專利名稱：平板結(jié)構(gòu)的超聲波手寫板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于計(jì)算機(jī)的手寫輸入裝置，屬于聲學(xué)信號(hào)發(fā)生和采集技術(shù)領(lǐng)域，尤其是在聲學(xué)技術(shù)在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)輸入技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的手寫輸入技術(shù)，主要有電阻膜技術(shù)、電容感應(yīng)技術(shù)、電磁感應(yīng)技術(shù)、紅外光學(xué)技術(shù)、電磁感應(yīng)技術(shù)、空間超聲波技術(shù)、表面聲波技術(shù)。使用這些技術(shù)構(gòu)成了若干種基本的手寫板技術(shù)方案，滿足了很多應(yīng)用。但是這些技術(shù)也都有各自的缺點(diǎn)，因此限制了他們?cè)谀承╊I(lǐng)域的應(yīng)用。例如在全平的大尺寸的手寫平板電腦應(yīng)用領(lǐng)域，這些技術(shù)的應(yīng)用都受到了很大的限制。其中，電阻膜技術(shù)、感應(yīng)電容技術(shù)存在透光性差、在應(yīng)用時(shí)手掌或手腕不能壓在屏幕上而容易疲勞的缺點(diǎn)，而且電阻膜技術(shù)還有不耐擦刮的缺點(diǎn)；紅外光學(xué)技術(shù)、表面聲波技術(shù)、空間超聲技術(shù)存在的問題是因?yàn)闄z測(cè)傳感部件都要位于手寫板的上表面，所以用在顯示器上，有傳感器件甚至邊框需要突出在顯示屏幕表面缺點(diǎn)，不能實(shí)現(xiàn)全平；并且表面聲波技術(shù)，還有超聲波反射條紋容易被污物影響而不能使用的問題。目前最適合于手寫平板電腦的技術(shù)是電磁感應(yīng)技術(shù)，如號(hào)碼為ZL02105382. 0和ZL03238835. 7的中國(guó)專利以及類似的其他專利，公開了一類在LCD顯示屏幕的前面或者后面設(shè)置電磁感應(yīng)層的技術(shù)方案，可以用于手寫平板電腦。但這類技術(shù)或者因?yàn)闃?gòu)造復(fù)雜、生產(chǎn)成本高而難以普及，或者存在透明電極透光性差的問題，所以也難以滿足平板電腦上應(yīng)用要求。申請(qǐng)?zhí)枮?8101325. 2的中國(guó)專利申請(qǐng)中公開了一種利用顯示器的硬質(zhì)表面?zhèn)鞑サ某暡▉韺?shí)現(xiàn)手寫輸入的技術(shù)方案，給出了一種將超聲波接收器安裝在硬質(zhì)板或顯示器的硬質(zhì)表面的背面的基本結(jié)構(gòu)方案，理論上可以實(shí)現(xiàn)全平的書寫界面。但是這個(gè)方案還不是完整的技術(shù)方案。首先，這個(gè)方案的基礎(chǔ)是假設(shè)超聲波在有限厚度的、各向同性的硬質(zhì)板中傳播的速度是一定的，沒有考慮到其傳播模式的復(fù)雜性；其次，這個(gè)技術(shù)方案公開得不夠充分，一些必要的技術(shù)細(xì)節(jié)沒有被公開，因?yàn)橐矡o法實(shí)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的，就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，公開了一種書寫表面全平的手寫板，并可使用透明硬質(zhì)材質(zhì)制造書寫底板的結(jié)構(gòu)，用于構(gòu)建顯示表面全平的平板電腦。本發(fā)明的超聲波手寫板，包含有一支安裝有超聲波發(fā)射器的手寫超聲筆，安裝在不同位置的超聲波接收器，包含有與超聲波接收器的數(shù)量相同超聲信號(hào)接收放大處理電路，分別通過輸入輸出端口與所述放大處理電路和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連接的、包含有數(shù)據(jù)處理器的超聲波數(shù)據(jù)計(jì)算處理單元，一條耦合連接所述超聲波發(fā)射器和所述數(shù)據(jù)計(jì)算處理單元、用于標(biāo)定超聲波脈沖發(fā)射時(shí)間的信號(hào)傳輸通道，以及一個(gè)能夠通過超聲筆的筆尖檢測(cè)所述超聲筆書寫壓力的壓電信號(hào)檢測(cè)元件。在本發(fā)明中，所述超聲波接收器至少有三只，分別安裝在各向同性的硬質(zhì)底板邊緣的表面上；所述安裝在超聲筆內(nèi)的超聲波發(fā)射器，其振動(dòng)輸出端與所述超聲筆的筆尖機(jī)械耦合連接，所述超聲筆的筆尖由硬質(zhì)彈性材料制造。
在本發(fā)明中，如果僅從功能的實(shí)現(xiàn)來考慮，所述超聲波接收器可以安裝在所述底板的正面或者反面的邊緣，也可以是底板的側(cè)面。但如果要全部的發(fā)明目的，則超聲波接收器可以安裝在手寫底板的側(cè)面或者反面，即可實(shí)現(xiàn)手寫板書寫表面的全平的設(shè)計(jì)。本發(fā)明的手寫超聲筆可以有無線和有線兩種結(jié)構(gòu)形式。當(dāng)所述手寫超聲筆為有線筆時(shí)，超聲筆與所述超聲波數(shù)據(jù)計(jì)算處理單元通過電纜相連接，作為用于標(biāo)定超聲波信號(hào)發(fā)射時(shí)間的信號(hào)傳輸通道；在所述超聲波數(shù)據(jù)計(jì)算處理單元中，還包含有一個(gè)超聲波信號(hào)發(fā)生器，通過所述電纜線中的導(dǎo)線，與所述超聲筆中的超聲波發(fā)射器相耦合連接；所述壓電信號(hào)檢測(cè)元件，也通過所述電纜中的導(dǎo)線與所述超聲波數(shù)據(jù)計(jì)算處理單元相連接。當(dāng)所述超聲筆為無線筆時(shí)，所述超聲筆中還包含有一個(gè)與超聲波發(fā)射器相連接的超聲波發(fā)生電路，和一個(gè)由儲(chǔ)能元件構(gòu)成的電源；所述超聲波接收器有四只，與此對(duì)應(yīng)所述超聲信號(hào)接收放大處理電路也有四套，都成四條信號(hào)檢測(cè)處理通道；所述標(biāo)定超聲波信號(hào)發(fā)射時(shí)間的信號(hào)傳輸通道，由這四條信號(hào)檢測(cè)處理中的一路構(gòu)成。在本發(fā)明中，所述壓電信號(hào)檢測(cè)元件，既可以是一個(gè)能輸出與超聲筆的筆尖所受到的壓力有特定函數(shù)關(guān)系的電信號(hào)的壓力檢測(cè)元件，即壓力/電信號(hào)傳感器，也可以是一個(gè)壓力開關(guān)。當(dāng)超聲筆為有線筆時(shí)，可以通過連接超聲筆的電纜線將所述壓力檢測(cè)元件與所述超聲波數(shù)據(jù)處理單元相連接，這時(shí)可以很方便地使用“壓力/電信號(hào)”傳感器獲取使用者書寫時(shí)的壓力大小，用于控制超聲筆筆劃粗細(xì)的顯示。如果使用只有開與關(guān)兩個(gè)狀態(tài)的二值化壓力開關(guān)用于檢測(cè)使用者出是否在書寫，則該開關(guān)還可以安裝在超聲筆中用于中由于連接在超聲筆中的超聲波發(fā)射器和所述電纜線中的導(dǎo)線上。當(dāng)然，這個(gè)二值化的壓力開關(guān)，也可以與超聲筆內(nèi)部用于控制超聲波發(fā)射的電路的控制端相連接。當(dāng)超聲筆為無線筆時(shí)，如果沒有其他數(shù)據(jù)傳輸方式，那么與壓力有特定函數(shù)關(guān)系的電信號(hào)的壓力檢測(cè)元件的數(shù)據(jù)就無法傳輸，所以一般都使用二值化的壓力開關(guān)。本發(fā)明的手寫板如果用于顯示器的表面構(gòu)成手寫顯示器，則所述各向同性的手寫底板，可以使用透明的玻璃板或由高分子材料構(gòu)成的有機(jī)玻璃板。在本發(fā)明中，因?yàn)槭褂玫某暡l率要在幾百千赫以上，因此一般需要使用壓電陶瓷作為超聲波發(fā)射換能器。超聲波換能器與超聲筆的筆尖通過機(jī)械的方式耦合連接，為補(bǔ)償傳輸損耗甚至增加筆尖的振幅，可以在筆尖內(nèi)包含一個(gè)超聲波變幅桿，并將變幅桿的振幅放大端作為手寫筆的書寫端。在本發(fā)明中，由于板內(nèi)的超聲波的振動(dòng)傳播模式復(fù)雜，所以可以使用模擬/數(shù)字變換器，將接收器收到的模擬超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再通過所述超聲波數(shù)據(jù)計(jì)算處理單元利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)分析、計(jì)算、處理方法，對(duì)數(shù)字化的超聲波接收信號(hào)進(jìn)行處理，得到超聲筆所發(fā)出的超聲波在所述板內(nèi)的傳播速度、傳播到各個(gè)接收器的時(shí)間，進(jìn)而得到超聲筆筆尖所在的位置數(shù)據(jù)。因此，在所述超聲波數(shù)據(jù)計(jì)算處理單元中，還包含有與超聲波接收器及其信號(hào)放大處理電路的數(shù)量相同的A/D變換器；所述每個(gè)A/D變換器的輸入端，都分別與所述各個(gè)超聲信號(hào)放大處理電路的輸出端相連接，輸出端通過I/O與所述超聲波數(shù)據(jù)計(jì)算處理單元的內(nèi)部或外部I/O接口相連接。發(fā)明的益處
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通過對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案的描述，可以看到本發(fā)明的手寫板具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、用途廣泛、成本低、精度高、壽命長(zhǎng)、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。尤其在使用透明的材料作為手寫底板時(shí)，本發(fā)明的手寫板可以直接安裝在各種平板顯示器的表面，作為低成本的輸入設(shè)備，應(yīng)用于手寫屏幕或者平板電腦。


圖1本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)的示意圖2硬質(zhì)彈性板中超聲波不同傳播模式和相速度的曲線圖
圖3在手寫底板側(cè)面安裝超聲波接收器的結(jié)構(gòu)示意圖4有線超聲手寫筆的結(jié)構(gòu)方框圖5無線超聲手寫筆的結(jié)構(gòu)方框圖6超聲手寫筆的基本結(jié)構(gòu)圖7手寫筆尖中變幅桿的基本結(jié)構(gòu)形狀；
圖8由手寫筆尖構(gòu)成的壓力開關(guān)的一種結(jié)構(gòu)示意圖9使用A/D變換器的數(shù)據(jù)處理單元的結(jié)構(gòu)方框圖。
具體實(shí)施例方式下面參照附圖來說明本發(fā)明的原理和具體實(shí)施方式
。圖1中給出了本發(fā)明手寫板的基本結(jié)構(gòu)形式。從圖中可以看到，手寫筆106的筆尖與手寫底板101的表面相接觸，筆尖所發(fā)射的超聲波激勵(lì)手寫底板，產(chǎn)生向各個(gè)方向傳播的超聲波振動(dòng)107，到達(dá)超聲波接收器102、103和104。控制器108的作用是接收、放大、 處理、解析超聲波接收器所收到的超聲波信號(hào)，通過計(jì)算得到超聲手寫筆的書寫端在某個(gè)設(shè)定坐標(biāo)系內(nèi)坐標(biāo)，其信號(hào)輸入端通過導(dǎo)線與超聲波接收器102、103、104相連接，這些接收器接收到超聲波信號(hào)以后，通過控制器的放大、濾波、處理、計(jì)算以后，得到超聲波從超聲筆的筆尖發(fā)射出到各個(gè)接收器接收到的時(shí)間間隔，在通過數(shù)學(xué)計(jì)算的得到超聲筆筆尖在手寫底板上的位置坐標(biāo)，然后通過輸出端口 110，傳輸?shù)绞褂帽臼謱懓宓挠?jì)算機(jī)。圖1中的結(jié)構(gòu)同時(shí)給出了使用有線和無線超聲筆的兩種結(jié)構(gòu)。如果使用有線超聲筆，則手寫筆通過電纜109與控制器相連接，如圖中虛線所示；如果使用無線超聲筆，則在手寫底板上加裝一個(gè)超聲波接收器105，通過導(dǎo)線與控制器108相連接，也如圖中虛線所示。下面來說明圖1所示結(jié)構(gòu)的物理和數(shù)學(xué)原理。如圖2所示，當(dāng)超聲手寫筆106通過其書寫端201向手寫底板101的表面，以角度α發(fā)射沿筆尖方向振動(dòng)和傳播的縱波超聲波，當(dāng)板厚H與超聲波的波長(zhǎng)可比擬時(shí)，筆尖將激勵(lì)手寫底板產(chǎn)生非常復(fù)雜的振動(dòng)，因?yàn)槭謱懙装宕嬖谏舷卤砻妫圆ǖ膫鞑ヒ苑瓷渑c折射的方式與邊界發(fā)生作用，且發(fā)生橫波和縱波間的模態(tài)轉(zhuǎn)換。當(dāng)入射角α為某些數(shù)值時(shí)，還會(huì)在板內(nèi)產(chǎn)生各種模式的導(dǎo)波振動(dòng)——蘭姆波。于是，平板中的超聲波就呈現(xiàn)出了普通超聲波所不具有的一些特點(diǎn)。最主要的特征就是導(dǎo)波的頻散現(xiàn)象和多模式。平板中的 Lamb波有對(duì)稱和反對(duì)稱模式，對(duì)稱模式有S0、S1、……，反對(duì)稱模式有A0、A1，……，參見圖 3中的多條曲線301。圖3的示例給出的是鋁板中蘭姆波的相速度頻散曲線。對(duì)于板中的導(dǎo)波(蘭姆波)而言，它的相速度是相同頻率波前的傳播速度，是板厚與頻率乘積的函數(shù)，
5而模式的形成又與入射角α相關(guān)。詳細(xì)的理論分析可參考如下專業(yè)著作和論文《超聲手冊(cè)》，馮諾主編，南京大學(xué)出版社1999年10月出版，統(tǒng)一書號(hào) ISBN7-305-03354-5/0 · 237 ；論文《大型薄板中超聲導(dǎo)波的產(chǎn)生與鑒別》，作者馮占英、周正干、高翌飛，刊登于 《無損探傷》期刊第31卷第5期，2007年10月號(hào)。在本發(fā)明中，雖然超聲筆所發(fā)射的超聲波的頻率是固定的，手寫底板的厚度也是固定的，但是入射角α卻是隨時(shí)變化的，也就是隨著使用者書寫時(shí)的筆的姿勢(shì)改變而改變，這樣手寫底板101中傳播的過程也就隨之改變，因此無論超聲波在手寫底板中傳播的方式是由固定模式的蘭姆波，還是沒有固定模式的其他雜散波形，超聲波的傳播的相速度都是一個(gè)未知的變量。因此在圖1所示的結(jié)構(gòu)中建立直角坐標(biāo)系Χ0Υ，假設(shè)超聲筆尖所在的位置P(x，y)到各個(gè)超聲波接收器？10^1，71)、？20^，72)、？3(知，73) ^P P4(x4,y4)的直線距離分別是Di、D2、D3和D4,底板中傳播最快的超聲波的波速為v，傳播到到這四只接收器的時(shí)間分別是、、t2、t3和t4，則當(dāng)使用有線超聲筆時(shí)，因超聲波的發(fā)射時(shí)間和被接收到的時(shí)間、(i是各個(gè)接收器的編號(hào)，i = 1,2,3)都是已知的，所以根據(jù)圖1可得方程組(X1-χ) 2·^y1-y)2= D12=(Vt1)2
(χ2-χ) 2·+ (y2-y)2= D22=(vt2)2(1)
(x3-χ) 2·+ (y3-y)2= D32=(Vt3)2方程組(1)中有三個(gè)未知數(shù)超聲筆筆尖的坐標(biāo)值x、y和未知模態(tài)的未知相速度V， 因此求解方程組(1)即可得到上述三個(gè)未知數(shù)的值。當(dāng)使用無線筆時(shí)，因超聲波的發(fā)射時(shí)間未知，而被各個(gè)接收器接收到的時(shí)間的差值A(chǔ)tij(i、j分別是各個(gè)接收器的編號(hào)，i乒j ；i、j = 1，2，3，4)，則可以通過控制器108內(nèi)的微控制器系統(tǒng)測(cè)量得到。假設(shè)以第1個(gè)超聲波接收器102接收到超聲波信號(hào)的時(shí)刻為基
準(zhǔn)時(shí)間，則根據(jù)圖1可得方程組
(x「x)2+ (yry)2= D12 =(Vt1)
(χ2-χ)2+ (y2-y)2= 2 =(Vt2)
(x3-x)2+ (y3-y)2= D32 =(Vt3)
(χ4-χ)2+ (y4-y)2= D42 =(Vt4)
Vt1=At21
Vt1=At31
t4"t!=At41
在方程組中，共有X、
⑵
.t2、t3、t4*七個(gè)未知數(shù)，因此對(duì)方程組( 求解， 就可以得到這七個(gè)未知數(shù)的值。因?yàn)槌暡ㄔ诎逯械膫鞑ヅc在空氣中或其他無限大的均勻介質(zhì)中的傳播模式有很大的差別，因此才有了本發(fā)明如圖1所示的基本結(jié)構(gòu)，主要是超聲波發(fā)射和接收部分的基本結(jié)構(gòu)。圖2還給出了各個(gè)超聲波接收器203在手寫底板101上的一種安裝結(jié)構(gòu)。如圖所示，超聲波接收器203，是圖1中超聲波接收器102、103、104或105中一只或所有的接收器的基本結(jié)構(gòu)，即由壓電陶瓷片和金屬電極構(gòu)成的超聲波接收器，安裝在手寫底板101的一個(gè)端面202上。這樣，既可以使用特定振動(dòng)模式的超聲波接收器來接收傳播速度最快的縱波，又可以避免接收器暴露在手寫底板的表面。具體實(shí)施中，其余部分的結(jié)構(gòu)只剩下了構(gòu)成控制器108的、對(duì)各個(gè)超聲波接收器所接收到的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等處理的各個(gè)信號(hào)調(diào)理通道和由微控制器(MCU)為核心構(gòu)建的閾值信號(hào)比較、傳輸時(shí)間計(jì)時(shí)、坐標(biāo)值計(jì)算并通過輸出端口傳輸?shù)绞褂帽景l(fā)明手寫板的計(jì)算機(jī)上的信號(hào)處理、傳輸單元，以及用于向手寫底板發(fā)射超聲波的手寫超聲筆的結(jié)構(gòu)。首先說明超聲筆的實(shí)施結(jié)構(gòu)。圖4和圖5給出了有線和無線超聲筆的實(shí)施結(jié)構(gòu)方框圖。兩幅圖中，超聲筆的筆尖401與超聲波換能器402通過禁錮、粘接、焊接等某種連接方式，與超聲波發(fā)射換能器402機(jī)械耦合連接，如圖中帶箭頭的聯(lián)動(dòng)虛線所示，以便換能器發(fā)生的超聲振動(dòng)能夠以最小的損耗傳遞到筆尖上。對(duì)于有線筆，內(nèi)部除了換能器402，還有一個(gè)能夠檢測(cè)到書寫時(shí)筆尖壓力的壓力檢測(cè)元件403 (圖中壓力感應(yīng)元件PR)。這幾個(gè)部件通過連接端口 404和電纜線405與控制器108中的微控制器系統(tǒng)相連接。因?yàn)槭怯芯€筆，所以圖中的壓力檢測(cè)元件403，還可以使用能輸出與超聲筆的筆尖所受到的壓力有特定函數(shù)關(guān)系的電信號(hào)的元件，如中國(guó)專利申請(qǐng) 201010101907.9中所公布的各種“壓力/電信號(hào)”轉(zhuǎn)換元件，甚至使用電阻隨壓力變化的導(dǎo)電橡膠。壓力檢測(cè)元件403輸出的電信號(hào)，通過電纜405中的導(dǎo)線，傳輸?shù)娇刂破?08之中，通過其處理后與其處理后所得到的坐標(biāo)信號(hào)一同編碼，輸出到使用本發(fā)明的計(jì)算機(jī)中， 作為控制顯示筆畫粗細(xì)的一個(gè)變量。本發(fā)明中的超聲筆，因?yàn)槭褂玫某暡l率要在幾百千赫以上，因此一般需要使用壓電材料制作的超聲波發(fā)射換能器，如壓電陶瓷換能器。對(duì)于無線筆，除了與超聲發(fā)射換能器402機(jī)械耦合連接的筆尖401、以及壓力檢測(cè)元件403以外，還包含有一般由模擬或數(shù)字元件系統(tǒng)構(gòu)成的超聲波發(fā)生和驅(qū)動(dòng)電路501、內(nèi)置儲(chǔ)能元件(一般是電池)502。由于本發(fā)明的無線筆本身沒有特別設(shè)計(jì)另外的信號(hào)傳輸通道，所以一般不使用能輸出與超聲筆的筆尖所受到的壓力有特定函數(shù)關(guān)系的電信號(hào)的壓力檢測(cè)元件，而使用只能檢測(cè)到通斷的二值化壓力開關(guān)作為書寫壓力檢測(cè)元件。無線超聲手寫筆的一般機(jī)械實(shí)施結(jié)構(gòu)見圖6，由筆尖401、超聲波發(fā)射換能器402、 壓力開關(guān)403、外殼601、超聲發(fā)射器支架602、限位機(jī)構(gòu)603、超聲波發(fā)生電路501、電源502 等主要部件構(gòu)成。其中，限位機(jī)構(gòu)603的作用是防止書寫壓力過大時(shí)，筆尖壓壞壓力開關(guān) 403(在開關(guān)不能承受很大的壓力的情況下)；發(fā)射器支架602的作用是保護(hù)發(fā)射器，同時(shí)也為發(fā)射器匹配合適的聲阻抗。由于本發(fā)明使用的超聲波的頻率一般要在幾百kHz以上，因此一般可用壓電陶瓷來制作以厚度模式振動(dòng)來發(fā)射超聲波，具有成本低效率高的優(yōu)點(diǎn)。并且，這里的超聲波信號(hào)是被調(diào)制的超聲波信號(hào)，可選的調(diào)制方式有脈沖調(diào)制(間隔一定時(shí)間發(fā)射一組超聲波脈沖)、幅度調(diào)制或頻率調(diào)制。筆尖401是超聲波從發(fā)射器傳播到手寫底板上的唯一通路，要與手寫底板相接觸但又不能劃傷手寫底板的表面，且要求損耗小，所以要求材料的彈性模量大、硬度適中，可用有機(jī)材料如各種聚合物等來制造。同時(shí)，為了以較小的能量最大限度地激勵(lì)手寫底板產(chǎn)生振動(dòng)，還可以在筆尖中應(yīng)用變幅桿的設(shè)計(jì)，將發(fā)射器402的微小振動(dòng)在筆尖的書寫端放大。整個(gè)筆尖可以由一根變幅桿構(gòu)成，也可以在筆尖中包含有一根變幅桿，例如筆尖的主體結(jié)構(gòu)是一根變幅桿，但書寫端可以嵌入由其它適合聲波傳導(dǎo)的、硬度相對(duì)于手寫底板表面低一些的其它材料制造的書寫頭(圖中未畫出)。筆尖的另一端，即尾端與超聲波發(fā)射器 402的振動(dòng)面相耦合連接的斷面，則可利用各種方式將其與發(fā)射器的表面緊密連接，確保超聲振動(dòng)盡可能小損耗地被傳送到筆尖上。圖7給出了幾種變幅桿的基本形狀圖。圖中包含有四種常用的變幅桿圓錐形變幅桿701、懸鏈形變幅桿702、階梯型變幅桿703、指數(shù)型變幅桿704。相關(guān)選擇設(shè)計(jì)的理論和方法，可參見前面給出的參考資料——《超聲手冊(cè)》的相關(guān)章節(jié)。由于有線手寫超聲筆的結(jié)構(gòu)比無線手寫超聲筆更簡(jiǎn)單，甚至不需要內(nèi)置其它電子元件，最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)只需要將超聲波發(fā)射器、壓力檢測(cè)元件這兩個(gè)元件通過導(dǎo)線與控制器相連接，故在此不再專門說明其結(jié)構(gòu)，可參照無線超聲筆的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)生產(chǎn)。如果需要內(nèi)置輔助電路，如信號(hào)驅(qū)動(dòng)、更多的功能開關(guān)等，則可以將圖6中外殼601的內(nèi)部除壓力檢測(cè)元件之外的全部空間用于安裝這些元件。對(duì)于有線手寫超聲筆，還可以簡(jiǎn)化壓力檢測(cè)元件的結(jié)構(gòu)。如圖8所示，在超聲筆內(nèi)部的某個(gè)結(jié)構(gòu)上，如外殼內(nèi)壁或某塊電路板804上(圖中給出的是電路板)設(shè)置一個(gè)靜觸點(diǎn)801，再在與筆尖機(jī)械連接的、安裝超聲波換能器的支架602上設(shè)置一個(gè)動(dòng)觸點(diǎn)802，并將筆尖401和支架602共同通過一個(gè)彈性元件803連接到超聲筆的某個(gè)固定結(jié)構(gòu)上，如外殼內(nèi)壁或某塊電路板上804上(圖中給出的是外殼內(nèi)壁)。這樣這兩個(gè)觸點(diǎn)就構(gòu)成了一個(gè)壓力開關(guān)，兩個(gè)觸點(diǎn)分別串聯(lián)在超聲筆中的超聲波發(fā)射器和超聲波數(shù)據(jù)計(jì)算處理單元中超聲波信號(hào)發(fā)生器之間。這樣當(dāng)筆尖被壓下接通兩個(gè)觸電時(shí)，超聲波發(fā)射器得到驅(qū)動(dòng)信號(hào)而發(fā)射超聲波。本發(fā)明所使用的手寫底板可以是任何各向同性的硬質(zhì)彈性材料板，厚度一般在 2-5毫米之間。當(dāng)然可根據(jù)實(shí)際需要來選擇厚度，只要厚度與所使用的超聲波的波長(zhǎng)在同一個(gè)數(shù)量級(jí)之內(nèi)，即可以相比擬即可；而超聲波的頻率可以在幾百千赫至幾兆赫茲之間。如果本發(fā)明應(yīng)用于手寫電腦、手寫顯示器等的表面，要求手寫底板透明，這時(shí)可以使用玻璃或者有機(jī)玻璃、亞克力等透明的無機(jī)或高分子有機(jī)材料制造手寫底板。構(gòu)成本發(fā)明的另一個(gè)部分——控制器108，主要由模擬信號(hào)處理電路和數(shù)字信號(hào)處理電路兩大部分構(gòu)成。其中模擬信號(hào)處理部分包含有若干條信號(hào)放大電路和濾波電路， 每一只超聲波接收器都對(duì)應(yīng)一路單獨(dú)的放大和濾波電路；數(shù)字信號(hào)處理電路由微控制器器系統(tǒng)構(gòu)成，包含有與每一路超聲波接收器及其放大、濾波電路相對(duì)應(yīng)的計(jì)時(shí)器觸發(fā)電路、 與使用本發(fā)明的計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信的輸出端口。如果使用有線手寫筆，還包括超聲波發(fā)生、 驅(qū)動(dòng)電路及其與手寫筆的電纜接口。在本發(fā)明中，模擬信號(hào)處理部分和數(shù)字信號(hào)處理部分可以使用現(xiàn)有的成熟技術(shù)，如號(hào)碼為98242237. 7,98242235. 0,98101663. 4,00133388. 7、 00124896.0等的中國(guó)專利所公開的電路原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、以及數(shù)據(jù)處理的軟件流程。在這種結(jié)構(gòu)中，計(jì)時(shí)器觸發(fā)電路可以使用比較器來實(shí)現(xiàn)，通過比較每條模擬信號(hào)處理通道所輸出的電平與設(shè)定的閾值電平相比較，來控制計(jì)時(shí)器的開啟與關(guān)閉。上述電路和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)用在本發(fā)明中，模擬通道的元器件可選用通頻帶與超聲筆所發(fā)射的超聲波相適應(yīng)的元器件；數(shù)字處理部分則使用性能較好的單片機(jī)及速度相配合的數(shù)字電路即可。
在本發(fā)明中，計(jì)時(shí)器觸發(fā)電路還可以使用A/D變換器并通過數(shù)值處理軟件來實(shí)現(xiàn)，如圖9所示的結(jié)構(gòu)。圖9給出的是使用有線超聲筆時(shí)控制器108的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。再圖9中， 微控制器系統(tǒng)901的核心由控制器、運(yùn)算器、存貯器和計(jì)時(shí)器A、計(jì)時(shí)器B和計(jì)時(shí)器C構(gòu)成， 通過I/O端口與三只A/D變換器902、903和904的數(shù)據(jù)輸出端相連接，而A/D變換器的模擬輸入端，則分別與三只超聲波接收器102、103和104相連接的模擬信號(hào)處理通道905、906 和907的輸出端相連接。這樣，當(dāng)超聲波發(fā)生器輸出超聲波信號(hào)以后，微控制器系統(tǒng)內(nèi)的三只與各路模擬電路相對(duì)應(yīng)的計(jì)時(shí)器A、計(jì)時(shí)器B、計(jì)時(shí)器C開始計(jì)時(shí)；同時(shí)微控制器901開始接收來自各個(gè)A/D變換器所輸出的數(shù)據(jù)。當(dāng)有信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，微控制器利用軟件對(duì)所收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在確認(rèn)所接收的信號(hào)的波形(如超聲筆所發(fā)射的特定頻率范圍的波形)和特征點(diǎn)(如最大值、過零點(diǎn)或者特定相位點(diǎn))是所設(shè)定的數(shù)據(jù)時(shí)，控制微控制器系統(tǒng)內(nèi)部的計(jì)時(shí)器A、計(jì)時(shí)器B以及計(jì)時(shí)器C停止計(jì)時(shí)，這樣就得到了三組超聲波在手寫底板內(nèi)傳播的時(shí)間相關(guān)的時(shí)間值。再將這些時(shí)間值中可知的時(shí)間誤差，例如如果采用捕獲特征波形并通過確認(rèn)特征點(diǎn)到達(dá)的時(shí)間的方式，來計(jì)算在手寫底板傳播最快的超聲波在底板中的傳播時(shí)間，這樣很可能在所述特征點(diǎn)到達(dá)之后而特征波形被確認(rèn)之前，所述的計(jì)時(shí)器仍在計(jì)時(shí)，這樣計(jì)算時(shí)間時(shí)，就要減掉這段計(jì)時(shí)器所多計(jì)的時(shí)間，以及其他一些如換能器的遲滯、超聲波在超聲筆在筆尖中傳播所需要的時(shí)間等誤差除去，得到超聲波在板中傳播的實(shí)際時(shí)間，帶入方程組(1)求解，即可得到超聲筆的筆尖在手寫底板上的位置坐標(biāo)。對(duì)于無線手寫超聲筆，控制器108中要增加一路超聲波接收器和相應(yīng)的模擬信號(hào)處理電路以及A/D變換器，這時(shí)當(dāng)微控制器系統(tǒng)在確認(rèn)某一路所接收到的信號(hào)是如上所述的特征波形和特征點(diǎn)時(shí)，則啟動(dòng)與該路對(duì)應(yīng)的計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)。此時(shí)，這一路超聲波接收器實(shí)際上就起到了時(shí)間標(biāo)定通道的作用。當(dāng)?shù)诙肥盏教卣鞑ㄐ魏吞卣鼽c(diǎn)后，則關(guān)閉第一路計(jì)時(shí)器并啟動(dòng)與該路對(duì)應(yīng)的計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，如此類推即可得到四路超聲波信號(hào)到達(dá)各個(gè)接收器的三個(gè)時(shí)間差，在除去與前述有線手寫筆相似的時(shí)間誤差之后，得到超聲波在板中傳播的實(shí)際時(shí)間差，帶入方程組( 進(jìn)行求解，即可得到超聲筆的筆尖在手寫底板上的位置坐標(biāo)。在本發(fā)明中，對(duì)于從各個(gè)A/D變換器輸出的信號(hào)進(jìn)行分析，有若干種成熟的方法可供使用，如專利號(hào)為200510076769. 2的中國(guó)專利所公開的信號(hào)采集和處理、計(jì)算的方法，以及其中的其他相關(guān)內(nèi)容。本發(fā)明中使用微控制器，可以使用高性能的單片機(jī)，如時(shí)鐘頻率高達(dá)數(shù)十兆甚至上百兆的16位或32位單片機(jī)、FPGA、CPLD等元器件，甚至可以使用 DSP等性能更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理器。上述實(shí)施例給出了本發(fā)明可以實(shí)施的一般結(jié)構(gòu)方案，但是實(shí)施本發(fā)明可用的實(shí)施方案不只局限于實(shí)施例所給出的具體結(jié)構(gòu)。例如手寫超聲筆其它部分的具體結(jié)構(gòu)，所發(fā)射的超聲波信號(hào)的調(diào)制形式，在超聲筆上增加其他功能鍵，甚至通過設(shè)置另外的無線數(shù)據(jù)傳輸通道，使用與壓力有特定函數(shù)關(guān)系的電信號(hào)的元件來替代二值化的壓力開關(guān)以實(shí)現(xiàn)對(duì)書寫壓力大小的檢測(cè)，以及超聲波接收器的種類、振動(dòng)模式、在手寫底板上的安裝位置等具體結(jié)構(gòu)，都可以有很多種方案。因此，在本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)方案的基礎(chǔ)上，對(duì)本發(fā)明的改進(jìn)、替換、省略、移植等技術(shù)方案，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
9
權(quán)利要求
1.一種平板結(jié)構(gòu)的超聲波手寫板，包含有一支安裝有超聲波發(fā)射器的手寫超聲筆，安裝在不同位置的超聲波接收器，包含有與超聲波接收器的數(shù)量相同超聲信號(hào)接收放大處理電路，分別通過輸入輸出端口與所述放大處理電路和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連接的、包含有數(shù)據(jù)處理器的超聲波數(shù)據(jù)計(jì)算處理單元，一條耦合連接所述超聲波發(fā)射器和所述數(shù)據(jù)計(jì)算處理單元、用于標(biāo)定超聲波脈沖發(fā)射時(shí)間的信號(hào)傳輸通道，以及一個(gè)能夠通過超聲筆的筆尖檢測(cè)所述超聲筆書寫壓力的壓電信號(hào)檢測(cè)元件，其特征在于所述超聲波接收器至少有三只，分別安裝在各向同性的彈性手寫底板邊緣的表面上；所述安裝在超聲筆內(nèi)的超聲波發(fā)射器，其振動(dòng)輸出端與所述超聲筆的筆尖耦合連接，所述超聲筆的筆尖由硬質(zhì)彈性材料制造。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的手寫板，其特征在于所述超聲波接收器安裝在所述手寫底板的側(cè)面的不同位置上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的手寫板，其特征在于所述手寫超聲筆與所述超聲波數(shù)據(jù)計(jì)算處理單元通過電纜相連接，作為用于標(biāo)定超聲波信號(hào)發(fā)射時(shí)間的信號(hào)傳輸通道；在所述超聲波數(shù)據(jù)計(jì)算處理單元中，還包含有一個(gè)超聲波信號(hào)發(fā)生器，通過所述電纜線中的導(dǎo)線， 與所述超聲筆中的超聲波發(fā)射器相耦合連接；所述壓電信號(hào)檢測(cè)元件，也通過所述電纜中的導(dǎo)線與所述超聲波數(shù)據(jù)計(jì)算處理單元相連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的手寫板，其特征在于所述壓電信號(hào)檢測(cè)元件，是一個(gè)能輸出與超聲筆的筆尖所受到的壓力有特定函數(shù)關(guān)系的電信號(hào)的壓力檢測(cè)元件。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的手寫板，其特征在于所述壓電信號(hào)檢測(cè)元件是一個(gè)壓力開關(guān)，通過所述電纜線中的導(dǎo)線，串聯(lián)在超聲筆中的超聲波發(fā)射器和所述超聲波數(shù)據(jù)計(jì)算處理單元中超聲波信號(hào)發(fā)生器之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的手寫板，其特征在于所述超聲筆中還包含有一個(gè)與超聲波發(fā)射器相連接的超聲波發(fā)生電路，和一個(gè)由儲(chǔ)能元件構(gòu)成的電源；所述超聲波接收器有四只，與此對(duì)應(yīng)所述超聲信號(hào)接收放大處理電路也有四套，構(gòu)成四條信號(hào)檢測(cè)處理通道；所述標(biāo)定超聲波信號(hào)發(fā)射時(shí)間的信號(hào)傳輸通道，是這四條信號(hào)檢測(cè)處理中最先收到所述超聲波信號(hào)的一條。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的手寫板，其特征在于在所述超聲波數(shù)據(jù)計(jì)算處理單元中，還包含有與超聲波接收器及其信號(hào)放大處理電路的數(shù)量相同的A/D變換器；所述每個(gè) A/D變換器的輸入端，都分別與所述各個(gè)超聲信號(hào)放大處理電路的輸出端相連接，輸出端通過I/O與所述超聲波數(shù)據(jù)計(jì)算處理單元的內(nèi)部或外部I/O接口相連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的手寫板，其特征在于所述各向同性的手寫底板，是透明的玻璃板或由高分子有機(jī)材料構(gòu)成的有機(jī)玻璃板。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的手寫板，其特征在于所述超聲波換能元件是壓電陶瓷。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的手寫板，其特征在于在所述超聲筆的筆尖中，包含有一根超聲變幅桿；所述變幅桿的振幅放大端，是手寫筆的書寫端。
全文摘要
一種平板結(jié)構(gòu)的超聲波手寫板，包含有一支手寫超聲筆，分別安裝在各向同性的硬質(zhì)手寫底板邊緣上不同位置的至少三只超聲波接收器，以及相匹配的信號(hào)接收放大處理電路和數(shù)據(jù)計(jì)算處理單元，一條超聲信號(hào)發(fā)射時(shí)間的標(biāo)定通道，以及一個(gè)能夠安裝在超聲筆內(nèi)用于檢測(cè)書寫壓力的元件。超聲筆包含有超聲波發(fā)射器，與由硬質(zhì)彈性材料制造的筆尖機(jī)械耦合連接，筆尖還可以使用變幅桿的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的手寫超聲筆還可以是無線手寫筆，這時(shí)在手寫底板上至少需要安裝四只超聲波接收器。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)、用途廣、成本低、精度高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在使用透明的材料作為手寫底板時(shí)，可以直接安裝在各種平板顯示器的表面，應(yīng)用于手寫屏幕或者平板電腦。
文檔編號(hào)G06F3/043GK102375624SQ201010264728
公開日2012年3月14日 申請(qǐng)日期2010年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月27日
發(fā)明者劉中華 申請(qǐng)人:劉中華