CN104077004A - 动作检出方法及指针 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数位板、点读机、手标等动作检出方法及指针，实现了指针谐振电路的Q值和频率同时不相干检测。

Description

动作检出方法及指针

技术领域：

本发明涉及数位板、点读机、手标等动作检出方法及指针。 

背景技术：

为了描述简明，数位板、点读机中的笔、鼠标(不同于普通鼠标是一种鼠标状的位置指示器)等称为指针；指针的位置(包括x、y、z轴)、姿态(包括与x、y、z轴夹角、指针自旋角)、压力(包括笔尖和面板之间的接触力、手指握指针的握力)、按键状态等都分别对应手持笔的不同动作，我们将这些与指针特性相关的通过电磁耦合方式检出的待检量统称为动作变量，这些待检量的检出称为动作变量检出，将与指针配套检出动作变量的装置成为动作检出装置，动作检出装置又包括天线矩阵和动作检出电路，天线矩阵又由多个子天线组成，将指针和动作检出装置一起称为动作传感器，动作传感器可以检出上面提到的所有动作变量，也可以检出其中的一种或者几种，或者是上面还没有提到其他动作变量。 

上述传感器有一共同的特性即依靠指针和天线矩阵电磁耦合方式来检出指针的动作，在专利“200420003299.8”“200910075485x”技术中得到了实际运用，其中“200420003299.8”是指针中有电池，指针只有电磁发射状态、没有电磁接受状态的动作检出技术，“200910075485x”是指针中既有电磁发射又有电磁接收状态的动作检出技术。原理是通过扫描的方式依次接入待检的子天线并采样，根据采样的数据计算出动作变量。 

由于上述装置利用的是磁耦合方式来检测指针的动作，其中一种方案是检测指针中谐振频率的变化来检测手的动作，比如使用压力传感器将压力转换成谐振电容的变化，从而影响谐振频率，再比如使用按键将按键动作转换成谐振电容的变化，从而影响谐振频率，再根据谐振频率的变化区分动作。但有时需要多个待检变量时，变量之间的干扰会影响整个***功能。 

发明内容：

为了解决以上问题，本发明的目的在于： 

实现一种动作传感器； 

检测谐振电路的频率 

检测谐振电路的Q值； 

检测压力； 

检测按键； 

区分不同电磁笔； 

用于电磁笔与检测装置的通讯； 

提高检测速度。 

为了实现本发明的目的，技术方案1的发明为一种动作检出方法，在一个检测周期中包括一次电磁发射周期、第一接收周期、第二接收周期；第一接收的周期和第二接收周期的开始时间不同或者结束时间不同或者开始、结束时间都不同。采样至少两个一个检测周期中的两个时间段数据作为进一步使用比较法计算频率或者Q值，打下基础。 

技术方案2的发明为根据技术方案1所述的动作检出方法，包括步骤：计算第一接收周期的采样幅值，计算第二接收周期的采样幅值；使用第一接收周期的采样幅值和第二接收周期的采样幅值作为计算动作检出的原始数据。 

技术方案3的发明为根据技术方案2所述的动作检出方法，包括步骤，计算第一接收周期的采样幅值和第二接收周期的采样幅值的比。在使用同步检波器的情况下根据幅值比、本振频率、第一接收周期与第二接收之间的时间差，可以计算出待测谐振电路的Q值。 

技术方案4的发明为根据权利要求3所述的动作检出方法，其特征在于： 

根据第一接收周期的采样幅值和第二接收周期的采样幅值的比落在不同的指定范围内来指定指针的身份。 

技术方案5的发明为根据权利要求3所述的动作检出方法，其特征在于： 

根据第一接收周期的采样幅值和第二接收周期的采样幅值的比落在不同的指定范围内来指定数据传输比特。 

技术方案6的发明为根据技术方案1所述的动作检出方法，包括步骤，计算第一接收周期的采样相位，计算第二接收周期的采样相位；使用第一接 收周期的采样相位和第二接收周期的采样相位作为计算动作检出的原始数据。 

技术方案7的发明为根据技术方案6所述的动作检出方法，包括步骤，计算第一接收周期的采样相位和第二接收周期的采样相位的差。在使用同步检波器的情况下根据相位差、本地震荡频率、第一接收周期与第二接收周期之间的时间差，可以计算出待测谐振电路的频率。相比只有一个接收周期的情况更精确、抗干扰能力更强。 

技术方案8的发明为根据权利要求1所述的动作检出方法，其特征在于：不同检测周期中的第一接收周期与第一接收周期相比较、不同检测周期中的第二接收周期与第二接收周期相比较，它们的开始时间不同或者结束时间不同或者开始时间、结束时间都不同。通过设置不同的第一接收周期与第二周期的时间差，在检测Q值时可以调节第一接收周期幅值与第二接收周期幅值比防止过大或者过小，使信号调理电路的产生的误差落在理想范围；在检测频率时，可以调节第一接收周期相位与第二接收周期相位差防止过大或者过小，使相位检测误差落在理想范围，防止相位差超过360度，产生假性检出频率。 

技术方案9的发明为根据权利要求1所述的动作检出方法，其特征在于：包括第三接收周期。 

技术方案10的发明为一种指针，其特征在于，包括待检电感线圈，所述待检电感线圈与电容形成谐振电路；包括电阻元件；将所有电感、电容看成无损耗的元件，并将包括所述电阻元件的实际电路等效成并联电阻，串联电阻后，所述电阻元件的实际值小于等效并联电阻值大于串联电阻值。可以是不同变化范围的可变电阻，接入指针谐振电路，并产生指定范围的Q值变化。 

待检电感线圈，是开放式的电感线圈，可以发射接收电磁感应，用来指示位置。 

附图说明：

图1  现有方案的指针的原理图 

图2  本发明的带有压力-电容传感器笔尖、电阻按键的指针原理图 

图3  本发明带有压力-电阻传感器笔尖、电容按键的指针原理图 

图4  本发明的指针原理图 

图5  检出电路的原理示意图 

图6  信号调理电路示意图 

图7  现有方案检出电路一个检测周期波形图 

图8  本发明的检出电路一个检测周期波形图 

图9  电阻串联方式谐振电路原理图 

图10  电阻并联方式谐振电路原理图 

图11  电阻接入方法原理图组 

图中数字、标号代表的意义： 

R1、R11、R12：等效电阻 

R2、R21、R22、R23、R24：压力-电阻传感器 

C2：压力-电容传感器 

L1、L11、L12、L13、L14：待测线圈 

C1、C3、C11、C12、C13、C14、C15：电容 

R3：电阻 

S1：按键开关 

S2：模拟开关 

S3：发射接收控制模拟开关 

1；指针 

2：天线矩阵 

21：子天线 

22：子天线 

41：放大电路 

42：滤波电路 

43：同步检波电路 

44：A/D转换器 

5：计算部 

PS1：测试点位于模拟开关S3控制线 

P41：测试点位于放大器41输入 

P42：测试点位于检波器43输入 

P43：测试点位于同步检波器43输出Q项 

P44：测试点位于同步检波器43输出I项 

P11：测试点位于位置指针 

P12：测试点位于位置指针 

P11-P12：测试点P11与P12之间的点位差 

具体实施方式：

如图1所示是无源指针(一种电磁笔)的原理图，指针待检线圈L1和电容C1组成的谐振电路组成，其中R1是包括导线电阻损耗、介质损耗、发射损耗在内的所有损耗的等效电阻，其谐振频率由L1、C1的值确定；L1为开放型电感，当有变化的磁力线穿过电感L1的线圈时会产生电压，当有变化的电流流过电感L1时电感L1会发射电磁信号，当有与L1、C1组成的谐振电路谐振频率相同的电磁信号激励时，指针中L1、C1组成的谐振电路产生共振，当激励信号撤销时继续保持衰减震荡即回波。C2是笔尖压力-电容传感器，当压力增大时电容增大，从而使指针的谐振频率减小，频率的变化可以检测出笔尖的压力变化，按键S1连接电容C3，C3大于可变电容C2的最大值，从而按键按下时的谐振频率比任何压力下的频率都低，所有可以区分按键是否按下，但由于按键的震颤作用很难在有按键的过程中正确检测笔尖压力，按键和笔尖压力检测有冲突。 

如图2所示的是带有压力-电容传感器笔尖、电阻按键的指针，按键S1与电阻R3连接，用来改变谐振电路的Q值，而按键的按下与否影响的只有Q值，对频率并没有影响，所以这样可以在原理消除了按键和笔尖压力检测之间的干扰。图中只画出了一个按键，当然配置多个按键不成问题。 

如图3带有压力-电阻传感器笔尖、电容按键的位置指针，按键S1与电容C3连接，用来改变谐振电路的频率，而按键的按下与否影响的只频率值， 对Q值并没有影响，笔尖压力改变的是谐振电路的Q值，所以这样可以在原理消除了按键和笔尖压力检测之间的干扰。 

如图4，的是带有压力-电容传感器笔尖、压力-电阻传感器按键的指针，按键R2受到按压时电阻的改变会改变谐振电路的Q值，而按键的按下压力影响的只有Q值，对频率并没有影响，所以这样可以在原理消除了按键压力和笔尖压力检测之间的干扰。这样的好处是提共了两个压力检测。 

如图5所示是电磁耦合方式指针动作检出方案的原理框图，整个***由指针、动作检出装置组成，动作检出装置包括天线矩阵和信号调理电路，天线矩阵包括多个x轴、y轴分别排列的子天线，动作检出电路由子天线选择开关、放大滤波电路、同步检波器、模数转换器、cpu、AC信号发生器组成，将放大滤波电路、同步检波器、模数转换器作为一个整体称为信号调理电路。 

如图6是检测指针谐振频率的信号调理电路，传统电路结构与本发明的电路结构基本相同，所不同的是各部件中的波形控制有所不同，如图7所示一个检测周期中传统方法中信号发生器首先向天线发射电磁信号、接着停止发射结束发射周期、接着向同步检波器提供一次接收周期的本振信号(测试点P32的波形所示)；如图8所示在本发明中有一个检测周期中首先信号发生器向天线发射周期完毕后，接着向同步检波器提供第一接收周期、第二接收周期的本振信号，分别在第一接收周期结束、第二接收周期结束时ADC分别采样两次同步检波数据。 

下面来看Q值得检测原理，由于谐振电路的Q值不同时，在相同的时间内其幅值衰减的倍数不同；在Q值不变时谐振电路中不同的初始幅值大小，在相同的时间内其幅值衰减的倍数不变，这是谐振电路的基本性质。考虑到这个性质，由于第一接收周期和第二接收周期的同步检波器检出的幅值代表了震荡电路中的震荡幅值，所以使用第一接收周期的检测幅值与第二接收周期的检测幅值比、采样的时间差很可以求出Q值。值得注意的是第一接收周期和第二接收周期中的放大电路的增益可以设置成不同的值，只要增益的值是已知的就可以计算出正确的Q值。另外可以省略计算Q值得过程，比如将幅值比直接作为压力对应原始数据，再通过定标并使用定标数据线性变换也可以检测出正确压力值，如果将压力-电阻传感器更换成其他X-电阻传感器，也可以检测其他指定的物理量。 

另一方面看频率的检测，在传统频率检测方法中，不用第二接收周期的相位值，而是假定，发射周期的本振在发射周期结束时与指针中谐振电路的震荡是同步的，利用接收周期中的相位和本振的频率直接计算指针中谐振电路的频率；但考虑到发射周期中要指针的谐振和发射波形同步要较多的发射信号时间，当发射信号时间较短时，特别是发射信号频率和指针的谐振频率有偏差时，往往本振和指针谐振有相位差，这使得频率检测会有较大误差；本发明使用两个接收周期的相位差计算频率则解决了这个问题，原因是不管发射周期结束时，发射信号是否与指针中的谐振同步，两接收周期的检出相位差不变。 

下面在有了检测Q值得方法后，来看一下Q值检测的其他应用相关的实施例。 

如果在不同的指针中设置不同的衰减电阻，产生不同的Q值，可以通过检测指针的Q值来区分当前正在工作的指针的身份，比如指定是铅笔还是橡皮。当然也可以使用其他方法设定Q值，比如使用涡流改变电感的损耗，使用不同损耗的电容等手段。 

如果在指针与检测电路之间传递数据时，可以使用不同的Q值在一个检测周期中传递超过一个bit的数据。比如设置不同的Q值Q0、Q1、Q2、Q3，当检测装置需要接收指针中的发送来的数据时，在发射周期结束时，通过指针中的cpu，控制指针中的模拟开关，将指定的电阻接入指针中的谐振电路中，并使谐振电路的Q值分别为Q0、Q1、Q2、Q3中的一个，检测装置就可以根据检测到Q值，并根据Q值落在Q0、Q1、Q2、Q3中哪个值附近，判断指针发送的数据是0、1、2、3中的哪个，实现了2比特数据传输，如果使用更多的级别则可以一次发送更多的比特。 

本实施例中使用了可以同时检测被测信号幅值和相位的同步检波器，目的是可以同时检测频率和Q值，如果我们只想得到其中的一个物理量，如检测Q值可以使用普通的检波器输出的第一接收周期与第二接收周期的幅值计算Q值，如检测频率可以使用鉴相器输出的第一接收周期与第二接收周期的相位计算频率；当然也可以同时设置普通检波器和鉴相器检测同时检测频率和Q值。普通检波器包括二极管检波器，过零检测检波器等，鉴相器包括锁相环鉴相器、脉冲鉴相器等。 

另外在有些情况下，需要控制不同检测周期中第一接收周期与第二接收周期的时间差，如果接收时间差很长、指针谐振电路Q值较小，则可能会产生第一接收周期的信号幅值太大、第二接收周期幅值太小，即便使用程控放大器指定第二接收周期的增益最大，其信号幅值还是太小，这时就应该减小第一接收周期与第二接收周期的时间差；另外在检测频率时，如果本振的频率与指针谐振频率相差较大、第一接收周期与第二接收周期的时间差较长，是可能使实际相位差大于360度，而同步检波器只能检测0°-360°的值，所以会产生错误，所以在这种情况下应该使用较小的接收时间差。解决上面的问题还可以设置更多的接收周期，在一次检测周期中采样多组幅值、相位数据，根据需要选择最优数据，计算指针的Q值、频率，优选使用三个接收周期。 

在一些情况下，由于压力-电阻传感器的值动态范围不符合要求，通常表现在如图9的串联方式使用传感器电阻替换等效电阻，则接入电阻太大使谐振电路的Q值太小，不适合用于指针中，并且按如图10的并联方式使用传感器电阻替换等效电阻，则接入电阻太小使谐振电路的Q值太小，不适合用于指针中；解决问题的办法是需要如图11所示的各种不同的连接方法，他们的共同特点是当其转换成如图9等效电路时，实际接入的电阻要大于等效电阻R11，当其转换成如图10的等效电路时，实际接入的电阻要小于等效电阻R12，并且这些形式的连接方式通过调节相关的电感、电容值可以较容易找到合适配置。这样的连接形式带来一个副作用，传感器在调节谐振电路Q值的同时会影响谐振电路的频率，但考虑到，Q值的变化对于谐振频率有确定的影响，这一影响可以事先确定定义为Q值频率误差，所以当谐振电路中有另外有改变频率的传感器时，可以是首先检测谐振电路的频率，然后减去将Q值-频率误差特到传感器的真实值；通过这样计算则分离了Q值传感器与频率传感器的相互影响。 

注：本说明书记载的具体实施方式，是优选的实施方案，其可以整体上说明发明的目的、和手段，并不是发明实例穷举。 

Claims (10)

1.一种动作检出方法，其特征在于：

一个检测周期包括发射周期和接收周期；

所述接收周期中包括第一接收周期、第二接收周期；

第一接收的周期与第二接收周期的开始时间不同或者结束时间不同或者开始、结束时间都不同。

2.根据权利要求1所述的动作检出方法，其特征在于：

包括步骤，计算第一接收周期的采样幅值，计算第二接收周期的采样幅值；

使用第一接收周期的采样幅值和第二接收周期的采样幅值作为计算动作检出的原始数据。

3.根据权利要求2所述的动作检出方法，其特征在于：

包括步骤，计算第一接收周期的采样幅值和第二接收周期的采样幅值的比。

4.根据权利要求3所述的动作检出方法，其特征在于：

根据第一接收周期的采样幅值和第二接收周期的采样幅值的比落在不同的指定范围内来指定指针的身份。

5.根据权利要求3所述的动作检出方法，其特征在于：

根据第一接收周期的采样幅值和第二接收周期的采样幅值的比落在不同的指定范围内来指定数据传输比特。

6.根据权利要求1所述的动作检出方法，其特征在于：

包括步骤，计算第一接收周期的采样相位，计算第二接收周期的采样相位；

使用第一接收周期的采样相位和第二接收周期的采样相位作为计算动作检出的原始数据。

7.根据权利要求6所述的动作检出方法，其特征在于：

包括步骤，计算第一接收周期的采样相位和第二接收周期的采样相位的差。

8.根据权利要求1所述的动作检出方法，其特征在于：

不同检测周期中的第一接收周期与第一接收周期相比较、不同检测周期中的第二接收周期与第二接收周期相比较，它们的开始时间不同或者结束时间不同或者开始时间、结束时间都不同。

9.根据权利要求1所述的动作检出方法，其特征在于：

包括第三接收周期。

10.一种指针，其特征在于：

包括待检电感线圈，所述待检电感线圈与电容形成谐振电路；

包括电阻元件，为了控制所述谐振电路的Q值；

将所有电感、电容看成无损耗的元件，并将包括所述电阻元件的实际电路等效成并联电阻，串联电阻后，所述电阻元件的实际值小于等效并联电阻值大于串联电阻值。