專利名稱：超聲波手寫鍵盤的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超聲傳感技術(shù)領(lǐng)域，主要應(yīng)用于計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)中手寫輸入技術(shù)領(lǐng)域，是一種在普通PC機(jī)鍵盤上使用超聲波傳感定位技術(shù)，對(duì)手寫筆的位置坐標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)定位的裝置。
使用手寫筆進(jìn)行文字輸入和功能操作，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在如PC機(jī)等各種個(gè)人設(shè)備上?，F(xiàn)有的這些設(shè)備使用的輸入部件都是各種手寫板，如電阻膜手寫板、電磁感應(yīng)手寫板、電容觸控手寫板等幾種。這些手寫板產(chǎn)品，大部分都是以計(jì)算機(jī)外設(shè)的形態(tài)供使用者選購(gòu)，小部分產(chǎn)品與鍵盤結(jié)合到了一起構(gòu)成手寫鍵盤供用戶使用。這些種類的手寫板和手寫鍵盤分別有如下缺點(diǎn)第一，因原材料和工藝的原因，生產(chǎn)成本居高不下，嚴(yán)重地限制了這類產(chǎn)品在包括中國(guó)在內(nèi)、最需要手寫功能的藏漢語(yǔ)系國(guó)家內(nèi)普及使用。第二，這類產(chǎn)品的生產(chǎn)成本隨其有效使用面積的增大而迅速增加，因此現(xiàn)有售價(jià)稍低的產(chǎn)品，包括手寫鍵盤在內(nèi)，使用面積都不大，不能滿足用戶的多種需求。第三，成本相對(duì)較低的電阻膜產(chǎn)品，受其原理和材料限制而使用壽命較短，尺寸越大越容易損壞；而且當(dāng)其面積達(dá)到一定數(shù)值之后，生產(chǎn)成本也訊速攀升。第四，對(duì)于手寫鍵盤，因?yàn)槭謱懓灏惭b在鍵盤上而破壞了鍵盤鍵位的分布，而且手寫板的位置較高，所以不適合一般用戶的使用習(xí)慣。第五，現(xiàn)有產(chǎn)品都需要一塊供手寫筆書寫的“底板”作為傳感器，因此對(duì)于同時(shí)還使用鼠標(biāo)的用戶，手寫板的安放位置也是一個(gè)問(wèn)題。
現(xiàn)有另外的一類技術(shù)，是使用超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)手寫筆位置坐標(biāo)的檢測(cè)，如號(hào)碼為5,637,839和5,308,936的美國(guó)專利申請(qǐng)所公開的手寫輸入技術(shù)、申請(qǐng)?zhí)柣驅(qū)＠?hào)為98101325.2、98101663.4、98242235和98247481.2的中國(guó)專利申請(qǐng)，以及申請(qǐng)?zhí)枮?0222081.0的專利所公開的在其它產(chǎn)品上的應(yīng)用，都提供了一種利用聲波或超聲波技術(shù)對(duì)寫字筆、觸摸點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行傳感、檢測(cè)的技術(shù)，應(yīng)用于計(jì)算機(jī)多媒體輸入領(lǐng)域。中國(guó)專利99207552.1還公開了一種可以用于上述專利的超聲波換能器。這些專利申請(qǐng)所公開的技術(shù)，提供了一種新的手寫輸入手段，具有生產(chǎn)成本低的優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用潛力。但這些技術(shù)內(nèi)容，對(duì)于產(chǎn)品的生產(chǎn)和使用者來(lái)講，依然有著各種各樣的缺點(diǎn)有的同樣需要一塊“底板”，而且傳感器的成本較高；有的只是公開了一種原理而缺少具體應(yīng)用的結(jié)構(gòu)；有的是在其它產(chǎn)品上的應(yīng)用。對(duì)于最終用戶而言，他們需要的是一種價(jià)格底、使用方便的產(chǎn)品或功能，這些技術(shù)都不能滿足這種需求。
本發(fā)明的目的，就是針對(duì)上述的缺點(diǎn)和問(wèn)題，突破前述超聲波傳感技術(shù)的應(yīng)用模式，公開了一種將超聲波手寫輸入技術(shù)與PC機(jī)鍵盤集成應(yīng)用的技術(shù)方案，向用戶提供一種售價(jià)低廉、使用方便的超聲波手寫鍵盤。
完成這一發(fā)明目的的技術(shù)方案有四種，它們的共同內(nèi)容，都包含一個(gè)PC機(jī)鍵盤，一套由超聲波發(fā)射器及其發(fā)射電路、多個(gè)超聲波接收器及與其配合的超聲波信號(hào)接收處理電路通道；以及用于檢測(cè)超聲波在空氣中傳播的渡越時(shí)間的單片機(jī)系統(tǒng)；和一只手寫筆構(gòu)成的超聲波手寫筆位置坐標(biāo)檢測(cè)傳感系統(tǒng)；在本發(fā)明中，所述的超聲波手寫筆位置坐標(biāo)檢測(cè)傳感系統(tǒng)中的超聲波換能器，至少有兩只安裝在PC機(jī)鍵盤殼體側(cè)面的結(jié)構(gòu)件上，并且其坐標(biāo)位置在某一指定坐標(biāo)系內(nèi)是已知的；這些接收傳感器的超聲波傳感工作面指向殼體外部的空間。
對(duì)于不同的具體結(jié)構(gòu)，本發(fā)明有如下四個(gè)同一原理而不同細(xì)節(jié)的技術(shù)方案。
第一種方案在PC機(jī)鍵盤殼體側(cè)面的結(jié)構(gòu)件上，面向殼體外部，安裝有2只坐標(biāo)位置在某一指定坐標(biāo)系內(nèi)已知的超聲波接收傳感器；在手寫筆的書寫端安裝有1只超聲波發(fā)射器，該發(fā)射器通過(guò)一條電纜，與手寫筆位置坐標(biāo)檢測(cè)傳感系統(tǒng)內(nèi)的超聲波發(fā)射電路相連接；超聲波接收傳感器配合手寫筆位置坐標(biāo)檢測(cè)傳感系統(tǒng)，測(cè)量得到超聲波從發(fā)射器到2個(gè)接收器的渡越時(shí)間。由于超聲波在空氣中的傳播速度是已知的，所以通過(guò)電纜的同步計(jì)時(shí)，再通過(guò)設(shè)備內(nèi)的微處理器計(jì)算，就可以得到超聲波發(fā)射器，即手寫筆的書寫端在某個(gè)時(shí)刻在上述制定坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)值。
第二種方案在PC機(jī)鍵盤殼體側(cè)面的結(jié)構(gòu)件上，面向殼體外部，安裝有3只坐標(biāo)位置在某一指定坐標(biāo)系內(nèi)已知的超聲波接收傳感器；在手寫筆的書寫端安裝有1只超聲波發(fā)射器和一套超聲波脈沖發(fā)生、控制、驅(qū)動(dòng)電路。超聲波接收傳感器配合設(shè)備內(nèi)部的超聲波接收電路、計(jì)時(shí)電路，能夠測(cè)量得到超聲波從發(fā)射器到3個(gè)接收器的渡越時(shí)間的差值。由于超聲波在空氣中的傳播速度是已知的，所以再通過(guò)設(shè)備內(nèi)的微處理器計(jì)算，就可以得到超聲波發(fā)射器在這一指定坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)值。這里的3只傳感器中的任何一只及其配套連接的信號(hào)處理電路，都可能起著計(jì)時(shí)時(shí)間基準(zhǔn)的作用，其接收到的超聲波信號(hào)的時(shí)刻，作為檢測(cè)其它2只傳感器與該傳感器之間渡越時(shí)間差值檢測(cè)的基準(zhǔn)。
第三種方案在PC機(jī)鍵盤殼體側(cè)面的結(jié)構(gòu)件上，面向殼體外部，安裝有2只坐標(biāo)位置在某一指定坐標(biāo)系內(nèi)已知的超聲波接收器；在手寫筆的書寫端安裝有1只超聲波發(fā)射器和一套超聲波脈沖發(fā)生和驅(qū)動(dòng)電路；該發(fā)射器及其驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)包含紅外線、無(wú)線電波及其發(fā)射、接收電路來(lái)標(biāo)定計(jì)時(shí)的時(shí)間基準(zhǔn)，啟動(dòng)與超聲波接收器配合的接收電路、計(jì)時(shí)電路，就能夠分別測(cè)量得到超聲波從發(fā)射器到2個(gè)接收器的渡越時(shí)間。同上所述，再經(jīng)過(guò)設(shè)備內(nèi)的微處理器的計(jì)算，就可以得到該發(fā)射器，即手寫筆書寫端在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上在這一指定坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)值。
第四種方案在PC機(jī)鍵盤殼體側(cè)面的結(jié)構(gòu)件上，面向殼體外部，安裝有3只坐標(biāo)位置在某一指定坐標(biāo)系內(nèi)已知的超聲波傳感器；這些傳感器中有2只是超聲波接收器，1只是超聲波發(fā)射器；在手寫筆的書寫端安裝有一個(gè)超聲波反射器。超聲波發(fā)射器、接收器超聲波脈沖發(fā)生和驅(qū)動(dòng)電路、超聲波接收電路、計(jì)時(shí)電路，能夠測(cè)量得到超聲波從發(fā)射器被發(fā)射出，到被反射器反射，分別到達(dá)2接收器這個(gè)過(guò)程的渡越時(shí)間。同上所述，再經(jīng)過(guò)設(shè)備內(nèi)的微處理器的計(jì)算，就可以得到該反射器，即手寫筆書寫端在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上在這一指定坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)值。
在上述四種方案中，只要連續(xù)檢測(cè)手寫筆的書寫端在不同時(shí)間點(diǎn)的坐標(biāo)值，就形成了運(yùn)動(dòng)軌跡。這四種方案所涉及到的超聲波脈沖的發(fā)生、驅(qū)動(dòng)、接收和計(jì)時(shí)電路部分，以及微處理器的計(jì)算過(guò)程，都是現(xiàn)有的成熟技術(shù)，具體細(xì)節(jié)請(qǐng)參見上述的專利文件，以及專利號(hào)為98242237的專利文件，在此不再詳述。
這里所述換能器，泛指超聲波發(fā)射和接收器，工作面是指超聲波換能器發(fā)射或接收超聲波的表面。
對(duì)于超聲波手寫筆位置坐標(biāo)檢測(cè)傳感系統(tǒng)的電路部分，有兩種安裝方式第一種是直接安裝在鍵盤殼體的內(nèi)部；第二種是以電路板卡的形式，通過(guò)鍵盤殼體上的插口安裝到鍵盤上，供使用者選購(gòu)。
這里所說(shuō)的PC機(jī)鍵盤殼體側(cè)面的結(jié)構(gòu)件，可以是鍵盤殼體的側(cè)面，也可以是在該殼體上連接的折疊臂，以及與殼體通過(guò)滑動(dòng)卡槽、插孔安裝的伸縮臂等結(jié)構(gòu)件。
綜合上述技術(shù)特點(diǎn)，可以看到本發(fā)明的超聲波手寫鍵盤有如下優(yōu)點(diǎn)第一，普通的手寫板或手寫鍵盤，輸入傳感器的成本占到總成本的70％以上，而本發(fā)明中使用的超聲波換能器的價(jià)格非常低廉，只占手寫板或手寫鍵盤總成本的1/15-1/10，極大地降低了手寫板或手寫鍵盤的成本，奠定手寫輸入的普及的基礎(chǔ)；第二，由于超聲波換能器占總成本的比例非常低，所以可以實(shí)現(xiàn)在所有鍵盤上都預(yù)裝傳感器，為所有用戶預(yù)裝“手寫輸入”功能而基本上不影響鍵盤的成本和功能，再將電路部分做成“板卡”形式供用戶單獨(dú)選購(gòu)，這樣可以達(dá)到極大的市場(chǎng)占有率，進(jìn)一步為本發(fā)明的普及創(chuàng)造條件第三，因?yàn)橛捎诔暡〒Q能器安裝在鍵盤的側(cè)面，所以手寫輸入的區(qū)域不占用鍵盤部分的面積，也就不會(huì)因?yàn)楦淖冩I盤結(jié)構(gòu)而影響使用者的操作習(xí)慣；第四，因?yàn)樯鲜鰮Q能器的安裝結(jié)構(gòu)將鍵盤殼體外側(cè)的空間變成手寫輸入?yún)^(qū)域，所以極大地?cái)U(kuò)展了可用的輸入?yún)^(qū)域，不受普通手寫板或手寫鍵盤所固定的書寫面積的限制，能夠?qū)崿F(xiàn)包括圖形在內(nèi)的各種內(nèi)容輸入和操作、符合人機(jī)工程要求。


圖1手寫鍵盤的外形和輸入?yún)^(qū)域示意2方案一給出的手寫鍵盤的超聲波接收器在鍵盤側(cè)面的安裝位置示意3方案一給出的手寫鍵盤的手寫筆的結(jié)構(gòu)示意4方案二給出的手寫鍵盤的超聲波接收器在鍵盤側(cè)面的安裝位置示意5方案二所示的手寫鍵盤的無(wú)線手寫筆的結(jié)構(gòu)示意6方案三給出的手寫鍵盤的各種傳感器在鍵盤側(cè)面的安裝位置示意7方案三所示的手寫鍵盤的無(wú)線手寫筆的結(jié)構(gòu)示意8安裝各種傳感器的折疊臂在鍵盤的右側(cè)的安裝結(jié)構(gòu)示意9a方案四使用的一種無(wú)線手寫筆的外部結(jié)構(gòu)9b方案四使用的另一種無(wú)線手寫筆的外部結(jié)構(gòu)10方案四給出的手寫鍵盤的各種傳感器在鍵盤側(cè)面的安裝位置示意11板卡形式的電路部分在手寫鍵盤上安裝的結(jié)構(gòu)示意12方案二、三使用的手寫筆的電路原理方框13方案一使用的電路部分的原理方框14方案二使用的電路部分的原理方框15方案三使用的電路部分一種原理方框16方案三使用的手寫筆的另一種電路原理方框17方案三使用的電路部分的另一種原理方框18方案四使用的電路部分一種原理方框19一種伸縮臂在鍵盤側(cè)面的安裝結(jié)構(gòu)示意圖下面結(jié)合幾個(gè)實(shí)施例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的幾種具體結(jié)構(gòu)方案，以及相關(guān)電路的主要圖1表示出了本發(fā)明手寫鍵盤外形輪廓和輸入?yún)^(qū)域的示意圖。圖中，101表示普通的PC鍵盤的殼體，102表示鍵盤上的按鍵；鍵盤右邊的長(zhǎng)圓形區(qū)域103表示超聲波檢測(cè)定位有效區(qū)域。在上述的該區(qū)域內(nèi)，可以根據(jù)實(shí)際操作的需要，設(shè)定一個(gè)有效操作區(qū)域104；在該區(qū)域內(nèi)，專用手寫筆105所在的位置，能夠與計(jì)算機(jī)顯示屏幕上的某個(gè)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，或者說(shuō)在PC機(jī)的顯示器上能夠得到手寫筆105所在位置的唯一映射。這種映射可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)軟件調(diào)整區(qū)域104的尺寸而得到。有效檢測(cè)區(qū)域103的大小由超聲波發(fā)射和接收器的靈敏度、超聲波發(fā)射功率的大小等因素決定。專用筆的結(jié)構(gòu)、形式，由所采用的超聲波發(fā)射接收的結(jié)構(gòu)方案所決定，將在后面介紹不同的結(jié)構(gòu)方案時(shí)介紹。圖1中示例的專用筆是一只有線筆，與鍵盤通過(guò)連接電纜108相連接，鍵盤通過(guò)電纜106、107與PC機(jī)的鍵盤接口和COM或USB口相連接。
圖2是本發(fā)明的第一種方案中傳感器的安裝結(jié)構(gòu)，即圖1示例的有線筆方案中傳感器的安裝結(jié)構(gòu)。圖中201、202是兩只超聲波接收傳感器(陰影表示防護(hù)網(wǎng))，203表示鍵盤殼體上安裝所述兩只傳感器的側(cè)面，在本圖中是鍵盤的右側(cè)側(cè)面。在本圖和以后的各個(gè)圖中，超聲波換能器(發(fā)射和接收器)的安裝位置是指定的，或者說(shuō)在某個(gè)指定的坐標(biāo)系內(nèi)是已知的。這種要求很容易得到滿足，因?yàn)楫?dāng)換能器安裝到鍵盤上以后，可以通過(guò)在鍵盤上設(shè)置一個(gè)坐標(biāo)系來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)條件。另外，為敘述方便，以后將“超聲波手寫筆位置坐標(biāo)檢測(cè)傳感系統(tǒng)”中不包含手寫筆所安裝的電路部分(模擬電路和單片機(jī)系統(tǒng))稱之為“主定位系統(tǒng)”。圖2中的超聲波接收器直接與超聲波信號(hào)接收、處理電路連接，接收到的超聲波信號(hào)，被主定位系統(tǒng)處理，得到超聲波脈沖在空氣中的傳播到達(dá)兩個(gè)接收器所需的渡越時(shí)間。有了這兩個(gè)渡越時(shí)間，就能夠計(jì)算得到手寫筆書寫端所在位置的坐標(biāo)值，連續(xù)檢測(cè)這些坐標(biāo)值，就可以得到手寫筆書寫的筆跡數(shù)據(jù)。在這個(gè)方案中，主定位系統(tǒng)內(nèi)的超聲波驅(qū)動(dòng)、發(fā)射電路，則通過(guò)電纜108與手寫筆105相連接。在這套方案中，手寫筆的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，如圖3所示，由筆桿301、安裝在書寫端306附近的超聲波發(fā)射器302、超聲波擴(kuò)散孔303、及筆桿內(nèi)部的導(dǎo)線305構(gòu)成。如果考慮到實(shí)際操作時(shí)的必要功能，則可以模擬鼠標(biāo)的形式，在手寫筆上安裝兩個(gè)或更多的按鍵開關(guān)，圖中的304就是這些開關(guān)中的一個(gè)，安裝在筆桿上，可以定義為設(shè)備右鍵的功能。模仿普通手寫筆的結(jié)構(gòu)，另外一個(gè)更重要的按鍵開關(guān)可以定義為鼠標(biāo)的左鍵(圖中未畫出)，安裝在手寫筆的書寫端306與筆桿301之間。
圖13就是這種方案所使用的主定位系統(tǒng)的電路原理方框圖。在該圖中，1301是一個(gè)超聲波信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)射電路；1302是一只超聲波發(fā)射器，即圖3中的發(fā)射器302，1303是圖1、2、3中的連接電纜108。1310、1311是前述兩個(gè)實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)左右鍵操作的按鍵，當(dāng)然也通過(guò)電纜108與手寫筆連接。如果將這兩個(gè)按鍵設(shè)置成為高電平或低電平有效，則電纜108之中最多只需要4條芯線，他們是電源或地線、超聲波驅(qū)動(dòng)線、兩條按鍵連接線；如果再使用模擬電平比較電路，將按鍵設(shè)置成為不同電平有效，則電纜的芯線數(shù)量可以減少到3條。因此，這條電纜可以很細(xì)，不會(huì)給使用者造成不便；而電纜的好處則在于能夠避免手寫筆被丟失或遺忘在別的地方。結(jié)合圖2、3和13可以看到，有線手寫筆是一種比較簡(jiǎn)單實(shí)用的方案。
在圖13中，兩個(gè)超聲波接收器1305、1307以及與其連接的超聲波信號(hào)處理電路1306、1308和單片機(jī)系統(tǒng)1304、主定位系統(tǒng)與上位機(jī)(使用本系統(tǒng)的計(jì)算機(jī))的連接端口1309，與前述的超聲波發(fā)射電路、發(fā)射器等共同構(gòu)成了一套所述的主定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)部分、電路的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，可以參見前述的各個(gè)專利申請(qǐng)，后面的各個(gè)結(jié)構(gòu)方案中相同的部分的具體細(xì)節(jié)，基本上與這部分相同，區(qū)別在于某些參數(shù)的選擇方面。
圖4、圖5是第二種方案的超聲波接收器安裝示意圖和手寫筆的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。在圖4中鍵盤外殼選定的側(cè)面上，除了安裝有201、202兩只超聲波接收傳感器外，還另外安裝了第三個(gè)超聲波接收器401，其安裝方式于201、202相同。與這種方案配合，圖5中的手寫筆除了包含有圖3所示的結(jié)構(gòu)外，還包含有為手寫筆供電的電池501、超聲波信號(hào)發(fā)生、信號(hào)控制、發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路板502。電池501和電路板502構(gòu)成了一個(gè)超聲波發(fā)射的小系統(tǒng)，按照一定的方式和規(guī)則向手寫筆周圍的空間發(fā)射超聲波。手寫筆所發(fā)射的超聲波信號(hào)，經(jīng)過(guò)在空氣中傳播一段時(shí)間后，被圖4中的三個(gè)超聲波接收器接收到。由于三個(gè)超聲波接收器與手寫筆中的超聲波發(fā)射器的距離不同，所以超聲波信號(hào)到達(dá)這三個(gè)接收器所需要的渡越時(shí)間不同，三個(gè)渡越時(shí)間之間的差值，被所述的主定位系統(tǒng)所檢測(cè)到。有了這三個(gè)渡越時(shí)間中的兩個(gè)差值，就可以通過(guò)求解一個(gè)五元二次方程組，得到手寫筆書寫端所在位置的坐標(biāo)，進(jìn)而得到運(yùn)動(dòng)軌跡。事實(shí)上，三個(gè)接收器中最先收到超聲波的那只，起到了提供時(shí)間基準(zhǔn)的作用。
由于一個(gè)超聲波信號(hào)通道提供了一個(gè)渡越時(shí)間的計(jì)量基準(zhǔn)，所以方案二使用的手寫筆不需與主定位系統(tǒng)有線連接，是一只無(wú)線筆。圖12給出了手寫筆內(nèi)部電路部分的原理方框圖。圖中，超聲波信號(hào)發(fā)生電路1201、信號(hào)控制電路1202和驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射器1206的發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路1205構(gòu)成了電路板502的主要內(nèi)容；相當(dāng)于鼠標(biāo)左、右鍵功能的按鍵開關(guān)1203、1204，連接在信號(hào)控制電路部分，通過(guò)控制超聲波信號(hào)的編碼形式以及脈沖組的發(fā)射周期等內(nèi)容，傳遞各種操作信息。
圖14給出了這種方案所使用的主定位系統(tǒng)的電路原理方框圖。與圖13相比較，可以看到這個(gè)電路部分增加了一路由超聲波接收器1401、超聲波信號(hào)處理電路1402構(gòu)成的超聲波接收處理通道，減少了超聲波發(fā)射部分和控制按鍵1310、1311。這兩個(gè)按鍵被轉(zhuǎn)移到了手寫筆上，因此在單片機(jī)系統(tǒng)MCS所執(zhí)行的代碼部分，處理基本的時(shí)間檢測(cè)代碼外，還應(yīng)該包含檢測(cè)超聲波信號(hào)的編碼等本身信息的代碼。
圖6、7所示的是本發(fā)明的第三套結(jié)構(gòu)方案所采用的各種傳感器的安裝結(jié)構(gòu)，以及手寫筆的結(jié)構(gòu)示意圖。從圖6可以看到，在安裝超聲波接收器的鍵盤殼體的側(cè)面，除了兩只接收器外，還安裝了一個(gè)光電換能器601。這個(gè)光電換能器可以是一個(gè)發(fā)光元件，也可以是一個(gè)光電敏感元件；與此對(duì)應(yīng)，圖7中手寫筆書上的某個(gè)位置，需要安裝一個(gè)與601的種類相反的光電換能器。為了防止使用者握筆時(shí)阻擋光線，最好將這個(gè)換能器安裝在書寫端306附近，如圖中的701。下面分別說(shuō)明在601使用不同種類的光電換能器時(shí)，主定位系統(tǒng)和手寫筆內(nèi)部電路的不同結(jié)構(gòu)。
當(dāng)換能器601是一只光敏元件，如紅外光敏管時(shí)，手寫筆上的換能器701就應(yīng)該是一個(gè)發(fā)光元件，如紅外發(fā)光管。這時(shí)，手寫筆內(nèi)部的電路如圖12所示，增加了虛線表示的發(fā)光驅(qū)動(dòng)電路1207和發(fā)光管1208。與這種結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)，主定位系統(tǒng)的電路構(gòu)成如圖15所示，用代表601的光敏管1501和光電信號(hào)接收處理電路1502構(gòu)成了一個(gè)信號(hào)通道，代替圖14中的一個(gè)超聲波信號(hào)通道。這樣，光電信號(hào)通道事實(shí)上就是一個(gè)同步通道，設(shè)定了對(duì)超聲波到達(dá)兩個(gè)接收器所需的渡越時(shí)間進(jìn)行測(cè)量的基準(zhǔn)時(shí)間。
這理，簡(jiǎn)要說(shuō)明上述電路系統(tǒng)工作過(guò)程如下；在超聲波信號(hào)控制電路1202將超聲波信號(hào)傳送到驅(qū)動(dòng)電路1205的同時(shí)，信號(hào)也被傳送到了發(fā)光驅(qū)動(dòng)電路1207，這樣手寫筆就可以同時(shí)發(fā)射超聲波信號(hào)和光信號(hào)。由于光速比聲速高得多，所以幾乎立刻被光敏管接收到，并被處理后送到單片機(jī)系統(tǒng)，啟動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)的計(jì)時(shí)器計(jì)量超聲波傳播的渡越時(shí)間。在這個(gè)系統(tǒng)內(nèi)，由于手寫筆內(nèi)可以使用與方案二相同信號(hào)控制電路1202，所以與按鍵、操作有關(guān)的部分，依然可以使用方案二所涉及的信號(hào)編碼方法，而且還可以選擇是使用光信號(hào)傳送操作信息，還是使用超聲波信號(hào)傳遞操作信息，或者二者結(jié)合使用。
當(dāng)換能器601是一只發(fā)光元件，如紅外發(fā)光管時(shí)，手寫筆上的換能器701就應(yīng)該是一個(gè)光敏元件，如紅外光敏管。這時(shí)，手寫筆內(nèi)部的電路如圖16所示。與圖12給出的手寫筆結(jié)構(gòu)(實(shí)線部分)相比較，增加了一個(gè)光電接收元件1601及與其配合的光電信號(hào)處理電路1602，光電信號(hào)處理電路的輸出端通過(guò)一個(gè)“與”邏輯單元1603，控制超聲波信號(hào)發(fā)生器1201向信號(hào)控制電路1205傳送超聲波信號(hào)，即只有當(dāng)光敏管接收到指定的光信號(hào)后，超聲波發(fā)射器才能夠發(fā)射超聲波。與此手寫筆電路對(duì)應(yīng)，圖17給出了主定位系統(tǒng)的電路原理方框圖。將圖17與圖13相比較可以看到，不同之處在于由光信號(hào)發(fā)射電路1702和發(fā)光元件1701構(gòu)成的光信號(hào)發(fā)射通道，代替了圖13中的超聲波信號(hào)發(fā)射通道，而其它部分相同。
這個(gè)電路的工作原理也非常容易理解當(dāng)光信號(hào)發(fā)射電路1702驅(qū)動(dòng)發(fā)光元件1701發(fā)射光信號(hào)時(shí)，單片機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)渡越時(shí)間計(jì)時(shí)器；幾乎與此同時(shí)，手寫筆內(nèi)的光電信號(hào)處理電路1602開啟與門電路，允許超聲波信號(hào)進(jìn)入信號(hào)控制電路1202以及后面的發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路1205，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波信號(hào)。與前面相同，這里的光電通道的主要作用是提供一個(gè)計(jì)時(shí)基準(zhǔn)，超聲波信號(hào)的編碼形式等內(nèi)容，均可以沿用前述的各種方式。
上述第三種方案中的光電通道，最好使用紅外光信號(hào)實(shí)現(xiàn)。這是因?yàn)榧t外線具有不可見、抗干擾、穿透力強(qiáng)等特點(diǎn)。當(dāng)然，光電通道的主要作用是提供計(jì)時(shí)基準(zhǔn)，其它如無(wú)線電等方式也可以使用，但紅外線的方式對(duì)周圍環(huán)境和其它用戶的干擾最小。
第四種方案事實(shí)上是一種利用檢測(cè)手寫筆反射超聲波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)手寫筆坐標(biāo)定位的方案。圖9a給出了該方案中手寫筆的一種結(jié)構(gòu)。圖中901是一只有機(jī)械結(jié)構(gòu)的筆桿，902是是安裝在該筆桿上的超聲波反射器。在實(shí)際應(yīng)用中，筆桿901可以是一只普通元珠筆、簽字筆、鉛筆，在該筆桿的書寫端位置，安裝一個(gè)，或者設(shè)計(jì)時(shí)就附帶一個(gè)超聲波反射器即可實(shí)現(xiàn)發(fā)射的功能。由于這個(gè)反射器所反射的是超聲波，所以應(yīng)該根據(jù)物理學(xué)或聲學(xué)中波的理論設(shè)計(jì)，最基本的原則是反射器的尺寸能夠與被反射的波長(zhǎng)相比擬，反射面的設(shè)計(jì)考慮到一般使用者的書寫習(xí)慣，無(wú)特別要求。
與圖9a對(duì)應(yīng)的換能器安裝結(jié)構(gòu)與圖4相同，主定位系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)與圖13相同。對(duì)于這個(gè)方案，圖4中的換能器401改變成為一只超聲波發(fā)射器，就是圖13中的超聲波發(fā)射器1302。
圖9b給出了第四種方案所使用的手寫筆的另外一種結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)與圖9a的區(qū)別在于將模擬鼠標(biāo)的按鍵開關(guān)，即圖12中的1203、1204安裝在了手寫筆上，如圖中304所示意其中的一個(gè)。采用這種結(jié)構(gòu)，手寫筆中的電路部分502是圖12中電路的一部分，即電路的連接結(jié)構(gòu)與圖12所示的相同，但不包含其中的超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)部分1205和超聲波換能器1206，在信號(hào)控制電路1202的輸出端只連接有發(fā)光驅(qū)動(dòng)電路1207和發(fā)光元件1208，也就是圖10中的903。對(duì)手寫筆筆桿上安裝的超聲波反射器902的要求與圖9a中的902相同。
與圖9b所示手寫筆結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的傳感器的安裝結(jié)構(gòu)與圖4、6所示的基本相同，實(shí)際上是圖4和圖6的結(jié)合，見圖10所示。圖中的元件1001就是圖4中的401，元件1002就是圖6中的601。
與圖9b所示的手寫筆結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的主定位系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)見圖18。事實(shí)上，圖18是圖13與圖15的結(jié)合，各部分的原理和作用已經(jīng)在前面介紹，在此不再螯述。
圖3、圖4和圖6所示手寫筆中的超聲波發(fā)射換能器，其結(jié)構(gòu)可以參照前述號(hào)碼為99207552.1的中國(guó)專利和號(hào)碼為98101325.2的中國(guó)專利申請(qǐng)中所公布的技術(shù)方案。如果能夠固定手寫筆的握筆狀態(tài)，也可以在方案一至方案三所使用的手寫筆上使用普通的超聲波換能器，使其工作面基本上面向接收器所在的位置。
本發(fā)明其它部分的設(shè)計(jì)、實(shí)施可參照前述其它中外專利技術(shù)進(jìn)行。
上述各種技術(shù)方案的主定位系統(tǒng)部分，除安裝位置固定的各種換能器外的的電子和電器元件，都可以安裝在一塊電路板上。對(duì)于本發(fā)明的應(yīng)用而言，這塊電路板可以安裝在所述鍵盤的內(nèi)部，與鍵盤成為一個(gè)整體以方便用戶；也可以自成一體，作為一個(gè)獨(dú)立的配件，當(dāng)用戶需要手寫輸入功能時(shí)，再與手寫筆一起連接安裝到鍵盤上。由于本發(fā)明的一個(gè)特點(diǎn)是各種傳感器的成本非常低，因此有條件將各種換能器普遍安裝在一般計(jì)算機(jī)的鍵盤上，所以“主定位系統(tǒng)”作為一個(gè)配件的形式可能會(huì)更適合用戶的需求。但獨(dú)立配件的形式會(huì)給用戶在使用維護(hù)上帶來(lái)不便，因此遵循這個(gè)思路，圖11給出了一種可插接的“板卡”的結(jié)構(gòu)形式，將所述系統(tǒng)安裝在一塊印刷電路板上。在圖11中，鍵盤外殼上的開口1101就是上述電路板插入鍵盤殼體內(nèi)部的插口，1102是安裝元件的印刷電路板，開口1101的尺寸與電路板1102的尺寸相適應(yīng)1103是安裝在電路板一個(gè)邊緣的擋板，可以通過(guò)螺釘固定在鍵盤的外殼上，起固定電路板的作用，1104表示安裝在電路板上的元件，1105是電路板的接插接口，與此接口對(duì)應(yīng)，在鍵盤內(nèi)部有另外一個(gè)與其配合的接插接口，各種傳感器通過(guò)這個(gè)接口于電路板相連接。采用這種結(jié)構(gòu)，整個(gè)超聲波定位系統(tǒng)與上位機(jī)的接口電纜、電路板與手寫筆的連接電纜(如果有)，都可以連接在這塊電路板上，保持鍵盤本身的簡(jiǎn)潔。
本發(fā)明的各種技術(shù)方案的共同特點(diǎn)是各種換能器，包括超聲波和光電換能器，都安裝位于鍵盤的一個(gè)側(cè)面的結(jié)構(gòu)件上?？墒褂玫慕Y(jié)構(gòu)件有多種形式，其中最簡(jiǎn)單的一種，就是將各種傳感器直接安裝在鍵盤殼體的一個(gè)側(cè)面上，這時(shí)結(jié)構(gòu)件就是鍵盤殼體的一個(gè)側(cè)面，從使用方便考慮，一般選取右側(cè)的側(cè)面。其它可采用的結(jié)構(gòu)形式還有很多，例如安裝一個(gè)可隱藏的活動(dòng)臂。圖8給出了一種折疊臂的結(jié)構(gòu)示意，圖19給出了一種伸縮臂的結(jié)構(gòu)。
在圖8中，折疊臂801通過(guò)安裝在其一個(gè)端部的鉸鏈803安裝在鍵盤殼體上，一般是如圖所示安裝在鍵盤殼體的角部，以增加折疊臂的長(zhǎng)度和使用的方便性。采用這種結(jié)構(gòu)，當(dāng)折疊臂展開時(shí)，其內(nèi)側(cè)的表面802將面向使用者或者面向鍵盤外部的空間，因此各種換能器可以安裝在這個(gè)表面上。折疊臂可展開的角度α根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定，典型的情況如圖中的90°或180°。由于要求超聲波換能器安裝位置的坐標(biāo)必須是已知值，所以當(dāng)α數(shù)值不同時(shí)，各個(gè)超聲波傳感器的坐標(biāo)值也就會(huì)改變，因此這個(gè)如果這個(gè)角度能夠隨時(shí)改變，那么超聲波換能器的坐標(biāo)值應(yīng)該是這個(gè)角度的函數(shù)。最好的做法是將折疊臂的展開角度固定，免除用戶自行調(diào)整校準(zhǔn)輸入面積、位置的工作。建議的展開角如圖中虛線所示的位置，即展開角度為180°。對(duì)于一般使用者來(lái)講，鍵盤一般都是放置在終端桌邊緣部位，如果超聲波傳感器的位置太接近使用者，將會(huì)因?yàn)槭植繉?duì)超聲波的阻擋，而不方便利用鍵盤右上方的空間實(shí)施輸入。加入這樣一個(gè)折疊臂的目的，就是為了提高換能器的位置，以利用換能器右側(cè)及其右下方的空間進(jìn)行輸入和操作。
圖19是一種伸縮臂的結(jié)構(gòu)示意。伸縮臂1901安裝在鍵盤側(cè)面的一個(gè)插孔或插槽1902內(nèi)，當(dāng)用戶使用時(shí)可以拉出到指定位置，各種傳感器就安裝在伸縮臂被拉出后，面向使用者的這個(gè)側(cè)面上。與折疊臂相同，伸縮臂的不同位置將會(huì)影響到超聲波換能器的已知坐標(biāo)值，因此建議設(shè)置一個(gè)固定的伸縮長(zhǎng)度。
如果圖8中的折疊臂的展開角度是90°，或者使用伸縮臂，更適合前述第四種方案的應(yīng)用。因?yàn)檫@種情況下超聲波換能器均位于使用者手部的前方，手寫筆上的反射器離超聲波發(fā)射源距離最短，因而不會(huì)因手的其它部位反射超聲波而造成誤檢。如果采用第四種方案實(shí)施本發(fā)明，建議在鍵盤外殼安裝傳感器的側(cè)面203所在位置，固定一層吸音材料來(lái)吸收多于的超聲波，如圖19陰影部分1903，以提高手寫筆定位的穩(wěn)定性。
圖8、19所示的只是結(jié)構(gòu)件的兩個(gè)示例，在此基礎(chǔ)上還可以附加其它結(jié)構(gòu)件，如在上述活動(dòng)臂上加裝可以隱藏的活動(dòng)底板等。
另外，無(wú)論在鍵盤外殼上還是在這里所使用的折疊臂、伸縮臂上安裝傳感器，對(duì)光電換能器的位置要求都不嚴(yán)格。因?yàn)橐话愎怆姄Q能器如紅外發(fā)射、接收管的發(fā)射或接收角都很寬廣，所以只要安裝在超聲波換能器的附近就可以。
權(quán)利要求
1.一種超聲波手寫鍵盤，該鍵盤包含有一個(gè)PC機(jī)鍵盤，一套由超聲波發(fā)射器及其發(fā)射電路、多個(gè)超聲波接收器及與其配合的超聲波信號(hào)接收處理電路通道；以及通過(guò)端口與上述電路的信號(hào)輸出端相連接，至少包含有檢測(cè)超聲波在空氣中傳播的渡越時(shí)間的執(zhí)行代碼的單片機(jī)系統(tǒng)；和一只手寫筆構(gòu)成的超聲波手寫筆位置坐標(biāo)檢測(cè)傳感系統(tǒng)，其特征在于所述的超聲波接收器安裝在所述鍵盤殼體側(cè)面的結(jié)構(gòu)件上，其位置坐標(biāo)在某個(gè)指定的坐標(biāo)系內(nèi)是已知的；這些接收傳感器的工作面面向殼體外部的空間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波手寫鍵盤，其特征在于所述超聲波接收器有2只；超聲波發(fā)射器安裝在手寫筆之內(nèi)；與該發(fā)射器配合的超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路，在手寫筆外部與該發(fā)射器通過(guò)電纜相連接；在手寫筆的書寫端有數(shù)個(gè)超聲波擴(kuò)散孔。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波手寫鍵盤，其特征在于所述超聲波接收器有3只；超聲波發(fā)射器及其發(fā)射電路安裝在手寫筆之內(nèi)，在書寫端有數(shù)個(gè)超聲波擴(kuò)散孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波手寫鍵盤，其特征在于所述超聲波接收器有2只；在上述鍵盤的結(jié)構(gòu)件上，還安裝有一只紅外線接收元件，其工作面所面對(duì)的方向與超聲波接收器所面向的方向相同；與該元件配合，還安裝有一套的光電接收處理電路，該電路的信號(hào)輸出端，也與所述單片機(jī)系統(tǒng)相連接；超聲波發(fā)射器及其發(fā)射電路安裝在手寫筆之內(nèi)，在書寫端有數(shù)個(gè)超聲波擴(kuò)散孔；在所述手寫筆內(nèi)還安裝有一只紅外線發(fā)射元件及與其配合的紅外線發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路，該電路的信號(hào)輸入端與所述的超聲波發(fā)射電路中信號(hào)控制電路的輸出端連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波手寫鍵盤，其特征在于所述超聲波接收器有2只；在上述鍵盤的結(jié)構(gòu)件上，還安裝有一只紅外線發(fā)射元件，其工作面所面對(duì)的方向與超聲波接收器所面向的方向相同；與該元件配合，還安裝有一套紅外線發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路，該電路的有一個(gè)信號(hào)傳輸端，與所述單片機(jī)系統(tǒng)相連接；超聲波發(fā)射器及其發(fā)射電路安裝在手寫筆之內(nèi)，在書寫端有數(shù)個(gè)超聲波擴(kuò)散孔；在所述手寫筆內(nèi)還安裝有一只紅外線接收元件及與其配合的紅外線接收處理電路，并且該電路的信號(hào)輸出端，與手寫筆內(nèi)部超聲波發(fā)射電路中超聲波信號(hào)發(fā)生電路的輸出端，共同連接到一個(gè)“與”邏輯單元的輸入端；該“與”邏輯單元的輸出端，再連接到超聲波發(fā)射電路中超聲波信號(hào)控制電路的輸入端。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波手寫鍵盤，其特征在于在所述鍵盤的結(jié)構(gòu)件上，安裝有2只超聲波接收器和1只超聲波發(fā)射器，以及一只紅外線接收元件；與所述發(fā)射器配合的超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路，有一個(gè)信號(hào)傳輸端與所述單片機(jī)系統(tǒng)相連接；與所述紅外線接收元件相配合，還有一套紅外光電信號(hào)接收處理電路，該電路的輸出端與所述單片機(jī)系統(tǒng)相連接；在所述手寫筆的書寫端，安裝有一只紅外線發(fā)射元件，與該元件配合，在手寫筆內(nèi)部還安裝有一套紅外信號(hào)發(fā)生、控制和驅(qū)動(dòng)電路。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的的超聲波手寫鍵盤，其特征在于在所述鍵盤的結(jié)構(gòu)件上，安裝有2只超聲波接收器和1只超聲波發(fā)射器；與所述發(fā)射器配合的超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路，有一個(gè)信號(hào)傳輸端與所述單片機(jī)系統(tǒng)相連接；所述的手寫筆僅由機(jī)械部件構(gòu)成，在手寫筆的書寫端，安裝有一個(gè)超聲波反射器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的的超聲波手寫鍵盤，其特征在于所述鍵盤的結(jié)構(gòu)件是鍵盤的殼體，所述超聲波接收器就安裝在該殼體的一個(gè)側(cè)面上。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的的超聲波手寫鍵盤，其特征在于所述鍵盤的結(jié)構(gòu)件，是一個(gè)活動(dòng)臂；該活動(dòng)臂是通過(guò)鉸鏈安裝在鍵盤殼體上的折疊臂，以及通過(guò)位于鍵盤殼體上的插孔或插槽安裝在鍵盤上的伸縮臂中的一種；所述的超聲波接收器安裝在該活動(dòng)臂上。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波手寫鍵盤，其特征在于所述的超聲波信號(hào)接收處理電路和單片機(jī)系統(tǒng)，均安裝在一個(gè)帶有接插接口的印刷電路板上，在鍵盤殼體的一個(gè)側(cè)面上，開有一個(gè)與該電路板的尺寸相配合的插口；所述系統(tǒng)的電路和單片機(jī)部分通過(guò)該所述電路板接插接口，與所述超聲波換能器相連接。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種超聲波手寫鍵盤,用于計(jì)算機(jī)的手寫輸入。在本發(fā)明中,將超聲波手寫定位系統(tǒng)中的兩個(gè)或兩個(gè)以上的超聲波換能器,安裝在普通PC機(jī)鍵盤側(cè)面包括鍵盤外殼、活動(dòng)臂在內(nèi)的結(jié)構(gòu)件上,并利用電纜、紅外線、超聲波等通信方式提供基準(zhǔn)時(shí)間,通過(guò)檢測(cè)手寫筆所發(fā)射或反射的超聲波,在空氣中傳播的渡越時(shí)間或其差值,實(shí)現(xiàn)手寫筆的定位。系統(tǒng)的電路部分采用插接連接的電路板形式,安裝在鍵盤側(cè)面的插口內(nèi)。
文檔編號(hào)G06F3/02GK1344983SQ0012489
公開日2002年4月17日 申請(qǐng)日期2000年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月22日
發(fā)明者劉中華 申請(qǐng)人:劉中華