单元、一第一附加数据解调单元以及一第一收发数据控制单元，该第一收发数据控制单元具有一第一数据输出端与一第一数据输入端，该第一数据输出端输出的数据经由该第一电磁负载调制单元调制该第一电磁感应线圈的电磁负载以传递数据，该第一数据输入端是用以取得该第一电磁感应线圈耦合的信号，经由该整流器单元及该第一附加数据解调单元解调数据信号而输入该第一数据输入端，其中该电压稳压单元连接于该整流器单元与该第一收发数据控制单元之间，并连接该第一附加数据解调单元于该电压稳压单元与该整流器单元之间；以及机器介面装置，该机器介面装置至少包含有一第二电磁感应线圈、一驱动单元、一振荡器单元、一第二电磁负载调制单元、一耦合单元、一第二附加信息解调单元、一低通滤波器、一放大器及一第二收发数据控制单元，该第二电磁感应线圈由该驱动单元驱动并耦合该振荡器单元所提供的高频交变磁场，由该第一电磁感应线圈感应以提供该用户介面装置电能，该第二收发数据控制单元有一第二数据输出端与一第二数据输入端，当该第二数据输出端输出数据时，是经由该第二电磁负载调制单元调制该第二电磁感应线圈的电磁负载而输出数据信号，该第二电磁感应线圈耦合自该用户介面装置的数据信号时，是由该第二电磁感应线圈接收由该第一电磁感应线圈所传送出的数据，再经该耦合单元取出该第二电磁感应线圈的一部分的电能及编码的数字信号，并经由该第二附加信息解调单元解调信息振幅，再经由该低通滤波器取得低频数据信息，再由放大器放大至数字信号水准，并经由第二数据输入端接收数据。

2.如权利要求1所述的无线人机介面装置，其特征在于：所述的第一电磁负载调制单元包含金属氧化物半导体场效应管，该金属氧化物半导体场效应管的栅极由编码后的数字信号控制，进而调制所述的整流器单元的电流响应。

3.一种不需电池的无线鼠标器装置，其特征在于，至少包含：无线鼠标器本体装置，该无线鼠标器本体装置至少包含一副电磁感应线圈、一整流单元、一稳压单元、一第一鼠标器控制单元、以及一电磁负载调制单元；一鼠标垫，该鼠标垫具有一与电脑耦合的机器介面，该机器介面至少包含：一主电磁感应线圈，用以提供该无线鼠标器本体装置运作所需的电能；该机器介面更包含：一振荡器单元、一驱动器单元、一耦合单元、一附加信息解调单元、一低通滤波器、一放大器，以及一第二鼠标器控制单元；所述的振荡器单元提供交变磁场交变频率，经由该驱动器单元传递并驱动该主电磁感应线圈，以形成一交变磁场，所述的副电磁感应线圈感应来自该主电磁感应线圈的电能，经该整流单元予以整流，及该稳压单元稳压而获得供应该第一鼠标器控制单元的电源；所述第一鼠标器控制单元将无线鼠标器本体装置运作时所检测到的数据予以编码，且经由该电磁负载调制单元调制后传送给该副电磁感应线圈；所述的主电磁感应线圈与该副电磁感应线圈耦合以接收该数据，该耦合单元取得上述数据，并经由该附加信息解调单元解调信息振幅，再经由该低通滤波器取得低频数据信息，再由该放大器放大至数字信号水准，并经由该第二鼠标器控制单元解码成电脑可接收的数字信号，而可以检测鼠标器的位置。

4.一种适用于无电池无线鼠标器的鼠标垫装置，其特征在于：一种适用于无电池无线鼠标器的鼠标垫装置，其特征在于：该鼠标垫具有一和电脑连接的机器介面，该机器介面包含一电磁感应线圈、一振荡器单元、一驱动器单元、一耦合单元、一附加信息解调单元、一低通滤波器、一放大器，及一鼠标器控制单元，该电磁感应线圈具有两个端子，用以和所述的驱动器单元和耦合单元连接；该电磁感应线圈用以和该无电池无线鼠标器相耦合，以提供该无电池无线鼠标器电能及接收该无电池无线鼠标器所传出的数据；该振荡器单元提供交变磁场交变频率，经由该驱动器单元传递并驱动该电磁感应线圈，以形成一交变磁场；该耦合单元与该电磁感应线圈耦合，以取得上述经由该无电池无线鼠标器所传送出的信号，并经由该附加信息解调单元解调信息振幅，再经由该低通滤波器取得低频数据信息，再由该放大器放大至数字信号水准，并经由该鼠标器控制单元解码成电脑可接收的数字信号而可以检测鼠标器的位置。

5.一种适用于具有电磁感应线圈及机器介面的鼠标垫的无电池无线鼠标器装置，其特征在于：该无电池无线鼠标器装置至少包含：一副电磁感应线圈，用于以电磁感应方式取得该鼠标垫所提供的电能；一整流单元；一稳压单元；一第一鼠标器控制单元；以及一电磁负载调制单元；其中该整流单元将该电能予以整流，并经该稳压单元稳压以提供稳定的直流电以提供该第一鼠标器控制单元电源，以使得当该第一鼠标器控制单元在该鼠标垫运作时可以传出编码后的信号，而输出至该电磁负载调制单元，以调制电磁负载的方式传送出数据。

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