CN1244081C - 一种交互式读书系统及使用该系统对人类手指存在作出响应的方法 - Google Patents

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Abstract

一种对人类手指存在做出响应的交互式读书系统(600)。系统(600)包含一个射频(RF)扫描电路(675)、一个控制电路(610)、一个存储器(615)和一个声频输出设备(650)。RF扫描电路(675)被配置为在人类手指进入由RF扫描电路(675)生成的RF区时检测手指的存在。控制电路(610)和存储器(615)与RF扫描电路(675)通信。存储器(615)存储多条声频讯息。声频输出设备(650)也与控制电路(610)通信。当手指进入RF区时，声频输出设备(650)基于由控制电路(610)执行的RF区的分析输出至少一条声频讯息。

Description

一种交互式读书系统及使用该系统对人类手指存在做出响应的方法
技术领域
电子的早期学习阅读器是非常公知的，并且作为教育辅助和娱乐设备已经使用许多年了。许多最初开发的阅读器使用在每个卡片上印刷有单词和/或图形的各个卡。这些阅读器使用具有分别映射每个卡片的内容的软件的微控制器。印刷在卡片上的单词或图形与在存储器中存储的声音和音响效果有关。用户对印刷在卡片上的单词或图形的选择将从交互式的读书系统中生成相关的音频声音。典型的相关联将会是使阅读器可听见地发出印刷在卡片上的所选单词或字母的声音。
背景技术
大部分最初的早期学习阅读设备使用膜片开关的一个面板阵列。膜片开关被布置为匹配在卡片上的内容。卡片被放置在读取设备上，并且使用了一种卡片标识的方法，所以阅读器知道哪一个卡片在该设备上。卡片标识方法不同于通过人工输入读出的光卡。人工输入方法诸如按钮开关是最常用的，是因为它们对于生成和减少设备的复杂性来说较便宜。卡片或页面标识的一种常用方法是通过按下位于卡片上的、对那个卡片来说唯一的一个点(spot)来选择放置在阅读器上的卡片或页面。选择印刷在卡片上的单词、字母或图形伴随有用力地按下所选择的单词、字母或图形以关闭位于卡片下面的膜片开关。微处理器然后将通过在读取设备的外壳中的一个声频输出设备(例如扬声器)产生相关的音频。
已经发展了许多与存储的音频声音文件相关联地使用这种印刷的单词、字母或图形的基本技术的系统。Texas Instruments(得克萨斯仪器公司)在80年代初生产了许多这种薄膜面板开关接触的早期学习阅读器。Worlds of Wonder在80年代中期生产了这样一种也使用膜片开关系统的读书系统。有时各个卡片被装订在一起以形成小的被放置在交互式读书系统上的书。膜片开关系统的主要缺点是：印刷的卡片或书页面需要是非常薄和柔韧的，以便允许在卡或书页面上按压的力被传送到位于书下面的膜片开关。这些系统的目标对象通常是初学走路的孩子和学前儿童，其在卡片被装订在一起以形成书时不能很容易地产生为激活膜片开关所需要的力。
为了克服这个缺点，开发了使用手持电子笔指示笔的新的读书系统，其中该手持电子笔指示笔把一个电子信号引入到一个位于书下面的接收面板中。Sega在90年代初提出了这样的一个系统；其它公司诸如Leap Frog也已经生产了这样的手持笔阅读器。这些笔系统有许多主要缺点。特别地，为了各种原因、包含向笔中的电子设备提供电源等，这些笔必须被系到系统上，所以笔不会被丢失。笔系统有其它的缺点，诸如由于仅仅有一个指示设备所以用户不能进行同时输入。笔系统的另一个缺点是：通常非常年轻的用户必须被训练以使用该笔，而由膜片开关设计使用的手指选择方法对目标对象来说更直观。
发明内容
在一个方面中，本发明是一种对人类手指存在做出响应的交互式读书系统。该系统包含一个射频(RF)扫描电路、一个控制电路、一个存储器和一个声频输出设备。RF扫描电路被配置为在人类手指进入由RF扫描电路生成的RF区时检测手指的存在。控制电路和存储器与RF扫描电路通信。存储器存储多条声频讯息。此外，声频输出设备也与控制电路通信。当手指进入RF区时，声频设备基于由控制电路执行的RF区的分析输出至少一条声频讯息。
RF扫描电路可以包含一个导电线路矩阵，其被布置为以定距离间隔的多列导电线路和与多列导电线路横向的以定距离间隔的多行导电线路。就特定的每一列导电线路来说，依据由控制电路输出的第一坐标控制信号指示的预定输入序列，把一个RF信号输入到该特定列导电线路中。依据由控制电路输出的第二坐标控制信号指示的预定输出序列，输出由多行导电线路从特定列导电线路接收的耦合的RF信号。
交互式的读书系统可以进一步包含一个RF振荡器，其生成被输入到特定列导电线路中的RF信号。
交互式的读书系统可以进一步包含一个与控制电路、RF振荡器和矩阵的列导电线路通信的输入切换电路。输入切换电路接收来自控制电路的第一坐标控制信号和由RF振荡器生成的RF信号。输入切换电路依据预定输入序列连续地把由RF振荡器生成的RF信号路由选择到每一个列导电线路。
交互式的读书系统可以进一步包含一个与控制电路、和矩阵的行导电线路通信的输出切换电路。输出切换电路接收来自控制电路的第二控制信号和耦合的RF信号。输出切换电路依据预定输出序列连续地输出RF耦合信号。
交互式的读书系统可以进一步包含一个与控制电路和矩阵通信的带通处理电路。带通处理电路放大和滤波耦合的RF信号，并且路由选择放大和滤波了的耦合的RF信号到控制电路用于分析。带通处理电路可以包含一个带通滤波器和一个带通放大器。
交互式的读书系统可以进一步包含一个与控制电路和带通处理电路通信的AC到DC转换器。AC到DC转换器把放大和滤波了的耦合的RF信号的波峰转换为DC电平信号。
RF信号可以具有大约100kHz的频率。RF信号的振幅可以大约为18VAC。列导电线路和行导电线路可以由一个电学上绝缘的薄板(sheet)隔开。控制电路可以包含一个微控制器。
在另一个方面中，本发明是一种使用对人类手指的存在做出响应的交互式读书系统的方法。当手指进入由阅读系统生成的RF区时检测人类手指。存储多条声频讯息。当手指进入RF区时基于RF区的分析输出至少一条声频讯息。
交互式的读书系统可以包含一个导电线路矩阵，其被布置为以定距离间隔的多列导电线路和与多列导电线路横向的以定距离间隔的多行导电线路。依据预定输入序列把RF信号输入到多列导电线路中特定的一个中。依据预定输出序列输出由多行导电线路从特定列导电线路接收的耦合的RF信号。为每一列导电线路重复输入RF信号和输出耦合的RF信号。
附图说明
本发明的上述概述、以及最佳实施例的下列详细说明在连同附图一起阅读时将会被更好地理解。为了说明本发明，在附图中显示了目前最佳的实施例。然而，应当理解本发明不局限于显示的确切方案和手段。在附图中：
图1是依据本发明的一个交互式读书系统的立体图；
图2是图1中的交互式读书系统的矩阵示意图的立体图；
图3是在读书系统的书槽(book well)中有一本书的图1中的交互式读书系统的立体图；
图4是放置在图3的矩阵上的书的一部分的平面图；
图5是在其上放置了页数改变的书的图3中的一部分矩阵的几个剖面视图；
图6是依据本发明、包含了一个RF扫描电路的交互式读书系统中的电子设备的示意方框图；
图7是由图6中的交互式读书系统中的电子设备执行的操作的流程图；
图8是在图6中所示的控制电路和存储器的电路图；
图9是图6中的输入切换电路和RF扫描电路的矩阵的电路图；
图10是图6中的输出切换电路和RF扫描电路的矩阵的电路图；
图11是图6中的RF扫描电路中的电路的带通处理电路的电路图；
图12是图6中的电路的RF振荡器和电源的电路图；
图13是图6中的电路的On/Off和I/O支路的电路图；以及
图14A和14B合起来显示了一个包含由图6中的电路实现的步骤的高级功能流程图。
具体实施方式
本发明涉及一种对人类手指存在做出响应的交互式读书系统。交互式读书系统包含一个电磁的、尤其是射频(RF)扫描电路，其被配置为在人类手指进入由RF扫描电路生成的RF区时检测手指的存在。交互式读书系统响应于在RF区内部在放置在交互式读书系统上的一本书的一页上的手指接触，产生一个声频声音。这个早期的学习设备可以是作为一个阅读辅助和娱乐系统面向不会阅读的孩子。特别地，在交互式读书系统中同时使用书和与每一本书有关的软件。用户在交互式读书系统上放置一本书，然后把一个ROM盒插入到交互式读书系统中。交互式读书系统具有一个非接触的手指传感器，其能够在手指被放置在RF扫描电路的有效手指传感器区域内时感知手指的位置。
手指传感器区域与放置在交互式读书系统上的书的大小相匹配。例如，如果书在打开和平放时是12″×8″，则有效的手指传感器是大约为12″×8″的平板。交互式读书系统中的非接触的手指传感器能够在距传感器的二维表面1/4″以上的距离感知手指的存在。这个z分辩率允许传感器通过高达至少1/4″厚的一本书检测手指的存在。手指传感器具有一个足以选择在书上印刷的每个单词或者图形的优良的x和y分辩率。
在ROM盒内用于任一特定书的软件包含用以产生与在书内的图形和印刷单词有关的声音和音响效果的信息。在该书的所有页上的任何单词或者图形的x和y坐标被映射到ROM盒中。因此，仅仅通过触摸任何文字或者图形来选择它，会产生与特别选择的文字或者图形有关的音频输出。这个信息被组织在一页接一页的(page-by-page)体系结构中。系统的用户把书放置在交互式读书系统上，把用于那本书的ROM盒插入到交互式读书系统的盒插槽中，并且通过触摸印刷在书的每一页上的页码来选择书的那一页，其中页码被印刷在页的不同位置上。交互式读书系统然后能响应于在书的那一页上的任何单词或者图形上的手指接触而产生一个适当的音频输出。这个开放式体系结构考虑了将被用在交互式读书系统中的无限的书和软件。
交互式读书系统读取放置在传感器内的每个手指放置。用户因此能够在该页上选择多个点。这在使在给定一页上的两个点、诸如印刷的单词“苹果”和“苹果”的图形相关联时是尤其有用的。同时触摸能够从交互式读书系统中产生一个正确的音频输出。这个性能对教学相关的学习是非常有帮助的。
感知多个输入的性能还能够误导读书系统，是由于一个用户可能频繁地把整个手放置在书上用一个伸出的手指选择在该页上的一个单词或者图标。交互式读书系统在传感器区域内看到整个手或者身体的任何一部分。为了弥补它，系统必须在产生一个相关的音频输出之前选择可能的输入。本发明检查全部的阵列输入，并且能够通过在输入信号上应用许多算法中的任何一种以确定适当的输入，来确定所选择的输入。当感知到一个以上的输入时应用的第一种算法被称作最北点(most northern point)算法。这种最北点算法寻找最靠近书的顶端的输入，其中书的顶端与北(在图1中的“N”)有关，左、右和底端分别与西、东和南有关。假定用户坐在单元的前面并且使用了一只手来选择单词或者图形，则能够假定最北的点与手的指示手指有关。如果读书传感器不能选择一个独立的最北点，则应用的下一种算法在通过把整个手放在交互式读书系统上而生成的一串输入内寻找一个指示手指。伸出一个手指的手创建了一串输入，其具有在3个侧面上由从该串中突出的未被选择的点环绕的单个选择的点。这种算法在沿除指向北的指示手指以外的方向区别把手放置在交互式读书系统上的用户时是有用的。上述的算法假定用户放置一只手在书上，并且伸出了指示手指，而其它手指处于相对于手掌来说闭合的位置。
由于用户有可能无意地在书上放置了一只以上的手，所以交互式读书系统还查看是否有多只手放置在书上。如果交互式读书系统中的传感器看到在传感器上放置了两只手，则它能够查看输入是一个独立的输入还是被清楚定义了的最北指向，并且如果是这样的话则它选择这个输入。如果读书系统不能用合理的准确度确定可能的输入，则它生成一个音频输出以指示用户“每次使用一个手指”或者其它任何适当的语句。
详细地参见附图，其中相似的数字表示相似的元件，并且依据本发明描述了交互式读书系统的第一个最佳实施例，其通常被表示为100。更特别地参见图1，显示了一个其中没有插入书的交互式读书系统100。交互式读书系统100包含一个支撑结构或者外壳105、一个on/off控制115和音量控制120、一个扬声器125、和一个用于插入和移去ROM盒135的ROM插槽130，其中支撑结构或者外壳105具有至少一个在其中插入一本印刷书的凹进的区域110(例如一个书槽)。
图2显示了刚好位于交互式读书系统100的凹进区域110下面的一个矩阵205(也被称为交叉点传感器阵列或者近程式传感器阵列)。矩阵205被用来感知进入由本发明生成的RF区的手指或者其它人类手指或足趾(digit)的位置。显示的矩阵205具有16个纵向线路和24个横向线路的分辩率。矩阵包含被布置为以定距离间隔的多列导电线路(也被称为纵向网格线路)和与多列导电线路横向的以定距离间隔的多行导电线路(也被称为横向网格线路)的导电线路。把线路组称为“行”或者“列”是方便的。“行”可以是北-南方向的，而“列”可以是与“行”垂直(或者横向)的。列导电线路和行导电线路可以由印刷有形成阵列的导电线路的、一个电学上绝缘的塑料薄板、诸如Mylar薄板隔开。列导电线路可以被印刷在Mylar薄板的顶面上，而行导电线路可以被印刷在薄板的底面上，以提供电绝缘。在列和行导电线路平面之间的间距是相对无关紧要的，并且因此导电线路可以被蚀刻在标准印刷电路板的顶面和底面上。矩阵设计中最重要的要素是使列和行导电线路尽可能的窄以减少轨迹的电容耦合效应。较低的电容耦合允许矩阵205看到在离开4英寸的RF区中的辐射模式中的变化。设计的一个示范实施例把设备的列或者z分辩率限制为大约.200″。行和列导电线路的阵列分辩率或者数目能够改变，而不影响矩阵205的操作。示范实施例使用了行和列导电线路在.375″中心上的6″乘9″的矩阵205。这个配置提供了16×24条线路的一个均匀的矩阵。
矩阵205通过用一个大约在18vac的100kHz的无线电信号激励一组线路、诸如连续地从1到16的纵向列线路，然后读取在矩阵205的横向行线路上的耦合的无线电信号，来进行工作。在一个纵向列线路的每次激励期间连续地扫描从1到24的剩余组的线路、横向行线路。这样，矩阵的每个交叉点被各个地测量了。每个交叉点的测量值被保存在控制电路的RAM存储器中。当一个手指或者手出现在矩阵205上时，在各个交叉点上该手指或者手的位置处耦合的RF信号的值被减小了。通过由矩阵205执行的用于手指存在的连续全扫描的比较，能够确定手指的确切位置。
图3显示了在系统的矩阵上放置了一本书的交互式读书系统100和用户用伸出的一个指示手指选择了单词“Ball”。交互式读书系统100的操作允许用户仅仅通过用手指指向该页中的所选择区域来在书的这页上选择任何有效区域。在选择这个有效区域时，交互式读书系统100中的扬声器125响应于这个选择输出一条声频讯息。例如，当手指触摸了单词“ball”时，交互式读书系统100从扬声器125中产生一个出声的音频输出“ball”。直接响应于用户触摸了单词“ball”，而生成声频讯息。如果用户触摸了这页中的其它区域，则将生成不同的声频讯息，例如如果触摸了单词“blue”，则将生成声频讯息“blue”。触摸在这页上的ball图形，能够发出反弹球的声音。触摸没有文字或者图形的书页中的任何区域，能够生成单个铃响一类的声音以表示没有与这个区域有关的音频，或者是能够生成诸如“再试一次”一类的讲话音频输出，或者是输入的选择能够简单地被忽视。交互式读书系统100因此能够被用来读取书，创建与在该书上的图形有关的音响效果、或者是被编程为对手指触摸做出响应的其它任何动作。
图4显示了在叠加在一个8行乘9列的矩阵上的一页上印刷的单词和图形的图像。能够很容易地看到：每个单词能够被映射为矩阵中的一个x和y坐标。例如，单词“ball”位于矩阵中的R5、C4和R5、C5。这个位置映射连同当选择了每个交叉点时被播放的相关的声频讯息一起被保存在ROM中。
图5显示了矩阵205中的3个剖面：5A、5B和5C。剖面图从上到下显示了手指505、一本书305(以各种厚度)的页510、塑料隔板515、多个以定距离间隔的列(纵向)轨迹520、不导电的(例如Mylar)薄板525、和多个与多个列轨迹520横向的以定距离间隔的行(横向)轨迹530。不导电的薄板525把列轨迹520与行轨迹530分开。
塑料隔板515大约为0.060″到0.100″，并且位于矩阵205的顶面上，以起到绝缘体的作用，所以书305中的页510与矩阵205分开至少这个数量。隔板515的功能是减小在书305的页510中的影响矩阵205的灵敏度的湿度的影响。矩阵205在由矩阵205生成的RF区中受到湿度的高度影响。通过把书305中的页510与矩阵205分开塑料隔板515的厚度，湿度在矩阵205上的影响被极大地减小了。如先前所述，列轨迹520(纵向列)和行轨迹530(横向行)的宽度和厚度应当被保持在最小值以减少每一个交叉点的电容效应。不导电的薄板525的厚度和成分在矩阵205的操作上具有最小的影响。
每个剖面图显示了在其上放置了各种厚度的纸张的矩阵205。在每个剖面图的下面是当手指505放置在在矩阵205上的页上时由每个交叉点生成的差分信号的直方图。能够看出：手指505越接近矩阵205，由每一个交叉点生成的差分信号越高。直方图图表显示了每个交叉点的参考电平、波峰噪声电平、和有效信号阈值电平。参考电平是由每一个交叉点生成的平均信号电平。波峰噪声电平是在每个交叉点处生成的最大的不规则噪声信号。有效信号阈值电平是一个交叉点必须生成的以指示手指触摸的信号电平。在5A中尤其能够看出：当手指505的任何部分接近矩阵205时，交叉点生成一个有效信号。还能够看到：最接近手指505的那个交叉点生成最高的信号电平。
图6显示了依据本发明的示范实施例的交互式读书系统600的方框图。交互式读书系统600包含一个电源605，其把+3.5VDC到+6.5VDC的电池电源转换成为+5VDC和模拟+5VDC的规定的电源电平。交互式读书系统600还包含一个控制电路610，其可以包含一个通用的微控制器、诸如SunplusTM part#SPCE-500A等等。交互式读书系统600还包含一个存储器615，其与控制电路610通信，并且可以包含一个通用的掩模ROM。存储器615还包含程序和一个把控制电路610连接到一个外部ROM的总线扩展器(例如，参见图1中的ROM盒(存储器)135)。应当注意到，SunplusTM控制器part#SPCE-500A包含512K字节的程序ROM。该示范性实施例使用内部和/或外部ROM。当没有外部ROM时，内部ROM是有效的。当存在外部ROM时，控制电路610能够使用内部和/或外部ROM。存储器615存储多条声频讯息。交互式读书系统600还包含一个与控制电路610通信的声频输出设备650。
交互式读书系统600进一步包含一个与控制电路610通信的RF扫描电路675。RF扫描电路675包含一个输入切换电路625、一个RF振荡器620、一个矩阵630、一个AC到DC转换器645、一个带通处理电路640、和一个输出切换电路635。输入切换电路625与控制电路610、RF振荡器620和矩阵630中的列导电线路通信。RF振荡器620与输入切换电路625通信。输出切换电路635与控制电路610和矩阵630中的行导电线路通信。带通处理电路640经由AC/DC转换器645与控制电路610通信，并且经由输出切换电路635与矩阵630通信。
RF振荡器620生成一个稳定的AC电压100kHz的正弦波。RF振荡器620是一个电流模式的功率信号发生器，其生成大约18VAC的正弦波。这个高压正弦波通过输入切换电路625提供给矩阵630。RF振荡器620还生成稳定的+18VDC和+9VDC的电压供应。本发明不局限于这些值。
如图9所示，由输入切换电路625执行输入切换操作，其中输入切换电路625包含2个CD4051、8个信道的模拟多路复用器905、910。输入切换电路625接收由RF振荡器620生成的RF信号，并且依据由由控制电路610输出和由输入切换电路625接收的第一控制信号655指示的一个预定输入序列，连续地把由RF振荡器620生成的RF信号路由选择到矩阵630中的每一个列导电线路。控制信号655连续地通过4条选择线路指示输入切换电路625选择16个列导电线路中的一个。
矩阵630被组织为16列乘24行的配置。阵列大小是在中心上的线路间隔.375″的6″×9″。阵列结构使用印刷有导电的横向(行)和纵向(列)线路的Mylar薄板衬底。依据由由控制电路610输出的和由输出切换电路635接收的第二控制信号指示的预定输出序列，输出由行导电线路从特定的一列导电线路接收的耦合的RF信号。输出切换电路635选择24行的一个，并且把这个输出提供给带通处理电路640。控制电路610输出一个控制信号660以连续地通过6条选择线路选择24行中的一个。
如图10所示，由输出切换电路635执行输出切换操作，其中输出切换电路635包含3个74HC4051、8个信道的模拟多路分解器1005、1010、1015。输出切换电路635以比输入切换电路625快24倍的同步速率进行操作。因此，当由输入切换电路625选择每个列导电线路时，输出切换电路635逐一地和连续地选择24行中的一个直到整个阵列已经被选择了为止。
带通处理电路640包含一个100kHz的带通放大器和带通滤波器。带通处理电路640在大约100kHz时具有一个非常选择性低的500的噪声增益。因为由带通处理电路640从输出切换电路635接收的耦合的RF信号的振幅是非常小的，通常小于5毫伏(MV)，所以这是必要的。带通处理电路640放大和滤波耦合的RF信号，并且路由选择放大和滤波了的耦合的RF信号到控制电路610用于分析。
RF扫描电路675还包含一个AC到DC转换器645。AC到DC转换器645与控制电路610和带通处理电路640通信。AC到DC转换器645把从带通处理电路640接收的放大和滤波了的耦合的RF信号的波峰转换为DC电平信号，并且路由选择到控制电路610。每个交叉点的典型的DC电平被保存在控制电路610的一个随机存取存储器(RAM)中，以确定在每个交叉点上存在或者没有手指。
图7是一个流程图，表示了由控制电路610执行的、当人类手指进入由交互式读书系统600中的RF扫描电路675生成的RF区时感知手指的邻近的操作。最初，控制电路610读取和存储在在RF区中没有人类存在时矩阵630的所有值，以获得用于每个交叉点的一个参考值(步骤705)。把矩阵630的逐行扫描与参考值进行比较，以确定人类手指或者其它手指或足趾(digit)的邻近。
一种被实现用以保证在没有人类手指或足趾穿过RF区时完成初始参考扫描操作的方法是：当体现了本发明的交互式读书系统处于“关闭”位置时控制电路610获得初始读数。图1显示了具有一个中心铰链的交互式读书系统的一个典型实施例。当铰链被闭合时启动切换，因此允许控制电路610知道交互式读书系统何时处于允许无误差初始化的关闭位置。可以使用其它技术来确保无误差的参考扫描，诸如在生产交互式读书系统期间读取初始的交叉点值并且把它们存储在闪速ROM中。
在存储了初始值之后，连续地扫描矩阵630，并且把结果与参考值进行比较(步骤710)。如果任何单个交叉点值具有与参考值的、大于一预定数量的差值，则控制电路610确定这个差值是否足以指示一个有效的人类手指或足趾输入的存在。为了做出这个确定，控制电路610基于扫描的每行导电线路的最高差值计算一个阈值(步骤715)。每行导电线路的最高值被一起求和，并且除以行导电线路的数目，以获得这个动态阈值。由于人类手指或足趾能够远离4英寸，其能够影响由矩阵630输出的读数，所以阈值对于每次扫描来说是动态的。这个动态阈值电平确保算法没有看到来自悬停在矩阵630以上的手或者身体部分的无意输入。一旦计算了该值，控制电路610就查看任一交叉点值是否超过了阈值(步骤720)。如果是这样的话，则算法检查输入的信号以确定哪个交叉点已经被激活了。
矩阵630能够清楚地看到使用一个伸出的指示手指(即，人类手指或足趾)在.375″中心上的交叉点的单个指示激活。一个手指使一个交叉点差值实质上比所有其它的差值高，因此消除了查找输入中心的需要，如果阵列分辩率实质上小于典型的指垫(finger pad)，则这将是要求的。如果看到了单个点(步骤725)，则控制电路610分析输入的坐标，并且播放一个相应的从存储器615中检索的与这个输入有关的音频文件。另一方面，如果输入信号不是被清楚定义了的单个输入，则控制电路610根据任何一种算法检查输入信号以确定正确的坐标。
一种算法查看是否有一个被定义了的最北的点(步骤730)。北(“N”)被定义为如图1所示的交互式读书系统的顶端。从测试中注意到，在很多情况下用户将把整个手放置在矩阵630上，并且伸出指示手指到正被选择的单词，字母或者图形。由于交互式读书系统被设计为使用户坐在系统的前面，所以指向北的手指的情况是常见的。当看到了一个被清楚定义了的北方点时，用于这个点的坐标由控制电路610进行处理。
如果最北的点不能被分辨，则算法查看是否有一个从一串输入中突出的被清楚定义了的单个点(步骤735)。这种情况表示用户可能正从相对于书来说的一个斜角进行指示，或者是斜坐在交互式读书系统前的侧面的第二个用户诸如父母正在进行选择。在这种情况下，控制电路610处理从输入串中单独突出的点(步骤750、755)。
如果上述的情况都不适用，则控制电路610分析从一个未被定义的输入中导出的未被定义的输入数据(步骤740、745)，并且提示用户使用一个手指做出选择。这种算法被设计为接受使用手指在很敏感的手指读取设备上选择一个输入的目标对象的现实世界选择参数。
图8显示了在控制电路610和存储器615(其可能包含被插入到ROM插槽130中并且从其中移走的ROM盒135)之间的互连的示意图。控制电路610经由连接器JP11发送控制信号655到输入切换电路625。控制电路610还经由连接器JP12发送控制信号660到输出切换电路635。
图11显示了依据本发明的带通处理电路640的示意图。带通处理电路包含一个滤波器部分和一个放大器部分。在矩阵630的行导电线路上的耦合的RF信号具有一个非常小的振幅，(例如5mv或者更少)，并且矩阵630是一个高阻抗源。希望放大器部分具有在大约100kHz时的500的总增益、和大约500K欧姆的输入阻抗。这是具有低噪声要求的50MHz的增益带宽积。非常少的op-amps能够实现它，并且那些op-amps能够是非常昂贵的。为了这些原因，必须使用分立式晶体管设计。晶体管的数目必须被保持在最小值以保持噪声系数低。
包含Q4的输入阻抗缓冲器具有500K欧姆的输入阻抗，并且被设计为用来自矩阵630的2.5V的偏压进行工作。电阻RP1设置DC偏压，而RP2设置AC增益大约为3。R38和C8组合防止任何电源轨迹噪声(powerrail noise)到达Q4和Q5。
第一增益级包含提供大约6.5的第一增益级的晶体管Q5。调整电位器VR1为放大器部分设置整体的AC增益。电容器CP1和CP2允许在100kHz频率的增益被放大，并且使较低的频率在大约70kHz开始下降，以使不需要的频率在放大器以外。60Hz的蜂鸣声和它的谐波是要避免的最大的信号，并且能够比期望的信号大1000倍。在Q5的集电极处的DC电平随成分值和温度而变化。R38的使用把这些变化限制为+/-0.5V，并且C2被用来防止这些变化到下一级。
滤波器部分使用L-C带通滤波器以获得高增益、缓和的Q、和非常低的噪声。这个滤波器还必须可由一个在电位器核心L1中的铁氧体铁芯进行调整。电容器C4和C3分别给出了一个粗略的和精细的共振频率的调整。电阻R42破坏了电路中的Q，使得它对在100kHz的源频率中的变化更不敏感。它还把AC增益限制为大约4。
阻抗缓冲器Q10是一个晶体管，其在TP1提供了一个高的驱动性能，并且还防止加载L-C振荡回路(tank circuit)LI、C3、和C4。Q6和Q10的DC偏压由R39和R40设置，并且不受其它部分的影响。在Q10的发射极处的信号由VR1设置为100kHz正弦波的2.4V峰间值(peak-to-peak，P-P)的平均值。
AC到DC转换器645以100kHz的频率进行操作，并且包含晶体管Q7、Q8、Q9、和Q11。一旦耦合的RF信号已经被放大和滤波了，就必须把放大和滤波了的RF信号转换为DC电平信号。在扫描矩阵630的交叉点时，DC电平信号的振幅发生改变。因此，AC到DC转换器645必须具有一个快速的响应。AC到DC转换器的DC输出跟踪在几个周期内的正的振幅变化，并且跟踪在100kHz的大约10个周期中的负的振幅变化。
TempCo偏压电路包含晶体管Q7，其是一个获得Q7的基极到发射极电压并且在它的集电极处使其双倍的电压(Vbe)倍增器。这个1.2V的参考电压随温度而变化。在电路中的其它晶体管将会受到环境温度的影响，所以当温度增加时，在TP2处的DC电平将会增加。Q7参考电压下降了为使在TP2处的DC电平与温度保持恒定所需要的数量。
峰值整流器部分包含晶体管Q8和Q9。在TP1处的信号是由C11隔离的DC。由TempCo偏压电路在1.2V提供一个新的DC电平，所以AC信号的下波峰为0，而正峰值为2.4伏。晶体管Q8使用正峰值来通过R48对C6充电。电阻R48设置AC到DC转换器的“上升时间(attack time)”。由R49设置用于C6的放电时间或者“保持时间(hold time)”。就在阵列中可能存在的所有情况来说，在Q9的发射极处的信号从零伏到大约0.6伏。
由于控制电路610要求一个较大的电压摆动，所以使用了一个DC增益部分。晶体管Q11采用这个0.6伏的摆动，并且把它增加到4伏的摆动。晶体管Q11被称作电流反射镜，并且ANALOG VCC的实际电压没有影响输出的DC电平。设置调整电位器VR2以便使在TP1处的2.4V的峰间值(P-P)信号在TP2处导致3.0V的DC电平。
RF振荡器620向阵列提供一个100kHz的正弦波。来自矩阵630的信号是非常小的。为了使这些信号不会在噪声中丢失，重要的是尽可能大地向矩阵630提供100kHz。电源605包含一个3.5V到6.5V的输入电池电源电压范围。在输入切换电路625中使用的CD4051多路复用器IC具有最大20V的限制。为了实现系统的最佳性能，由RF振荡器620输出的100kHz、18VAC的正弦波信号必须被调整。
图12显示了RF振荡器620，其包含一个比较器、U1A、一个初级振荡器LM393。当管脚1切换到BAT+6V和地面时，到管脚3的参考电压改变了。通过R9、R10、和C9把这个参考电压的相位延迟型式提供给管脚2。如果L1被短路了而且C7被移去了，则这将产生100kHz的方波振荡。L1和C7的增加使这是一个谐振振荡器。由L1和C7的实际值设置峰值振幅的频率。这能够是从95kHz到105kHz中的任何一个。R10电位器调整初级振荡器到这个固有谐振频率，以便使在C7处的电压为最大的峰间电压。注意到，到R5和R9的反馈来自于C7，所以在初级振荡器的函数中使用了振荡的正弦波的相位。这甚至在电感、电容、和温度发生变化时也有助于在最大振幅处保持频率。为了温度稳定性和为了低阻抗以及由此的高Q，使C7为Mylar电容器是重要的。
电压倍增器包含二极管D1、D3、D4、D5和电容器C1、C3、C4、C8。甚至在3.5V的电池电压时，在Q1发射极处的方波仅仅为3V，但是在C7处的正弦波由于Q乘法而是10V的峰间值。倍增器的第一级执行峰间值整流以在D4的阴极处得到+9V DC。下一级使其加倍到在VDD+18V处的+18V。
一个调整回路被用来通过确保正弦波和+18V被很好地调整而优化系统性能。这通过齐纳D2、电阻分压器R7和R11和Q3来实现。由于+18V增加，所以齐纳D2导通。由于在Q3的基极上的电压增加到.65V的阈值，所以集电极电压降下拉驱动Q1发射极的方波的上电压极限。这个方波的峰值电平确定在C7处的正弦波的峰间电平，其接着设置+18V的电平。所以D2和Q3的动作同时调整+18V和100kHz正弦波的峰间值。
就100kHz的正弦波功率驱动器来说，最高电压正弦波为10V的峰间值。Q2和Q4的动作把这放大到18V的峰间值，但是这是一个电流放大器，所以实际的电平完全依赖于它正驱动的阻抗。由于它使我们逐个地设置放置在每一列上的振幅，所以这是非常重要的。矩阵630决不是完全均匀的，但是从矩阵630接收的电平应当尽可能的一致。可以在距每一列驱动器Mux的+9V节点处位置一个偏压电阻。这些值然后被调整以使阵列均衡，所以即使它们的实际几何结构稍有不同，也在同一电平上接收所有列。
电容器C2和C5是在100kHz的低阻抗，并且耦合和DC隔离来自C7的正弦波。电阻R12到R2和R13向上设置分压器，所以1.65V AC在Q2和Q4的基极处。R2、R6、和R13的偏压串(bias string)提供了.65V的偏压到这两个晶体管。所以甚至在施加AC信号之前，有一个小的偏置电流从Q2的集电极流向Q4的集电极。100kHz的正半周期显示了在R14上的作为1伏峰值的半周期。这使1.5ma的峰值电流通过Q4集电极流到地面。类似地，负半周期显示了来自VDD+18V的在R3和Q2源上的1.5ma。因此，取决于在Mux切换到+9V节点之后选择的阻抗，在JP1管脚2向阵列提供与C7电压异相、并且能够从18V到14V或者更少变化的电流方式的正弦波。
可以为控制电路610和带通处理电路640使用稳定电压(+5V)。为了隔离这两个电路，可以使用100欧姆和1Ouf的一个R-C网络。要求的稳定电压正好在3.5V到6.5V的电池电源电压范围的中间。对于这种情况没有简单的转换器技术。回扫或者“升压”类型的切换转换器被用来调整电压。首先，+6V电池被衰减到一个接近3V的电压，然后它被升压到+5V，而且通过控制3V电平而被调整到那个值。所以它是线性的，调节器后面有一个切换转换器。比较器部分U1B使用来自U1A的斜坡波形，以产生一个大约50％占空度的100kHz的方波。这总是被直接施加到Q8。由于Q8导通并且保存在L2中的能量回扫，所以电流通过L2，并且由于Q8断开，所以电流被切断到C11上。存储和传送到C11的能量数量、以及由此在C10上的电压决定了输出电压。R15和Q6、和通过Q7达到地面的电流决定了在C10上的电压。齐纳D8检查在C1上的电压，并且导通到电阻分压器R19和R21。当C11接近+5V时，Q7开始导通。由于它导通了，所以它下拉在R15上的电压，并且在C10上的电压减小了。这接着减小在C11上的电压，并且实现了一个完整的调整回路。电感LP2和CP1减小了在输出上的摆动波。
图13显示了与图12中的电路的连接器JP4连接的On/Off和I/O支路的示意图。当通过在开关S1上切换来施加电源时，LED D11被照亮了，并且允许来自电池BT1的电源流经连接器JP4。
图14A和14B概括了依据本发明的示范实施例如何实践本发明的一个例子。参见图14A，在步骤1405，在交互式读书系统100(参见图3)上放置一本书305(参见图3)。在步骤1410，通过输出第一坐标控制信号655到输入切换电路625，依据一个预定的输入序列，控制电路610指示把由RF振荡器620生成的一个RF信号输入到矩阵630的一个特定列导电线路中。在步骤1415，通过输出第二坐标控制信号660到输出切换电路635，依据一个预定的输出序列，控制电路610指示由多行导电线路输出从特定列导电线路接收的耦合的RF信号。耦合的RF信号提供了有关人类手指的邻近的位置信息。在步骤1420，控制电路610监控和存储产生的耦合的RF信号的一个或多个电特性。然后为矩阵630中的每一列导电线路重复步骤1410、1415和1420。一旦确定执行了一个完整的扫描序列，借此RF信号被输入到矩阵630的每一个导电线路中(步骤1425)，则控制电路610执行在耦合的RF信号的电特性上的分析(步骤1430)，并且基于该分析从存储器615中检索一个或多个声频讯息(步骤1435)。在步骤1440，声频输出设备650输出由控制电路610从存储器615中检索的声频讯息。
参见图6和14B，在步骤1455，RF振荡器620输出一个RF信号到输入切换电路625。在步骤1460，输入切换电路625依据预定的输入序列指示RF信号到矩阵630中的列导电线路。在步骤1465，输出切换电路依据预定的输出序列指示耦合的RF信号到带通处理电路640。在步骤1470，带通处理电路640滤波和放大耦合的RF信号，并且指示滤波和放大了的耦合的RF信号到AC到DC转换器645。在步骤1475，AC到DC转换器645把放大和滤波了的耦合的RF信号转换为DC电平信号，并且指示DC电平信号到控制电路610。在步骤1480，控制电路监控DC电平信号的电平并且把它存储在控制电路610内的一个存储器中。
本领域技术人员将会理解，能够对以上所述的实施例进行改变，而没有背离它的宽广的发明构思。例如，本发明能够和书一起使用以在不接触在书之下的矩阵630的表面的情况下感知人类手指或者其它手指或足趾的位置。应当理解，RF扫描电路675能够被直接使用，例如没有书或者卡片或者薄板的情况下，但是也能够和在电路上的一个上表面上形成或者印刷的标记一起使用，其中该电路具有通过接触或是将近接触在表面上的位置来对不同位置的指示做出响应的软件。这样，本发明中的RF扫描电路675能够被用来代替在其它读书系统以及在其它教育和娱乐系统中的其它传统的触摸屏。因此，应当明白，这个发明不局限于公开的特定实施例，但是它意图涵盖在如附加权利要求定义的本发明的精神和范围内的修改。

Claims (17)

1.一种对人类手指存在做出响应的交互式读书系统(600)，该系统包含：
(a)一个射频(RF)扫描电路(675)，被配置为在人类手指进入由RF扫描电路(675)生成的RF区时检测手指的存在；
(b)一个与RF扫描电路(675)通信的控制电路(610)；
(c)一个与控制电路(610)通信的存储器(615)，该存储器(615)存储多条声频讯息；以及
(d)一个与控制电路(610)通信的声频输出设备(650)，
其中，当手指进入RF区时，声频输出设备(650)基于由控制电路(610)执行的RF区的分析输出至少一条声频讯息。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：RF扫描电路(675)包含一个导电线路矩阵(630)，其被布置为多个以一定距离间隔的列导电线路和多个以一定距离间隔的行导电线路，该多个行导电线路横向于该多个列导电线路，其中就每一个特定列导电线路来说：
(i)依据由控制电路(610)输出的第一坐标控制信号(655)指示的一个预定输入序列，把一个RF信号输入到该特定列导电线路中，和
(ii)依据由控制电路(610)输出的第二坐标控制信号(660)指示的一个预定输出序列，输出由多行导电线路从特定列导电线路接收的耦合的RF信号。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于：RF扫描电路(675)进一步包含一个RF振荡器(620)，该RF振荡器(620)生成被输入到特定列导电线路中的RF信号。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于：RF扫描电路(675)进一步包含一个与控制电路(610)、RF振荡器(620)和矩阵(630)中的列导电线路通信的输入切换电路(625)，该输入切换电路(625)接收来自控制电路(610)的第一坐标控制信号(655)和由RF振荡器(620)生成的RF信号，输入切换电路(625)依据预定的输入序列连续地路由选择由RF振荡器(620)生成的RF信号到每一个列导电线路。
5.如权利要求3所述的系统，其特征在于：RF扫描电路(675)进一步包含一个与控制电路(610)、和矩阵(630)中的行导电线路通信的输出切换电路(635)，该输出切换电路(635)接收来自控制电路(610)的第二控制信号(660)和耦合的RF信号，该输出切换电路(635)依据预定的输出序列连续地输出耦合的RF信号。
6.如权利要求2所述的系统，其特征在于：RF扫描电路(675)进一步包含一个与控制电路(610)和矩阵(630)通信的带通处理电路(640)，该带通处理电路(640)放大和滤波耦合的RF信号，并且路由选择放大和滤波了的耦合的RF信号到控制电路(610)用于分析。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于：放大和滤波了的耦合的RF信号是AC电压正弦波信号。
8.如权利要求6所述的系统，进一步包含一个与控制电路(610)和带通处理电路(640)通信的AC到DC转换器(645)，其中AC到DC转换器(645)把放大和滤波了的耦合的RF信号的峰值转换为DC电平信号。
9.如权利要求6所述的系统，其特征在于：带通处理电路(640)包含一个带通滤波器和一个带通放大器。
10.如权利要求2所述的系统，其特征在于：RF信号具有大约100kHz的频率。
11.如权利要求2所述的系统，其特征在于：RF信号的振幅大约为18VAC。
12.如权利要求2所述的系统，其特征在于：列导电线路和行导电线路由一个电学上绝缘的薄板隔开。
13.如权利要求1所述的系统，其特征在于：控制电路(610)包含一个微控制器。
14.一种使用交互式读书系统(600)对人类手指的存在做出响应的方法，该方法包含以下步骤：
(a)当手指进入由读书系统(600)生成的RF区时检测人类手指；
(b)存储多条声频讯息；以及
(c)当手指进入RF区时，基于RF区的分析输出至少一条声频讯息。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于：读书系统(600)包含一个导电线路矩阵(630)，其被布置为多个以一定距离间隔的列导电线路和多个以一定距离间隔的行导电线路，该多个行导电线路横向于该多个列导电线路，并且步骤(a)进一步包含：
(a)(i)依据预定输入序列把一个RF信号输入到多列导电线路中特定的一个中；
(a)(ii)依据一个预定输出序列，输出由多行导电线路从特定列导电线路接收的耦合的RF信号；以及
(a)(iii)为每一个列导电线路重复步骤(a)(i)和(a)(ii)。
16.如权利要求15所述的方法，进一步包含：在把RF信号输入到所有列导电线路中之后，分析耦合的RF信号的一个或多个电特性。
17.如权利要求15所述的方法，进一步包含：
(d)放大和滤波耦合的RF信号；以及
(e)把放大和滤波了的耦合的RF信号的波峰转换为DC电平信号。
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