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    平板 结构 超声波 手写板
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    摘要
    申请专利号:

    CN201010264728.7

    申请日:

    2010.08.27

    公开号:

    CN102375624A

    公开日:

    2012.03.14

    当前法律状态:

    撤回

    有效性:

    无权

    法律详情: 发明专利申请公布后的视为撤回IPC(主分类):G06F 3/043申请公布日:20120314|||实质审查的生效IPC(主分类):G06F 3/043申请日:20100827|||公开
    IPC分类号: G06F3/043 主分类号: G06F3/043
    申请人: 刘中华
    发明人: 刘中华
    地址: 100094 北京市海淀区永捷北路2号天惠华大厦2层
    优先权:
    专利代理机构: 代理人:
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    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201010264728.7

    授权公告号:

    ||||||

    法律状态公告日:

    2016.10.12|||2013.07.10|||2012.03.14

    法律状态类型:

    发明专利申请公布后的视为撤回|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    一种平板结构的超声波手写板,包含有一支手写超声笔,分别安装在各向同性的硬质手写底板边缘上不同位置的至少三只超声波接收器,以及相匹配的信号接收放大处理电路和数据计算处理单元,一条超声信号发射时间的标定通道,以及一个能够安装在超声笔内用于检测书写压力的元件。超声笔包含有超声波发射器,与由硬质弹性材料制造的笔尖机械耦合连接,笔尖还可以使用变幅杆的结构。本发明的手写超声笔还可以是无线手写笔,这时在手写底板上至少需要安装四只超声波接收器。本发明具有结构简、用途广、成本低、精度高、寿命长等优点,在使用透明的材料作为手

    权利要求书

    1: 一种平板结构的超声波手写板, 包含有一支安装有超声波发射器的手写超声笔, 安 装在不同位置的超声波接收器, 包含有与超声波接收器的数量相同超声信号接收放大处理 电路, 分别通过输入输出端口与所述放大处理电路和计算机系统相连接的、 包含有数据处 理器的超声波数据计算处理单元, 一条耦合连接所述超声波发射器和所述数据计算处理单 元、 用于标定超声波脉冲发射时间的信号传输通道, 以及一个能够通过超声笔的笔尖检测 所述超声笔书写压力的压电信号检测元件, 其特征在于 : 所述超声波接收器至少有三只, 分别安装在各向同性的弹性手写底板边 缘的表面上 ; 所述安装在超声笔内的超声波发射器, 其振动输出端与所述超声笔的笔尖耦 合连接, 所述超声笔的笔尖由硬质弹性材料制造。
    2: 根据权利要求 1 所述的手写板, 其特征在于 : 所述超声波接收器安装在所述手写底 板的侧面的不同位置上。
    3: 根据权利要求 1 所述的手写板, 其特征在于 : 所述手写超声笔与所述超声波数据计 算处理单元通过电缆相连接, 作为用于标定超声波信号发射时间的信号传输通道 ; 在所述 超声波数据计算处理单元中, 还包含有一个超声波信号发生器, 通过所述电缆线中的导线, 与所述超声笔中的超声波发射器相耦合连接 ; 所述压电信号检测元件, 也通过所述电缆中 的导线与所述超声波数据计算处理单元相连接。
    4: 根据权利要求 1 或 3 所述的手写板, 其特征在于 : 所述压电信号检测元件, 是一个能 输出与超声笔的笔尖所受到的压力有特定函数关系的电信号的压力检测元件。
    5: 根据权利要求 3 所述的手写板, 其特征在于 : 所述压电信号检测元件是一个压力开 关, 通过所述电缆线中的导线, 串联在超声笔中的超声波发射器和所述超声波数据计算处 理单元中超声波信号发生器之间。
    6: 根据权利要求 1 所述的手写板, 其特征在于 : 所述超声笔中还包含有一个与超声波 发射器相连接的超声波发生电路, 和一个由储能元件构成的电源 ; 所述超声波接收器有四 只, 与此对应所述超声信号接收放大处理电路也有四套, 构成四条信号检测处理通道 ; 所述 标定超声波信号发射时间的信号传输通道, 是这四条信号检测处理中最先收到所述超声波 信号的一条。
    7: 根据权利要求 1 或 6 所述的手写板, 其特征在于 : 在所述超声波数据计算处理单元 中, 还包含有与超声波接收器及其信号放大处理电路的数量相同的 A/D 变换器 ; 所述每个 A/D 变换器的输入端, 都分别与所述各个超声信号放大处理电路的输出端相连接, 输出端通 过 I/O 与所述超声波数据计算处理单元的内部或外部 I/0 接口相连接。
    8: 根据权利要求 1 所述的手写板, 其特征在于 : 所述各向同性的手写底板, 是透明的玻 璃板或由高分子有机材料构成的有机玻璃板。
    9: 根据权利要求 1 所述的手写板, 其特征在于 : 所述超声波换能元件是压电陶瓷。
    10: 根据权利要求 1 所述的手写板, 其特征在于 : 在所述超声笔的笔尖中, 包含有一根 超声变幅杆 ; 所述变幅杆的振幅放大端, 是手写笔的书写端。

    说明书


    平板结构的超声波手写板

        【技术领域】
         本发明涉及一种用于计算机的手写输入装置, 属于声学信号发生和采集技术领 域, 尤其是在声学技术在计算机数据输入技术领域的应用。技术背景
         现有的手写输入技术, 主要有电阻膜技术、 电容感应技术、 电磁感应技术、 红外光 学技术、 电磁感应技术、 空间超声波技术、 表面声波技术。使用这些技术构成了若干种基本 的手写板技术方案, 满足了很多应用。 但是这些技术也都有各自的缺点, 因此限制了他们在 某些领域的应用。例如在全平的大尺寸的手写平板电脑应用领域, 这些技术的应用都受到 了很大的限制。其中, 电阻膜技术、 感应电容技术存在透光性差、 在应用时手掌或手腕不能 压在屏幕上而容易疲劳的缺点, 而且电阻膜技术还有不耐擦刮的缺点 ; 红外光学技术、 表面 声波技术、 空间超声技术存在的问题是 : 因为检测传感部件都要位于手写板的上表面, 所以 用在显示器上, 有传感器件甚至边框需要突出在显示屏幕表面缺点, 不能实现全平 ; 并且表 面声波技术, 还有超声波反射条纹容易被污物影响而不能使用的问题。目前最适合于手写 平板电脑的技术是电磁感应技术, 如号码为 ZL02105382.0 和 ZL03238835.7 的中国专利以 及类似的其他专利, 公开了一类在 LCD 显示屏幕的前面或者后面设置电磁感应层的技术方 案, 可以用于手写平板电脑。但这类技术或者因为构造复杂、 生产成本高而难以普及, 或者 存在透明电极透光性差的问题, 所以也难以满足平板电脑上应用要求。
         申请号为 98101325.2 的中国专利申请中公开了一种利用显示器的硬质表面传播 的超声波来实现手写输入的技术方案, 给出了一种将超声波接收器安装在硬质板或显示器 的硬质表面的背面的基本结构方案, 理论上可以实现全平的书写界面。但是这个方案还不 是完整的技术方案。 首先, 这个方案的基础是假设超声波在有限厚度的、 各向同性的硬质板 中传播的速度是一定的, 没有考虑到其传播模式的复杂性 ; 其次, 这个技术方案公开得不够 充分, 一些必要的技术细节没有被公开, 因为也无法实用。 发明内容 本发明的目的, 就是针对现有技术的缺点, 公开了一种书写表面全平的手写板, 并 可使用透明硬质材质制造书写底板的结构, 用于构建显示表面全平的平板电脑。
         本发明的超声波手写板, 包含有一支安装有超声波发射器的手写超声笔, 安装在 不同位置的超声波接收器, 包含有与超声波接收器的数量相同超声信号接收放大处理电 路, 分别通过输入输出端口与所述放大处理电路和计算机系统相连接的、 包含有数据处理 器的超声波数据计算处理单元, 一条耦合连接所述超声波发射器和所述数据计算处理单 元、 用于标定超声波脉冲发射时间的信号传输通道, 以及一个能够通过超声笔的笔尖检测 所述超声笔书写压力的压电信号检测元件。 在本发明中, 所述超声波接收器至少有三只, 分 其振 别安装在各向同性的硬质底板边缘的表面上 ; 所述安装在超声笔内的超声波发射器, 动输出端与所述超声笔的笔尖机械耦合连接, 所述超声笔的笔尖由硬质弹性材料制造。
         在本发明中, 如果仅从功能的实现来考虑, 所述超声波接收器可以安装在所述底 板的正面或者反面的边缘, 也可以是底板的侧面。 但如果要全部的发明目的, 则超声波接收 器可以安装在手写底板的侧面或者反面, 即可实现手写板书写表面的全平的设计。
         本发明的手写超声笔可以有无线和有线两种结构形式。
         当所述手写超声笔为有线笔时, 超声笔与所述超声波数据计算处理单元通过电缆 相连接, 作为用于标定超声波信号发射时间的信号传输通道 ; 在所述超声波数据计算处理 单元中, 还包含有一个超声波信号发生器, 通过所述电缆线中的导线, 与所述超声笔中的超 声波发射器相耦合连接 ; 所述压电信号检测元件, 也通过所述电缆中的导线与所述超声波 数据计算处理单元相连接。
         当所述超声笔为无线笔时, 所述超声笔中还包含有一个与超声波发射器相连接的 超声波发生电路, 和一个由储能元件构成的电源 ; 所述超声波接收器有四只, 与此对应所述 超声信号接收放大处理电路也有四套, 都成四条信号检测处理通道 ; 所述标定超声波信号 发射时间的信号传输通道, 由这四条信号检测处理中的一路构成。
         在本发明中, 所述压电信号检测元件, 既可以是一个能输出与超声笔的笔尖所受 到的压力有特定函数关系的电信号的压力检测元件, 即压力 / 电信号传感器, 也可以是一 个压力开关。 当超声笔为有线笔时, 可以通过连接超声笔的电缆线将所述压力检测元件与所述 超声波数据处理单元相连接, 这时可以很方便地使用 “压力 / 电信号” 传感器获取使用者书 写时的压力大小, 用于控制超声笔笔划粗细的显示。如果使用只有开与关两个状态的二值 化压力开关用于检测使用者出是否在书写, 则该开关还可以安装在超声笔中用于中由于连 接在超声笔中的超声波发射器和所述电缆线中的导线上。 当然, 这个二值化的压力开关, 也 可以与超声笔内部用于控制超声波发射的电路的控制端相连接。
         当超声笔为无线笔时, 如果没有其他数据传输方式, 那么与压力有特定函数关系 的电信号的压力检测元件的数据就无法传输, 所以一般都使用二值化的压力开关。
         本发明的手写板如果用于显示器的表面构成手写显示器, 则所述各向同性的手写 底板, 可以使用透明的玻璃板或由高分子材料构成的有机玻璃板。
         在本发明中, 因为使用的超声波频率要在几百千赫以上, 因此一般需要使用压电 陶瓷作为超声波发射换能器。超声波换能器与超声笔的笔尖通过机械的方式耦合连接, 为 补偿传输损耗甚至增加笔尖的振幅, 可以在笔尖内包含一个超声波变幅杆, 并将变幅杆的 振幅放大端作为手写笔的书写端。
         在本发明中, 由于板内的超声波的振动传播模式复杂, 所以可以使用模拟 / 数字 变换器, 将接收器收到的模拟超声波信号转换为数字信号, 再通过所述超声波数据计算处 理单元利用现有的数据分析、 计算、 处理方法, 对数字化的超声波接收信号进行处理, 得到 超声笔所发出的超声波在所述板内的传播速度、 传播到各个接收器的时间, 进而得到超声 笔笔尖所在的位置数据。 因此, 在所述超声波数据计算处理单元中, 还包含有与超声波接收 器及其信号放大处理电路的数量相同的 A/D 变换器 ; 所述每个 A/D 变换器的输入端, 都分别 与所述各个超声信号放大处理电路的输出端相连接, 输出端通过 I/O 与所述超声波数据计 算处理单元的内部或外部 I/O 接口相连接。
         发明的益处
         通过对本发明的技术方案的描述, 可以看到本发明的手写板具有结构简单、 用途 广泛、 成本低、 精度高、 寿命长、 免维护等优点。尤其在使用透明的材料作为手写底板时, 本 发明的手写板可以直接安装在各种平板显示器的表面, 作为低成本的输入设备, 应用于手 写屏幕或者平板电脑。 附图说明
         图1: 本发明的基本结构的示意图 ;
         图2: 硬质弹性板中超声波不同传播模式和相速度的曲线图 ;
         图3: 在手写底板侧面安装超声波接收器的结构示意图 ;
         图4: 有线超声手写笔的结构方框图 ;
         图5: 无线超声手写笔的结构方框图 ;
         图6: 超声手写笔的基本结构图 ;
         图7: 手写笔尖中变幅杆的基本结构形状 ;
         图8: 由手写笔尖构成的压力开关的一种结构示意图 ;
         图9: 使用 A/D 变换器的数据处理单元的结构方框图。 具体实施方式
         下面参照附图来说明本发明的原理和具体实施方式。
         图 1 中给出了本发明手写板的基本结构形式。从图中可以看到, 手写笔 106 的笔 尖与手写底板 101 的表面相接触, 笔尖所发射的超声波激励手写底板, 产生向各个方向传 播的超声波振动 107, 到达超声波接收器 102、 103 和 104??刂破?108 的作用是接收、 放大、 处理、 解析超声波接收器所收到的超声波信号, 通过计算得到超声手写笔的书写端在某个 设定坐标系内坐标, 其信号输入端通过导线与超声波接收器 102、 103、 104 相连接, 这些接 收器接收到超声波信号以后, 通过控制器的放大、 滤波、 处理、 计算以后, 得到超声波从超声 笔的笔尖发射出到各个接收器接收到的时间间隔, 在通过数学计算的得到超声笔笔尖在手 写底板上的位置坐标, 然后通过输出端口 110, 传输到使用本手写板的计算机。图 1 中的结 构同时给出了使用有线和无线超声笔的两种结构。如果使用有线超声笔, 则手写笔通过电 缆 109 与控制器相连接, 如图中虚线所示 ; 如果使用无线超声笔, 则在手写底板上加装一个 超声波接收器 105, 通过导线与控制器 108 相连接, 也如图中虚线所示。
         下面来说明图 1 所示结构的物理和数学原理。
         如图 2 所示, 当超声手写笔 106 通过其书写端 201 向手写底板 101 的表面, 以角 度 α 发射沿笔尖方向振动和传播的纵波超声波, 当板厚 H 与超声波的波长可比拟时, 笔尖 将激励手写底板产生非常复杂的振动, 因为手写底板存在上下表面, 所以波的传播以反射 与折射的方式与边界发生作用, 且发生横波和纵波间的模态转换。当入射角 α 为某些数值 时, 还会在板内产生各种模式的导波振动——兰姆波。 于是, 平板中的超声波就呈现出了普 通超声波所不具有的一些特点。最主要的特征就是导波的频散现象和多模式。平板中的 Lamb 波有对称和反对称模式, 对称模式有 S0、 S1、 ……, 反对称模式有 A0、 A1, ……, 参见图 3 中的多条曲线 301。图 3 的示例给出的是铝板中兰姆波的相速度频散曲线。对于板中的 导波 ( 兰姆波 ) 而言, 它的相速度是相同频率波前的传播速度, 是板厚与频率乘积的函数,而模式的形成又与入射角 α 相关。详细的理论分析可参考如下专业著作和论文 :
         《超 声 手 册》 , 冯 诺 主 编, 南 京 大 学 出 版 社 1999 年 10 月 出 版, 统一书号 ISBN7-305-03354-5/0·237 ;
         论文 《大型薄板中超声导波的产生与鉴别》 , 作者冯占英、 周正干、 高翌飞, 刊登于 《无损探伤》 期刊第 31 卷第 5 期, 2007 年 10 月号。
         在本发明中, 虽然超声笔所发射的超声波的频率是固定的, 手写底板的厚度也是 固定的, 但是入射角 α 却是随时变化的, 也就是随着使用者书写时的笔的姿势改变而改 变, 这样手写底板 101 中传播的过程也就随之改变, 因此无论超声波在手写底板中传播的 方式是由固定模式的兰姆波, 还是没有固定模式的其他杂散波形, 超声波的传播的相速度 都是一个未知的变量。 因此在图 1 所示的结构中建立直角坐标系 XOY, 假设超声笔尖所在的 位置 P(x, y) 到各个超声波接收器 P1(x1, y1)、 P2(x2, y2)、 P3(x3, y3) 和 P4(x4, y4) 的直线距离 分别是 D1、 D2、 D3 和 D4, 底板中传播最快的超声波的波速为 v, 传播到到这四只接收器的时间 分别是 t1、 t2、 t3 和 t4, 则:
         当使用有线超声笔时, 因超声波的发射时间和被接收到的时间 ti(i 是各个接收器 的编号, i = 1, 2, 3) 都是已知的, 所以根据图 1 可得方程组 : (x1-x)2+(y1-y)2 = D12 = (vt1)2
         (x2-x)2+(y2-y)2 = D22 = (vt2)2 (1) 2 2 2 2
         (x3-x) +(y3-y) = D3 = (vt3)
         方程组 (1) 中有三个未知数超声笔笔尖的坐标值 x、 y 和未知模态的未知相速度 v, 因此求解方程组 (1) 即可得到上述三个未知数的值。
         当使用无线笔时, 因超声波的发射时间未知, 而被各个接收器接收到的时间的差 值 Δtij(i、 j 分别是各个接收器的编号, i≠j; i、 j = 1, 2, 3, 4), 则可以通过控制器 108 内 的微控制器系统测量得到。假设以第 1 个超声波接收器 102 接收到超声波信号的时刻为基 准时间, 则根据图 1 可得方程组 :
         (x1-x)2+(y1-y)2 = D12 = (vt1)2
         (x2-x)2+(y2-y)2 = D22 = (vt2)2
         (x3-x)2+(y3-y)2 = D32 = (vt3)2
         (x4-x)2+(y4-y)2 = D42 = (vt4)2 (2)
         |t2-t1| = Δt21
         |t3-t1| = Δt31
         |t4-t1| = Δt41
         在方程组 (2) 中, 共有 x、 y、 v、 t1、 t2、 t3、 t4 共七个未知数, 因此对方程组 (2) 求解, 就可以得到这七个未知数的值。
         因为超声波在板中的传播与在空气中或其他无限大的均匀介质中的传播模式有 很大的差别, 因此才有了本发明如图 1 所示的基本结构, 主要是超声波发射和接收部分的 基本结构。
         图 2 还给出了各个超声波接收器 203 在手写底板 101 上的一种安装结构。如图所 示, 超声波接收器 203, 是图 1 中超声波接收器 102、 103、 104 或 105 中一只或所有的接收器 的基本结构, 即由压电陶瓷片和金属电极构成的超声波接收器, 安装在手写底板 101 的一
         个端面 202 上。这样, 既可以使用特定振动模式的超声波接收器来接收传播速度最快的纵 波, 又可以避免接收器暴露在手写底板的表面。
         具体实施中, 其余部分的结构只剩下了构成控制器 108 的、 对各个超声波接收器 所接收到的信号进行放大、 滤波等处理的各个信号调理通道和由微控制器 (MCU) 为核心构 建的阈值信号比较、 传输时间计时、 坐标值计算并通过输出端口传输到使用本发明手写板 的计算机上的信号处理、 传输单元, 以及用于向手写底板发射超声波的手写超声笔的结构。
         首先说明超声笔的实施结构。图 4 和图 5 给出了有线和无线超声笔的实施结构方 框图。两幅图中, 超声笔的笔尖 401 与超声波换能器 402 通过禁锢、 粘接、 焊接等某种连接 方式, 与超声波发射换能器 402 机械耦合连接, 如图中带箭头的联动虚线所示, 以便换能器 发生的超声振动能够以最小的损耗传递到笔尖上。
         对于有线笔, 内部除了换能器 402, 还有一个能够检测到书写时笔尖压力的压力检 测元件 403( 图中压力感应元件 PR)。这几个部件通过连接端口 404 和电缆线 405 与控制 器 108 中的微控制器系统相连接。因为是有线笔, 所以图中的压力检测元件 403, 还可以使 用能输出与超声笔的笔尖所受到的压力有特定函数关系的电信号的元件, 如中国专利申请 201010101907.9 中所公布的各种 “压力 / 电信号” 转换元件, 甚至使用电阻随压力变化的 导电橡胶。压力检测元件 403 输出的电信号, 通过电缆 405 中的导线, 传输到控制器 108 之 中, 通过其处理后与其处理后所得到的坐标信号一同编码, 输出到使用本发明的计算机中, 作为控制显示笔画粗细的一个变量。 本发明中的超声笔, 因为使用的超声波频率要在几百千赫以上, 因此一般需要使 用压电材料制作的超声波发射换能器, 如压电陶瓷换能器。
         对于无线笔, 除了与超声发射换能器 402 机械耦合连接的笔尖 401、 以及压力检测 元件 403 以外, 还包含有一般由模拟或数字元件系统构成的超声波发生和驱动电路 501、 内 置储能元件 ( 一般是电池 )502。
         由于本发明的无线笔本身没有特别设计另外的信号传输通道, 所以一般不使用能 输出与超声笔的笔尖所受到的压力有特定函数关系的电信号的压力检测元件, 而使用只能 检测到通断的二值化压力开关作为书写压力检测元件。
         无线超声手写笔的一般机械实施结构见图 6, 由笔尖 401、 超声波发射换能器 402、 压力开关 403、 外壳 601、 超声发射器支架 602、 限位机构 603、 超声波发生电路 501、 电源 502 等主要部件构成。其中, 限位机构 603 的作用是防止书写压力过大时, 笔尖压坏压力开关 403( 在开关不能承受很大的压力的情况下 ) ; 发射器支架 602 的作用是?;し⑸淦?, 同时也 为发射器匹配合适的声阻抗。
         由于本发明使用的超声波的频率一般要在几百 kHz 以上, 因此一般可用压电陶瓷 来制作以厚度模式振动来发射超声波, 具有成本低效率高的优点。并且, 这里的超声波信 号是被调制的超声波信号, 可选的调制方式有脉冲调制 ( 间隔一定时间发射一组超声波脉 冲 )、 幅度调制或频率调制。
         笔尖 401 是超声波从发射器传播到手写底板上的唯一通路, 要与手写底板相接触 但又不能划伤手写底板的表面, 且要求损耗小, 所以要求材料的弹性模量大、 硬度适中, 可 用有机材料如各种聚合物等来制造。同时, 为了以较小的能量最大限度地激励手写底板产 生振动, 还可以在笔尖中应用变幅杆的设计, 将发射器 402 的微小振动在笔尖的书写端放
         大。 整个笔尖可以由一根变幅杆构成, 也可以在笔尖中包含有一根变幅杆, 例如笔尖的主体 结构是一根变幅杆, 但书写端可以嵌入由其它适合声波传导的、 硬度相对于手写底板表面 低一些的其它材料制造的书写头 ( 图中未画出 )。笔尖的另一端, 即尾端与超声波发射器 402 的振动面相耦合连接的断面, 则可利用各种方式将其与发射器的表面紧密连接, 确保超 声振动尽可能小损耗地被传送到笔尖上。
         图 7 给出了几种变幅杆的基本形状图。图中包含有四种常用的变幅杆 : 圆锥形变 幅杆 701、 悬链形变幅杆 702、 阶梯型变幅杆 703、 指数型变幅杆 704。相关选择设计的理论 和方法, 可参见前面给出的参考资料——《超声手册》 的相关章节。
         由于有线手写超声笔的结构比无线手写超声笔更简单, 甚至不需要内置其它电子 元件, 最简单的结构只需要将超声波发射器、 压力检测元件这两个元件通过导线与控制器 相连接, 故在此不再专门说明其结构, 可参照无线超声笔的结构设计生产。 如果需要内置辅 助电路, 如信号驱动、 更多的功能开关等, 则可以将图 6 中外壳 601 的内部除压力检测元件 之外的全部空间用于安装这些元件。
         对于有线手写超声笔, 还可以简化压力检测元件的结构。如图 8 所示, 在超声笔内 部的某个结构上, 如外壳内壁或某块电路板 804 上 ( 图中给出的是电路板 ) 设置一个静触 点 801, 再在与笔尖机械连接的、 安装超声波换能器的支架 602 上设置一个动触点 802, 并将 笔尖 401 和支架 602 共同通过一个弹性元件 803 连接到超声笔的某个固定结构上, 如外壳 内壁或某块电路板上 804 上 ( 图中给出的是外壳内壁 )。这样这两个触点就构成了一个压 力开关, 两个触点分别串联在超声笔中的超声波发射器和超声波数据计算处理单元中超声 波信号发生器之间。这样当笔尖被压下接通两个触电时, 超声波发射器得到驱动信号而发 射超声波。 本发明所使用的手写底板可以是任何各向同性的硬质弹性材料板, 厚度一般在 2--5 毫米之间。当然可根据实际需要来选择厚度, 只要厚度与所使用的超声波的波长在同 一个数量级之内, 即可以相比拟即可 ; 而超声波的频率可以在几百千赫至几兆赫兹之间。 如 果本发明应用于手写电脑、 手写显示器等的表面, 要求手写底板透明, 这时可以使用玻璃或 者有机玻璃、 亚克力等透明的无机或高分子有机材料制造手写底板。
         构成本发明的另一个部分——控制器 108, 主要由模拟信号处理电路和数字信号 处理电路两大部分构成。其中模拟信号处理部分包含有若干条信号放大电路和滤波电路, 每一只超声波接收器都对应一路单独的放大和滤波电路 ; 数字信号处理电路由微控制器 器系统构成, 包含有与每一路超声波接收器及其放大、 滤波电路相对应的计时器触发电路、 与使用本发明的计算机进行通信的输出端口。如果使用有线手写笔, 还包括超声波发生、 驱动电路及其与手写笔的电缆接口。在本发明中, 模拟信号处理部分和数字信号处理部分 可以使用现有的成熟技术, 如号码为 98242237.7、 98242235.0、 98101663.4、 00133388.7、 00124896.0 等的中国专利所公开的电路原理、 系统结构、 以及数据处理的软件流程。 在这种 结构中, 计时器触发电路可以使用比较器来实现, 通过比较每条模拟信号处理通道所输出 的电平与设定的阈值电平相比较, 来控制计时器的开启与关闭。
         上述电路和系统结构应用在本发明中, 模拟通道的元器件可选用通频带与超声笔 所发射的超声波相适应的元器件 ; 数字处理部分则使用性能较好的单片机及速度相配合的 数字电路即可。
         在本发明中, 计时器触发电路还可以使用 A/D 变换器并通过数值处理软件来实 现, 如图 9 所示的结构。 图 9 给出的是使用有线超声笔时控制器 108 的内部结构。 再图 9 中, 微控制器系统 901 的核心由控制器、 运算器、 存贮器和计时器 A、 计时器 B 和计时器 C 构成, 通过 I/O 端口与三只 A/D 变换器 902、 903 和 904 的数据输出端相连接, 而 A/D 变换器的模 拟输入端, 则分别与三只超声波接收器 102、 103 和 104 相连接的模拟信号处理通道 905、 906 和 907 的输出端相连接。这样, 当超声波发生器输出超声波信号以后, 微控制器系统内的三 只与各路模拟电路相对应的计时器 A、 计时器 B、 计时器 C 开始计时 ; 同时微控制器 901 开始 接收来自各个 A/D 变换器所输出的数据。当有信号出现时, 微控制器利用软件对所收到的 数据进行分析, 在确认所接收的信号的波形 ( 如超声笔所发射的特定频率范围的波形 ) 和 特征点 ( 如最大值、 过零点或者特定相位点 ) 是所设定的数据时, 控制微控制器系统内部的 计时器 A、 计时器 B 以及计时器 C 停止计时, 这样就得到了三组超声波在手写底板内传播的 时间相关的时间值。 再将这些时间值中可知的时间误差, 例如 : 如果采用捕获特征波形并通 过确认特征点到达的时间的方式, 来计算在手写底板传播最快的超声波在底板中的传播时 间, 这样很可能在所述特征点到达之后而特征波形被确认之前, 所述的计时器仍在计时, 这 样计算时间时, 就要减掉这段计时器所多计的时间, 以及其他一些如换能器的迟滞、 超声波 在超声笔在笔尖中传播所需要的时间等误差除去, 得到超声波在板中传播的实际时间, 带 入方程组 (1) 求解, 即可得到超声笔的笔尖在手写底板上的位置坐标。
         对于无线手写超声笔, 控制器 108 中要增加一路超声波接收器和相应的模拟信号 处理电路以及 A/D 变换器, 这时当微控制器系统在确认某一路所接收到的信号是如上所述 的特征波形和特征点时, 则启动与该路对应的计时器开始计时。 此时, 这一路超声波接收器 实际上就起到了时间标定通道的作用。当第二路收到特征波形和特征点后, 则关闭第一路 计时器并启动与该路对应的计时器开始计时, 如此类推即可得到四路超声波信号到达各个 接收器的三个时间差, 在除去与前述有线手写笔相似的时间误差之后, 得到超声波在板中 传播的实际时间差, 带入方程组 (2) 进行求解, 即可得到超声笔的笔尖在手写底板上的位 置坐标。
         在本发明中, 对于从各个 A/D 变换器输出的信号进行分析, 有若干种成熟的方法 可供使用, 如专利号为 200510076769.2 的中国专利所公开的信号采集和处理、 计算的方 法, 以及其中的其他相关内容。本发明中使用微控制器, 可以使用高性能的单片机, 如时钟 频率高达数十兆甚至上百兆的 16 位或 32 位单片机、 FPGA、 CPLD 等元器件, 甚至可以使用 DSP 等性能更强大的数据处理器。
         上述实施例给出了本发明可以实施的一般结构方案, 但是实施本发明可用的实施 方案不只局限于实施例所给出的具体结构。例如手写超声笔其它部分的具体结构, 所发射 的超声波信号的调制形式, 在超声笔上增加其他功能键, 甚至通过设置另外的无线数据传 输通道, 使用与压力有特定函数关系的电信号的元件来替代二值化的压力开关以实现对书 写压力大小的检测, 以及超声波接收器的种类、 振动模式、 在手写底板上的安装位置等具体 结构, 都可以有很多种方案。 因此, 在本发明的基本结构方案的基础上, 对本发明的改进、 替 换、 省略、 移植等技术方案, 均属于本发明的?;し段е?。

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