專利名稱：基于無(wú)線定位的u盤記事本的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及利用超聲紅外進(jìn)行定位和USB存儲(chǔ)的記事本。尤其是指在書寫過程中無(wú)需紙張，通過超聲、紅外信號(hào)對(duì)筆尖軌跡進(jìn)行定位，獲得筆在書寫過程中的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而獲得書寫內(nèi)容。所獲得的書寫內(nèi)容能夠通過USB接口存儲(chǔ)在常用的USB存儲(chǔ)設(shè)備中，如USB硬盤、USB閃存盤、U盤。
背景技術(shù)：
通過查閱相關(guān)資料和有關(guān)專利，主要引證下列專利國(guó)名專利號(hào)
公開日期1.中國(guó)24694912002.01.022.中國(guó)15564982004.12.223.美國(guó)61115652000.8.294.中國(guó)12307121999.10.065.中國(guó)13544102002.06.19隨著我國(guó)教育水平的不斷提高和學(xué)生數(shù)量的不斷增加，僅上課記筆記和寫作業(yè)就要消耗國(guó)家大量的紙張，這在一定程度上不利于環(huán)保與綠化工作，同時(shí)也造成了大量的浪費(fèi)現(xiàn)象。雖然計(jì)算機(jī)正在普及，且計(jì)算機(jī)也有幾十種漢字輸入法，但從分類上看主要是以拼音輸入或字形字根輸入，尤其是對(duì)有大量文案工作的行業(yè)或者中老年人也特別不方便。此外，隨著國(guó)家前不久正式從法律上承認(rèn)數(shù)字簽名的有效性，對(duì)漢字原跡輸入的使用要求也會(huì)飛速增長(zhǎng)。此外，以前的漢字原跡輸入，大多采用電腦手寫筆的方式。傳統(tǒng)的手寫筆必須連接電腦才能使用，電腦的普及程度限制了手寫筆市場(chǎng)的發(fā)展，而且使用手寫筆的同時(shí)眼睛必須看著計(jì)算機(jī)屏幕，只能從屏幕的顯示才能判斷出寫的內(nèi)容正確與否。這種手眼不一致的方式與日常書寫差異很大，需要長(zhǎng)時(shí)間適應(yīng)和訓(xùn)練，因此造成了很大的不便。
朱德忠的實(shí)用新型專利《電磁感應(yīng)式手寫板》，中國(guó)專利，專利公開號(hào)CN2469491Y，本實(shí)用新型提供了一種電磁感應(yīng)式手寫板，包括與電腦相連接的本體及電感式手寫板薄膜，薄膜為一層以上，每層可翻頁(yè)。該薄膜樞接在其本體上，其觸發(fā)方式為電磁感應(yīng)方式；該手寫板各薄膜上的快捷鍵和感應(yīng)區(qū)各不相同，其本體上可增加樞接的上蓋；該手寫板改變了現(xiàn)有手寫板風(fēng)格和功能都是固定的狀況，滿足了在一款產(chǎn)品上變換感應(yīng)區(qū)的風(fēng)格和功能的要求。其局限性在于不能脫離PC機(jī)使用且設(shè)計(jì)復(fù)雜，大大限制了適用范圍。
劉寶，丁永生的發(fā)明《非識(shí)別式手寫輸入方法及其裝置》，中國(guó)專利，專利公開號(hào)CN1556498A，本發(fā)明涉及一種非識(shí)別式手寫輸入方法，其特點(diǎn)是中央處理器讀取輸入筆在觸摸屏上書寫的軌跡，將其數(shù)據(jù)處理形成像素矩陣后于顯示裝置上輸出顯示該書寫軌跡，并將該書寫軌跡轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)于存儲(chǔ)裝置中。本發(fā)明還提供一種實(shí)現(xiàn)該非識(shí)別式手寫輸入方法的信息處理裝置。本發(fā)明能夠同位、同形、同時(shí)地顯示在觸摸屏手寫輸入的原輸入筆跡并將其保存，從而提高了輸入速度，適于大量文字或圖形的記錄，且記錄方式和內(nèi)容更為人性化，實(shí)現(xiàn)電子筆記本的功能。但是由于觸摸屏分辨率較低，而且價(jià)格昂貴，不適用于大眾人群使用，而且沒有配備USB存儲(chǔ)功能，手寫輸入不能方便存儲(chǔ)。
Yonald Chery等的專利《Stylus for Use with Transcription System》，美國(guó)專利，專利號(hào)為6111565，利用接收的超聲波的幅度來確定超聲波到達(dá)筆劃感應(yīng)器的時(shí)間。當(dāng)用信號(hào)筆書寫時(shí)，因?yàn)樾盘?hào)筆與系統(tǒng)的超聲接收傳感器的距離不斷變化，所以系統(tǒng)接收的超聲信號(hào)的幅度也不斷變化。從而導(dǎo)致接收到的超聲波的幅度具有隨機(jī)性，系統(tǒng)僅通過超聲波幅度確定的時(shí)延的隨機(jī)性也大，因而這種系統(tǒng)的精確性較差。
錢躍良的發(fā)明專利《交互式手寫輸入裝置》，中國(guó)專利，專利公開號(hào)為CN1230712A，該發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)和電子技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了一種具有交互功能的手寫輸入裝置，其主要特征是在普通電感式手寫板的基礎(chǔ)上，增加了由單片機(jī)控制的液晶顯示屏，從而實(shí)現(xiàn)了書寫的筆跡、文字和圖形信息的顯示和輸入等交互功能，并能在與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)和脫機(jī)的二種方式下工作。該發(fā)明具有通用性強(qiáng)、成本低、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，非常適合作為計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)漢字識(shí)別輸入系統(tǒng)使用，有著非常廣泛的應(yīng)用前景。但是該發(fā)明受到存儲(chǔ)設(shè)備的限制，不能脫離PC機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。
邵德子的發(fā)明專利《計(jì)算機(jī)中文手寫輸入和識(shí)別方法》，中國(guó)專利，專利公開號(hào)為CN1354410A，該發(fā)明涉及一種在計(jì)算機(jī)上采用手寫輸入中文漢字的方法以及由計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行識(shí)別的方法。本發(fā)明的方法包括書寫輸入筆、寫字板、計(jì)算機(jī)筆劃識(shí)別系統(tǒng)、軟件及相應(yīng)的字庫(kù)。本發(fā)明是通過在計(jì)算機(jī)內(nèi)再建立詞組庫(kù)，并將詞組按二字詞組、三字詞組、四字詞組及多字詞組進(jìn)行分類，并以漢字的部首或部首的簡(jiǎn)記符或者漢字的模糊部首的初寫第一和第二筆劃為輸入單元。它的缺點(diǎn)在于識(shí)別系統(tǒng)精度不高，需要PC機(jī)軟件支持方能識(shí)別，適用范圍不廣。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型提供一種基于無(wú)線定位的U盤記事本，以解決以往相關(guān)手寫板不足手寫輸入定位精度不高，受噪聲、氣溫影響嚴(yán)重，不能實(shí)時(shí)顯示，需要依靠PC機(jī)的軟件支持才能運(yùn)行，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)等問題。目的使手寫輸入與USB存儲(chǔ)巧妙地結(jié)合在一起，完全脫離了PC機(jī)。它采用單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)所接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將處理后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到USB存儲(chǔ)設(shè)備中。本實(shí)用新型采取的技術(shù)方案是整個(gè)系統(tǒng)由三個(gè)部分組成，信號(hào)筆、信號(hào)采集與處理模塊和數(shù)據(jù)處理與用戶接口模塊，信號(hào)筆與信號(hào)采集與處理模塊采用無(wú)線方式連接，信號(hào)采集與處理模塊和數(shù)據(jù)處理與用戶接口模塊連接，其中信號(hào)筆17內(nèi)包括電池21、普通書寫筆芯27、薄膜開關(guān)22、線路板23、力傳感器24、紅外發(fā)射傳感器25和超聲發(fā)射傳感器26，在線路板23上安裝有差分放大器234、微處理器235、紅外驅(qū)動(dòng)電路236和超聲驅(qū)動(dòng)電路237；主要用來發(fā)射定位用的超聲、紅外信號(hào)，電池21與薄膜開關(guān)22連接為整個(gè)電路供電，普通書寫筆芯27與力傳感器24連接，經(jīng)過差分放大器234將力的信號(hào)送入微處理器235；微處理器235還與紅外驅(qū)動(dòng)電路236和超聲驅(qū)動(dòng)電路237連接；紅外驅(qū)動(dòng)電路236和超聲驅(qū)動(dòng)電路237分別連接紅外發(fā)射傳感器25與超聲發(fā)射傳感器26。
在書寫過程中，書寫筆芯27與書寫板接觸后，使薄膜開關(guān)22動(dòng)作，常開觸點(diǎn)接通，紐扣電池21通過薄膜開關(guān)22向線路板23供電，薄膜開關(guān)22動(dòng)作的同時(shí)，將力傳遞給力傳感器24。力傳感器24的輸出信號(hào)送至差分放大器234，經(jīng)放大后送至微處理器235；微處理器235定期采集書寫力度信號(hào)，通過內(nèi)部的A/D變換器，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并定期產(chǎn)生紅外和超聲驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別送至紅外驅(qū)動(dòng)電路236和超聲驅(qū)動(dòng)電路237，紅外信號(hào)中包括書寫力度信息。采用多進(jìn)制脈寬調(diào)制方式向信號(hào)接收處理器14，15發(fā)送書寫力度信息。紅外和超聲驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)紅外驅(qū)動(dòng)電路236和超聲驅(qū)動(dòng)電路237放大后，分別驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射傳感器25和超聲發(fā)射傳感器26，發(fā)射紅外和超聲信號(hào)，然后由信號(hào)接收器14，15接收并將信號(hào)發(fā)送到信號(hào)處理器。
信號(hào)采集與處理模塊中，超聲接收傳感器42、43分別連接第一、二級(jí)放大電路44、45；第一、二級(jí)放大電路44、45分別連接超聲信號(hào)自動(dòng)增益放大電路47、48；超聲信號(hào)自動(dòng)增益放大電路47、48分別連接超聲信號(hào)第四級(jí)放大電路49、410；超聲信號(hào)第四級(jí)放大電路49、410與連接時(shí)延提取電路411連接；紅外接收傳感器41與紅外接收電路46連接，紅外接收電路46連接時(shí)延提取電路411；時(shí)延提取電路411連接微處理器413，微處理器413還與溫度測(cè)量電路412、數(shù)據(jù)處理與用戶接口電路414連接。信號(hào)采集與處理模塊采用基于超聲傳感器的定位方法，以紅外發(fā)射時(shí)間作為基準(zhǔn)，提取筆上發(fā)射超聲信號(hào)到信號(hào)采集與處理模塊接收到超聲信號(hào)的時(shí)延信息(采用PIC系列單片機(jī))，對(duì)筆頭精確定位，定位精度可達(dá)毫米級(jí)。第一、二級(jí)放大電路44、45保證超聲信號(hào)被放大的同時(shí)抑制噪聲的影響；使用自動(dòng)增益放大電路47、48，保證超聲信號(hào)的幅度不會(huì)因?yàn)樾盘?hào)筆的位置改變而有較大的波動(dòng)。另外，超聲傳播速度受溫度影響較大，本項(xiàng)實(shí)用新型中使用溫度測(cè)量電路412，采集溫度信息，并及時(shí)根據(jù)溫度的變化調(diào)整定位算法中超聲傳播的速度，保證定位的精度。
數(shù)據(jù)處理與用戶接口模塊用于完成坐標(biāo)信息的提取、BMP格式的轉(zhuǎn)化、USB設(shè)備的存儲(chǔ)以及鍵盤控制和LED顯示，包括CPU 51、RAM 53、ROM 55、鎖存器52、鍵盤LED接口芯片58、LED 12、鍵盤13、HOST USB接口芯片56和USB存儲(chǔ)器57等，CPU 51分別與RAM 53、ROM 55、鎖存器52、鍵盤LED接口芯片58和HOST USB 56接口芯片連接，RAM 53、ROM 55和鎖存器52連接，HOST USB接口芯片56和USB存儲(chǔ)器57連接，鍵盤LED接口芯片58分別和LED 12、鍵盤13連接。
書寫過程中，信號(hào)筆17按預(yù)先設(shè)定好的頻率發(fā)射紅外和超聲信號(hào)，左超聲信號(hào)接收器14、右超聲信號(hào)接收器14和紅外信號(hào)接收器15分別接收超聲和紅外信號(hào)，在紅外信號(hào)中包括運(yùn)筆力度信息，并進(jìn)行放大、濾波后，進(jìn)行信號(hào)處理。由于紅外信號(hào)是以光速傳播，可以以其接收時(shí)間作為信號(hào)發(fā)射的時(shí)間基準(zhǔn)，信號(hào)處理過程中提取超聲信號(hào)到達(dá)左超聲信號(hào)接收器14和右超聲信號(hào)接收器14的時(shí)延信息，通過計(jì)算將時(shí)延信息換算成坐標(biāo)信息，同時(shí)提取運(yùn)筆力度。最后創(chuàng)建一個(gè)windows可識(shí)別的文件格式，將坐標(biāo)信息按照該可識(shí)別格式存儲(chǔ)到USB存儲(chǔ)設(shè)備中。需要在PC機(jī)上瀏覽所記錄的內(nèi)容的時(shí)候不需要安裝任何軟件來支持，直接就可以點(diǎn)擊打開進(jìn)行瀏覽，快捷方便。
本實(shí)用新型是基于單片機(jī)為核心的“綠色筆記本”，它可以很好的解決目前存在的問題?！熬G色筆記本”是一種設(shè)計(jì)精巧的數(shù)字式手寫輸入電子記事本。它打破了人們傳統(tǒng)的用紙寫字記事的習(xí)慣，直接在書寫板上書寫，無(wú)需紙張。它利用超聲紅外定位技術(shù)，對(duì)筆在手寫板上的位置精確定位，能夠完整實(shí)時(shí)地對(duì)所寫內(nèi)容進(jìn)行記錄，并且通過USB接口將所書寫的內(nèi)容進(jìn)行保存，完全脫離PC機(jī)的限制。它設(shè)計(jì)小巧，重量輕，便于攜帶，完全可以代替記事本的功能，可廣泛應(yīng)用于教學(xué)中。此外，在各種辦公和會(huì)議等需要記錄寫字的場(chǎng)合也都能代替普通的記事本。它操作簡(jiǎn)單，適用人群廣泛。
本實(shí)用新型的有益效果主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面第一，利用超聲紅外定位，對(duì)于筆尖運(yùn)行軌跡的定位有很高的精度，手寫輸入不易受到環(huán)境的影響，抗噪聲能力強(qiáng)。
第二，筆記本使用的時(shí)候，完全脫離PC機(jī)和PC機(jī)軟件的支持，可獨(dú)立完成識(shí)別和存儲(chǔ)操作，大大增加了適用范圍，使用起來更加便捷靈活。
第三，配有USB接口進(jìn)行存儲(chǔ)，書寫內(nèi)容無(wú)需PC機(jī)就可以保存，存儲(chǔ)設(shè)備可選用USB硬盤、USB閃存盤和U盤，大大增加了存儲(chǔ)空間。


圖1為本實(shí)用新型的系統(tǒng)框圖，圖2為本實(shí)用新型的信號(hào)發(fā)射筆組成框圖，圖3為本實(shí)用新型的信號(hào)發(fā)射筆電路原理圖，圖4為本實(shí)用新型的信號(hào)發(fā)射筆軸向剖面圖，其中
電池蓋315、彈簧316、電池腔317、紐扣電池21、電池觸片310、卡扣38、轉(zhuǎn)軸39、線路板23、電路板腔36、分隔壁314、力傳感器24，開關(guān)腔35、薄膜開關(guān)22、筆芯座腔33、筆心座34、線路腔313、筆殼30、筆芯腔隔板311、筆芯腔32、發(fā)射頭31、書寫筆芯27。
圖5為本實(shí)用新型的信號(hào)發(fā)射筆程序流程圖，圖6為本實(shí)用新型的前端信號(hào)采集與處理組成框圖，圖7為本實(shí)用新型的超聲信號(hào)放大原理圖，圖8為本實(shí)用新型的紅外信號(hào)放大原理圖，圖9為本實(shí)用新型的時(shí)延提取與處理原理圖，圖10為本實(shí)用新型的CPLD輸入輸出原理圖，圖11為本實(shí)用新型的前端信號(hào)采集與處理程序流程圖，圖12為本實(shí)用新型的數(shù)據(jù)處理及用戶接口框圖，圖13為本實(shí)用新型的數(shù)據(jù)處理及用戶接口電路原理圖，圖14為本實(shí)用新型的數(shù)據(jù)處理及用戶接口程序流程圖，圖15為本實(shí)用新型的電源供電部分框圖，圖16為本實(shí)用新型的坐標(biāo)計(jì)算圖，圖17為本實(shí)用新型的系統(tǒng)組成示意圖，主視圖，其中LED顯示燈12、按鍵13、超聲接收器14、紅外接收器15、書寫板16、圖18為本實(shí)用新型的系統(tǒng)組成示意圖，圖17的后視圖，其中信號(hào)筆17，USB接口11、書寫筆插槽18、電池盒19。
具體實(shí)施方式
整個(gè)系統(tǒng)由三個(gè)部分組成，信號(hào)筆、信號(hào)采集與處理模塊和數(shù)據(jù)處理與用戶接口模塊，信號(hào)筆與信號(hào)采集與處理模塊采用無(wú)線方式連接，信號(hào)采集與處理模塊和數(shù)據(jù)處理與用戶接口模塊連接。
1、信號(hào)筆17內(nèi)包括電池21、普通書寫筆芯27、薄膜開關(guān)22、線路板23、力傳感器24、紅外發(fā)射傳感器25和超聲發(fā)射傳感器26，在線路板23上安裝有差分放大器234、微處理器235、紅外驅(qū)動(dòng)電路236和超聲驅(qū)動(dòng)電路237；主要用來發(fā)射定位用的超聲、紅外信號(hào)，電池21與薄膜開關(guān)22連接為整個(gè)電路供電，普通書寫筆芯27與力傳感器24連接，經(jīng)過差分放大器234將力的信號(hào)送入微處理器235；微處理器235還與紅外驅(qū)動(dòng)電路236和超聲驅(qū)動(dòng)電路237連接；紅外驅(qū)動(dòng)電路236和超聲驅(qū)動(dòng)電路237分別連接紅外發(fā)射傳感器25與超聲發(fā)射傳感器26。
信號(hào)筆17在書寫過程中和普通書寫用筆一樣，可以在書寫板16上留下筆跡，所不同的是本實(shí)用新型中的信號(hào)筆17在書寫過程中，按照固定頻率發(fā)射紅外和超聲信號(hào)，以便接收電路提取信號(hào)，計(jì)算筆尖的坐標(biāo)，信號(hào)筆軸向剖面如圖4所示。
筆殼30由兩個(gè)半圓柱形外殼組合而成，內(nèi)部形成若干相互連通的腔體。
書寫筆芯27放置于筆芯腔32，頭部從發(fā)射頭31伸出，尾部插在筆心座34上，筆芯腔隔板311中部有孔，用于防止書寫筆芯27在書寫過程中受力彎曲。
筆芯座34放置在筆芯座腔33內(nèi)，一端插在書寫筆芯27尾部，與其連成一體，另一端與薄膜開關(guān)22相接觸，筆芯座34在筆芯座腔33內(nèi)有微小的上下活動(dòng)空間，但是在運(yùn)動(dòng)過程中，由于薄膜開關(guān)22的限制，不會(huì)與分隔壁接觸。
薄膜開關(guān)22與力傳感器24放置在開關(guān)腔35內(nèi)，薄膜開關(guān)22夾在力傳感器24與筆芯座34之間，力傳感器24緊靠開關(guān)腔35與電路板腔36之間的分隔壁。線路板23垂直放置在線路腔313內(nèi)。
信號(hào)筆17的電源為兩節(jié)紐扣電池21，放置于電池腔317內(nèi)，在電池腔317與電部板腔36之間的分隔壁上裝有電池觸片310，在電池蓋315一側(cè)裝有彈簧316，保證可靠接觸。電池蓋315通過轉(zhuǎn)軸39與筆殼30相聯(lián)，利用卡扣38將電池蓋315扣在筆殼30上。
彈簧316、電池觸片310、薄膜開關(guān)22和發(fā)射頭31與線路板23之間的連線采用薄膜電路，均放置在線路腔313內(nèi)。
發(fā)射頭31采用美國(guó)精量公司生產(chǎn)的筆頭套件PT80kKz-01，它內(nèi)部含有超聲發(fā)射傳感器26和紅外發(fā)射傳感器25，超聲發(fā)射傳感器26的固有頻率為80kHz。傳感器的驅(qū)動(dòng)電路采用本領(lǐng)域公知的配套電路。
力傳感器24采用美國(guó)Honeywell公司生產(chǎn)的FSS1500NSB壓力傳感器，其內(nèi)部為一惠斯通電橋電路，輸出毫伏級(jí)電壓信號(hào)。信號(hào)的調(diào)理采用兩級(jí)差分放大電路234。
微處理器235采用PIC16F688，它帶有8路10bitA/D，可以減少元器件數(shù)量，利于小型化，并降低成本。
在書寫過程中，書寫筆芯27與書寫板接觸后，使薄膜開關(guān)22動(dòng)作，常開觸點(diǎn)接通，紐扣電池21通過薄膜開關(guān)22向線路板23供電，薄膜開關(guān)22動(dòng)作的同時(shí)，將力傳遞給力傳感器24。力傳感器24的輸出信號(hào)送至差分放大器234，經(jīng)放大后送至微處理器235；微處理器235定期采集書寫力度信號(hào)，通過內(nèi)部的A/D變換器，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并定期產(chǎn)生紅外和超聲驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別送至紅外驅(qū)動(dòng)電路236和超聲驅(qū)動(dòng)電路237，紅外信號(hào)中包括書寫力度信息。采用多進(jìn)制脈寬調(diào)制方式向信號(hào)接收處理器14，15發(fā)送書寫力度信息。紅外和超聲驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)紅外驅(qū)動(dòng)電路236和超聲驅(qū)動(dòng)電路237放大后，分別驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射傳感器25和超聲發(fā)射傳感器26，發(fā)射紅外和超聲信號(hào)，然后由信號(hào)接收器14，15接收并將信號(hào)發(fā)送到信號(hào)處理器。
信號(hào)發(fā)射筆17的微處理器235的流程框圖如圖5所示。信號(hào)發(fā)射筆17工作開始，微處理器235設(shè)置I/O口，并開始采集信號(hào)筆17壓力信息。微處理器235通過其I/O口輸出脈沖給超聲驅(qū)動(dòng)電路237；延時(shí)一段時(shí)間后I/O口輸出一定脈寬含有壓力信息的脈沖給紅外驅(qū)動(dòng)電路236，再延時(shí)一段時(shí)間。延時(shí)時(shí)間到后，微處理器235重新開始采集壓力信息和發(fā)送驅(qū)動(dòng)脈沖，這樣周期性的進(jìn)行，直到信號(hào)筆17不工作。
2、信號(hào)采集與處理模塊信號(hào)采集與處理模塊主要是如圖6所示，它采用基于超聲傳感器的定位方法，以紅外發(fā)射時(shí)間作為基準(zhǔn)，提取筆上發(fā)射超聲信號(hào)到信號(hào)采集與處理模塊接收到超聲信號(hào)的時(shí)延信息(采用PIC系列單片機(jī))，將時(shí)延信息傳給數(shù)據(jù)處理與用戶接口模塊414。它主要包括紅外接收傳感器41、超聲接收傳感器42、43、超聲信號(hào)第一、二級(jí)放大電路44、45、紅外信號(hào)接收電路46、超聲信號(hào)自動(dòng)增益調(diào)整電路47、48、超聲信號(hào)第四級(jí)放大電路49、410、時(shí)延提取電路411、溫度測(cè)量電路412、微處理器413。
在信號(hào)采集與處理模塊中，超聲接收傳感器42、43采用美國(guó)精量公司生產(chǎn)US80KS-01全向超聲接收傳感器。超聲信號(hào)放大電路如圖7，主要包括四級(jí)放大電路。超聲信號(hào)第一、二級(jí)放大電路44、45采用與超聲傳感器配套的低噪聲電荷放大電路，帶通濾波采用LC并聯(lián)諧振濾波器，考慮到體積的原因，調(diào)整元件為電容，考慮到元件參數(shù)的容差，諧振頻率調(diào)整范圍不小于±5kHz。超聲信號(hào)自動(dòng)增益調(diào)整電路47、48可以是同相或者反相運(yùn)算放大電路，反饋電阻采用數(shù)字電位計(jì)，數(shù)字電位計(jì)的輸出阻抗受微處理器413控制，通過調(diào)整數(shù)字電位計(jì)的輸出實(shí)現(xiàn)增益的改變。根據(jù)信號(hào)發(fā)射筆17到超聲接收傳感器42、43距離的不同，增益調(diào)整分為5檔。超聲信號(hào)第四級(jí)放大電路49、410對(duì)超聲信號(hào)自動(dòng)增益調(diào)整電路47、48的輸出信號(hào)進(jìn)行飽和放大。
紅外接收傳感器41型號(hào)是SFH205FA，它是紅外光敏二極管。它通過內(nèi)部光電轉(zhuǎn)換器把紅外光敏二極管接收到的紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。紅外信號(hào)接收電路46則采用通用的低噪聲放大電路。紅外信號(hào)放大電路原理圖如圖8。
時(shí)延提取電路411包含比較器電路及復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD電路，主要是將紅外、超聲信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)門TL信號(hào)傳給微處理器413進(jìn)行處理。微處理器413通過控制時(shí)延提取電路411的使能端來控制脈沖成形電路的工作時(shí)基。CPLD輸入輸出原理圖如圖10。
由于超聲波在介質(zhì)中傳播速度c的值會(huì)隨著溫度的變化而變化，在空氣中c與溫度的關(guān)系為c=331.31761+t/273m/s]]>(t為攝氏溫度)，本實(shí)用新型加入溫度測(cè)量電路412，實(shí)時(shí)測(cè)量環(huán)境溫度，對(duì)超聲傳播速度進(jìn)行補(bǔ)償，保證從發(fā)射傳感器到接收傳感器距離的精確測(cè)量。
最后，PIC16F873微處理器413得到溫度信息、壓力信息、兩路時(shí)延信息，通過串口將其傳送給數(shù)據(jù)處理與用戶接口模塊414。時(shí)延提取與處理電路如圖9，微處理器413程序流程如圖11。
3、數(shù)據(jù)處理與用戶接口模塊數(shù)據(jù)處理與用戶接口模塊414主要完成時(shí)延信息到坐標(biāo)信息的轉(zhuǎn)換、BMP格式轉(zhuǎn)換、USB存儲(chǔ)、鍵盤控制。主要包括LED 12、鍵盤13、CPU 51、74573 52、RAM 53、74LS04 54、55、CH375 56、CUN存儲(chǔ)器57、HD7279 58，如圖12所示，電路原理圖如圖13所示，電源供電圖如圖15所示。
CPU選用INTEL公司的P8031單片機(jī)51；RAM 53為HITACHI公司的HM628512A芯片，容量為512KB；系統(tǒng)至少需要10KB的程序空間，所以外接了一片ST公司的ROM芯片M27C256B 55，容量為32KB。
CPU 51接收來自PIC16F873 413的時(shí)延信息，按照設(shè)定好的程序?qū)r(shí)延信息計(jì)算成為空間坐標(biāo)信息，CPU 51的8根數(shù)據(jù)線通過連接一個(gè)鎖存器52與外接RAM 53進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，將轉(zhuǎn)換好的坐標(biāo)信息實(shí)時(shí)地存儲(chǔ)到RAM 53中。CPU 51還外接一個(gè)串行接口芯片HD7279A 58，通過片選信號(hào)、數(shù)據(jù)線、中斷信號(hào)和時(shí)鐘控制4根線對(duì)其進(jìn)行控制，該芯片外接系統(tǒng)4個(gè)工作指示燈12和控制操作按鍵13相連接，以顯示筆記本所處狀態(tài)及實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)筆記本的一些基本操作。
RAM 53中的坐標(biāo)信息最后會(huì)以BMP格式存儲(chǔ)到USB設(shè)備57中去。當(dāng)控制面板中的“新建”按鍵按下以后，P8031 51將HM628512 53中儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)取出，按照windows標(biāo)準(zhǔn)位圖的固定格式轉(zhuǎn)換為BMP格式，然后將數(shù)據(jù)傳送到USB設(shè)備57中。HOST USB接口芯片采用沁恒公司生產(chǎn)的CH375 56，采用并行通信方式將數(shù)據(jù)通過USB接口11送入U(xiǎn)SB存儲(chǔ)器57中。
時(shí)間坐標(biāo)與空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算方法由圖16所示，B點(diǎn)和C點(diǎn)為筆記本上兩個(gè)超聲接收器所在位置，其距離為d，是一個(gè)固定值。A為筆尖所在位置。PIC16F873通過串口傳送給AT89C52單片機(jī)時(shí)間信息就是超聲信號(hào)從A點(diǎn)傳播到B點(diǎn)和C點(diǎn)所需要的時(shí)間。設(shè)超聲信號(hào)從A點(diǎn)傳輸?shù)紹、C所需的時(shí)間分別為t1和t2，紅外信號(hào)從A點(diǎn)傳輸?shù)郊t外接收器所需時(shí)間為t0。當(dāng)接收到紅外信號(hào)時(shí)計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，接收到第2個(gè)超聲信號(hào)計(jì)時(shí)結(jié)束。由于超聲信號(hào)在空氣中的傳播速度約為340m/s，紅外信號(hào)在空氣中的傳播速度約為3×108m/s，因此可以忽略紅外信號(hào)從A點(diǎn)傳輸?shù)郊t外接收器所需要的時(shí)間，認(rèn)為t1≈t1-t0，t2≈t2-t0.由此可以根據(jù)s＝vt(v是超聲速度)，計(jì)算出AB和AC的長(zhǎng)度，這樣ΔABC的三個(gè)邊長(zhǎng)都確定了。再根據(jù)數(shù)學(xué)公式可以計(jì)算出A點(diǎn)坐標(biāo)(x，y)，即確定了A點(diǎn)在書寫板中的實(shí)際坐標(biāo)。關(guān)于書寫板中的實(shí)際坐標(biāo)，其計(jì)算公式如下所示x2+y2=(vt1)2y2+(d-x)2=(vt2)2---(1)]]>由上式得到
x=(vt1)2-(vt2)2+d22dy=(vt1)2-x2---(2)]]>由于超聲速度受溫度影響很大，所以上式中的v不應(yīng)該固定為340m/s。在掛接成功以后，前端信號(hào)采集電路會(huì)發(fā)送兩個(gè)溫度字節(jié)，可以根據(jù)該溫度計(jì)算出超聲的速度。其計(jì)算公式如下所示m=1+0.2035×(0.0204×r_data-0.32)v=331.3176×m---(3)]]>其中v就是超聲的速度，r_data是接收到的溫度字節(jié)。
根據(jù)(2)、(3)兩式就可由時(shí)延得到書寫點(diǎn)的坐標(biāo)A(x，y)。
AT89C52單片機(jī)程序流程圖如圖14所示。
權(quán)利要求1.一種基于無(wú)線定位的U盤記事本，其特征在于整個(gè)系統(tǒng)由三個(gè)部分組成，信號(hào)筆、信號(hào)采集與處理模塊和數(shù)據(jù)處理與用戶接口模塊，信號(hào)筆與信號(hào)采集與處理模塊采用無(wú)線方式連接，信號(hào)采集與處理模塊和數(shù)據(jù)處理與用戶接口模塊連接，其中信號(hào)筆[17]內(nèi)包括電池[21]、普通書寫筆芯[27]、薄膜開關(guān)[22]、線路板[23]、力傳感器[24]、紅外發(fā)射傳感器[25]和超聲發(fā)射傳感器[26]，在線路板[23]上安裝有差分放大器[234]、微處理器[235]、紅外驅(qū)動(dòng)電路[236]和超聲驅(qū)動(dòng)電路[237]；主要用來發(fā)射定位用的超聲、紅外信號(hào)，電池[21]與薄膜開關(guān)[22]連接為整個(gè)電路供電，普通書寫筆芯[27]與力傳感器[24]連接，經(jīng)過差分放大器[234]將力的信號(hào)送入微處理器[235]；微處理器[235]還與紅外驅(qū)動(dòng)電路[236]和超聲驅(qū)動(dòng)電路[237]連接；紅外驅(qū)動(dòng)電路[236]和超聲驅(qū)動(dòng)電路[237]分別連接紅外發(fā)射傳感器[25]與超聲發(fā)射傳感器[26]；信號(hào)采集與處理模塊中，超聲接收傳感器[42]、[43]分別連接第一級(jí)放大電路[44]、第二級(jí)放大電路[45]；第一、二級(jí)放大電路[44]、[45]分別連接超聲信號(hào)自動(dòng)增益放大電路[47]、[48]；超聲信號(hào)自動(dòng)增益放大電路[47]、[48]分別連接超聲信號(hào)第四級(jí)放大電路[49]、[410]；超聲信號(hào)第四級(jí)放大電路[49]、[410]與連接時(shí)延提取電路[411]連接；紅外接收傳感器[41]與紅外接收電路[46]連接，紅外接收電路[46]連接時(shí)延提取電路[411]；時(shí)延提取電路[411]連接微處理器[413]，微處理器[413]還與溫度測(cè)量電路[412]、數(shù)據(jù)處理與用戶接口電路[414]連接；數(shù)據(jù)處理與用戶接口模塊用于完成坐標(biāo)信息的提取、BMP格式的轉(zhuǎn)化、USB設(shè)備的存儲(chǔ)以及鍵盤控制和LED顯示，包括CPU[51]、RAM[53]、ROM[55]、鎖存器[52]、鍵盤LED接口芯片[58]、LED[12]、鍵盤[13]、HOST USB接口芯片[56]和USB存儲(chǔ)器[57]，CPU[51]分別與RAM[53]、ROM[55]、鎖存器[52]、鍵盤LED接口芯片[58]和HOST USB[56]接口芯片連接，RAM[53]、ROM[55]和鎖存器[52]連接，HOST USB接口芯片[56]和USB存儲(chǔ)器[57]連接，鍵盤LED接口芯片[58]分別和LED[12]、鍵盤[13]連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無(wú)線定位的U盤記事本，其特征在于在信號(hào)筆內(nèi)部集成了力傳感器[24]，從而具備感知書寫者書寫力度的能力。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無(wú)線定位的U盤記事本，其特征在于在信號(hào)采集與處理模塊中，第一、第二級(jí)放大電路[45]，超聲信號(hào)自動(dòng)增益放大電路[47]、[48]，超聲信號(hào)第四級(jí)放大電路[49]、[410]中采用中心頻率略高于超聲頻率的并聯(lián)諧振放大器，增強(qiáng)超聲脈沖前沿陡度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無(wú)線定位的U盤記事本，其特征在于超聲信號(hào)第一級(jí)放大電路[44]、第二級(jí)放大電路[45]采用與超聲傳感器配套的低噪聲電荷放大電路抑制噪聲。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無(wú)線定位的U盤記事本，其特征在于超聲信號(hào)自動(dòng)增益調(diào)整電路[47]、[48]采用自動(dòng)增益調(diào)整電路，保證信號(hào)筆距離接收傳感器距離相同角度不同接收到的信號(hào)幅度一致。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無(wú)線定位的U盤記事本，其特征在于采用溫度測(cè)量電路〔412〕實(shí)時(shí)測(cè)量環(huán)境溫度，對(duì)超聲傳播速度進(jìn)行補(bǔ)償，保證從發(fā)射傳感器到接收傳感器距離的精確測(cè)量。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無(wú)線定位的U盤記事本，其特征在于數(shù)據(jù)處理與用戶接口模塊[414]包括時(shí)延信息到坐標(biāo)信息的轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)信息到BMP格式轉(zhuǎn)換、USB設(shè)備存儲(chǔ)以及鍵盤控制。
8.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于無(wú)線定位的U盤記事本，其特征在于采用HOSTUSB接口芯片CH375完成BMP格式到USB設(shè)備的存儲(chǔ)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于無(wú)線定位的U盤記事本，其特征在于采用鍵盤顯示控制芯片HD7279，對(duì)系統(tǒng)所有的按鍵和LED顯示進(jìn)行控制和輸出。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種基于無(wú)線定位的U盤記事本，屬于利用超聲紅外進(jìn)行定位和USB存儲(chǔ)的記事本。整個(gè)系統(tǒng)由三個(gè)部分組成，信號(hào)筆、信號(hào)采集與處理模塊和數(shù)據(jù)處理與用戶接口模塊，信號(hào)筆與信號(hào)采集與處理模塊采用無(wú)線方式連接，信號(hào)采集與處理模塊和數(shù)據(jù)處理與用戶接口模塊連接，優(yōu)點(diǎn)在于利用超聲紅外定位，對(duì)于筆尖運(yùn)行軌跡的定位有很高的精度，手寫輸入不易受到環(huán)境的影響，抗噪聲能力強(qiáng)。完全脫離PC機(jī)和PC機(jī)軟件的支持，可獨(dú)立完成識(shí)別和存儲(chǔ)操作，配有USB接口進(jìn)行存儲(chǔ)，書寫內(nèi)容無(wú)需PC機(jī)就可以保存，存儲(chǔ)設(shè)備可選用USB硬盤、USB閃存盤和U盤，大大增加了存儲(chǔ)空間。
文檔編號(hào)G06K11/06GK2869982SQ20052002873
公開日2007年2月14日 申請(qǐng)日期2005年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月3日
發(fā)明者王樹勛, 孫曉穎, 燕學(xué)智, 胡封曄, 郭綱, 魏小麗, 費(fèi)珍福, 馬中勝 申請(qǐng)人:王樹勛