一种二维平面坐标快速数字输入系统及实现方法

技术领域

本发明涉及计算机外围数字二维坐标输入技术领域，具体是一种二维平面坐标快速数字输入系统及实现方法。

背景技术

随着计算机技术的快速发展，计算机周边坐标输入类设备及系统也得到飞速发展。尤其是以书写、绘画、签字、二维平面坐标输入类游戏等领域对于数字坐标系统的输入需要愈发强烈，并且对坐标输入的实时性准确性的要求也越来越高。手写输入装置例如电磁板、电磁屏等的输入方式包含有电磁感应式、薄膜电阻等，而电磁感应式在使用上主要是搭配一支专用的电磁笔。

被动式电磁感应笔和电磁板或电磁屏组成的系统原理是由电磁板或电磁屏分别逐次以X，Y方向排布的若干金属线圈发射电磁波，并接收位于感应区域内的电磁笔的回波信号，从而通过相邻几根天线的信号强度差计算得到电磁笔位于电磁板或电磁屏表面的位置。

主动式电磁笔和电磁板或电磁屏组成的系统原理是由电磁笔主动发射电磁波，电磁板和电磁屏以X，Y方向排布的若干线圈同样是以分别逐次扫描X，Y的方式得到电磁笔发射的信号，并通过相邻几根天线的电压差计算得到电磁笔位于电磁板或电磁屏表面的位置及倾斜角度；

其中有中国专利公布号为CN100377047C的名为“数字板指针系统及其信号传送方法”的专利，公开了“本发明的另一目的，是设计一无电池指针设备(笔、鼠标、定位盘、等等)配合本发明电磁感应天线回路编排设计的方式，包括利用可变电感与电容所构成的共振电路来感应接收电磁能、加以共振储能后再发射回数字板，以达成提供无电池指针设备电源的效果，且本发明的该可变电感的设计是当使用者操作指针设备笔尖接触，压迫数位板时，将会使指针设备的共振频率‘变高或变低’，相对地，当按压指针设各上的按键时，则将促使指针设备的共振频率‘降低’。由于本发明的指针设备于进行笔尖压迫接触数位板与按压按键操作时，将造成频率变化的不同(一为增加频率、另一则为降低频率)，所以本发明不仅更容易判断使用者对于指针设备的操作，发生误判的机率降低，且对于频率感应侦测的精密度的要求亦相对较低，所以电路设计亦相对简单，成本更可进一步减少者。并且，本发明藉由‘可变电感，连动于指针设备的笔尖，所以当压迫笔尖时所能产生的‘频率’变化量较大，所以，本发明可直接籍由感测‘频率交化量’来判定笔尖的压迫压力，所需使用到的电路设计相对简单许多、亦较不需精密地感测技术、成本亦相对较低。”

以上两种方式在接收电磁笔的信号时均采用先扫描X或Y方向，后扫描Y或X方向天线线圈的方式实现。该方式类似传统CRT电视机的逐行扫描方式，扫描效率低，并且对任意一个位置的回波采样均存在X,Y方向的先后顺序，而采样的同时笔又是在实时移动，这样利用实际采样的ADC值计算出来的坐标值一定会与理论值存在一定的差异，尤其是在电磁笔快速移动的情况下，此现象更为明显，形成类似于摄像、拍照延时形成的拖影现象。

对于电磁笔，目前市面上主流的方案有模拟笔(主动式(带电池能主动发射电磁波)、被动式(被动产生电磁谐振))，以及数字笔。模拟笔计算笔压的方式多是改变笔上电感或电容的值，从而导致谐振频率变化，而电磁板或电磁屏通过软件算法判断频率的变化来换算成压力值。数字笔则是通过改变笔上的压感器件，再通过笔上ADC采样，MCU计算并以数字调制的方式反馈给电磁板或电磁屏，以上两种方式均需要较长的时间。

为解决以上问题，本发明采用X，Y天线同时发射，并且主处理芯片MCU具备至少两路硬件的ADC，分别用于同时接收X，Y天线回波信号并计算电磁笔位于二维坐标平面内的坐标值及倾斜角度。对于笔压的计算，本发明采用鉴相器的原理，通过硬件相位差积分并由主处理芯片MCU采样计算而实时的得到笔的压力变化，并最终通过主处理芯片MCU的USB、UART、I2C、SPI等接口将坐标、倾角、压力等数据输出，提供了一种二维平面坐标快速数字输入系统及实现方法。

发明内容

本发明为克服上述情况不足，提供了一种二维平面坐标快速数字输入系统及实现方法，其技术方案如下。

一种二维平面坐标快速数字输入系统，包括电磁笔和手写输入装置，手写输入装置设置有输入系统，输入系统包括主处理MCU芯片、接收电路、输出电路以及X，Y阵列天线单元，主处理MCU芯片内部设置有时钟信号产生单元和时钟信号输出脚，接收电路设置有鉴相器，输出电路中设置有信号匹配放大单元和三态门，时钟信号产生单元用于产生单元生成时钟信号，时钟信号输出脚用于输出时钟信号，信号匹配放大单元用于将时钟信号放大并微分，三态门用于输出微分后的时钟信号到X，Y阵列天线单元，X，Y阵列天线单元用于接收电磁笔的回波信号并通过X，Y通路放大滤波，主处理MCU芯片内设置有两路ADC模块，ADC模块用于将接收滤波信号经ADC输入端输入至主处理MCU芯片，并对回波信号进行模数转换。鉴相器用于通过硬件相位差积分并由主处理MCU芯片内ADC采样计算而实时的得到电磁笔的压力变化。

进一步的，时钟信号产生单元为PWM模块，PWM模块用于生成方波时钟信号。

进一步的，时钟信号输出脚为GPIO引脚，GPIO引脚用于输出方波时钟信号。

一种二维平面坐标快速数字输入系统的实现方法，包括以下步骤：

步骤1、首先由主处理MCU芯片的PWM模块产生一定频率的方波时钟信号S0，并由GPIO引脚输出；

步骤2、主处理MCU芯片将GPIO引脚输出的方波时钟信号S0经放大、微分，生成更大幅值的正负尖波S1、S2；

步骤3、尖波S1、S2经X、Y通路选择控制单元，X1...Xn模拟开关阵列和Y1...Yn模拟开关阵列，同时输出至XY阵列天线单元，后续运算过程中根据实际情况，X1...Xn模拟开关阵列和Y1...Yn模拟开关阵列开关的顺序和编号可做动态调整；

步骤4、主处理MCU芯片在发射信号过程中，此时如果天线辐射区域内有电磁笔存在，电磁笔会接收到XY阵列天线单元的XY天线发出的信号S1、S2，并且电磁笔会产生震荡信号S3、S4

步骤5、主处理MCU芯片信号发射完毕后，将X1...Xn模拟开关阵列和Y1...Yn模拟开关阵列开关经三态门同时转为接收模式，并打开接收电路运放部分，在运放打开的S5波形中的T1...Tn时间段内，XY阵列天线单元将接收到的信号同时经X、Y通道放大、滤波整形并积分得到回波信号S6，S7；

步骤6、主处理MCU芯片硬件的两路ADC同时对X、Y天线回波积分信号S6，S7进行采样，保证任意一个坐标点X、Y采样时的同步性，并通过相邻几根天线的电压差计算得到电磁笔在二维平面坐标内的位置及倾斜角度；

步骤7、由于电磁笔的笔压变化是通过改变电容器件或者电感器件的值，从而使电磁波频率做轻微的变化，根据鉴相器原理，经鉴相器后会生成一定的电压差，将此电压差进行一定数量的积分，并参考电磁笔设计的压力对应频率的最大变化值，可以将鉴相器积分后得到的电压值换算为笔的压力值；

步骤8、最终通过主处理MCU芯片的USB、UART、I2C、SPI等接口将坐标、倾角、压力等数据输出。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明采用X，Y天线同时发射，并且主处理MCU芯片具备至少两路硬件的ADC，分别用于同时接收X，Y天线回波信号并计算电磁笔位于二维坐标平面内的坐标值及倾斜角度，对于笔压的计算，本发明采用鉴相器的原理，通过硬件相位差积分并由主处理MCU芯片采样计算而实时的得到笔的压力变化，避免延时。

附图说明

图1为本发明的模块结构示意图。

图2为本发明的步骤流程图。

图3为本发明的波形示意图。

图4为本发明的变化波形图。

图5为本发明的另一变化波形图。

图6为本发明的电压差示意图。

具体实施方式

如图1-6所示，一种二维平面坐标快速数字输入系统，包括电磁笔和手写输入装置，手写输入装置设置有输入系统，输入系统包括主处理MCU芯片、接收电路、输出电路以及X，Y阵列天线单元，主处理MCU芯片内部设置有时钟信号产生单元和时钟信号输出脚，接收电路设置有鉴相器，输出电路中设置有信号匹配放大单元和三态门，时钟信号产生单元用于产生单元生成时钟信号，时钟信号输出脚用于输出时钟信号，信号匹配放大单元用于将时钟信号放大并微分，三态门用于输出微分后的时钟信号到X，Y阵列天线单元，X，Y阵列天线单元用于接收电磁笔的回波信号并通过X，Y通路放大滤波，主处理MCU芯片内设置有两路ADC模块，ADC模块用于将接收滤波信号经ADC输入端输入至主处理MCU芯片，并对回波信号进行模数转换，鉴相器用于通过硬件相位差积分并由主处理MCU芯片内ADC采样计算而实时的得到电磁笔的压力变化。

进一步的，时钟信号产生单元为PWM模块，PWM模块用于生成方波时钟信号。

进一步的，时钟信号输出脚为GPIO引脚，GPIO引脚用于输出方波时钟信号。

一种二维平面坐标快速数字输入系统的实现方法，包括以下步骤：

步骤1、首先由主处理MCU芯片的PWM模块产生一定频率的方波时钟信号S0，并由GPIO引脚输出；

步骤2、主处理MCU芯片将GPIO引脚输出的方波时钟信号S0经放大、微分，生成更大幅值的正负尖波S1、S2；

步骤3、尖波S1、S2经X、Y通路选择控制单元，X1...Xn模拟开关阵列和Y1...Yn模拟开关阵列，同时输出至XY阵列天线单元，后续运算过程中根据实际情况，X1...Xn模拟开关阵列和Y1...Yn模拟开关阵列开关的顺序和编号可做动态调整；

步骤4、主处理MCU芯片在发射信号过程中，此时如果天线辐射区域内有电磁笔存在，电磁笔会接收到XY阵列天线单元的XY天线发出的信号S1、S2，并且电磁笔会产生震荡信号S3、S4

步骤5、主处理MCU芯片信号发射完毕后，将X1...Xn模拟开关阵列和Y1...Yn模拟开关阵列开关经三态门同时转为接收模式，并打开接收电路运放部分，在运放打开的S5波形中的T1...Tn时间段内，XY阵列天线单元将接收到的信号同时经X、Y通道放大、滤波整形并积分得到回波信号S6，S7；由于电磁笔在天线感应区域内，感应信号最强的中心天线的左右两边的信号强度会伴随着电磁笔的倾斜而发生变化，故取左右两边天线感应强度的P1、P2差值△3相对于主波P0的比例可计算得到电磁笔的倾斜角度(如图4)；

步骤6、主处理MCU芯片硬件的两路ADC同时对X、Y天线回波积分信号S6，S7进行采样，保证任意一个坐标点X、Y采样时的同步性，并通过相邻几根天线的电压差计算得到电磁笔在二维平面坐标内的位置及倾斜角度；

步骤7、由于电磁笔的笔压变化是通过改变电容器件或者电感器件的值，从而使电磁波频率做轻微的变化，根据鉴相器原理，经鉴相器后会生成一定的电压差，将此电压差进行一定数量的积分，并参考电磁笔设计的压力对应频率的最大变化值，可以将鉴相器积分后得到的电压值换算为笔的压力值；根据鉴相器原理(如图5)P0为原始波形，P1、P2为频率发生变化后的波形，△1、△2为相位差。故接收电路中的鉴相器组件可将主处理芯片MCU向天线发射的固定时钟信号(图2中S0)作为参考源，并与天线接收到的笔的回波信号整形后做比较，如果两种信号频率上有差异，则经鉴相器后会生成一定的电压差(如图6所示)；

步骤8、最终通过主处理MCU芯片的USB、UART、I2C、SPI等接口将坐标、倾角、压力等数据输出。

对于本领域的技术人员来说，可根据本发明所揭示的结构和原理获得其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都属于本发明的保护范畴。