CN117631890A - 数字电磁笔系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数字电磁笔系统。所述数字电磁笔系统包括电磁数位板和数字无源电磁笔，电磁数位板包括：发射电路模块；模拟开关模块，其与发射电路模块电连接；驱动电路模块，其与模拟开关模块电连接；以及天线模块，其与驱动电路模块电连接，数字无源电磁笔包括：LC谐振模块；电源管理模块，其与LC谐振模块电连接；MCU模块，其与电源管理模块电连接；压力检测模块，其与MCU模块电连接。所述数字电磁笔系统能够提高数字无源电磁笔的笔尖的压力测量精度。

Description

数字电磁笔系统

技术领域

本发明涉及计算机输入设备技术领域，更具体地，本发明涉及一种能够提高数字无源电磁笔的笔尖的压力测量精度的数字电磁笔系统。

背景技术

电磁笔从技术方案的原理实现上可以分为数字电磁笔和模拟电磁笔。一般而言，相对于模拟电磁笔，数字电磁笔的稳定性更好。目前，量产的数字电磁笔均采用电容式压力传感器，其通过检测压力可变电容的充放电时间来确定施加于笔尖的压力的大小。而对于数字无源电磁笔，电磁数位板的天线发射电磁信号，然后电磁笔中的LC谐振电路接收该电磁信号以提取能量作为供电，即使增加发射天线的圈数，当电磁笔处于最高工作高度时，电磁数位板能稳定提供给电磁笔的电流也只有100uA左右。然而，目前电磁笔中的低功耗MCU在工作时，一般至少需要150uA的电流。为了进一步降低功耗，电磁笔的MCU一般采用较低的主频工作。此外，计算压力可变电容的充放电时间时，为了省电，电磁笔的MCU频繁地进入省电模式，只留中断控制器和计数器工作，并且计数器计时的时钟信号由LC谐振电路提供。一般电磁数位板的发射信号的频率在500-700KHz之间，如果提高发射频率，所有的器件均需采用高频器件，使得成本将急剧上升，因此电磁数位板的发射信号的频率无法提高。电磁数位板的发射信号的频率与LC谐振电路的谐振频率一致，因此LC谐振频率较低，从而使得时钟信号的频率也较低。由于时钟信号的频率和电磁笔的MCU的主频都较低，导致压力测量精度下降。

此外，如果电磁笔的压感要达到1024阶，500KHz谐振频率时，需变化的计时时长为2.048毫秒，如果要达到8192阶压感，则需变化的计时时长需16毫秒以上，加上无压力时基本的充放电计时时长，此计时时长会更长。当电磁笔在电磁数位板上画线时，16毫秒的时间内，电磁笔移动的距离可以达到10厘米，已经离工作状态的天线很远，会造成掉笔现象，所以在发送高阶的压力测量数据时，一般都会采用插值的办法，造成压力测量值并不十分精确。

另一方面，如果压力传感器采用电阻式压力传感器，将一个固定阻值的电阻和压变电阻串联在电源和地之间，通过测量压变电阻上的电压变化值来测量压力，一般超低功耗MCU的A/D转换器为10bit或12bit，即，电压在GND到VCC(ADC的参考电压为VCC时)变化时，压感也只有1024阶或4096阶，除去固定电阻上分走的电压，远达不到ADC最大的分辨率。因为功耗较低，压变电阻的阻值一般要求在兆欧姆级别，这个级别的传感器电阻，较难控制其精度及一致性，使得量产较难实现。

因此，需要一种能够提高数字无源电磁笔的笔尖的压力测量精度的技术。

公开于本发明背景部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

为了解决现有技术中的技术问题，本发明的实施方案提供了一种能够提高数字无源电磁笔的笔尖的压力测量精度的数字电磁笔系统。

本发明所要解决的技术问题不限于上述问题，并且本发明所属领域的技术人员通过以下描述将清楚地理解本文中未提及的任何其它技术问题。

根据本发明的实施方案，一种数字电磁笔系统，其包括：电磁数位板和数字无源电磁笔，其中，所述电磁数位板包括：发射电路模块，其配置为输出第一发射信号；模拟开关模块，其与发射电路模块电连接，并配置为：当从发射电路模块接收到第一发射信号时，接通用于输出第一发射信号的端口，从而使第一发射信号经由所选择的端口输出；驱动电路模块，其与模拟开关模块电连接，并配置为基于从模拟开关模块接收的第一发射信号输出第二发射信号，其中，第二发射信号的功率大于第一发射信号的功率；以及天线模块，其与驱动电路模块电连接，并配置为发射由驱动电路模块输出的第二发射信号，所述数字无源电磁笔包括：LC谐振模块，其配置为接收由电磁数位板的天线模块发射的第二发射信号，产生作为第一电源信号的谐振信号，电源管理模块，其与LC谐振模块电连接，并配置为基于LC谐振模块产生的谐振信号输出第一控制信号和第二控制信号，并输出稳定的第二电源信号；MCU模块，其与电源管理模块电连接，并配置为从电源管理模块接收第一控制信号和第二控制信号，并基于第一控制信号和第二控制信号输出第三控制信号；压力检测模块，其与MCU模块电连接，并配置为基于MCU模块输出的第三控制信号对施加于笔尖的压力进行检测，从而将检测到的笔尖的压力测量数据传输至电磁数位板，其中，MCU模块和压力检测模块利用电源管理模块输出的第二电源信号进行供电。

优选地，所述模拟开关模块包括多选一模拟开关芯片，所述多选一模拟开关芯片包括第一引脚X₀至第M引脚X_M-1以及开关公共引脚Y。

优选地，所述驱动电路模块包括M个驱动器，所述M个驱动器分别与第一引脚X₀至第M引脚X_M-1连接。

优选地，所述天线模块包括M根天线，所述M根天线分别与所述M个驱动器连接。

优选地，所述M个驱动器中的每一个包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一NMOS管和PMOS管，其中，第一电阻的第一端、第二电阻的第一端以及第一NMOS管的栅极分别与第一引脚X₀至第M引脚X_M-1中相应的引脚连接，第一电阻的第二端和第一NMOS管的源极分别接地，第二电阻的第二端分别与PMOS管的漏极和M根天线中相应的天线连接，第一NMOS管的漏极分别与第三电阻的第一端和PMOS管的栅极连接，第三电阻的第二端和PMOS管的源极分别与供电电源VDD连接。

优选地，所述LC谐振模块包括第一电感和第一电容，所述电源管理模块包括电源信号提取子模块，所述电源信号提取子模块包括第一二极管和第二电容，由LC谐振模块产生的一部分谐振信号经第一二极管整流后利用第二电容形成为第一电源。

优选地，所述电源管理模块进一步包括供电时长检测子模块，所述供电时长检测子模块包括发射信号检测电路、第一非门、积分电路、第二非门、第四电阻和第五电阻，由LC谐振模块产生的另一部分谐振信号经由发射信号检测电路输出高电平信号，由发射信号检测电路输出的高电平信号通过第一非门转变为低电平信号，由第一非门输出的低电平信号作为第一控制信号经由第四电阻输出至MCU模块，并且由第一非门输出的低电平信号通过积分电路对信号的持续时间进行积分，当由第一非门输出的低电平信号持续的时间大于预定阈值时间时，第二非门输出高电平信号，由第二非门输出的高电平信号作为第二控制信号经由第五电阻输出至MCU模块。

优选地，所述电源管理模块进一步包括电源稳压子模块，所述电源稳压子模块包括低压差线性稳压芯片、第六电阻、第三电容和第二二极管，由供电时长检测子模块输出的高电平信号通过第六电阻、经由低压差线性稳压芯片的高电平使能引脚输入低压差线性稳压芯片，经由低压差线性稳压芯片的输出引脚输出的信号通过第二二极管传输至使能引脚，使电源稳压子模块输出稳定的第二电源信号，第二电源信号利用第三电容形成为第二电源，从而为MCU模块和压力检测模块提供稳定的供电。

优选地，所述MCU模块包括MCU芯片，所述MCU芯片具有中断控制器和计数器，所述MCU芯片与外部高速时钟源连接，所述外部高速时钟源利用第二电源进行供电，并且所述计数器利用外部高速时钟源进行计数。

优选地，所述发射信号检测电路包括第三二极管、第四电容和第七电阻，第三二极管的输入端与LC谐振模块的输出端连接，第四电容和第七电阻并联连接，第三二极管的输出端分别与第四电容和第七电阻的第一端连接并连接至第一非门的输入端，第四电容和第七电阻的第二端接地。

优选地，所述积分电路包括第四二极管、第八电阻和第五电容，第五电容的第一端与电源信号提取子模块的输出端连接，第一非门的输出端分别与第四二极管的输入端和第八电阻的第一端连接，第四二极管的输出端分别与第五电容的第二端、第八电阻的第二端以及第二非门的输入端连接。

优选地，所述压力检测模块包括比较器、压力传感器、第二NMOS管、第九电阻和第十电阻，比较器的正相输入端分别与第九电阻的第一端、压力传感器的第一端以及第二NMOS管的漏极连接，比较器的反相输入端输入参考电压，第二NMOS管的栅极经由第十电阻连接至MCU芯片的第一I/O引脚，第九电阻的第二端连接供电电源VCC，压力传感器的第二端和第二NMOS管的源极分别接地，比较器的输出端与MCU模块连接，所述压力传感器为电容式压力传感器。

优选地，所述数字无源电磁笔进一步包括数据传输模块，所述数据传输模块包括第十一电阻和第三NMOS管，第三NMOS管的漏极分别与LC谐振模块的输出端和电源管理模块的输入端连接，第三NMOS管的栅极经由第十一电阻连接至MCU芯片的第二I/O引脚，第三NMOS管的源极接地，通过压力检测模块检测到的笔尖的压力测量数据经由MCU芯片的第二I/O引脚输入数据传输模块，从而经由LC谐振模块传输至电磁数位板。

优选地，所述第二发射信号包含同步信号、压力检测通信信号和坐标扫描信号，其中，所述同步信号、压力检测通信信号和坐标扫描信号均为一系列方波信号，同步信号的信号持续时间大于压力检测通信信号和坐标扫描信号二者的信号持续时间。

优选地，在电磁数位板确定数字无源电磁笔的位置的过程中，电磁数位板仅发射坐标扫描信号，在电磁数位板确定了数字无源电磁笔的位置之后，电磁数位板依次发射同步信号、压力检测通信信号和坐标扫描信号，当数字无源电磁笔的第二非门将作为第二控制信号的高电平信号输出至MCU模块时，MCU模块检测出接收到同步信号，并且向压力检测模块输出第三控制信号，以开始启动压力检测模块对施加于笔尖的压力进行检测，同时电源稳压子模块开始为MCU模块、压力检测模块以及外部高速时钟源供电，所述预定阈值时间大于压力检测通信信号和坐标扫描信号二者的信号持续时间且小于同步信号的信号持续时间。

优选地，所述MCU芯片进一步包括MCU内部高速时钟源，所述计数器能够利用MCU内部高速时钟源进行计数。

优选地，所述多选一模拟开关芯片包括二选一模拟开关芯片、四选一模拟开关芯片、八选一模拟开关芯片以及十六选一模拟开关芯片。

本发明采用以上技术方案，其具有以下有益效果：

1)提高了经由电磁数位板的天线发射的电磁信号的功率，从而提高了经由数字无源电磁笔的LC谐振电路接收的电磁信号的功率，使得数字无源电磁笔的供电得到加强，从而使电磁笔的MCU可以在较高的主频下工作，并且数字无源电磁笔的计数器计时的时钟信号可以由电磁笔的MCU内部高速时钟源提供，或者通过与电磁笔的MCU连接的外部高速时钟源提供，从而能够提高数字无源电磁笔的笔尖的压力测量精度，同时不会降低电磁数位板的报点速度；

2)在电磁数位板确定电磁笔的位置的过程中，不对电磁笔的MCU进行供电，因此不会大幅拉低电磁笔的LC谐振信号强度，LC谐振电路上残留的信号强度也会较强，因此电磁数位板可以较容易确定电磁笔的位置，从而保持连续的供能，也不会使电磁笔的感应高度降低；

3)电磁笔与电磁数位板之间的距离越近时，电磁笔感应出的电压就越高，电磁笔的MCU的供电就越高，此时电磁笔的功耗就越大，在测量施加于笔尖的压力的过程中，利用低压差线性稳压芯片为电磁笔的MCU及压力传感器提供稳定的供电，从而避免了电磁笔与电磁数位板之间的距离较近时导致的电磁笔的功耗过大，使整体的功耗控制在较小范围内。

附图说明

下文将结合附图对本发明的示例性实施例进行更为详细的说明。为清楚起见，不同附图中相同的部件以相同标记示出。需要说明的是，附图仅起到示意作用，其并不必然按照比例绘制。在这些附图中：

图1示出了根据本发明的实施方案的数字电磁笔系统的示意图。

图2示出了根据本发明的实施方案的数字电磁笔系统中的电磁数位板的电路的结构框图。

图3示出了根据本发明的实施方案的电磁数位板的电路示意图。

图4示出了根据本发明的实施方案的数字电磁笔系统中的数字无源电磁笔的电路的结构框图。

图5示出了根据本发明的实施方案的数字无源电磁笔的电路示意图。

具体实施方式

在本发明中可以做出各种改变和各种示例性实施方案，使得特定的示例性实施方案在附图中示出并且在说明书中详细描述。然而，应当理解，示例性实施方案并不旨在将本发明限制为特定的公开的形式，而是本发明包括落入本发明的精神和技术范围内的所有修改、等同形式和替代形式。

在描述每个附图时，相似的附图标记用于相似的组件。术语“第一”、“第二”等可以用于说明各种组件，但是这些组件不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件与另一个元件。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，第一组件可以称为第二组件，并且类似地，第二组件也可以称为第一组件。术语“和/或”包括多个相关列举的项目的组合或多个相关列举的项目中的任意一个。

下面对本发明的实施方案作详细说明，本实施方案在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施方案。

下面将参考图1至图5来描述根据本发明的数字电磁笔系统的具体电路结构和工作原理。

图1示出了根据本发明的实施方案的数字电磁笔系统的示意图。图2示出了根据本发明的实施方案的数字电磁笔系统中的电磁数位板的电路的结构框图。图3示出了根据本发明的实施方案的数字电磁笔系统中的电磁数位板的电路示意图。图4示出了根据本发明的实施方案的数字电磁笔系统中的数字无源电磁笔的电路的结构框图。图5示出了根据本发明的实施方案的数字无源电磁笔的电路示意图。

参考图1至图5，根据本发明的实施方案的数字电磁笔系统包括电磁数位板10和数字无源电磁笔20。所述电磁数位板10包括发射电路模块110、模拟开关模块120、驱动电路模块130和天线模块140，其中，所述发射电路模块110配置为输出第一发射信号S1；所述模拟开关模块120与发射电路模块110电连接，并配置为当从发射电路模块110接收到第一发射信号S1时，接通用于输出第一发射信号S1的端口，从而使第一发射信号S1经由所选择的端口输出；所述驱动电路模块130与模拟开关模块120电连接，并配置为基于从模拟开关模块120接收的第一发射信号S1输出第二发射信号S2，其中，第二发射信号S2的功率大于第一发射信号S1的功率；所述天线模块140与驱动电路模块130电连接，并配置为发射由驱动电路模块130输出的第二发射信号S2。所述数字无源电磁笔20包括LC谐振模块210、电源管理模块220、MCU模块230和压力检测模块240，其中，所述LC谐振模块210配置为接收由电磁数位板10的天线模块140发射的第二发射信号S2，产生作为第一电源信号的谐振信号；所述电源管理模块220与LC谐振模块210电连接，并配置为基于LC谐振模块210产生的谐振信号输出第一控制信号SC1和第二控制信号SC2，并输出稳定的第二电源信号；所述MCU模块230与电源管理模块220电连接，并配置为从电源管理模块220接收第一控制信号SC1和第二控制信号SC2，并基于第一控制信号SC1和第二控制信号SC2输出第三控制信号SC3；所述压力检测模块240与MCU模块230电连接，并配置为基于MCU模块230输出的第三控制信号SC3对施加于笔尖的压力进行检测，从而将检测到的笔尖的压力测量数据传输至电磁数位板10，其中，第三控制信号SC3控制压力检测模块240中压力可变电容的放电，当压力可变电容放电完成后，压力检测模块240和MCU模块230对施加于笔尖的压力进行检测。根据本发明的实施方案，MCU模块230和压力检测模块240利用电源管理模块220输出的第二电源信号进行供电。

参考图2和图3，根据本发明的实施方案，所述发射电路模块110包括MCU芯片U1。所述模拟开关模块120包括多选一模拟开关芯片SW1(例如，74HCT4051PW芯片)，所述多选一模拟开关芯片SW1包括第一引脚X₀至第M引脚X_M-1以及开关公共引脚Y，并且所述多选一模拟开关芯片SW1包括二选一模拟开关芯片、四选一模拟开关芯片、八选一模拟开关芯片以及十六选一模拟开关芯片中的至少一种。

所述驱动电路模块130包括M个驱动器，所述M个驱动器分别与第一引脚X₀至第M引脚X_M-1连接。

所述天线模块140包括M根天线ANT，所述M根天线ANT分别与所述M个驱动器连接。

具体地，所述M个驱动器中的每一个包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一NMOS管Q1和PMOS管Q2。第一电阻R1的第一端、第二电阻R2的第一端以及第一NMOS管Q1的栅极分别与第一引脚X₀至第M引脚X_M-1中相应的引脚连接，第一电阻R1的第二端和第一NMOS管Q1的源极分别接地，第二电阻R2的第二端分别与PMOS管Q2的漏极和M根天线ANT中相应的天线连接，第一NMOS管Q1的漏极分别与第三电阻R3的第一端和PMOS管Q2的栅极连接，第三电阻R3的第二端和PMOS管Q2的源极分别与供电电源VDD连接。

根据本发明的实施方案，参考图3，第三电阻R3为PMOS管Q2栅极上拉电阻，当电磁数位板10发射时，如果多选一模拟开关芯片SW1的第一引脚X₀输出高电平信号，则第一NMOS管Q1导通，拉低PMOS管Q2的栅极，使得PMOS管Q2导通，因此供电电源VDD直接施加到天线ANT上。如果多选一模拟开关芯片SW1的第一引脚X₀输出低电平信号，则第一NMOS管Q1截止，由于存在第三电阻R3，PMOS管Q2的栅极为高电平，因此PMOS管Q2也截止。换言之，天线ANT由供电电源VDD直接驱动。当电磁数位板10接收时，天线ANT上的信号依次通过第二电阻R2和多选一模拟开关芯片SW1输入到信号放大电路。第一电阻R1的阻值远小于第二电阻R2的阻值，由于该驱动器为一个放大电路，第二电阻R2相当于正反馈电阻，没有发射信号时电路将不稳定，会自激振荡，由于第一电阻R1的阻值远小于第二电阻R2的阻值，使得其反馈量减少，从而使电路在无信号时也可以稳定工作，并且由于PMOS管Q2工作于开关状态，所以也不会影响整个驱动器的功能。因此，由发射电路模块110输出的第一发射信号S1通过所述驱动器进行放大，从而使与所述驱动器连接的相应天线ANT发射放大的第二发射信号S2。

在本发明的实施方案中，通过在电磁数位板中的每条天线之前添加一个驱动器(从而形成驱动电路模块)，提高了经由电磁数位板的天线发射的电磁信号的功率，从而提高了经由数字无源电磁笔的LC谐振电路接收的电磁信号的功率。在这种情况下，数字无源电磁笔的供电加强，电磁笔的MCU无需进入省电模式，并且电磁笔的MCU可以在较高的主频工作。此时，数字无源电磁笔的计数器计时的时钟信号可以由电磁笔的MCU内部高速时钟源提供，或者通过与电磁笔的MCU连接的外部高速时钟源V1提供，从而能够提高数字无源电磁笔的笔尖的压力测量精度。

参考图4和图5，根据本发明的实施方案的数字无源电磁笔20的LC谐振模块210包括第一电感L1和第一电容C1。

数字无源电磁笔20的电源管理模块220包括电源信号提取子模块221，所述电源信号提取子模块221包括第一二极管D1和第二电容C2，由LC谐振模块210产生的一部分谐振信号经第一二极管D1整流后利用第二电容C2形成为第一电源。

根据相关技术，电磁数位板在工作时，在发射状态下，会先选定天线来发射电磁信号，然后在接收状态下通过该选定的天线来接收电磁笔上的残留的谐振电磁信号。当已确定电磁笔的位置时，电磁数位板会在电磁笔正对的天线上发射电磁信号，然后接收谐振电磁信号，此时供应给电磁笔的能量是连续的，电磁笔可以正常工作。然而，当不确定电磁笔的位置时，即，在电磁数位板确定电磁笔的位置的过程中，电磁数位板会依次扫描每条天线或者间隔扫描一部分天线，此时，大部分时间都无法对电磁笔提供能量，并且扫描到电磁笔所在位置的天线时，供电的时间较短。此时，如果直接使电磁笔上的电路的所有器件全部工作，由于电磁笔上还有电容需储能，电磁笔的MCU也需要电流来运行，整个电路会将无源电磁笔上的LC谐振信号的强度拉低，电磁数位板停止发射后，LC谐振电路上的残留信号也极低，导致电磁数位板找不到电磁笔。此外，电磁笔离电磁数位板较高时，电磁数位板会找不到电磁笔，又致使电磁笔没有连续的供能，不能正常工作，或者迫使电磁笔降低感应高度。若加大电磁数位板上信号放大的倍数，又会将噪声信号放大，使电磁数位板的信噪比降低，工作不稳定。

为了解决以上问题，根据本发明的实施方案，所述电源管理模块220进一步包括供电时长检测子模块222，所述供电时长检测子模块222包括发射信号检测电路、第一非门U2、积分电路、第二非门U3、第四电阻R4和第五电阻R5，由LC谐振模块210产生的另一部分谐振信号经由发射信号检测电路输出高电平信号，由发射信号检测电路输出的高电平信号通过第一非门U2转变为低电平信号，由第一非门U2输出的低电平信号作为第一控制信号SC1经由第四电阻R4输出至MCU模块230，并且由第一非门U2输出的低电平信号通过积分电路对信号的持续时间进行积分，当由第一非门U2输出的低电平信号持续的时间大于预定阈值时间时，第二非门U3输出高电平信号，由第二非门输出的高电平信号作为第二控制信号SC2经由第五电阻R5输出至MCU模块230。在本发明的实施方案中，第一控制信号SC1为发射信号检出信号，当第一控制信号SC1为低电平时，指示数字无源电磁笔20接收到电磁数位板10发射的电磁信号。第二控制信号SC2为同步信号检出信号，当第二控制信号SC2为高电平时，指示数字无源电磁笔20接收到电磁数位板10发射的同步信号。当MCU模块230接收到第一控制信号SC1和第二控制信号SC2时，MCU模块230向压力检测模块240输出高电平的第三控制信号SC3，第三控制信号SC3控制压力检测模块240中压力可变电容的放电，当压力可变电容放电完成后，压力检测模块240开始对施加于笔尖的压力进行检测。

进一步地，根据本发明的实施方案，所述电源管理模块220包括电源稳压子模块223，所述电源稳压子模块223包括低压差线性稳压芯片(LDO)U4、第六电阻R6、第三电容C3和第二二极管D2，由供电时长检测子模块222输出的高电平信号通过第六电阻R6、经由低压差线性稳压芯片U4的高电平使能引脚输入低压差线性稳压芯片U4，经由低压差线性稳压芯片U4的输出引脚输出的信号通过第二二极管D2传输至使能引脚，使电源稳压子模块223输出稳定的第二电源信号，第二电源信号利用第三电容C3形成为第二电源，从而为MCU模块230和压力检测模块240提供稳定的供电。

根据本发明的实施方案，所述MCU模块230包括MCU芯片，所述MCU芯片具有中断控制器和计数器。

根据本发明的一个实施方案，所述MCU芯片与外部高速时钟源V1连接，所述外部高速时钟源V1利用第二电源进行供电，并且所述计数器利用外部高速时钟源V1进行计数。根据本发明的另一实施方案，所述MCU芯片进一步包括MCU内部高速时钟源，所述计数器利用MCU内部高速时钟源进行计数。所述外部高速时钟源V1的时钟频率例如为4MHz，但不限于此。

根据本发明的实施方案，所述发射信号检测电路包括第三二极管D3、第四电容C4和第七电阻R7，第三二极管D3的输入端与LC谐振模块210的输出端连接，第四电容C4和第七电阻R7并联连接，第三二极管D3的输出端分别与第四电容C4和第七电阻R7的第一端连接并连接至第一非门U2的输入端，第四电容C4和第七电阻R7的第二端接地。

根据本发明的实施方案，所述积分电路包括第四二极管D4、第八电阻R8和第五电容C5，第五电容C5的第一端与电源信号提取子模块221的输出端连接，第一非门U2的输出端分别与第四二极管D4的输入端和第八电阻R8的第一端连接，第四二极管D4的输出端分别与第五电容C5的第二端、第八电阻R8的第二端以及第二非门U3的输入端连接。

根据本发明的实施方案，所述压力检测模块240包括比较器U5、压力传感器C6、第二NMOS管Q3、第九电阻R9和第十电阻R10，比较器U5的正相输入端分别与第九电阻R9的第一端、压力传感器C6的第一端以及第二NMOS管Q3的漏极连接，比较器U5的反相输入端输入参考电压V_REF，第二NMOS管Q3的栅极经由第十电阻R10连接至MCU芯片的第一I/O引脚，第九电阻R9的第二端连接供电电源VCC，压力传感器C6的第二端和第二NMOS管Q3的源极分别接地。所述压力传感器C6为电容式压力传感器。所述比较器U5例如为TS882超低功耗比较器芯片，但不限于此。

根据本发明的实施方案，所述数字无源电磁笔20进一步包括数据传输模块250，所述数据传输模块250包括第十一电阻R11和第三NMOS管Q4，第三NMOS管Q4的漏极分别与LC谐振模块210的输出端和电源管理模块220的输入端连接，第三NMOS管Q4的栅极经由第十一电阻R11连接至MCU芯片的第二I/O引脚，第三NMOS管Q4的源极接地。通过压力检测模块240检测到的笔尖的压力测量数据经由MCU芯片的第二I/O引脚输入数据传输模块250，从而经由LC谐振模块210传输至电磁数位板10。

下面参考图3和图5详细描述根据本发明的数字电磁笔系统的工作原理。根据本发明的实施方案，发射电路模块110输出包含同步信号、压力检测通信信号和坐标扫描信号的第一发射信号S1，该第一发射信号S1通过模拟开关模块120、经驱动电路模块130放大为第二发射信号S2，并由天线模块140发射。所述同步信号、压力检测通信信号和坐标扫描信号均为一系列方波信号，同步信号的信号持续时间大于压力检测通信信号和坐标扫描信号二者的信号持续时间。优选地，为了将同步信号与压力检测通信信号和坐标扫描信号进行明显区分，同步信号的持续时间设定为压力检测通信信号和坐标扫描信号的持续时间的10倍，压力检测通信信号和坐标扫描信号的持续时间大致相同。所述预定阈值时间设置为大于压力检测通信信号和坐标扫描信号二者的信号持续时间且小于同步信号的信号持续时间。

根据本发明的实施方案，在电磁数位板10确定数字无源电磁笔20的位置的过程中，电磁数位板10仅发射坐标扫描信号。这样，在电磁数位板10确定数字无源电磁笔20的位置的过程中，当电磁数位板10发射时，LC谐振模块210中的第一电感L1和第一电容C1接收到发射信号后会产生谐振，部分能量经第一二极管D1整流后储存于第二电容C2中。由于此时电磁数位板10仅发射坐标扫描信号，当由第三二极管D3、第四电容C4和第七电阻R7构成的发射信号检测电路接收到该坐标扫描信号时，该发射信号检测电路输出高电平信号，该高电平信号经第一非门U2转变为低电平信号，由第四二极管D4、第八电阻R8和第五电容C5构成的积分电路对该低电平信号进行积分，由于接收到的坐标扫描信号的持续时间小于预定阈值时间，因此第二非门U3输出低电平信号，即，没有检测到同步信号。此时，低压差线性稳压芯片U4的使能引脚输入低电平信号，因此高电平使能的低压差线性稳压芯片U4不工作，从而不会对MCU模块230、压力检测模块240等供电。在这种情况下，将不会大幅拉低LC谐振信号强度，LC谐振模块210上残留的信号强度会较强，因此电磁数位板10可以较容易确定数字无源电磁笔20的位置，从而保持连续的供能，也不会使数字无源电磁笔20的感应高度降低。

然后，在电磁数位板10确定了数字无源电磁笔20的位置之后，电磁数位板10依次发射同步信号、压力检测通信信号和坐标扫描信号。此时，当由第三二极管D3、第四电容C4和第七电阻R7构成的发射信号检测电路首次接收到同步信号时，该发射信号检测电路输出高电平信号，该高电平信号经第一非门U2转变为低电平信号，由第四二极管D4、第八电阻R8和第五电容C5构成的积分电路对该低电平信号进行积分，由于接收到的同步信号的持续时间大于预定阈值时间，因此第二非门U3向MCU模块230输出高电平信号，即，MCU模块230检测到同步信号。此时，低压差线性稳压芯片U4的使能引脚输入高电平信号，因此高电平使能的低压差线性稳压芯片U4工作。低压差线性稳压芯片U4输出的高电平信号经由第二二极管D2传输至使能引脚，使得使能引脚始终保持高电平输入，使电源稳压子模块223输出稳定的第二电源信号，第二电源信号利用第三电容C3形成为第二电源，从而为MCU模块230、压力检测模块240、外部高速时钟源V1提供稳定的供电。当数字无源电磁笔20离电磁数位板10的距离变化时，LC谐振模块210的谐振信号的强度会发生变化，数字无源电磁笔20离电磁数位板10越近，数字无源电磁笔20接收的能量越高，LC谐振模块210的谐振信号的强度就越大，第二电容C2上的电压也会越高。众所周知，电磁笔的低功耗MCU的耗电量除了与工作的主频有关外，与供电电压也有关，当供电电压越高时，电磁笔的MCU的工作电流就越大，因此耗电量就越大。本发明中的低压差线性稳压芯片可以避免电磁笔离电磁数位板太近时，供电电压升高引起电磁笔的MCU及后续电路功耗过大而导致的工作不稳定，使电磁笔的整体功耗控制在一个较小的范围内。

同时，当MCU模块230检测到同步信号后，经由与第十电阻R10连接的I/O引脚输出高电平信号，第二NMOS管Q3导通，压力传感器C6(即，压力可变电容)开始放电，放电结束后立即关断第二NMOS管Q3，并打开计数器，开始计数，从而开始对施加于笔尖的压力进行检测。当比较器U5的输出端的信号电平由低电平向高电平翻转时，停止计数。当数字无源电磁笔20的笔尖压力变化时，压力传感器C6的电容值也会变化，计数值也会发生改变，通过检测计数值的变化可以得出压力测量数据。压力检测过程在同步信号的持续时间内执行。

当电磁数位板10向数字无源电磁笔20发射压力检测通信信号时，通过压力检测模块240检测到的笔尖的压力测量数据经由MCU芯片的第二I/O引脚输入数据传输模块250，从而经由LC谐振模块210传输至电磁数位板10。

上述实施方案公开的根据本发明的实施方案的数字电磁笔系统通过在电磁数位板中的每条天线之前添加一个驱动器，提高了经由电磁数位板的天线发射的电磁信号的功率，从而提高了经由数字无源电磁笔的LC谐振电路接收的电磁信号的功率，使得数字无源电磁笔的供电得到加强，从而使电磁笔的MCU可以在较高的主频工作，并且数字无源电磁笔的计数器计时的时钟信号可以由电磁笔的MCU内部高速时钟源提供，或者通过与电磁笔的MCU连接的外部高速时钟源提供，从而能够提高数字无源电磁笔的笔尖的压力测量精度。如果计数器计时的时钟频率为4MHz，在1毫秒内，计数器可以计数约4000次，如果增大第九电阻R9的阻值，使计数器的计数时间延长，可以极大地提高电磁笔的压力测量精度，同时不会降低电磁数位板的报点速度。例如，当计时的时钟频率从LC谐振信号的频率(500KHz)提高到4MHz时，压力测量精度能够提高约8倍。

前面对本发明具体示例性实施方案所呈现的描述出于说明和描述的目的。前面的描述并非旨在穷举，或者将本发明限制为公开的精确形式，且显然的是，根据以上教导若干修改和变化都是可能的。选择示例性实施方案并进行描述以解释本发明的特定原理及其实际应用，由此使得本领域的其它技术人员能够利用并实现本发明的各种示例性实施方案及其各种可替选方式和修改方式。本发明的范围旨在通过所附权利要求及其等同形式来限定。

Claims (17)

1.一种数字电磁笔系统，其包括电磁数位板和数字无源电磁笔，其中，

所述电磁数位板包括：

发射电路模块，其配置为输出第一发射信号；

模拟开关模块，其与发射电路模块电连接，并配置为：当从发射电路模块接收到第一发射信号时，接通用于输出第一发射信号的端口，从而使第一发射信号经由所选择的端口输出；

驱动电路模块，其与模拟开关模块电连接，并配置为基于从模拟开关模块接收的第一发射信号输出第二发射信号，其中，第二发射信号的功率大于第一发射信号的功率；以及

天线模块，其与驱动电路模块电连接，并配置为发射由驱动电路模块输出的第二发射信号，

所述数字无源电磁笔包括：

LC谐振模块，其配置为接收由电磁数位板的天线模块发射的第二发射信号，产生作为第一电源信号的谐振信号，

电源管理模块，其与LC谐振模块电连接，并配置为基于LC谐振模块产生的谐振信号输出第一控制信号和第二控制信号，并输出稳定的第二电源信号；

MCU模块，其与电源管理模块电连接，并配置为从电源管理模块接收第一控制信号和第二控制信号，并基于第一控制信号和第二控制信号输出第三控制信号；

压力检测模块，其与MCU模块电连接，并配置为基于MCU模块输出的第三控制信号对施加于笔尖的压力进行检测，从而将检测到的笔尖的压力测量数据传输至电磁数位板，

其中，MCU模块和压力检测模块利用电源管理模块输出的第二电源信号进行供电。

2.根据权利要求1所述的数字电磁笔系统，其中，所述模拟开关模块包括多选一模拟开关芯片，所述多选一模拟开关芯片包括第一引脚X₀至第M引脚X_M-1以及开关公共引脚Y。

3.根据权利要求2所述的数字电磁笔系统，其中，所述驱动电路模块包括M个驱动器，所述M个驱动器分别与第一引脚X₀至第M引脚X_M-1连接。

4.根据权利要求3所述的数字电磁笔系统，其中，所述天线模块包括M根天线，所述M根天线分别与所述M个驱动器连接。

5.根据权利要求4所述的数字电磁笔系统，其中，所述M个驱动器中的每一个包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一NMOS管和PMOS管，其中，

第一电阻的第一端、第二电阻的第一端以及第一NMOS管的栅极分别与第一引脚X₀至第M引脚X_M-1中相应的引脚连接，第一电阻的第二端和第一NMOS管的源极分别接地，第二电阻的第二端分别与PMOS管的漏极和M根天线中相应的天线连接，第一NMOS管的漏极分别与第三电阻的第一端和PMOS管的栅极连接，第三电阻的第二端和PMOS管的源极分别与供电电源VDD连接。

6.根据权利要求1所述的数字电磁笔系统，其中，所述LC谐振模块包括第一电感和第一电容，

所述电源管理模块包括电源信号提取子模块，所述电源信号提取子模块包括第一二极管和第二电容，由LC谐振模块产生的一部分谐振信号经第一二极管整流后利用第二电容形成为第一电源。

7.根据权利要求6所述的数字电磁笔系统，其中，所述电源管理模块进一步包括供电时长检测子模块，所述供电时长检测子模块包括发射信号检测电路、第一非门、积分电路、第二非门、第四电阻和第五电阻，由LC谐振模块产生的另一部分谐振信号经由发射信号检测电路输出高电平信号，由发射信号检测电路输出的高电平信号通过第一非门转变为低电平信号，由第一非门输出的低电平信号作为第一控制信号经由第四电阻输出至MCU模块，并且由第一非门输出的低电平信号通过积分电路对信号的持续时间进行积分，当由第一非门输出的低电平信号持续的时间大于预定阈值时间时，第二非门输出高电平信号，由第二非门输出的高电平信号作为第二控制信号经由第五电阻输出至MCU模块。

8.根据权利要求7所述的数字电磁笔系统，其中，所述电源管理模块进一步包括电源稳压子模块，所述电源稳压子模块包括低压差线性稳压芯片、第六电阻、第三电容和第二二极管，由供电时长检测子模块输出的高电平信号通过第六电阻、经由低压差线性稳压芯片的高电平使能引脚输入低压差线性稳压芯片，经由低压差线性稳压芯片的输出引脚输出的信号通过第二二极管传输至使能引脚，使电源稳压子模块输出稳定的第二电源信号，第二电源信号利用第三电容形成为第二电源，从而为MCU模块和压力检测模块提供稳定的供电。

9.根据权利要求8所述的数字电磁笔系统，其中，所述MCU模块包括MCU芯片，所述MCU芯片具有中断控制器和计数器，

所述MCU芯片与外部高速时钟源连接，所述外部高速时钟源利用第二电源进行供电，并且所述计数器利用外部高速时钟源进行计数。

10.根据权利要求9所述的数字电磁笔系统，其中，所述发射信号检测电路包括第三二极管、第四电容和第七电阻，第三二极管的输入端与LC谐振模块的输出端连接，第四电容和第七电阻并联连接，第三二极管的输出端分别与第四电容和第七电阻的第一端连接并连接至第一非门的输入端，第四电容和第七电阻的第二端接地。

11.根据权利要求10所述的数字电磁笔系统，其中，所述积分电路包括第四二极管、第八电阻和第五电容，第五电容的第一端与电源信号提取子模块的输出端连接，第一非门的输出端分别与第四二极管的输入端和第八电阻的第一端连接，第四二极管的输出端分别与第五电容的第二端、第八电阻的第二端以及第二非门的输入端连接。

12.根据权利要求9所述的数字电磁笔系统，其中，所述压力检测模块包括比较器、压力传感器、第二NMOS管、第九电阻和第十电阻，比较器的正相输入端分别与第九电阻的第一端、压力传感器的第一端以及第二NMOS管的漏极连接，比较器的反相输入端输入参考电压，第二NMOS管的栅极经由第十电阻连接至MCU芯片的第一I/O引脚，第九电阻的第二端连接供电电源VCC，压力传感器的第二端和第二NMOS管的源极分别接地，比较器的输出端与MCU模块连接，

所述压力传感器为电容式压力传感器。

13.根据权利要求12所述的数字电磁笔系统，其中，所述数字无源电磁笔进一步包括数据传输模块，所述数据传输模块包括第十一电阻和第三NMOS管，第三NMOS管的漏极分别与LC谐振模块的输出端和电源管理模块的输入端连接，第三NMOS管的栅极经由第十一电阻连接至MCU芯片的第二I/O引脚，第三NMOS管的源极接地，

通过压力检测模块检测到的笔尖的压力测量数据经由MCU芯片的第二I/O引脚输入数据传输模块，从而经由LC谐振模块传输至电磁数位板。

14.根据权利要求9所述的数字电磁笔系统，其中，所述第二发射信号包含同步信号、压力检测通信信号和坐标扫描信号，其中，所述同步信号、压力检测通信信号和坐标扫描信号均为一系列方波信号，同步信号的信号持续时间大于压力检测通信信号和坐标扫描信号二者的信号持续时间。

15.根据权利要求14所述的数字电磁笔系统，其中，在电磁数位板确定数字无源电磁笔的位置的过程中，电磁数位板仅发射坐标扫描信号，在电磁数位板确定了数字无源电磁笔的位置之后，电磁数位板依次发射同步信号、压力检测通信信号和坐标扫描信号，

当数字无源电磁笔的第二非门将作为第二控制信号的高电平信号输出至MCU模块时，MCU模块检测出接收到同步信号，并且向压力检测模块输出第三控制信号，以开始启动压力检测模块对施加于笔尖的压力进行检测，同时电源稳压子模块开始为MCU模块、压力检测模块以及外部高速时钟源供电，

所述预定阈值时间大于压力检测通信信号和坐标扫描信号二者的信号持续时间且小于同步信号的信号持续时间。

16.根据权利要求9所述的数字电磁笔系统，其中，所述MCU芯片进一步包括MCU内部高速时钟源，所述计数器能够利用MCU内部高速时钟源进行计数。

17.根据权利要求2所述的数字电磁笔系统，其中，所述多选一模拟开关芯片包括二选一模拟开关芯片、四选一模拟开关芯片、八选一模拟开关芯片以及十六选一模拟开关芯片。