專利名稱：一種畫圖板及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種能將平板上的筆的位置轉(zhuǎn)換成電信號的裝置及其轉(zhuǎn)換方法。
現(xiàn)有計算機用鼠標(biāo)器選擇使用者所需屏幕位置，簡單、直觀，但是使用功能有限，不能按使用人意愿將信號傳輸?shù)狡聊?，從而顯示出文字、數(shù)字、畫面。近年來也有用數(shù)字化儀將人們的書寫信息進行電子傳遞。小型數(shù)字化儀又稱畫圖板。數(shù)字化儀主要有兩種一種是板面下裝有某種由特殊材料構(gòu)成的物質(zhì)，電磁波在該物質(zhì)中的傳播被延遲，通過在該物質(zhì)的終端測量延遲的相位就可換算出電磁波發(fā)射點的位置；另一種是X、Y方向各一組由多根相互平行的導(dǎo)線組成天線，有的將發(fā)射源做在筆上，用天線接收信號；有的以天線作為發(fā)射源，將接收單元做在筆上。上述兩類裝置對接收到的信號處理大致可分為(1)依靠A/D轉(zhuǎn)換，通過確定信號的最大值來確定定點位置；(2)通過鎖相環(huán)(Phase-Lock-Loop)；(3)通過同步檢波。(參考U.S Patent documents 4616106 10/1986)但是兩種方法均有不足，第一種方法制造出的定位裝置有比較高的精度，但材料是由繞制線圈之類手段作成，工藝復(fù)雜第二種方法，受制于筆對天線的距離，天線陣列方格的邊長。邊長越短，精度越高，但筆須更近天線，此時信號/噪聲比(S/N)也要受到損害，故精度難有實質(zhì)性的提高。
本發(fā)明的目的是設(shè)計一種結(jié)構(gòu)簡單并能精確確定畫圖板上位置并轉(zhuǎn)換成電信號的裝置及其轉(zhuǎn)換方法。
本發(fā)明的裝置有兩部分，一是能夠產(chǎn)生電磁場的筆，另一是裝有接收天線的平板。筆是在筆腔內(nèi)有一空心磁棒，磁棒外繞有線圈，磁棒內(nèi)通過帶有筆頭的筆芯，其余的彈簧、墊片、開關(guān)及其連線排列在筆尾部，除連線引出筆殼及一個锨按式按鈕的部分露出筆殼外，其余均包含在筆殼內(nèi)。彈簧與筆芯、靠近開關(guān)的墊片相連，同磁棒頭上的墊片一起形成一個開關(guān)，相當(dāng)于鼠標(biāo)左按鈕；另一按鈕可制成锨按式，相當(dāng)于鼠標(biāo)右按鈕。
在平板下面有四組接收天線，圖6給出了相互垂直的X、Y方向各兩組方向相反的共四組接收天線示意圖，每組天線由互相平行的導(dǎo)線組成，導(dǎo)線的一端全部接地，另一端有兩種連接方式一是接至多路開關(guān)，另一是懸空，為敘述起見，稱接至多路開關(guān)的導(dǎo)線為主導(dǎo)線，稱懸空的導(dǎo)線為輔助導(dǎo)線。
參考圖2。圖2詳細說明了天線的形狀。為簡單起見，圖中只畫出了一個方向的兩組天線，實際上與該方向垂直的方向也有同樣的天線。從圖2可以看出每組天線都由相互平行的導(dǎo)線構(gòu)成，這些導(dǎo)線在共同的一端全都接地，另一端有的接至多路開關(guān)，有的懸空。前者被稱為主導(dǎo)線，后者為輔助導(dǎo)線。圖2中11、12指向主導(dǎo)線，13、14指向輔助導(dǎo)線。由圖2還可以看出，每根主導(dǎo)線對稱地攜帶兩根輔助導(dǎo)線。天線接收來自于筆的電信號，經(jīng)過處理后，其相位與筆的位置成線性關(guān)系，從而得到相應(yīng)的坐標(biāo)值。
產(chǎn)生交變電磁場的筆的位置經(jīng)接收大線轉(zhuǎn)換成電信號。使用的數(shù)學(xué)公式如下四組接收天線分成相互垂直的各兩組方向相反的天線，每組天線由互相平行的導(dǎo)線組成，在一組接收天線中，A為主導(dǎo)線之集，B、C分別為左、右輔助導(dǎo)線之集，參考圖2。
設(shè)A中相鄰導(dǎo)線的距離為D，多路開關(guān)34從左向右掃描A中導(dǎo)線，對應(yīng)的時間為
，T為掃描一根導(dǎo)線的時間。筆至最左邊導(dǎo)線的距離為x。此時筆中流動著交流電流sin(2πt/T)。
A組導(dǎo)線的情況。筆尖附近的交變電磁場使該組導(dǎo)線產(chǎn)生感生電動勢f(2π(t/T-x/D))sin(2πt/T)，即調(diào)制信號f(2π(t/T-x/D))與載波信號sin(2πt/T)之積。f的函數(shù)圖形為圖7當(dāng)筆居于某導(dǎo)線正上方時，導(dǎo)線產(chǎn)生感生電動勢為0，故f(0)＝0；由于筆左邊的導(dǎo)線與筆右邊的導(dǎo)線產(chǎn)生感生電動勢反向，故f(z)當(dāng)z＜0時為正，當(dāng)z＞0時為負；當(dāng)某根導(dǎo)線離筆較遠時，導(dǎo)線產(chǎn)生感生電動勢就比較小，故f(z)當(dāng)|z|比較大時比較小。
B組導(dǎo)線的情況。根據(jù)上述推理，得出B組導(dǎo)線的感生電動勢為k*f(2π(t/T-x/D+1/3))sin(2πt/T).
其中，k＝輔助導(dǎo)線的寬度/主導(dǎo)線的寬度。
C組導(dǎo)線的情況。同理，得出C組導(dǎo)線的感生電動勢為k*f(2π(t/T-x/D-1/3))sin(2πt/T).
通過34輪流選通A組的每一根導(dǎo)線，由A、B、C三組的感生電動勢產(chǎn)生感生電流，得到{f(2π(t/T-x/D))+k[f(2π(t/T-x/D+1/3))+f(2π(t/T-x/D-1/3))]}sin(2πt/T).
經(jīng)過37中的相位檢測，得到{f(2π(t/T-x/D))+k[f(2π(t/T-x/D+1/3))+f(2π(t/T-x/D-1/3))]}*sin(2πt/T)*sin(2πt/T).
經(jīng)過38，濾去高頻部分，然后對t積分，得到(1+0.707k)g(2π(t/T-x/D)).
其中，g具有類似T的形狀。
經(jīng)過39中的過零檢測，得到相位信號2πx/D。
微控制器31通過計數(shù)器將2πx/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字T(x/D)，即筆的坐標(biāo)。
結(jié)論一組天線的相位信號與筆的位置成線性關(guān)系；因子k的作用是增大接收信號的振幅，因此可適當(dāng)加大D。
與四組天線相關(guān)的數(shù)學(xué)公式設(shè)X方向的兩組天線測得的筆尖的坐標(biāo)為X1，X2，則整個坐標(biāo)可由公式給出X＝2X2+X1 mod 2-------------------(A)對Y方向亦然。
本發(fā)明提供的X軸、Y軸方向各兩組方向相反的四組天線，將天線接收到的信號轉(zhuǎn)換成筆的相應(yīng)坐標(biāo)值，通過公式(A)，最終的坐標(biāo)值可由同一坐標(biāo)的兩個方向的坐標(biāo)值得到。因此相對于只有X、Y方向各一套天線的裝置而言，本裝置的定位精度是其兩倍。
參考圖3。產(chǎn)生電磁場的筆是下列結(jié)構(gòu)21表示磁棒，22表示線圈，23、24表示墊片，25表示彈簧，26表示墊片，27表示開關(guān)，28表示筆殼，29表示帶有筆頭的筆芯，2a表示線圈22一端的引線，2b表示公共地線，2c表示開關(guān)27一端的引線，2d表示墊片26的引線。固定在筆腔內(nèi)的空心磁棒(21)外繞有線圈(22)，磁棒一端固定有墊片(23)，有筆頭(29)的筆芯穿過空心磁棒，筆芯穿出磁棒部分套有彈簧(25)，彈簧兩頭固定有墊片(24)和(26)，墊片(24)固定于筆芯上并可隨筆芯上下移動，墊片(26)依靠锨按式按鈕(27)而固定在筆腔內(nèi)，當(dāng)筆頭不受壓時，墊片(24)與(26)因彈簧彈力而拉開距離，并使筆芯與墊片(26)之間留有空隙可供筆芯上下移動，同時也因彈簧的彈力使墊片(23)與(24)保持接觸。線圈(22)靠近筆尖的一端引出連線(2a)連接至正弦信號發(fā)生器(33)，公共地線(2b)將線圈(22)之另一端、墊片(23)、開關(guān)(27)之一端連接，開關(guān)(27)之另一端引出導(dǎo)線(2c)，墊片(26)引出導(dǎo)線(2d)，連接線均從筆尾部引出。當(dāng)筆頭受到壓力時，筆芯帶動墊片(24)擠壓彈簧使墊片(24)與(23)脫離接觸，從而產(chǎn)生單擊鼠標(biāo)左按鈕的效果；另一開關(guān)(27)為锨按式，其按鈕部分穿過筆殼上的小孔露出筆殼，按下此按鈕產(chǎn)生單擊鼠標(biāo)右按鈕的效果。
從筆中引出的2a、2b、2c、2d從筆尾引出至控制電路板。參考圖4，圖4中31為微控制器，32為串行通信單元，33為正弦波產(chǎn)生單元，34為多路開關(guān)，36為信號初級放大單元，37為同步檢波單元，38為濾波單元，39為過零檢測單元。本示例中每組天線有8根主導(dǎo)線。由于共有4*8根主導(dǎo)線，故用四個8選一多路開關(guān)組成34。微控制器31用四根I/O口線35來輪流選通34中的四個多路開關(guān)，同時31還用三根I/O口線來輪流選通每個多路開關(guān)的8根線。
參考圖5。微控制器31首先通過35選定一組天線，然后通過一個I/O口發(fā)出波長為100μs的方波e1，通過33調(diào)制成平衡的正弦波e2。由于平衡電路的原理是已知的，故省略。通過導(dǎo)線2a，筆尖附近形成交變電磁場。與此同時，34輪流選通一組天線的8根主導(dǎo)線，時間間隔為100μs。當(dāng)筆尖靠近選定的天線時，有微弱電流在選通的主導(dǎo)線中流動。通過34，該電流被送至36放大，得到電信號e3。由于36的原理是已知的，故不詳述。e3與e1在37中進行同步檢波，得到電信號e4。同步檢波的原理也是已知的，故略去。e4被送至38，濾去高頻部分，得到電信號e5。濾波電路的原理也是已知的，故不述及。電信號e5在39中過零檢測，得到31能夠處理的電信號e6。e6的由Vcc到0V的跳變點，與筆至天線邊界的距離一一對應(yīng)。由于共有四組天線，故有圖形e7、e8、e9、e10、e11及e12。每組天線選通的時間間隙為100μs*15，輪流選通四組天線共花去時間100μs*100。e13表示31進行數(shù)據(jù)處理，其時間為2.5ms。e14表示31通過32傳送數(shù)據(jù)給電腦，花去25個ms。
本發(fā)明的裝置是這樣工作的給筆中的線圈以適當(dāng)?shù)拿}沖，筆尖周圍就形成交變電磁場；輪流選通主導(dǎo)線，得到包含筆尖位置信息的微弱信號，經(jīng)過放大、同步檢波、濾波、過零檢測，轉(zhuǎn)換成微控制器能夠處理的信號；該信號的特征點與筆至畫圖板中心的距離成線性關(guān)系，由此容易算出筆尖在圖形板上的四個坐標(biāo)值經(jīng)過本發(fā)明給出的數(shù)學(xué)公式(A)，最終的坐標(biāo)值可由同一坐標(biāo)的兩個方向的坐標(biāo)值得到。相對于只有X、Y方向各一套天線的裝置而言，本裝置的定位精度是其兩倍。
本發(fā)明提供了一種裝置，能確定畫圖板上指定點位置的X、Y坐標(biāo)。裝置主要由能夠產(chǎn)生交變電磁場的筆和裝在平板下面的接收天線組成。天線接收來自筆的信號，經(jīng)過本發(fā)明方法提供的數(shù)學(xué)處理方法處理后，其相位與筆的位置成線性關(guān)系。筆和接收天線結(jié)構(gòu)簡單，給本裝置的制作帶來了方便。由于本發(fā)明運用了相互垂直的X、Y方向各兩組方向相反的共四組接收天線，因而通過本發(fā)明給出的數(shù)學(xué)公式(A)，得知本發(fā)明所獲得的定位精度是只有X、Y方向各一套天線的裝置的兩倍。綜上所述，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，精確度高，方法可靠。


圖1是本發(fā)明裝置示意圖，在圖1中1表示工作面板，2表示筆，面板與筆通過導(dǎo)線3連接，整個裝置通過導(dǎo)線4與電腦連接，裝置通過線5與電源相連。
圖2是本發(fā)明X軸的兩組方向相反天線示意圖。
圖3是筆的構(gòu)造示意圖。
圖4是裝置電路框圖。
圖5是裝置電原理圖。
圖6是相互垂直的X、Y方向各兩組方向相反的共四組接收天線示意圖。
圖7是一組天線所對應(yīng)的調(diào)制信號圖形。
實施例本發(fā)明實施過程如下1.程序分析員先分析DOS、WIN3.X、WIN95操作系統(tǒng)下的msmouse.drv、msmouse sys、msmouse.com、msmouse.exe等鼠標(biāo)驅(qū)動程序，確定畫圖板在DOS、WIN3.X、WIN95操作系統(tǒng)下驅(qū)動程序的方案，使畫圖板具有鼠標(biāo)的功能。
2.根據(jù)程序分析員的方案，高級程序工程師設(shè)計出畫圖板在DOS、WIN3.X、WIN95操作系統(tǒng)下的驅(qū)動程序，并確定畫圖板的串行通信方式。
3.電子工程師根據(jù)本發(fā)明中的原理，根據(jù)高級程序工程師確定的串行通信方式，采用MCS51序列微控制器，用ASM51或Franklin C51寫出控制軟件。用ORCAD或PROTEL電子CAD設(shè)計電路圖，得到原理圖、PCB圖、電子元器件列表。其中筆中磁棒長為24毫米、內(nèi)徑為3.5毫米、外徑為6毫米，磁棒外繞規(guī)格為0.14毫米的漆包線7.8米；接收天線印刷在雙面電路板上，每面兩組，每組接收天線由8根主導(dǎo)線及16根輔助導(dǎo)線組成，主導(dǎo)線長62毫米、寬1毫米，輔助導(dǎo)線長61毫米、寬0.5毫米，兩者間距為1毫米；采用Atmel公司的89C51為控制器31；采用《SICE通用單片機仿真器及其應(yīng)用》(涂時亮、張友德編，復(fù)旦大學(xué)出版社1992年4月出版)中的圖9.1串行口通訊實驗線路為串行口通信電路32；采用《電子電路大全卷4專用電路》([美]J.馬庫斯，計量出版社編輯部組織編譯，1985，北京)中的6.24用鎖項環(huán)將方波變換成正弦波為33；采用四枚CD4051構(gòu)成34；采用《美國國家半導(dǎo)體公司線性集成電路特性與應(yīng)用手冊》(總校 過柏齡)中的3-223交流耦合倒相放大器為36；采用《高頻電子線路》(武秀玲、沈偉慈編著西安電子科技大學(xué)出版社1995年5月出版)中的圖5.3.15 C1496構(gòu)成同步檢波器電路圖為37；采用《美國國家半導(dǎo)體公司線性集成電路特性與應(yīng)用手冊》(總校過柏齡)中的3-224帶通有源濾波器為38；采用《美國國家半導(dǎo)體公司線性集成電路特性與應(yīng)用手冊》(總校過柏齡)中的5-34過零檢測電路為39；4.模具設(shè)計工程師根據(jù)PCB圖設(shè)計畫圖板外型。根據(jù)本發(fā)明圖3設(shè)計筆的外型。
5.美術(shù)設(shè)計員根據(jù)實物大小，設(shè)計裝潢及紙盒。
6.電子器件采購員將電子工程師的PCB圖交付電路板生產(chǎn)廠家，生產(chǎn)出電路板。并備PC電腦若干臺、示波器若干個、浸焊爐、焊錫、免清洗助焊劑。根據(jù)電子元器件列表購置電子元器件若干套。模具生產(chǎn)廠家生產(chǎn)出外殼與筆若干套。紙盒生產(chǎn)廠家生產(chǎn)出紙盒若干套。
7.電子器件裝配工負責(zé)將電子元器件插入電路板。熔錫于浸焊爐。將電路板浸入助焊劑。再將電路板浸入熔錫10秒。
8.裝配工根據(jù)本發(fā)明圖3裝配筆。
9電子器件裝配工依據(jù)本發(fā)明圖1，在電子工程師與模具設(shè)計工程師的指導(dǎo)下，裝配畫圖板。
10.電子檢驗員依據(jù)本發(fā)明圖5，在電子工程師的指導(dǎo)下，用示波器檢查電路板。
11.初級程序員在高級程序工程師的指導(dǎo)下，將畫圖板與電腦串行口相連，使電腦依次進入DOS、WIN3.X、WIN95操作系統(tǒng)，檢查畫圖板在高級程序工程師設(shè)計的驅(qū)動程序下的工作情況。
12.包裝工將畫圖板裝入紙盒，內(nèi)附含驅(qū)動程序的軟盤和質(zhì)保證書。
權(quán)利要求
1.一種畫圖板裝置，包括能夠產(chǎn)生交變電磁場的筆和裝在平板下面的接收天線，其特征在于交變電流流過筆腔內(nèi)繞在磁棒上的線圈產(chǎn)生交變電磁場，該交變電磁場作用于接收天線產(chǎn)生感生電動勢；帶有筆頭的筆芯通過磁棒，其余的彈簧、墊片、開關(guān)及其連線排列在筆尾部，除連線引出筆殼及一個锨按式按鈕的部分露出筆殼外，其余均包含在筆殼內(nèi)平板下面裝有X軸、Y軸方向各兩組方向相反的共四組接收天線，每組天線由互相平行的導(dǎo)線組成，導(dǎo)線的一端全部接地，另一端有兩種連接方式一是接至多路開關(guān)，另一是懸空，接收天線產(chǎn)生的電信號經(jīng)過放大、同步檢波、濾波、過零檢測，將筆尖位置的信息信號轉(zhuǎn)換成微控制器能夠處理的信號。
2.一種畫圖板的信號轉(zhuǎn)換方法，即能產(chǎn)生交變電磁場的筆的位置經(jīng)接收天線轉(zhuǎn)換成電信號的方法，其特征在于四組接收天線分成X軸、Y軸方向各兩組方向相反的天線，每組天線由互相平行的導(dǎo)線組成，這些導(dǎo)線的一端全都接地，另一端有的接至多路開關(guān)，有的懸空，一端接至多路開關(guān)的導(dǎo)線稱為主導(dǎo)線，一端懸空的導(dǎo)線稱為輔助導(dǎo)線，在一組天線中，A為主導(dǎo)線之集，B、C分別為左、右輔助導(dǎo)線之集，則其產(chǎn)生的感生電動勢的公式為A組f(2π(t/T-x/D))sin(2πt/T).B組k*f(2π(t/T-x/D+1/3))sin(2πt/T).C組k*f(2π(t/T-x/D-1/3))sin(2πt/T).經(jīng)過多路開關(guān)、放大、同步檢波、濾波、過零檢測，得到相位信號2πx/D，通過微控制器轉(zhuǎn)換成數(shù)字T(x/D)，即筆的坐標(biāo)；若設(shè)X方向的兩組天線測得的筆尖坐標(biāo)為分別為X1、X2，則整個X方向的坐標(biāo)公式為X＝2X2+X1mod2.Y方向依上述類推。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的畫圖板裝置，其特征在于產(chǎn)生電磁場的筆可以是下列結(jié)構(gòu)固定在筆腔內(nèi)的空心磁棒(21)外繞有線圈(22)，磁棒一端固定有墊片(23)，有筆頭(29)的筆芯穿過空心磁棒，筆芯穿出磁棒部分套有彈簧(25)，彈簧兩頭固定有墊片(24)和(26)，墊片(24)固定于筆芯上并可隨筆芯上下移動，墊片(26)依靠锨按式按鈕(27)而固定在筆腔內(nèi)，線圈(22)靠近筆尖的一端引出連線(2a)連接至正弦信號發(fā)生器(33)，公共地線(2b)將線圈(22)之另一端、墊片(23)、開關(guān)(27)之一端連接，開關(guān)(27)之另一端引出導(dǎo)線(2c)，墊片(26)引出導(dǎo)線(2d)，連接線均從筆尾部引出。
全文摘要
本發(fā)明是一種能將平板上的筆的位置轉(zhuǎn)換成電信號的裝置及其轉(zhuǎn)換方法?，F(xiàn)有的畫圖板存在工藝復(fù)雜或精度難有提高的不足。本發(fā)明設(shè)計一種能產(chǎn)生交變電磁場的筆和接收筆尖位置的平板。筆腔內(nèi)有繞有線圈的磁棒,平板下有X、Y方向各兩組方向相反的共四組接收天線,天線得到的信號經(jīng)放大、同步檢波、濾波、過零檢測和微控制器處理,即得到筆尖在畫圖板上的精確位置。本發(fā)明裝置簡單,方便可靠,精確度高。
文檔編號G06K11/06GK1188286SQ97106748
公開日1998年7月22日 申請日期1997年11月28日 優(yōu)先權(quán)日1997年11月28日
發(fā)明者張德志 申請人:張德志