CN1441336A - 检测振动源位置坐标的定位系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种检测振动源位置坐标的定位系统和方法，主要由在空间内分布安装的多个位置坐标可知或已知的振动传感器及其包含A/D变换器的模拟通道，以及DSP构成，DSP通过接口与通用计算机连接。系统利用DSP或通用计算机对由A/D得到的各路信号进行相关性运算，得到由振动源与各个传感器之间的距离差，再运用解析几何方法求解方程组，得到振动点的位置坐标。如果振动源是写字笔在手写底板上触击或摩擦时的噪音，本发明可用于计算机手写输入。

Description

检测振动源位置坐标的定位系统和方法

本发明涉及一种用于检测振动点位置坐标的定位系统及其检测方法，属于计算机数据采集系统中前向通道的数据处理技术领域，主要用于计算机多媒体数据的采集和技术，特别是手写笔位置坐标的检测技术。

随着计算机多媒体技术的普及应用，计算机多媒体数据输入技术中的手写输入技术也得到了迅速发展，各种手写输入技术竞相得到普及应用。其中以电阻膜、电磁感应、电容技术等手写输入技术已经基本发展成熟，以申请号为98101325.4、98248471.5的中国专利申请，及其申请文件内涉及的其它专利技术为代表的超声波手写输入也正在发展之中。但是纵观这些现有的手写输入技术，我们发现他们都有或多或少的缺点。首先，传统的电阻膜、电磁感应、电容手写输入技术都无法离开一块与手写输入系统有电气连接的手写板，手写笔的位置坐标数据的采集都需要依靠这块手写底板来完成，其实现检测的方法，都是检测手写笔在底板上因压力或者电磁感应产生的电信号，因此其应用范围自然受到了手写底板的限制，不可能在其它板面上实现手写输入；其次，超声波手写技术虽然不需要用于手写的底板与系统有电气连接，并且还能够实现手写笔以及其它超声波发射源在三维空间的位置坐标的检测，但是这种技术要求用于手写的笔是一只专用笔，这只专用笔或者能够发射超声波，或者能够有效地反射超声波，才能够实现对手写笔位置坐标数据的采集任务，其检测方法是利用检测超声波在空气中的传播时间，来测量安装在手写笔上的超声波发射器到多个位置坐标在指定的坐标系内已知的超声波接收器之间的距离；或者检一个测位置坐标在指定坐标系内已知超声波发射器所发射的超声波，被安装在手写笔上的超声波反射器反射以后，到达多个位置坐标在上述指定坐标系内已知的接收器的时间，进而得到手写笔的位置坐标。因此，这种方案对手写笔的结构有特殊要求，这也在很大程度上限制了应用的场所。由此可见，现有的手写输入技术都无法用日常通用的各种墨水笔、白板笔、粉笔实现手写输入的目的。

本发明的目的就是针对现有技术的缺点，公布一种能够采集各种日常使用写字笔书写时在二维或三维的位置坐标，以及其它声频发射源在空间的位置坐标的定位系统及其数据采集处理的方法，构成计算机手写输入系统中前向通道的数据采集及其处理的技术方案，应用于计算机手写类多媒体输入技术和产品。

为实现上述发明的目的，本发明采用了以下技术方案；

由在W维空间(W＝2时是二维的平面空间，W＝3时是三维的立体空间)分布安装的至少W+1个在某一特定坐标系内坐标位置可知的振动传感器、分别与每个振动传感器相耦合连接的、与所述传感器的数量相对应的包含有放大器的模拟处理电路通道，一个与上述模拟信号处理电路的输出端相连接的包含有控制器、运算器、存储器的数字信号处理器(DSP)，以及所述信号处理电路与通用计算机连接的通信接口构成，所述每个模拟信号处理电路中还包含有信号采样保持电路和A/D变换电路。在这里，采样保持电路的输入端与所述包含有放大器的其它模拟信号处理电路的最终输出端相连接，输出端与所述A/D变换电路的模拟信号输入端相连接，采样保持电路都还包含有一个采样控制端，该控制端与所述数字信号处理器的一组采样控制输出端相连接，A/D变换电路的与输出端与数字信号处理器的输入接口相连接，而且每个A/D变换电路都还包含有一个信号变换控制端，该控制端与所述数字信号处理器的一组信号变换控制端相连接；在数字信号处理器内的存储器内，包含有数量与模拟信号通道数相等的数据先入先出(FIFO)的存储区块，还包含有一组由控制器执行的控制代码，该控制代码控制通过所述的采样控制输出端，控制所述的每个采样保持电路的采样时间和频率，并通过所述变换控制端同步控制所述每个A/D变换器的输出，按照采样的时间顺序存储到到对应的存储区块；并且所述的控制代码能够控制运算器读取所述数据存储区块内的数据，再通过所述的与通用计算机的接口，将运算器输出的运算结果，按照一定传输格式，输出到通用计算机。

上述结构的电路系统和数字信号处理器，对各个振动传感器所采集到的模拟信号经A/D变换后，采用如下步骤处理，得到振动点的位置坐标：

a.所述的数字信号处理器控制其指令输出端口、数据输入端口，分别接收从各个通道的A/D变换器输出的采样数据，并按照采样的时间顺序和一定的格式，将每个通道的数据，存储到数字信号处理器内的存储器内的各自特定的先入先出(FIFO)的存储区块内，并设定参与运算的数据块的容量尺寸K、循环变量n＝1和循环终止值N，1≤N≤J；

b.所述数字信号处理器内的运算器，首先从预先指定的第一个存储区块内，读取一个容量尺寸为K的数据块，然后再从第二个存储区块内读取最先存入的、容量尺寸为同样为K的数据块；

c.将步骤通过b得到的两个数据块进行相关性运算，如果两个数据块有相关性，跳转到步骤f，如果没有相关性，则继续步骤d；

d.循环重复步骤b，从第二个存储区块内按时间顺序读取第二个、第三个以至第N个容量尺寸为K的数据块，与所述首先从第一个的存储区块内读取的数据块进行相关性运算，直到得到相关结果；

e.对第二个存储区块内参与步骤b或者d所述运算的数据块的存储地址数据进行运算，得到该数据块内特征数据的采样时间，与所述首先从第一个存储区块内读取的数据块中相对应的特征数据的采样时间的时间差；

f.针对第三个直到第W个存储区块内的各个数据块，以相同的规则重复上述步骤b-e，得到所述存储区块内、与所述首先从第一个存储区块内读取的数据块有相关性的数据块中，所述特征数据采样时间的时间差；

g.将通过上述步骤e、f得到的时间差乘以振动在介质中传播的速度，得到振动源到各个振动传感器之间的距离的差值，然后将这个距离差和所述每个振动传感器在特定坐标系内的坐标值，带入相应的方程组，解析得到振动源的各维坐标值，并通过所述通信接口传送到上位机；

h.上述W个N次循环完成后，重复步骤a-g。

上面的步骤是使用专用的DPS芯片实现对经A/D变换后得到的数据的处理。但是本发明也可以将上述步骤中的某些过程放到上位计算机中，使用通用计算机内的CPU来完成上述处理过程。这时，所述的数字信号处理器就是通用计算机内的CPU等单元，相应的数据处理步骤如下：

1.a.所述的数字信号处理器控制其指令输出端口、数据输入端口，分别接收从各个通道的A/D变换器输出的采样数据，并按照采样的时间顺序和一定的格式，将每个通道的数据，存储到数字信号处理器内的存储器内的各自特定的先入先出(FIFO)的存储区块内；

b.所述数字信号处理器，按照某种指定的格式，将存储在所述存储区块内各个通道A/D变换器输出的数据编码，然后将这些编码后的数据，通过数字信号处理器与通用计算机的通信接口，传送到通用计算机内；

c.在通用计算机内的存储介质内，开辟数量与模拟信号通道数相等的先入先出(FIFO)的数据存储区块，并根据所述指定的格式，将接收到的编码数据解码复原为各个通道的数据，再按照每个数据采样的时间顺序，分别存储到所述的各个区块内；

d.所述通用计算机内的CPU，首先设定参与运算的数据块的容量尺寸K、循环变量n＝1和循环终止值N，1≤N≤J；然后从预先指定的第一个存储区块内，读取一个容量尺寸为K的数据块，然后再从第二个存储区块内读取最先存入且容量尺寸为K的数据块；

e.将步骤通过d得到的两个数据块进行相关性运算，如果两个数据块有相关性，跳转到步骤g，如果没有相关性，则继续步骤f；

f.循环重复步骤d，从第二个存储区块内按时间顺序读取第二个、第三个以至第N个容量尺寸为K的数据块，与所述首先从第一个存储区块内读取的数据块进行相关性运算，直到得到相关结果；

g.对第二个存储区块内参与步骤d或者f所述运算的数据块的存储地址数据进行运算，得到该数据块内特征数据的采样时间，与所述首先从第一个存储区块内读取的数据块中相对应的特征数据的采样时间的时间差；

h.针对第三个直到第W个存储区块内的各个数据块，以相同的规则重复上述步骤d-g，得到所述存储区块内、与所述首先从第一个存储区块内读取的数据块有相关性的数据块中，所述特征数据采样时间的时间差；

i.将通过上述步骤g、h得到的时间差乘以振动在介质中传播的速度，得到振动源到各个振动传感器之间的距离的差值，然后将这个距离差和所述每个振动传感器在特定坐标系内的坐标值，带入相应的方程组，解析得到振动源的各维坐标值；

j.上述W个N次循环完成后，重复步骤a-i。

从上述对本发明技术方案的描述来看，本发明对振动的类型基本上没有限制，因此几乎任何手写笔在任何硬质底板上的触击振动、摩擦振动都能够成为成为进行相关性运算的特征波形，尤其是白板笔在普通白板上、粉笔在黑板上触击、摩擦所产生的不规则振动都能够成为进行相关性运算的特征信号，因此非常适合用于在各种教学、会议场合随时记录书写的内容，具有不需要专用笔、不需要书写底板与系统有任何电气连接的优点，极大地扩展了手写输入技术的应用范围。应用于空间定位的情况下，能够在远距离非接触性地侦测振动点或振动源的位置，而不会对被侦测的目标产生任何影响。

下面结合附图来详细说明本发明的实施方案。

图1系统的总体结构图

图2手写笔在底板上摩擦产生的振动的波形示意图

图3系统的电路构成方框图

图4采样保持电路对振动信号采样的示意图

图5三路振动传感器接收到的振动信号及其时间差的示意图

图6振动传感器的一种分布安装结构图

图7振动传感器的另外一种分布安装结构图

图8振动传感器在硬质底板上的一种安装结构和振动在板上传播的示意图

图9数字信号处理器的内部结构方框图

图10系统数据处理的程序流程和数据流程图

图11系统中各路A/D变换器输出数据的存储示意图

图12数据处理过程中主要数据的存储示意图

图13各个存储位置的数据进行相关性运算的关系图

图14数字信号处理器的用于数据传输时的程序流程图

本发明的系统可以实现二维或三维空间内振动点或振动源的位置坐标的检测。为叙述方便，我们称之为W维空间。当W＝2时，就是平面的二维空间，这时需要W+1＝3个振动传感器，并且这3个传感器必须安装在或者位于某个参考坐标系内坐标值不同的三个点上；当W＝3时，就是三维的立体空间，这时就至少需要W+1＝4个振动传感器，并且这4个传感器必须安装在或者位于某个参考坐标系内坐标值不同且不在同一直线上的四个点上。在上述两种不同维数空间的条件下，对于振动传感器的安装要求，在本发明中称之为“分布安装”。由于从解析几何和数学方面来分析，平面几何和立体几何的数学解析具有相同的原理，使用相同的数学工具，因此下面主要以本系统在平面内实现振动点位置坐标的检测为例，结合上述各个附图来说明本发明系统的结构原理和实施方法。

如果本发明应用于平面内实现振动点位置坐标的检测，则至少需要由三个振动传感器103、104、105，以及模拟信号处理和A/D变换电路106、数字信号处理器107构成，如图1所示。为了说明更加清晰简单，在图1中以振动传感器104为原点建立平面参考坐标系XOY，那么振动传感器103、104、105在该平面直角参考坐标系XOY中的坐标分别为P1(a，b)、P0(0，0)、P2(c，d)，上述振动传感器安装在手写底板101上。假设手写笔102的笔尖所在点在上述参考坐标系内的坐标为P(x，y)，该点到上述三个振动传感器的距离分别为D1、D0和D2。因声速在某种介质中的传播速度基本恒定，因此上述的三个传感器的距离还可以用声波在介质中传播的渡越时间来表示，即图中各个距离后面括弧中的t1、t0、t2。三个传感器分别用信号线109连接到模拟信号处理电路106，经其A/D变换后，将变换的结果传输到数字信号处理器(DSP)107中进行处理，处理的结果通过接口电路108传送到通用计算机(上位机)中。如果我们能够得到上述的三个距离值D0、D1和D2中的任意两个，或者渡越时间值t0、t1和t2中的任意两个，就能够利用解析几何的基本原理，通过简单的计算得到P点的坐标值x和y。但是由于我们无法知道手写笔什么时间开始触击手写底板，或者什么时间开始运动，所以我们无法知道D0、D1和D2或者t0、t1和t2的确切值，因此无法直接计算得到点P的x、y值。但是由于我们安装了三个振动传感器，所以尽管我们无法得到D0、D1或D2的绝对数值，但是如果我们得到了这些数值之间的差值，那么只要运用下面三个的方程组中的一个：

就可以得到点P的坐标值x、y。式中，v是声音在介质中传播的速度。那么，我们下面的任务就是通过本发明的系统，得到上面方程组中涉及的渡越时间的差值t10或t01、t12或t21、t02或t20。中的两个。之所以说是两个，是因为“或”字前后的两个时间差是正负相反、绝对值相等的同一个数值，因相减的顺序不同而用不同的符号表示，不能理解为一对时间差值。

图6、图7给出了振动传感器在平面内另外的两种安装方式，即将振动传感器安装在坐标轴上，使得上述振动传感器的位置坐标中的某些方向的坐标值为零，这样就简化了上述方程组的运算。但是基本原理没有任何改变，只需将相应的坐标值带入上述方程组即可。但是这时对于图6中P点的x、y的值，是关于参考坐标系XOY中X轴对称的一对共扼值，图7中P点的x、y的值，是关于Y轴对称的一对共扼值。在这种情况下，需要根据实际情况舍去不符合实际情况的x、y值，得到有意义的解。

上面的叙述已经说明了本发明在几何学方面的基本原理，下面就来说明如何获得上述的时间差。当图1中的手写笔102在手写底板101上运动时，就会产生触击或摩擦噪音，这种噪音的波形可以用波形表示，见图2中的波形201。这个波形是在手写笔的笔尖处产生的，如果手写底板101对于振动的传播是各向同性且速度是均匀的(一般材料都能满足这个基本要求)，或者通过空气来传播这种噪音振动，那么这种噪声振动到达各个振动传感器时的波形都是相同的，只是接收到的时间也随距离不同而不同，幅度随距离的增加而逐渐衰减，那么各个振动传感器接收到的振动信号，如果以振动信号到达特定的振动传感器那一刻为基准时间，在任何相同的时刻，不同的传感器该相同的时刻输出波形的幅值之间的比例是相同的，如图5中的信号波形501、502、503所示。因此，如果用数学变换(如正反傅立叶变换、拉氏变换等)分析不同振动传感器输出的波形，可知各个传感器输出信号的频谱等各种结构是相同的。这样，我们就找到了这样的一个基本方法：不断分析各个振动传感器输出的电信号的结构，然后对这些变换结果作相关性运算，找到频谱完全相同的信号片断，再在这些信号片断内任选一个参考点，然后根据这个作为参考点的信号被上述各路传感器接收到的时间差，得到上述的各个时间差t10或t01、t12或t21、t20或t02中的两个。

图3给出了本发明在二维空间内实现上述方法的电路部分的结构方框图。图中有三路相同结构的模拟信号处理电路，这里仅以其中的一路，即与振动传感器103相连接的一路加以说明。由于手写笔产生的振动信号被振动传感器转换而得到的电信号很微弱，所以这个模拟通道中需要有放大电路301；为了更好地滤除环境噪音的影响，建议插入带通滤波环节302，以消除明显属于环境噪音的干扰信号，具体的通频带可以根据实用的场合设定，还可以通过数字信号处理器107控制设定，属通用技术因此在此不再详述。由于本发明使用数字处理技术来实现前述的傅立叶变换和相关性运算，那么就模拟信号处理通道中就需要一个A/D变换单元304，将模拟信号变换为数字信号，并通过数据总线305将变换结果传送到DPS；为了实现上述A/D变换，还需要一个模拟信号的取样、保持电路303；并且A/D变换电路、采样保持电路都通过控制总线306由数字信号处理器来控制同步工作。这样就构成了一个完整的模拟信号处理通道。数字信号处理器107输出的结果，通过接口电路108传送到通用上位计算机内。图4给出了对模拟信号采样的示意图。由于手写笔尖所产生的振动信号的频谱较宽，一般可以达到十几千赫兹，因此采样频率Fq最少应为最高频率的两倍，这里可以使用激光唱机的采样频率44.1kHz，能够满足绝大多数情况的需要。A/D变换器的量化精度(A/D的输出位数)可以取8bit、10bit、12bit或16bit，一般取10-12bit就基本够用，如果需要较高的量化精度，可以使用16bit的A/D变换器。为了叙述简单，在本发明中将每路A/D变换一次得到的比特数，称为一个量化单位。图中的ΔT就是采样的时间间隔，是采样频率的倒数。尽管这时振动信号中ΔT时间段内的一段信号401被忽略，但是只要采样频率足够高，就不会对后面的处理结果产生很大影响。图2、图4、图5以及后面信号波形图所涉及的坐标系中，A均为幅值，T均为时间，且所有振动信号的取样方法都与图4所示的相同。

振动传感器随使用传感器的种类不同，在手写底板上的安装方式也不同，通常有两种方式。第一种是使用能够检测空气振动的传声器作为振动传感器，这时可以将传声器通过吸盘、支架等辅助件，按照图1、图6、图7所示的方式，直接安装手写底板的周围；图8是振动传感器的一种结构和相应的安装结构。这种振动传感器是一种能够检测到在手写底板中传播的振动的压电传感器801，其振动接收面802附着在手写底板101上，手写笔的笔尖803所产生的振动沿着手写底板表面，按照805所指示的方向，瑞丽波804的形式传播到传感器801。这种安装方式比较适合固定使用的场合，也按照图1、图6或图7所示的结构，直接将传感器固定在手写底板的周围。

图9是数字信号处理器的内部结构方框图，以及数据处理部分与外部电路的连接示意图。从图中可以看到，整个数字信号处理器与其它用途的数据处理器没有本质上的区别，也是由控制器904、用于存储程序代码和数据的存储器905、进行各种变换、运算的中心运算器906、采样I/O端口903、与上位机的通信端口907构成。图3中三路A/D变换器的输出通过数据通道901连接到采样I/O端口902上，同时该I/O端口还有用于采样控制输出通道902，相当于控制总线306的集合。虽然这个数字信号处理器的结构没有特殊之处，但由于采样得到的数据量很大，运算程序复杂，因此要求数据处理速度的较高，一般的单片机系统难以处理这样大的数据量，应当使用DSP构成。本发明可以使用通用的DSP，如美国德州仪器公司的TMS320系列产品，也可以使用的专用的DSP，根据实际需要来设计，在大批量应用时具有成本优势。

图10是在上面介绍的结构的基础上，实现本发明目的所必须的程序流程图及其数据流程图。图中的实线箭头表示程序的运行顺序及其数据交换的方向，虚线箭头仅表示部分关键数据的交换流程。从图10可以看到，本发明系统的工作程序主要分为两大部分：第一部分的功能主要是振动信号采样及其控制、采样数据的存储等操作：第二部分的功能是处理第一部分存储的数据，进行各种变换、运算，得到手写笔尖所在位置的坐标值，而后传送到上位通用计算机。下面结合其它附图，分别介绍这两个部分的工作流程。

数字处理器首先经步骤1001初始化，然后进入启动程序1002，然后通过控制器向采样保持电路和A/D变换电路发出采样和变换指令，进入采样步骤1003。一次采样完成后，进入下一步骤1004，接收各路A/D变换后的数据，再执行存储器写入步骤1005，将三路A/D变换数据存储到存储器905内的特定位置。上述数据在存储器内的存储结构和方式见图11，各路数据都有自己特定的存储位置，即前文所述的第一个、第二个和第三个存储区块分别存储由第一路、第二路、第三路的A/D变换器的输出而得到的数据。事实上每个存储区块都是一个FIFO(先进先出)的随机存储器，而且这个存储区块容量M应当足够大，如果以前述的“量化单位”为基本存储单元，则M应该按照下面的下面的公式计算得到：

M＝(Max(D0，D1，D2)/v)*Fq以保证无论手写笔位于手写底板上的任何位置时，任何一个由手写笔产生的振动信号都不会被因存储器溢出而丢失最先进入的有效数据。由于每个存储单元只能存储连续波形上某一点的A/D变换的量化值，因而需要设定参与运算的数据块的大小。这个数据块的大小是人为设定的，一般以能够存储几个完整的波形的量化数据为宜，假设大小为K，那么整个存储区块内可以存储

J＝M/K(J最好为整数，以便于分割)个数据块。K的设定可以在步骤1002中完成。上述各个存储区块中，用于存储我们设定的“第一路”A/D变换输入数据的第一个存储区块可以例外，即图9中用于存储A/D变换器304输出数据的存储区块1101，可以只存储一个数据块，即存储容量等于K即可。这是因为如果我们设定了该通道为基准通道，那么这一路的数据将随着数据的输入而立即被变换，达到设定的数据量后，即构成尺寸为K的“数据块”后，立即用于与其它两路的数据进行相关性运算，因此不需要存储大量的数据。只有在特殊情况下，如遇到无效数据需重新运算时，才需要存储多于一个数据块的数据量。用以保证有足够的数据量使相关性运算的结果更精确。这时第二个存储区块1102、第三个存储区块1103的容量M应按照上述的各个公式得到，以保证上述的数据的有效性。其余两路的数据通过联动的地址指针1105，按照采样的顺序存储到“第二个”、“第三个”存储区块内的每个存储单元1104内。

数据存储步骤完成后，程序返回到1003，开始下一次采样存储循环，同时一个启动信号也被传送到控制器904，在控制器的综合控制之下，该启动信号与系统启动信息共同控制运算器启动。运算器启动后首先设定一个第二路的循环变量n＝1和循环终止值N，并且1≤N≤J，然后执行步骤1006、1007，是从存储器905内的指定位置读取上述“第一路”和设定的“第二路”的数据，同时进行前述的数学变换操作。当上述读取的数据达到设定的数据块的尺寸K时，进入相关性运算步骤1008，将上述第一路和第二路的数据块进行相关性运算，然后通过步骤1009判断本次参与运算的两组数据是否有相关性。如果这两组数据有相关性，那么程序执行解析上述数据块地址信息的步骤1010，根据数据的存储位置，得到相关信号的时间信息。之所以解析地址信息，是因为储单元的地址信息还有时间记录的功能。这是因为取样频率Fq是固定的，所以每个存储单元写入数据的时间间隔也是固定的，因此只要检测地址参与相关性运算并得到相关性结果的数据块的地址，就能够得知这些数据写入存储器的时间与上述第一路数据写入存储器的时间之间的差值，得到前述的时间差。更精确的方法如图5所示，在振动波形上选择特定的点，找到该特定点经A/D变换后得到的数据在所述数据块内的存储单元的地址，来计算上述时间差。当然，如果第一次运算就得到了相关性结果，那么就表明这两组数据就是同时被振动传感器接收到的，手写笔尖与两路振动传感器之间的距离相等，时间差为0。如果通过步骤1009的判断没有得到相关性结果，那么程序转而执行步骤1016，判断循环的次数n是否小于N，如果结果是否定的，则执行步骤1017，继续读取上述设定的第二路数据的下一个数据块，重复上述的步骤1008、1009，直到步骤1009的判断结果为“Yes”时，通过时间差解析步骤1010得到上述的时间差，然后将这个时间差存储到存储器905中的缓存之中，供后面坐标值解析程序使用。如果n＝N，则跳转执行步骤1011，设定第三路的循环变量n＝1，而后执行步骤1012。上述各种运算的中间结果也存储到存储器905中的中间结果存储器1201中，如图12所示。

当上述判断有一个成立后，并通过步骤1010得到上述时间差之后，通过步骤1011重新设定循环变量进入步骤1012，开始读取设定的“第三路”的数据，然后重复与前述步骤相同操作的相关性运算1013、相关性判断1014、循环变量n的判定1018、第三路数据读取操作1019，在得到相关性结果之后，通过步骤与步骤1010相同的操作步骤1015有相关性的数据块之间的时间差，并存储到存储器905中的缓存内。同样，上述运算的中间结果也存储到1201中。由于相关性运算的中间数据量也非常大，所以中间结果存储器的存储容量也要求较大，因此DSP的硬件和程序设计中需要保证这个存储器的容量。图12中的1202是不包含数据存储器的DSP单元，其中含有采样I/O端口903、控制器904、中心运算器906、通信端口907和包含在存储器905中的程序存储器。

当前述方程组所需要的时间差都得到以后，控制器控制运算器进入步骤1020，根据前述的三个方程组求解手写笔的位置坐标x、y，在得到x、y值之后，控制器执行步骤1021，将x、y的值通过通信端口907输送到接口电路108，最后传送的上位通用计算机中。

上述能够被中心运算器906执行的程序代码也存储在数字信号处理器107的存储器905中。但是这种系统结构和数据处理方式不是唯一的。鉴于现在通用PC计算机的运算速度越来越快，功能也越来越强大，配合越来越完善的操作系统，多任务处理的能力已经足够将上述数字信号处理的任务交由通用计算机来执行，加之USB等高速通信接口的普遍应用，因此本发明的系统构成还可以由上述结构加上通用计算机，构成本发明另外的实施例。这样上述数字信号处理器可以由一套高速的单片机系统构成。实质上，单片机系统与DSP系统相比较，最大的区别在于系统软硬件的复杂程度，而如果将数字信号处理的任务交由通用计算机完成，将会大大降低系统的成本。这时，本发明系统的外设部分的基本结构与图1和图3相同，但输出端口108应与通用计算机相连接。与这种结构对应，数字信号处理部分的程序流程见图14。这时数字信号处理器所要完成的任务只有A/D变换数据的接收和传输，仅包含图10所示的程序和数据流程图中步骤1001、1002、1003、1004、1005和1022。中心运算器906的任务也由信号变换、相关性运算简化为数据的输入输出，以及期间必须的格式编码工作。从输出端口108输出的数据传输到上位通用计算机内以后，通用计算机内的CPU按照前述的方法，在通用计算机的存储器内开辟足够容量的第一个、第二个和第三个存储区块，将其从通信接口108接收得到的数据重新按照上述“第一路、第二路、第三路”的设定存储到上述存储区块内，然后启动上位通用计算机内的执行程序，在设定K、循环变量n＝1和循环终止值N后，接续图10中的其它步骤，完成数据变换、相关性运算、坐标值解析等任务。由于通用计算机内部对数据处理的方法、步骤与数据在上述数字信号处理器107中的方法和步骤相同，因此在这里不在重述。与在DSP中处理上述数据的不同之处，主要是指令系统的差异导致的指令代码的不同，并且这些数据运算的指令都存储在通用计算机内存储器的存储介质内，由通用计算机系统内的CPU来执行。

本发明中涉及的一个主要运算是相关性运算，是信号处理系统常用的一种信号处理方法，尽管运算比较复杂，但是确是一种非常成熟而且应用极为广泛的运算方法，可以参考相关“信号与系统”方面的教科书和参考资料，如：沈琴、李长法编著，北京广播学院出版社出版的《非线性电子线路》；郑君里、杨为理、应启珩著、高等教育出版社出版的《信号与系统》等书籍。

图13是对于图10中数据处理流程的进一步说明，给出了相关性运算的循环关系和方式，其中每一个存储区块给出了N个数据块。图中1104是图11中的基本存储单元，B1、B2→BK共K个存储单元构成了一个参与相关性运算的数据块，其中第一路的数据块中每一个存储单元都是振动信号波形501上对应点的量化值。对应于图10中的程序流程，相关性运算的过程如下：被读取的数据块1311首先与第二个存储单元中的第一个数据块1321进行相关性运算，如果得到相关性结果，就执行步骤1010解析时间差值，然后设定第三路的循环变量n＝1，数据块1311转而开始与第三路的数据块1331进行相关性运算，并且重新设定第二路的循环变量n＝1；否则继续与数据块1322、1323进行相关性运算。如果一直得不到相关性结果，就一直进行相关性运算直到循环变量n＝N，即N个数据块都与1311进行过一次相关性运算。在这期间一旦得到相关性结果，就转而执行步骤1010，并重新设定循环变量n＝1。当第二路得到相关性结果后，数据块1311再开始与第三路的数据块1331开始相关性运算，循环、跳转、循环变量的设定与与图10中给出的步骤相同：一旦得到相关性结果，就解析时间差值、解析坐标值，而后跳转回到原来的步骤，重新读取最新存入的的数据块，再次开始与第二路原有的和最新存入的数据块进行相关性运算，往复循环直到系统停止运行。在系统执行上述步骤的过程中，存储器905依然在不停地接收各路送达的数据，存入各个存储区块，为相关性运算提供新的数据。

从上述的叙述可以看到，当振动点即手写笔尖的触击点的位置坐标变动不是很剧烈的情况下，在存储区块内的一个数据块被更新一次的周期内，即在数据块的更新周期：

T＝K/Fq的时间内，运算器904应当完成与2N个数据块进行相关性运算、时间差和坐标值解析的任务，因此要求数字信号处理器有非常高的运算速度，这就是本发明需要使用DSP的原因。N的值设置得越大，对速度的要求就越高，因此N的值应当较小些。但如果N的值设置太小，如N＝1，那么当手写笔运动的速度太快时，就会因为有相关性的数据块相互错过而无法得到时间差导致出错，这一点通过对图13中各个数据块的时序分析可以证明。因此，N应当设置一个合理值，兼顾DSP的成本和坐标检测的有效性。如果使用通用计算机来执行上述运算，是一条低成本的解决途径。

上面的实施例是针对以手写笔为振动源时，振动源或振动点在二维空间内的位置坐标的检测，即在平面内的坐标的检测。但是本发明的方法和结构形式还可以用于检测振动源在三维立体空间内的坐标值，这时前述的W＝3，并且振动源也不限于写字笔在手写底板上的触击或摩擦振动，可以是其它多种形式的振动源。因为从原理上来讲，仅仅是平面几何与立体几何之间的区别，对于振动点的坐标，除了上述的坐标值x、y以外，只需要再求解一个Z方向的坐标值z，即振动点为P(x，y，z)。这时图1中的振动传感器的数量为W+1＝4个，模拟信号处理通道也增加到W+1＝4路，存储区块的数量也增加为W+1＝4个。程序流程中相关性运算的循环次数也由2各N次增加到3个N次，即随维数W而变且等于W。同时，求解坐标值的方程组也变成一组三元二次方程组。如果以第一个振动传感器所在的位置为原点建立三维直角参考坐标系，就能够得到所述的三元二次方程组方程组的一个实例：

式中，a、b、c是第二个振动传感器在三维直角参考坐标系XYZ中的位置坐标，d、e、f是第三个振动传感器在上述参考坐标系XYZ中的位置坐标，g、h、i是第四个振动传感器在上述参考坐标系XYZ中的位置坐标；t0、t1、t2和t3分别是振动点发出的振动波传播到第一、第二、第三、第四个振动传感器的渡越时间，t10、t20、t30是第二、第三、第四个振动传感器对应的上述渡越时间，与上述振动点发出的振动波传播到第一个振动传感器的渡越时间之间的差值。其它参数与前面二维情况下给出的方程组中相应参数的意义相同。当然，与二维情况下的原则相同，时间差还有其它的选取方式，如以第三个振动传感器接收到振动源的振动波的时间为基准，得到t03、t13和t23等时间差，但这时上述的方程组也需要随之改变为相对应的结构。其它符号的含义，与前面二维条件下给出的三个方程组内符号的意义相同。

在三维的情况下，本发明更适用于以气体或液体为振动传播介质的条件下，对振动点位置坐标的检测，与此对应，本发明使用的传感器也应当是适合在这些种类的介质中检测振动的传感器。

Claims (8)

1.一种空间振动源位置坐标检测定位系统，由在W维空间分布安装的至少W+1个在某一特定坐标系内坐标位置可知的振动传感器、分别与每个振动传感器相耦合连接的、与所述传感器的数量相对应的包含有放大器的模拟处理电路通道，一个与上述模拟信号处理电路的输出端相连接的包含有控制器、运算器、存储器的数字信号处理器(DSP)，以及所述信号处理电路与通用计算机连接的通信接口构成，其特征在于：

 所述每个模拟信号处理电路中还包含有信号采样保持电路和A/D变换电路，所述采样保持电路的输入端与所述包含有放大器的其它模拟信号处理电路的最终输出端相连接，输出端与所述A/D变换电路的模拟信号输入端相连接，所述采样保持电路都还包含有一个采样控制端，该控制端与所述数字信号处理器的一组采样控制输出端相连接，A/D变换电路的与输出端与数字信号处理器的输入接口相连接，所述每个A/D变换电路都还包含有一个信号变换控制端，该控制端与所述数字信号处理器的一组信号变换控制端相连接；

所述数字信号处理器内的存储器内，包含有数量与模拟信号通道数相等的数据先入先出(FIFO)的存储区块，还包含有一组由控制器执行的控制代码，该控制代码控制通过所述的采样控制输出端，控制所述的每个采样保持电路的采样时间和频率，并通过所述变换控制端同步控制所述每个A/D变换器的输出，按照采样的时间顺序存储到到对应的存储区块；

并且

所述的控制代码能够控制运算器读取所述数据存储区块内的数据，再通过所述的与通用计算机的接口，将运算器输出的运算结果，按照一定传输格式，输出到通用计算机。

2.根据权利要求1所述的空间振动源定位系统，其特征在于：所述数字信号处理器的存储器内还存储有一组运算代码，该组运算代码包含有一组执行相关性运算的算法程序，能够将第一个存储区块中的数据划分成为若干个指定尺寸的数据块，并且能够将每个数据块，分别与第二个、第三个直到W+1个与振动传感器相对应的存储区块中的每一个数据块进行相关性运算，并根据得到相关性结果的数据的存储位置，计算得到所述第二个、第三个以至W+1个存储区块中有相关性结果的数据块中特征数据的采样时间，与第一个存储区块中与其进行相关性运算的数据块中相对应的特征数据的采样时间的时间差。

3.根据权利要求2所述的空间振动源定位系统，其特征在于：所述运算代码还包含有一组坐标计算代码，该计算代码能够将所述相关性运算得到的时间差值转化为振动源与所述各个传感器之间的距离的差值，再根据所述各个振动传感器在所述坐标系内已知的坐标值，通过求解方程组的方式得到振动源在所述坐标系内的坐标值。

4.根据权利要求1所述的空间振动源定位系统，其特征在于：

在所述通用计算机的存储介质内，包含有一组能够被所述通用计算机的CPU执行的控制代码，该控制代码被执行后，能够在所述存储介质内开辟与模拟信号通道数相等的先入先出(FIFO)数据存储区块，并控制所述CPU通过该通用计算机与所述数字信号处理器的接口，按照所述传输格式接收经所述数字信号处理器输出的各个A/D变换器的数据，分别存储到所述的各个区块内；

在所述存储介质内还存储有一组可以被所述通用计算机的CPU执行的运算代码，该组运算代码包含有一组执行相关性运算的算法程序，能够将第一个存储区块中的每个数据块，分别与第二个、第三个以至W+1个与振动传感器相对应的存储区块中的每一个数据块进行相关性运算，并根据得到相关性结果的数据的存储位置，计算得到所述第二个、第三个以至更多个存储区块中有相关性结果的数据块的采集时间，与第一个存储区块中与其进行相关性运算的数据块的采集时间的差值；

该组运算代码还包含有有一组坐标计算代码，该计算代码能够将所述相关性运算得到的时间差值转化为振动源与所述各个传感器之间的距离的差值，再根据所述各个振动传感器在所述坐标系内已知的坐标值，通过求解方程组的方式得到振动源在所述坐标系内的坐标值。

5.根据权利要求1所述的空间振动源定位系统，其特征在于W＝2，即该系统是一个平面内振动源位置坐标的定位系统，所述的振动传感器的数量，至少是分布安装的3个。

6.根据权利要求1所述的空间振动源定位系统，其特征在于W＝3，即该系统是一个立体空间内振动源位置坐标的定位系统，所述的振动传感器的数量，至少是分布安装的4个。

7.一种使用空间振动定位系统检测振动源在特定空间坐标系内坐标的方法，该振动定位系统由在W维空间分布安装的至少W+1个在所述特定坐标系内坐标位置可知的振动传感器、分别与每个振动传感器相耦合连接的、与所述传感器的数量相对应的包含有串连连接的放大器、采样保持电路、A/D变换电路的模拟处理电路通道，一个与上述模拟信号处理电路的输出端、控制端相连接的包含有控制器、运算器、存储器的数字信号处理器，以及所述数字信号处理器与通用计算机的通信接口构成，其特征为以下步骤：

a.所述的数字信号处理器控制其指令输出端口、数据输入端口，分别接收从各个通道的A/D变换器输出的采样数据，并按照采样的时间顺序和一定的格式，将每个通道的数据，存储到数字信号处理器内的存储器内的各自特定的先入先出(FIFO)的存储区块内，并设定参与运算的数据块的容量尺寸K、循环变量n＝1和循环终止值N，1≤N≤J：

b.所述数字信号处理器内的运算器，首先从预先指定的第一个存储区块内，读取一个容量尺寸为K的数据块，然后再从第二个存储区块内读取最先存入的、容量尺寸为同样为K的数据块；

c.将步骤通过b得到的两个数据块进行相关性运算，如果两个数据块有相关性，跳转到步骤f，如果没有相关性，则继续步骤d；

d.循环重复步骤b，从第二个存储区块内按时间顺序读取第二个、第三个以至第N个容量尺寸为K的数据块，与所述首先从第一个的存储区块内读取的数据块进行相关性运算，直到得到相关结果；

e.对第二个存储区块内参与步骤b或者d所述运算的数据块的存储地址数据进行运算，得到该数据块内特征数据的采样时间，与所述首先从第一个存储区块内读取的数据块中相对应的特征数据的采样时间的时间差；

f.针对第三个直到第W个存储区块内的各个数据块，以相同的规则重复上述步骤be，得到所述存储区块内、与所述首先从第一个存储区块内读取的数据块有相关性的数据块中，所述特征数据采样时间的时间差；

g.将通过上述步骤e、f得到的时间差乘以振动在介质中传播的速度，得到振动源到各个振动传感器之间的距离的差值，然后将这个距离差和所述每个振动传感器在特定坐标系内的坐标值，带入相应的方程组，解析得到振动源的各维坐标值，并通过所述通信接口传送到上位机；

h.上述W个N次循环完成后，重复步骤a-g。

8.一种使用空间振动定位系统检测振动源在特定空间坐标系内坐标的方法，该振动定位系统由在W维空间分布安装的至少W+1个在所述特定坐标系内坐标位置可知的振动传感器、分别与每个振动传感器相耦合连接的、与所述传感器的数量相对应的包含有串连连接的放大器、采样保持电路、A/D变换电路的模拟处理电路通道，一个与上述模拟信号处理电路的输出端、控制端相连接的包含有控制器、运算器、存储器的数字信号处理器，以及通过一个通信接口与所述数字信号处理器相连接的通用计算机的构成，其特征为以下步骤：

a.所述的数字信号处理器控制其指令输出端口、数据输入端口，分别接收从各个通道的A/D变换器输出的采样数据，并按照采样的时间顺序和一定的格式，将每个通道的数据，存储到数字信号处理器内的存储器内的各自特定的先入先出(FIFO)的存储区块内；

b.所述数字信号处理器，按照某种指定的格式，将存储在所述存储区块内各个通道A/D变换器输出的数据编码，然后将这些编码后的数据，通过数字信号处理器与通用计算机的通信接口，传送到通用计算机内；

c.在通用计算机内的存储介质内，开辟数量与模拟信号通道数相等的先入先出(FIFO)的数据存储区块，并根据所述指定的格式，将接收到的编码数据解码复原为各个通道的数据，再按照每个数据采样的时间顺序，分别存储到所述的各个区块内；

d.所述通用计算机内的CPU，首先设定参与运算的数据块的容量尺寸K、循环变量n＝1和循环终止值N，1≤N≤J；然后从预先指定的第一个存储区块内，读取一个容量尺寸为K的数据块，然后再从第二个存储区块内读取最先存入且容量尺寸为K的数据块；

e.将步骤通过d得到的两个数据块进行相关性运算，如果两个数据块有相关性，跳转到步骤g，如果没有相关性，则继续步骤f；

f.循环重复步骤d，从第二个存储区块内按时间顺序读取第二个、第三个以至第N个容量尺寸为K的数据块，与所述首先从第一个存储区块内读取的数据块进行相关性运算，直到得到相关结果；

g.对第二个存储区块内参与步骤d或者f所述运算的数据块的存储地址数据进行运算，得到该数据块内特征数据的采样时间，与所述首先从第一个存储区块内读取的数据块中相对应的特征数据的采样时间的时间差；

h.针对第三个直到第W个存储区块内的各个数据块，以相同的规则重复上述步骤d-g，得到所述存储区块内、与所述首先从第一个存储区块内读取的数据块有相关性的数据块中，所述特征数据采样时间的时间差；

i.将通过上述步骤g、h得到的时间差乘以振动在介质中传播的速度，得到振动源到各个振动传感器之间的距离的差值，然后将这个距离差和所述每个振动传感器在特定坐标系内的坐标值，带入相应的方程组，解析得到振动源的各维坐标值；

j.上述W个N次循环完成后，重复步骤a-i。

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