專利名稱：手持或便攜設(shè)備的超聲手寫輸入檢測(cè)裝置的制作方法
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)中多媒體輸入領(lǐng)域，尤其應(yīng)用在使用手寫筆實(shí)現(xiàn)手持設(shè)備或便攜設(shè)備的手寫輸入、操作方面，是一種使用超聲波技術(shù)對(duì)手寫筆的位置坐標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)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)用在掌上電腦、網(wǎng)絡(luò)手機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理、電子詞典等手持設(shè)備上?，F(xiàn)有的這些設(shè)備使用的手寫傳感媒介，一般均是電阻膜觸摸屏。由于手持設(shè)備的體積一般都比較小，所以可供手寫輸入或手寫筆操作的面積也很小。既便是全屏的手寫輸入，其可供輸入的面積內(nèi)也只能一次輸入幾個(gè)文字，難以實(shí)現(xiàn)整行的快速輸入。手持設(shè)備常常是供使用者臨時(shí)記錄、交流的工具，一般情況下還經(jīng)常遇到需要圖形輸入或記錄，而這樣小的書寫面積一般連簡單的草圖都難以完成。因此現(xiàn)有的手持設(shè)備，尤其是網(wǎng)絡(luò)手機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理等設(shè)備，幾乎都沒有類似臺(tái)式電腦或筆記本電腦中常用的“畫筆”功能。因此，現(xiàn)有技術(shù)使手寫輸入的功能受到很大限制。再如普通手機(jī)，一般都具備短信息功能，但由于顯示窗口更小，幾乎無法使用手寫輸入，用數(shù)字鍵盤輸入文字又非常麻煩，所以這個(gè)功能的使用率極低。即使筆記本電腦，實(shí)現(xiàn)“畫筆”功能也是依靠鼠標(biāo)來完成的。盡管許多筆記本電腦都帶有一個(gè)小觸摸板，但面積小，操作復(fù)雜，使用手指控制鼠標(biāo)指針操作計(jì)算機(jī)很困難。部分筆記本電腦安裝有觸摸屏，但觸摸屏本身的價(jià)格很高，導(dǎo)致產(chǎn)品的售價(jià)大幅上升。
手持設(shè)備的手寫屏幕和筆記本電腦觸摸屏的另外一個(gè)缺點(diǎn)，是操作不方便。手持設(shè)備都有一定的厚度，手寫觸摸屏安裝在其顯示表面，這就將導(dǎo)致使用者在桌面上書寫時(shí)，由于手寫筆的筆尖與使用者的手腕不在同一平面上，不符合人機(jī)工程的要求，書寫起來有不適感。筆記本電腦的觸摸屏安裝在LCD顯示器上，位置更高，長期使用手臂更容易疲勞。號(hào)碼為5,637,839、5,308,936和5,280,457的美國專利申請(qǐng)，以及申請(qǐng)?zhí)柣驅(qū)＠?hào)為98101325.2、98101663.4、98242235和98247481.2的中國專利申請(qǐng)，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)，這里統(tǒng)稱為“超聲波手寫筆定位系統(tǒng)”，應(yīng)用于計(jì)算機(jī)多媒體輸入領(lǐng)域。但這些專利申請(qǐng)所公開的，基本上都是針對(duì)一般空間定位、觸摸屏或手寫板的技術(shù)方案，或者一種可以用于觸摸屏、手寫板的傳感器安裝結(jié)構(gòu)以及信號(hào)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的技術(shù)方案。針對(duì)其它技術(shù)，盡管有許多優(yōu)點(diǎn)，但其技術(shù)內(nèi)容所涉及的應(yīng)用，無法解決前面手持設(shè)備和便攜設(shè)備所涉及的書寫面積和人機(jī)工程問題。
本發(fā)明的目的，就是針對(duì)上述的缺點(diǎn)和問題，突破前述超聲波傳感技術(shù)的應(yīng)用模式，公開一種適合手持設(shè)備和便攜設(shè)備應(yīng)用的手寫筆定位系統(tǒng)的技術(shù)方案，利用這些設(shè)備以外的廣闊空間，實(shí)現(xiàn)符合人機(jī)工程要求、提供充分的書寫和操作面積的目的，使其適合各種形式的手寫輸入。
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，都是在手持設(shè)備或便攜設(shè)備的內(nèi)部，集成嵌入一套能夠利用實(shí)現(xiàn)超聲波手寫筆定位的信號(hào)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，并且在殼體的一個(gè)表面，安裝有至少兩只坐標(biāo)位置在某一指定坐標(biāo)系內(nèi)是已知的超聲波接收傳感器，這些接收傳感器的超聲波接收面面向殼體外部；再配合一只安裝在所述殼體上的一個(gè)表面，或者安裝在手寫筆上的超聲波發(fā)射器，構(gòu)成一種測(cè)量從手寫筆發(fā)射出的，或者被手寫筆所反射的超聲波在空氣中的渡越時(shí)間而實(shí)現(xiàn)手寫筆定位的安裝結(jié)構(gòu)。由于“超聲波手寫筆定位系統(tǒng)”是現(xiàn)有技術(shù)，所以下面著重從包括超聲波換能器在內(nèi)的各種傳感或換能器的安裝結(jié)構(gòu)方面，簡要說明每一種技術(shù)方案的具體內(nèi)容。
第一種方案在手持設(shè)備或便攜設(shè)備殼體的一個(gè)表面，面向殼體外部，安裝有三只坐標(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一只超聲波發(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)射器到三個(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)刻與三只傳感器之間距離的差值，進(jìn)而通過計(jì)算得到其在這一指定坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)值。這里之所以使用三只接收傳感器，是因?yàn)檫@三只傳感器中的任何一只及其配套連接的信號(hào)處理電路，都可能起著基準(zhǔn)時(shí)間標(biāo)定通道的作用，其輸出端是系統(tǒng)的控制端口，因此其接收到超聲波信號(hào)的時(shí)刻，作為檢測(cè)其它兩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)。
第二種方案在手持設(shè)備或便攜設(shè)備殼體的一個(gè)表面，面向殼體外部，安裝有兩只坐標(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一個(gè)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，通過包含紅外線、無線電波及其發(fā)射接收電路，與設(shè)備內(nèi)部的超聲波渡越時(shí)間計(jì)時(shí)電路在一個(gè)同步信號(hào)控制下工作，作為檢測(cè)超聲波渡越時(shí)間的基準(zhǔn)，起到基準(zhǔn)時(shí)間標(biāo)定通道的作用。超聲波接收器配合設(shè)備內(nèi)部的接收電路、計(jì)時(shí)電路，能夠測(cè)量得到超聲波從發(fā)射器到接收器的渡越時(shí)間。同上所述，再經(jīng)過設(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。
第三種方案在手持設(shè)備或便攜設(shè)備殼體的一個(gè)表面，面向殼體外部，安裝有三只坐標(biāo)位置在某一指定坐標(biāo)系內(nèi)已知的超聲波傳感器；這些傳感器中有兩只是超聲波接收器，一只是超聲波發(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、接收器配合設(shè)備內(nèi)部的超聲波脈沖發(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，到被反射器反射回到接收器這個(gè)過程的渡越時(shí)間。同上所述，再經(jīng)過設(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。
第四種方案將第三種方案中的超聲波發(fā)射器安裝到手寫筆內(nèi)，然后用一條電纜將超聲波發(fā)射器與所述設(shè)備內(nèi)的超聲波驅(qū)動(dòng)電路連接起來，構(gòu)成安裝在上述設(shè)備殼體表面的超聲波接收器直接接收手寫筆內(nèi)超聲波發(fā)射器發(fā)射的超聲波的結(jié)構(gòu)，直接測(cè)量超聲波在空氣中的渡越時(shí)間。與此對(duì)應(yīng)，所述微處理器內(nèi)對(duì)渡越時(shí)間的計(jì)算，與第二種方案內(nèi)的過程相同，但渡越時(shí)間的基準(zhǔn)在上述設(shè)備內(nèi)部直接設(shè)定，手寫筆內(nèi)的超聲波發(fā)射器直接由電纜驅(qū)動(dòng)。
在上述四種方案中，超聲波脈沖的發(fā)生、驅(qū)動(dòng)、接收和計(jì)時(shí)電路部分，以及微處理器的數(shù)據(jù)處理過程，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98242237號(hào)中國專利。這里所述的殼體表面，包括殼體的所有側(cè)面，還包括側(cè)面位置的延伸，如安裝在殼體側(cè)面、用鉸鏈與殼體連接的折疊臂、與殼體通過滑動(dòng)卡槽連接的滑動(dòng)延伸臂，以及顯示屏的前方等。
由于本發(fā)明的檢測(cè)傳感器安裝在設(shè)備表面的外殼上，這樣就將設(shè)備殼體外側(cè)的空間變成手寫輸入?yún)^(qū)域；當(dāng)使用者在桌面上使用該設(shè)備時(shí)，設(shè)備側(cè)面的桌面或其它表面，就成為一塊大的手寫板。因此本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，具有可用書寫面積大、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)工程要求等優(yōu)點(diǎn)。


圖1使用本裝置的手持或便攜設(shè)備的輸入?yún)^(qū)域示意2方案一的傳感器安裝位置示意3方案一使用的手寫筆的基本結(jié)構(gòu)示意4方案一對(duì)應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)方框5方案二的傳感器安裝位置示意6方案二使用的手寫筆的基本結(jié)構(gòu)示意7方案二對(duì)應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)方框8方案一、二使用的手寫筆內(nèi)超聲波發(fā)射電路結(jié)構(gòu)方框9單脈沖的超聲波發(fā)射信號(hào)波形10多脈沖的超聲波發(fā)射信號(hào)波形11帶有控制信息的超聲波信號(hào)波形12方案三的傳感器安裝位置示意13方案三使用的手寫筆基本結(jié)構(gòu)示意14與方案三對(duì)應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)方框15方案三使用的紅外信號(hào)波形16一種紅外發(fā)射或接收元件的結(jié)構(gòu)17方案四及其使用的手寫筆的基本結(jié)構(gòu)18超聲波換能器的一種結(jié)構(gòu)19手寫筆書寫端內(nèi)部換能元件的一種安裝方式圖20有源手寫筆上超聲波換能器的另外一種結(jié)構(gòu)和安裝示意21一種使用數(shù)字電路構(gòu)成外掛計(jì)時(shí)器的電路結(jié)構(gòu)圖22與方案一對(duì)應(yīng)的工作程序流程23與方案二、三、四對(duì)應(yīng)的工作程序流程24超聲波換能器安裝在折疊臂上的結(jié)構(gòu)25超聲波接收換能器的另外一種安裝位置示意圖下面結(jié)合幾個(gè)實(shí)施例來詳細(xì)說明本發(fā)明的幾種具體結(jié)構(gòu)方案，以及相關(guān)電路、算法和程序部分所涉及的主要技術(shù)內(nèi)容。
圖1表示出了本發(fā)明的基本應(yīng)用形式。圖中，101表示一種手持設(shè)備，在該設(shè)備的右邊側(cè)面安裝有超聲波接收器，弧形構(gòu)成的區(qū)域102就是這些接收器的有效接收范圍。在上述的該范圍內(nèi)，可以根據(jù)對(duì)手持設(shè)備實(shí)際操作的需要，設(shè)定一個(gè)有效操作區(qū)域103；在該區(qū)域內(nèi)，專用手寫筆104所在的位置，能夠與手持設(shè)備的顯示屏幕105上的相應(yīng)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，或者說103是105按一定比例的放大。圖中的手持設(shè)備可以是網(wǎng)絡(luò)手機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理(PDA)或掌上電腦，以至于筆記本電腦；有效檢測(cè)區(qū)域的大小由超聲波發(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的，而有效操作區(qū)域的尺寸一般是根據(jù)實(shí)際使用的需要而設(shè)定，其長寬的比例由顯示屏幕的尺寸、縱橫向的分辨率等因素決定，可作為預(yù)置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在驅(qū)動(dòng)或應(yīng)用軟件內(nèi)；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2、圖3是第一種方案具體的機(jī)械結(jié)構(gòu)。在圖2中，204表示手持或便攜設(shè)備的一個(gè)側(cè)面。該側(cè)面可以是該設(shè)備的任何一個(gè)側(cè)面，但按照一般的使用習(xí)慣，可首選設(shè)備右邊的側(cè)面。在該選定的側(cè)面上，安裝有201、202、203三只超聲波接收傳感器，這些傳感器的安裝位置是已知的，或者說在一個(gè)指定的坐標(biāo)系內(nèi)，這些傳感器的坐標(biāo)值都是已知的。這些傳感器的工作面，即能夠有效接收超聲波的表面，指向設(shè)備外側(cè)的空間；三只傳感器的有效接收范圍的交集，構(gòu)成圖1中的有效檢測(cè)范圍102。由于我們主要解決的問題是平面內(nèi)手寫筆的坐標(biāo)測(cè)定，所以這三只傳感器最好安裝在一條直線上，并且選擇該直線作為上述指定坐標(biāo)系的一個(gè)坐標(biāo)軸，這樣會(huì)大幅度降低數(shù)據(jù)處理的工作量，使坐標(biāo)值的測(cè)定更快。圖3所示的是配合這種方案所使用的手寫筆的結(jié)構(gòu)。該手寫筆主要由外殼301、電池302、安裝超聲波發(fā)射電路的電路板303、超聲波發(fā)射換能器304構(gòu)成。超聲波換能器安裝在手寫筆的書寫端，所發(fā)射的超聲波通過外殼301上的擴(kuò)散孔305向其周圍的空氣中發(fā)射超聲波。由于筆內(nèi)安裝有超聲波發(fā)射器，我們稱之為“有源手寫筆”。按鍵開關(guān)306的作用是為了使手寫筆實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)的功能，根據(jù)現(xiàn)有鼠標(biāo)的各種功能，按鍵開關(guān)可以有兩個(gè)以上，其安裝結(jié)構(gòu)可以參考現(xiàn)有手寫筆的結(jié)構(gòu)，如將其中常用的、相當(dāng)于鼠標(biāo)左鍵功能的按鍵安裝在手寫筆的書寫端，當(dāng)使用者按下手寫筆時(shí)，觸動(dòng)按鍵，發(fā)出確認(rèn)信號(hào)。當(dāng)然，這些按鍵還可以參照現(xiàn)有部分手寫板的結(jié)構(gòu)，安裝在手持設(shè)備上，當(dāng)手寫筆將鼠標(biāo)指針移動(dòng)到需要操作的位置時(shí)，按下確認(rèn)。例如部分筆記本電腦上的觸摸板所使用的結(jié)構(gòu)。當(dāng)相當(dāng)于鼠標(biāo)左右鍵的兩個(gè)按鍵安裝在手寫筆上時(shí)，電路的連接，即電路板302上安裝的電路部分的結(jié)構(gòu)方框圖見圖8。
圖4表示的是與超聲波接收傳感器連接、接收處理超聲波信號(hào)的電路部分的原理方框圖。圖中的401、402、403即是圖2中的超聲波接收傳感器201、202、203；404、405、406是三套超聲波信號(hào)前置放大電路(P-Amp)，407、408、409是分別與上述放大連接的三套濾波電路(F)；而410、411、412則是三套用于超聲波信號(hào)放大、整形的電路，其作用是將已經(jīng)被初步放大、濾波的超聲波信號(hào)作最終的放大、整形，以適合主要由單片機(jī)系統(tǒng)(MCS)413構(gòu)成的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)其接口輸入信號(hào)的要求。414、415是包含在單片機(jī)系統(tǒng)413內(nèi)的兩個(gè)計(jì)時(shí)器，稱為第一和第二計(jì)時(shí)器，為敘述方便，在本圖和后面的附圖中都將其單獨(dú)畫出。端口416是上述單片機(jī)系統(tǒng)與手持或便攜設(shè)備操作系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的通道。
與前面相似，圖5、圖6、圖7給出了第二種方案的機(jī)械和電路結(jié)構(gòu)圖。在圖5中，501、502分別表示兩個(gè)安裝在所述選定設(shè)備的一個(gè)側(cè)面上的超聲波接收傳感器，相當(dāng)于圖2中201、202、203之中的任意兩個(gè)傳感器。503是一只光電子元件，一般可選用紅外發(fā)射或接收管，這里及后文統(tǒng)稱為“光電子元件”。這只光電子元件的作用是設(shè)定一個(gè)時(shí)標(biāo)，作為計(jì)時(shí)器啟動(dòng)計(jì)時(shí)的信號(hào)。圖6是與圖5的結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的手寫筆的結(jié)構(gòu)。該手寫筆也是一只有源手寫筆，與圖3所示的手寫筆相比較，不同之處在于在于在手寫筆的書寫端，又安裝了一個(gè)光電子元件601，該元件的種類與503相反當(dāng)503是光電發(fā)射元件如紅外發(fā)射管時(shí)，601就應(yīng)該是一只光電接收元件如光敏管；反之則是一只光電發(fā)射元件。該手寫筆的其它部分均與圖4所示的手寫筆相同。圖7所示的是與圖5的結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)方框圖。圖中701是一個(gè)光電子元件，702是一個(gè)光電信號(hào)放大、濾波整形電路，或者是一個(gè)發(fā)光管的驅(qū)動(dòng)電路，根據(jù)503的性質(zhì)而確定。703是一個(gè)信號(hào)雙向傳輸?shù)臉?biāo)志，信號(hào)具體輸出方向，是根據(jù)503和702的種類而確定的，這里給出的是一個(gè)信號(hào)通路的概念。
方案一、方案二的基本工作原理是相同的，不同之處在于結(jié)構(gòu)方案二用一個(gè)光電信號(hào)發(fā)射接收系統(tǒng)，代替了方案一中的一個(gè)超聲波發(fā)射和接收電路，起到基準(zhǔn)時(shí)間標(biāo)定的作用。這種差異表現(xiàn)在圖8所示的手寫筆內(nèi)部電路的不同和圖4、圖7所示的信號(hào)接收處理電路中的不同，下面針對(duì)每個(gè)方案分別說明。
對(duì)于方案一，圖8所示的手寫筆中的電路由產(chǎn)生超聲波信號(hào)的超聲波振蕩器801、信號(hào)控制電路802、超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路805和超聲波發(fā)射換能器806等幾部分構(gòu)成；安裝在信號(hào)控制器802上的兩個(gè)開關(guān)803、804即相當(dāng)于鼠標(biāo)的左右控制鍵。由于這時(shí)手寫筆發(fā)射的超聲波信號(hào)，即要用于筆尖定位，又要用于控制信號(hào)的傳輸，所以這種超聲波信號(hào)應(yīng)當(dāng)是一種被按照一定方式編碼的信號(hào)，因此信號(hào)控制電路802是一個(gè)編碼電路。對(duì)于控制信號(hào)而言，以滿足實(shí)際操作的需求為標(biāo)準(zhǔn)，最簡單的編碼方式是對(duì)超聲波脈沖發(fā)射周期的編碼，如圖11所示。在鼠標(biāo)操作中，因?yàn)閱渭兊闹羔樢苿?dòng)不涉及具體操作，只要能夠較快地將鼠標(biāo)指針移動(dòng)到指定位置即可，所以這時(shí)可以使用較低的取樣率，即超聲波脈沖的發(fā)射周期可以較長、頻率較低，如圖11中的脈沖圖形1101之間的周期t1所示。假設(shè)鼠標(biāo)的左鍵是開關(guān)803，是最常用的按鍵，不僅要定位指針，還要響應(yīng)更快，這時(shí)可以使用較高的取樣率，即超聲波脈沖的發(fā)射周期短、頻率高，如圖11中的脈沖圖形1102之間的周期t2所示。而鼠標(biāo)的右鍵，即開關(guān)804的操作主要是快捷方式，涉及的操作較少，所以脈沖的發(fā)射周期或取樣率可以取一個(gè)中間值，如圖形1103之間的周期t3所示。因?yàn)槭謱懝P工作的大部分時(shí)間用于指針的定位，所以這種編碼方式既簡化了手寫筆中的信號(hào)控制電路802的結(jié)構(gòu)，又能夠?qū)⒏鞑糠值哪芰肯慕档阶钚?，滿足手持或便攜設(shè)備省電的要求。在這種編碼形式下，只要在單片機(jī)系統(tǒng)的程序內(nèi)設(shè)置一個(gè)脈沖周期監(jiān)測(cè)模塊，識(shí)別t1、t2和t3，就能夠根據(jù)識(shí)別結(jié)果向設(shè)備的操作系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的操作指令。為了準(zhǔn)確判定設(shè)備的操作狀態(tài)，t1、t2、t3之間的差別，應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)大于因?yàn)槭謱懝P104在有效操檢測(cè)區(qū)域102內(nèi)快速大幅度移動(dòng)時(shí)，超聲波不同的渡越時(shí)間之間的差異。
與圖8所示的手寫筆內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)，圖4中的超聲波接收器及其電路就需要有3組。這3組接收傳感器的優(yōu)先程度相同，都是經(jīng)過放大、濾波、整形之后直接連接到單片機(jī)系統(tǒng)413的I/O接口上，成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)413的三個(gè)硬件中斷源。圖22給出了驅(qū)動(dòng)程序中檢測(cè)超聲波信號(hào)并計(jì)時(shí)、計(jì)算筆尖位置等操作的程序模塊的流程圖。當(dāng)這部分程序模塊通過初始化過程2201啟動(dòng)后，經(jīng)過一個(gè)連接環(huán)節(jié)2202開始進(jìn)入等待狀態(tài)2203。當(dāng)某一個(gè)接收傳感器接收到超聲波信號(hào)后，通過所述的I/O接口向計(jì)算機(jī)發(fā)出一個(gè)中斷請(qǐng)求2204，單片機(jī)系統(tǒng)413立即響應(yīng)這個(gè)請(qǐng)求，跳轉(zhuǎn)啟動(dòng)一個(gè)第一計(jì)時(shí)器2211開始計(jì)時(shí)，即相當(dāng)于標(biāo)定了檢測(cè)渡越時(shí)間差值的基準(zhǔn)時(shí)間；同時(shí)通過步驟2212置一個(gè)端口標(biāo)志，而模塊的主程序依然處于等待中斷請(qǐng)求的狀態(tài)。當(dāng)?shù)诙€(gè)中斷請(qǐng)求2205到達(dá)后，單片機(jī)系統(tǒng)413再次立即響應(yīng)，跳轉(zhuǎn)到2213，關(guān)閉第一計(jì)時(shí)器，啟動(dòng)第二計(jì)時(shí)器，并通過步驟2214置第二個(gè)端口標(biāo)志，通過步驟2215暫存第一計(jì)時(shí)器的計(jì)時(shí)結(jié)果，模塊的主程序依然處于等待中斷請(qǐng)求的狀態(tài)。這里所說的“置端口標(biāo)志”，也是存儲(chǔ)代表端口的數(shù)據(jù)代碼。當(dāng)?shù)谌齻€(gè)中斷請(qǐng)求2206到來后，單片機(jī)系統(tǒng)通過步驟2216停止第二計(jì)數(shù)器。兩個(gè)計(jì)數(shù)器都停止后，就完成了對(duì)手寫筆發(fā)出的超聲波到不同接收器的渡越時(shí)間的差值的測(cè)量，為筆尖坐標(biāo)的測(cè)量提供了原始數(shù)據(jù)。如果我們采用如下假設(shè)條件手寫筆尖所在位置P的坐標(biāo)是(x，y)，聲速為v；三個(gè)接收傳感器的標(biāo)志和位置坐標(biāo)分別是P1(x1，y1)、P2(x2，y2)、P3(x3，y3)；三個(gè)接收傳感器檢測(cè)到超聲波的順序(端口標(biāo)志)是P2、P1、P3；超聲波從手寫筆傳播到三個(gè)接收傳感器的渡越時(shí)間分別是T1、T2、T3；ΔT12、ΔT32分別是第一和第二計(jì)時(shí)器的計(jì)時(shí)結(jié)果，兩個(gè)則可得到下面的方程組 這里有5個(gè)未知數(shù)T1、T2、T3和x、y，所以方程組有解。圖22中的步驟2207就是讀取上述的ΔT12、ΔT32的值，算法模塊2208就是方程組1)的求解代碼模塊，得到符合實(shí)際情況的解。計(jì)算得到x、y的值后，經(jīng)步驟2209通過數(shù)據(jù)交換通道416，輸出到手持或便攜設(shè)備計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)，供其驅(qū)動(dòng)鼠標(biāo)指針到指定位置。其它數(shù)據(jù)，如按鍵的操作信息，也經(jīng)系統(tǒng)識(shí)別處理后，經(jīng)這個(gè)通道輸出到上述操作系統(tǒng)。
由方程組1)可知，無論超聲波到達(dá)接收傳感器的順序如何，都可以得到x、y合適的解。
方案二的基本工作原理與方案一相同。當(dāng)用一個(gè)光電信號(hào)電路代替了一個(gè)超聲波接收電路之后，圖8所示的電路結(jié)構(gòu)中就需要增加相應(yīng)的光電信號(hào)電路和光電元件，即在電路805中不僅包含有超聲波驅(qū)動(dòng)電路，還包含有與光電信號(hào)有關(guān)的電路；構(gòu)成基準(zhǔn)時(shí)間標(biāo)定通道；該電路與圖中虛線所示的光電元件807連接。對(duì)于圖7和圖8，系統(tǒng)有兩種結(jié)構(gòu)方案第一，電路702是一個(gè)光電信號(hào)接收放大、濾波、整形電路，這時(shí)光電元件701將是一個(gè)光電接收元件，如紅外接收管，這時(shí)電路702的輸出端就是基準(zhǔn)時(shí)間通道的控制端；與此對(duì)應(yīng)圖8中的光電元件807是一個(gè)光電信號(hào)發(fā)射元件，如紅外發(fā)光管，電路805中包含有一套光電信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路，該電路的輸入端耦合連接在信號(hào)控制電路802的輸出端，拾取驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射器的電信號(hào)，驅(qū)動(dòng)發(fā)光管與超聲波發(fā)射器同步發(fā)射光脈沖，此種情況已經(jīng)在圖7中給出。
第二，電路702是一個(gè)光電信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路，該電路從單片機(jī)系統(tǒng)通過I/O端口取得光電發(fā)射的指令或信號(hào)，因此其輸入端就是基準(zhǔn)時(shí)間通道的控制端，這時(shí)光電元件701將是一個(gè)光電信號(hào)發(fā)射元件；與此對(duì)應(yīng)圖8中的光電元件807將是一個(gè)上述的光電信號(hào)接收元件，電路805中包含有一套光電信號(hào)接收放大、濾波、整形電路，這套電路的信號(hào)輸出端與信號(hào)控制電路802相連接，將根據(jù)是否接收到從701發(fā)射出的光信號(hào)，通過802控制超聲波驅(qū)動(dòng)電路是否發(fā)射超聲波，這種情況未在圖7中給出。手寫筆的其它部分，如開關(guān)的數(shù)量、安裝位置等完全可以與方案一中的手寫筆相同。
對(duì)于第一種選擇，其手寫筆內(nèi)的工作原理如上面所述，不需再次說明；與此對(duì)應(yīng)圖22中的中斷2204事實(shí)上就是光電信號(hào)電路702產(chǎn)生的中斷。由于光速遠(yuǎn)大于聲速，因此可以忽略光信號(hào)的延遲。其它過程與第一種方案的過程相同。
對(duì)于第二種選擇，一種可行的工作方式如下電路702驅(qū)動(dòng)發(fā)光管701，以設(shè)定的周期t1發(fā)射光脈沖，同時(shí)產(chǎn)生中斷請(qǐng)求2204；在手寫筆中，光電接收元件807接收到的光脈沖經(jīng)放大濾波等處理后，傳輸?shù)诫娐?02中(圖中未給出信號(hào)方向)。這時(shí)電路802中可以使用一個(gè)分頻器，開關(guān)803、804連接在該分頻器的控制端上，控制其分頻比假設(shè)當(dāng)開關(guān)803按下時(shí)，分頻比為1；當(dāng)開關(guān)804按下時(shí)，分頻比為2；當(dāng)兩個(gè)開關(guān)都沒有按下時(shí)，分頻比為3。用這個(gè)分頻比控制超聲波驅(qū)動(dòng)電路，以不同的周期發(fā)射超聲波脈沖，就可以實(shí)現(xiàn)前述的編碼方式。與此對(duì)應(yīng)，在圖22所示的模塊主程序中，應(yīng)當(dāng)增加一個(gè)超聲波周期判斷模塊，通過檢測(cè)超聲脈沖的實(shí)際發(fā)射周期而確定手寫筆上按鍵的操作狀態(tài)。
第二種方案依然可以使用方程組1)來計(jì)算x、y的值。重復(fù)前面的假設(shè)，這時(shí)T2＝0，ΔT12、ΔT32分別等于T1、T3，并令x＝x2、y＝y(tǒng)2，這樣方程組1)就變成了一個(gè)二元二次方程組，因此可以得到x、y的解。
圖9、圖10所示的波形圖，是手寫筆104發(fā)射的超聲波脈沖的波形。手寫筆發(fā)射的超聲脈沖可以有兩種選擇，其一是每個(gè)周期發(fā)射一個(gè)超聲波脈沖，如圖9中波形901，這時(shí)圖4或圖7中的超聲波信號(hào)處理電路，所拾取的是超聲波信號(hào)的上升或下降沿，以得到較高的精度；其二是每一個(gè)周期發(fā)射一組超聲波脈沖，如圖10中的波形1001，上述電路則通過檢測(cè)其上升沿或過零點(diǎn)，記錄每組超聲波脈沖的數(shù)量。詳細(xì)的電路原理可參見前述專利文件。
方案三是一種利用超聲波反射的原理，實(shí)現(xiàn)手寫筆書寫端位置坐標(biāo)檢測(cè)的方案。圖12給出了傳感器在手持或便攜設(shè)備上的安裝結(jié)構(gòu)，圖13給出了手寫筆的基本結(jié)構(gòu)圖，圖14給出了裝置的電路結(jié)構(gòu)方框圖。在圖12中，1201、1202、1203分別是三只超聲波換能器，其中兩只是超聲波接收器、一只是發(fā)射器。在圖13中，手寫筆1301可以是一只只有機(jī)械結(jié)構(gòu)的“無源手寫筆”，在其書寫端有一個(gè)超聲波反射面1303。這個(gè)反射面可以是一個(gè)旋轉(zhuǎn)曲面或柱面的部分或全部；如果是曲面，既可以向筆的軸線方向凹進(jìn)，又可以反方向凸出，其目的是保證筆身在不同的書寫角度時(shí)，都能有效的反射超聲波到接收器。這種手寫筆無法完成鼠標(biāo)的功能，這時(shí)需要在所述設(shè)備上安裝相應(yīng)的按鍵，其功能、安裝結(jié)構(gòu)等特性，與筆記本電腦所使用的觸摸板上附帶的按鍵一樣。
使用這種無源手寫筆，可以工作在兩種方式之下其一是單片機(jī)系統(tǒng)413通過其I/O接口構(gòu)成的基準(zhǔn)時(shí)間標(biāo)定通道，向超聲波發(fā)射電路1401輸出超聲波脈沖信號(hào)或者發(fā)射允許指令，同時(shí)啟動(dòng)第一計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)；即相當(dāng)于圖23中的第一中斷請(qǐng)求步驟2204；當(dāng)超聲波發(fā)射器1402所發(fā)射的超聲波被手寫筆的反射面1303反射后，分別被兩個(gè)接收傳感器收到，轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)并被放大處理后，通過I/O接口送到單片機(jī)系統(tǒng)，產(chǎn)生第二、第三中斷請(qǐng)求，分別關(guān)閉兩個(gè)計(jì)時(shí)器。其二是超聲波發(fā)射電路1401自行產(chǎn)生超聲波信號(hào)，在驅(qū)動(dòng)發(fā)射器1402發(fā)射超聲波的同時(shí)，通過上述I/O接口向單片機(jī)系統(tǒng)413發(fā)出第一個(gè)中斷請(qǐng)求2204。與圖22相比，圖23所示的程序流程在步驟“等待端口中斷”的順序上有區(qū)別，其它與圖22相同。
圖13也給出了手寫筆的另外一種結(jié)構(gòu)，與方案二所示的手寫筆外形相似，不同之處在于筆內(nèi)沒有安裝超聲波發(fā)射器及其電路，僅包含有一套光信號(hào)發(fā)生電路和如紅外發(fā)光管等的發(fā)光元件1304，我們稱之為“半有源手寫筆”。其它按鍵1302及電池等，與方案二使用的手寫筆相同。這樣的設(shè)計(jì)可以直接在手寫筆上完成各種鼠標(biāo)操作。
事實(shí)上，方案三與前面兩個(gè)方案的主要不同之處，在于超聲波發(fā)射器的安裝位置。如果采用圖13所示的半有源手寫筆，其電路部分的結(jié)構(gòu)如圖15的方框圖所示，與圖8的基本形式相同，區(qū)別僅在于換能器。圖8中的換能器主要是超聲波換能器，在方案二中又增加了光電子換能器，而圖15的電路中僅使用光電子元件。這個(gè)光電發(fā)射器件的作用是傳遞操作信息，可以仿照前面的控制方式設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)。因此，圖中1501是一個(gè)振蕩信號(hào)源(OSC)，1502是由開關(guān)控制的編碼電路，1503是發(fā)光元件如紅外發(fā)光管的驅(qū)動(dòng)電路，1504是一個(gè)發(fā)光元件，例如紅外發(fā)光管。
圖14給出了這種方案下超聲波發(fā)射、接收、處理及其使用的單片機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方框圖。這個(gè)方案的設(shè)計(jì)是按照手寫筆上安裝有操作開關(guān)的形式設(shè)計(jì)的，其工作原理也有兩種第一種與前述使用只有機(jī)械結(jié)構(gòu)的反射手寫筆的方案相同，光電系統(tǒng)的作用僅僅用于傳遞類似于圖11所示的操作信號(hào)，單片機(jī)系統(tǒng)分別單獨(dú)處理光電信號(hào)和超聲波信號(hào)；第二種是使用光信號(hào)控制系統(tǒng)的超聲波信號(hào)，其工作原理如下手寫筆發(fā)射的光脈沖被圖14中的光電接收元件1404接收到，經(jīng)光電信號(hào)放大、濾波、整形電路1403處理后，通過I/O接口被傳送到單片機(jī)系統(tǒng)，指示單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)出發(fā)射超聲波的指令，或由系統(tǒng)的I/O接口輸出超聲波信號(hào)，并產(chǎn)生第一個(gè)中斷申請(qǐng)；超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路1401從單片機(jī)系統(tǒng)413得到發(fā)射超聲波的指令或信號(hào)后，按照指令產(chǎn)生一定寬度、數(shù)量的超聲波脈沖，或者直接放大單片機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生的超聲波脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)超聲波換能器1402向其周圍的空氣中發(fā)射超聲波脈沖；當(dāng)所述的超聲波脈沖遇到手寫筆后，其中一部分超聲波被反射，分別被兩個(gè)超聲波接收傳感器接收。被接收的超聲波信號(hào)經(jīng)放大、濾波、整形等電路的處理之后，被送到單片機(jī)系統(tǒng)的I/O接口，產(chǎn)生前面方案所述的硬件中斷而控制計(jì)時(shí)器工作。將計(jì)時(shí)器輸出的結(jié)果送到算法模塊中，就能夠計(jì)算得到手寫筆上反射器的位置坐標(biāo)；如前所述，再檢測(cè)手寫筆所發(fā)射的光脈沖的周期或頻率，就能夠確定手寫筆的操作狀態(tài)，傳送到所述設(shè)備的操作系統(tǒng)而執(zhí)行操作。
這個(gè)方案的算法模塊與前面的基本相似。這里假設(shè)超聲波從發(fā)射器1402傳播到手寫筆的反射面1303、并從1303被反射后再傳播到兩個(gè)超聲波接收傳感器的渡越時(shí)間分別為T1和T3；超聲波發(fā)射器到反射面的距離為D，反射面到兩個(gè)接收器的距離分別為D1、D3；超聲波發(fā)射器的位置坐標(biāo)為x2、y2，其它重復(fù)前面方案一的假設(shè)條件，可得到以下方程組 在這個(gè)五元二次方程組之中，有D、D1、D3和x、y共五個(gè)未知數(shù)，所以與前面的方程組一樣，這個(gè)方程有實(shí)數(shù)根。
方案四是一種有線手寫筆的結(jié)構(gòu)，基本結(jié)構(gòu)是把方案三中的超聲波發(fā)射器安裝到手寫筆內(nèi)，然后使用電纜或?qū)Ь€將超聲波發(fā)射器與其驅(qū)動(dòng)電路相連接。當(dāng)然，在手寫筆上還可以安裝前述的操作按鍵，同樣用電纜或?qū)Ь€與上述的設(shè)備連接，以便在手寫筆上實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)功能。這種方案的優(yōu)點(diǎn)在于能夠最大限度地減小手寫筆的尺寸。尤其在手機(jī)上應(yīng)用，一般手機(jī)都配置有線耳機(jī)和話筒，所以可以利用連接耳機(jī)的電纜連接手寫筆，至多是增加電纜內(nèi)的芯線數(shù)量。圖16是這種結(jié)構(gòu)方案在手機(jī)上應(yīng)用的實(shí)施例，給出了超聲波接收器的安裝示意圖，以及手寫筆內(nèi)部的基本結(jié)構(gòu)。圖中1601是連接耳機(jī)的電纜1602與手機(jī)的插接頭，電纜在手寫筆尾端分支出另外一條電纜1604與耳機(jī)和話筒連接(圖中虛線表示)，1603是手寫筆內(nèi)部連接超聲波換能器和操作按鍵的連接導(dǎo)線。這種方案的算法模塊與方案二的相同。實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的程序流程見圖23，與方案三相同。
為了保證在上述各種結(jié)構(gòu)方案下有效接收范圍足夠大，即對(duì)手寫筆的檢測(cè)死角盡可能小，要求超聲波換能器以及光電子器件的有效工作角(發(fā)射或接收角)足夠大。由于通用的超聲波換能器的工作角不是都很有限，超聲波頻率越高越是如此，因此達(dá)到這個(gè)要求一般有兩種辦法第一是特殊設(shè)計(jì)各種換能器，如使用圓筒結(jié)構(gòu)的超聲波換能器(可參考前面提及號(hào)碼為98101325.2的中國專利)，或特別設(shè)計(jì)聲透鏡擴(kuò)展工作角，光電發(fā)射或接收元件使用廣角透鏡等方法；第二是使用通用成品元器件，通過圖17、18所給出的結(jié)構(gòu)擴(kuò)展其在工作面(與手寫筆的書寫底板基本平行的平面)內(nèi)的工作角。這兩幅圖都是通過反射錐來擴(kuò)展通用元件的工作角。在圖17中，1701光電發(fā)射管或接收管，或者他們的管芯，1702是光反射錐。在圖18中，1801是通用平面振動(dòng)模式的超聲波換能器的振子，1802是聲反射錐，1803是換能器的引線，其細(xì)節(jié)可參考992075 52.1號(hào)中國專利。上述兩種結(jié)構(gòu)既可以用在手寫筆上，又可以用在所述的設(shè)備上。
由于本發(fā)明所適用的設(shè)備需要的檢測(cè)面積不是很大，對(duì)超聲波換能器的效率、靈敏度等的要求不是很嚴(yán)格，因此手寫筆可采用圖19或圖20所示的結(jié)構(gòu)。在圖19中，超聲波發(fā)射器與光電子元件上下疊裝在筆尖1901內(nèi)，從發(fā)射振子1902發(fā)射的超聲波通過筆尖的孔305衍射到周圍的空間；光電子元件1903安裝在反射錐的上方，紅外線或其它光線則被反射錐1905反射后射入或射出，筆尖部分，至少是呈錐形的部分1904是用可透過選定波長光線的材料制作的。圖中1906、1907分別是超聲波換能器和光電子元件的引線兼支架。圖20給出了前述圓筒形超聲波換能器在手寫筆上的安裝結(jié)構(gòu)。在圖20中，圓筒形超聲波換能器2002安裝在手寫筆筆尖2001上，筆尖內(nèi)的空腔2003可以仿照?qǐng)D19所示的結(jié)構(gòu)用于安裝光電子器件及反射錐、換能器的連接線等。為了保護(hù)換能器，在其外部還可以安裝上帶有前述擴(kuò)散孔的保護(hù)套2004。
在圖22、23中，算法模塊被包含在了單片機(jī)系統(tǒng)之內(nèi)，或者說被固化在該系統(tǒng)的程序存儲(chǔ)器內(nèi)。但由于一般單片機(jī)的計(jì)算能力有限，所以這個(gè)模塊還可以安裝在使用本發(fā)明的手持或便攜設(shè)備之內(nèi)，充分利用這些設(shè)備內(nèi)的CPU的強(qiáng)大計(jì)算能力，減輕單片機(jī)系統(tǒng)的工作量。如果使用這種方案，則圖22、23中就可以去掉這個(gè)模塊，直接通過步驟2209輸出計(jì)時(shí)結(jié)果及其端口標(biāo)志數(shù)據(jù)，或者將這些數(shù)據(jù)簡單處理后輸出。當(dāng)然，對(duì)于這種嵌入式應(yīng)用，上述完成數(shù)據(jù)處理任務(wù)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，也可以直接由所述手持或便攜設(shè)備內(nèi)的CPU為核心構(gòu)成。
在前面實(shí)施例所說明的四種結(jié)構(gòu)方案中，電路部分均使用包含兩個(gè)計(jì)時(shí)器的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。這里，既可以是某些單片機(jī)內(nèi)部的計(jì)時(shí)器或計(jì)數(shù)器，也可以是使用外掛的數(shù)字電路構(gòu)成的計(jì)時(shí)器。圖21給出了一種使用數(shù)字電路構(gòu)成計(jì)時(shí)器的系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)。圖中，2101、2102、2103是三套連接在單片機(jī)系統(tǒng)413的I/O接口上的信號(hào)處理電路。這三套電路中至少有兩套是超聲波信號(hào)的接收、放大、濾波、整形電路，第三套則如前所述，根據(jù)所選取的結(jié)構(gòu)方案而選定，因此在圖中2103與單片機(jī)相同之間，用雙向箭頭2108表示信號(hào)流向。這三套電路的輸出端在與單片機(jī)連接的同時(shí)，還連接在一個(gè)或門2104的三個(gè)輸入端連接，該或門的輸出端與一個(gè)脈沖分配器2105的脈沖輸入端(CP)連接。該脈沖分配器的復(fù)位端(R)被單片機(jī)系統(tǒng)控制，其輸出端與第一計(jì)時(shí)器2106和第二計(jì)時(shí)器2107的計(jì)時(shí)允許端(EN)連接；同時(shí)，這兩個(gè)計(jì)時(shí)器與單片機(jī)系統(tǒng)的I/O接口連接，向單片機(jī)系統(tǒng)輸出計(jì)時(shí)結(jié)果并接收其控制；脈沖分配器的控制端也與單片機(jī)系統(tǒng)相連接，接受其控制。這個(gè)電路的工作原理如下傳感信號(hào)處理電路輸出的信號(hào)脈沖，被單片機(jī)系統(tǒng)接收并被做端口標(biāo)志的同時(shí)，通過或門2104傳輸?shù)矫}沖分配器2105，按照脈沖到來的順序依次啟動(dòng)和關(guān)閉第一、第二計(jì)時(shí)器。這里脈沖分配器的工作原理、脈沖時(shí)序圖等細(xì)節(jié)可以參見通用CMOS數(shù)字集成電路4017的資料。
本發(fā)明所使用的模擬和數(shù)字電路，可以定做專用的集成電路來實(shí)現(xiàn)。但對(duì)于這種嵌入式應(yīng)用，通常的做法是把超聲波手寫定位系統(tǒng)的各個(gè)部分，集成在設(shè)備內(nèi)同類(模擬或數(shù)字)的專用芯片內(nèi)，以減小設(shè)備的體積。
圖2、圖5、圖12和圖16所給出的傳感器安裝方案，均是將超聲波換能器安裝在手持或便攜設(shè)備的一個(gè)側(cè)面的表面上。但這些安裝形式不是全部的方案。圖25就是是安裝在顯示屏幕所在的表面(即前述設(shè)備的正面)，如圖25所給出在手機(jī)上的實(shí)施例。在手機(jī)殼體2504的正面、顯示屏幕2502的上部有一個(gè)小的凸起臺(tái)階2505，兩個(gè)超聲波接收器安裝在圖中臺(tái)階的上升面上孔縫2501的后面(可以參照?qǐng)D18的原理安裝)。如果采用方案一、二、三的結(jié)構(gòu)，在該上升面還要安裝其它傳感或換能器。圖中2503是手機(jī)的按鍵。采用這種安裝方式，可以實(shí)現(xiàn)在屏幕表面的輸入操作；如果再配合上述例舉的傳感器安裝位置，就能通過軟硬件實(shí)現(xiàn)“屏幕上/屏幕外”操作的切換，方便使用者在沒有可用的書寫平面時(shí)，實(shí)現(xiàn)手寫輸入或操作。這種形式在手機(jī)等設(shè)備上安裝了兩套傳感器，但可以共用一套電路，通過軟件或硬件開關(guān)實(shí)現(xiàn)傳感器及必須的軟件(如軟件中預(yù)設(shè)的坐標(biāo)系和各種數(shù)據(jù))切換。由于本發(fā)明使用的傳感器成本低廉，多安裝一套傳感器所增加的成本非常有限，所以具有非常廣泛的實(shí)用性。圖25中還給出了一種在手機(jī)的翻蓋(圖中的虛線和陰影位置)2506上安裝超聲波接收傳感器2507的示例，其方法和效果與安裝在凸起的臺(tái)階上相同，只是這個(gè)翻蓋要有足夠的厚度容納傳感器。
由于顯示屏幕的尺寸都不是很大，在選擇合適的安裝位置(如屏幕的角部外側(cè)，讓超聲波接收器的接收面指向屏幕的對(duì)角線)的條件下，就不要求超聲波接收器的接收角很大，所以一般不使用圖18所示的帶有反射錐的結(jié)構(gòu)，也能達(dá)到實(shí)用的要求。
這些傳感器還可以安裝在上述側(cè)面的延伸部分上，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則，是能夠利用設(shè)備外部的廣闊空間作為手寫筆輸入的區(qū)域。圖24就給出了另外一個(gè)換能器安裝的結(jié)構(gòu)實(shí)例。在圖24中，在所述設(shè)備的一個(gè)側(cè)面有一個(gè)凹槽2404，折疊臂2401通過鉸鏈2402(不可見，虛線表示)與設(shè)備相連接，鉸鏈2402安裝在所述凹槽的一端，與折疊臂的一個(gè)端部結(jié)合，能夠讓折疊臂自由地伸展或收回；全部或者部分超聲波換能器或光電發(fā)射接收元件2403被安裝在折疊臂上。當(dāng)折疊臂收回時(shí)，這些換能器被收藏在設(shè)備殼體側(cè)面的凹槽和折疊臂之間，同時(shí)起到了保護(hù)換能器的作用。如果在折疊臂上附加一塊底板，如圖中2405所示虛線圍成的區(qū)域，還可以標(biāo)定特別的操作區(qū)域。
如果把上面的折疊臂象手機(jī)天線一樣隱藏在所述設(shè)備的內(nèi)部，就構(gòu)成了抽拉臂，同樣可以安裝各種傳感器和換能器，由于結(jié)構(gòu)簡單易于理解，因而沒有給出示意圖。
本發(fā)明的第二種、第三種方案中使用到了光電元件，比較好的方案是使用紅外光電元件，因?yàn)槭褂眉t外元件具有結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強(qiáng)、對(duì)其它設(shè)備干擾小的優(yōu)點(diǎn)。這里光電元件的基本作用是基準(zhǔn)時(shí)間標(biāo)定和傳遞操作信息，因此如果僅考慮同步功能，其它能夠?qū)崿F(xiàn)同步的方案都可以使用，如使用無線電波的發(fā)射、接收模塊代替本文中的光電子元件及其配套電路等。在這種情況下，起“基準(zhǔn)時(shí)間標(biāo)定”的傳感器就是無線模塊的天線，隱藏在機(jī)殼之內(nèi)，機(jī)殼上只需要如圖25所示，安裝兩個(gè)超聲波接收器。
權(quán)利要求
1.用于手持或便攜設(shè)備的超聲手寫輸入檢測(cè)裝置，該裝置包含有一套能夠利用實(shí)現(xiàn)超聲波手寫筆定位的信號(hào)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，由以下幾個(gè)部分構(gòu)成至少兩個(gè)其位置坐標(biāo)在某一個(gè)指定坐標(biāo)系內(nèi)已知的超聲波接收傳感器；分別與每個(gè)接收傳感器連接的、由信號(hào)放大、濾波、整形電路構(gòu)成的信號(hào)處理電路；一只手寫筆，以及安裝在手寫筆筆尖內(nèi)的超聲波發(fā)射換能器；一套與所述超聲波發(fā)射器連接的，由超聲波發(fā)生、信號(hào)控制、驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成的超聲波發(fā)射電路；一套測(cè)量超聲波在介質(zhì)中傳播的渡越時(shí)間，或者渡越時(shí)間之間的差值的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，以及一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)間標(biāo)定通道；所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的I/O接口分別與上述信號(hào)處理電路的輸出端，以及所述基準(zhǔn)時(shí)間標(biāo)定通道的控制端連接；并通過一個(gè)端口與所述設(shè)備的操作系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)；其特征在于所述的超聲波接收傳感器安裝在手持或便攜設(shè)備的殼體的一個(gè)表面，并且其超聲波接收面面向殼體外部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲手寫輸入檢測(cè)裝置，其特征在于所述的基準(zhǔn)時(shí)間標(biāo)定通道；由一只位置坐標(biāo)在上述指定的坐標(biāo)系內(nèi)是已知的超聲波接收器，及其配套連接的、與前述兩只接收傳感器相同的信號(hào)處理電路構(gòu)成，其信號(hào)輸出端為控制端；這只傳感器的接收面，與前述的超聲波接收器的接收面面向相同的方向。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲手寫輸入檢測(cè)裝置，其特征在于所述的基準(zhǔn)時(shí)間標(biāo)定通道，是一套紅外線發(fā)射接收系統(tǒng)；其結(jié)構(gòu)如下在手寫筆內(nèi)安裝有一套驅(qū)動(dòng)電路，該電路的輸入端耦合連接在所述的信號(hào)控制電路的輸出端，并驅(qū)動(dòng)安裝在手寫筆書寫端的一只紅外線發(fā)射管；在所述安裝超聲波接收傳感器的表面，還安裝有一只紅外線接收管，與該接收管配合，在所述的便攜或手持設(shè)備內(nèi)部，還包含有一套光電信號(hào)接收處理的電路，其信號(hào)輸出端為控制端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲手寫輸入檢測(cè)裝置，其特征在于所述的基準(zhǔn)時(shí)間標(biāo)定電路，是一套紅外線發(fā)射接收系統(tǒng)；其結(jié)構(gòu)如下在手寫筆還安裝有一套光電信號(hào)接收處理電路，其輸入端與一只安裝在手寫筆書寫端的紅外線接收管連接，輸出端與所述手寫筆內(nèi)的信號(hào)控制電路相連接；在所述安裝超聲波接收傳感器的表面，還安裝有一只紅外線發(fā)射管，與該發(fā)射管配合，在所述的便攜或手持設(shè)備內(nèi)部，還包含有一套光電信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路，其信號(hào)輸入端為控制端。
5.根據(jù)權(quán)利要求3、4所述的傳輸手寫輸入檢測(cè)裝置，其特征在于所述手寫筆內(nèi)的超聲波發(fā)射器和光電子元件上下層疊安裝，位于手寫筆書寫端殼體內(nèi)的空腔中；超聲波發(fā)射器的發(fā)射面指向筆尖方向，并在其前方的殼體上開有數(shù)個(gè)超聲波擴(kuò)散孔；光電子元件安裝發(fā)射器發(fā)射面的前方，其發(fā)射面或接收面也指向筆尖方向。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲手寫輸入檢測(cè)裝置，其特征在于由超聲波發(fā)生、信號(hào)控制、驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成的超聲波發(fā)射電路，嵌入安裝在所述設(shè)備的內(nèi)部，安裝在手寫筆內(nèi)的超聲波發(fā)射器，通過一條電纜與該電路的輸出端相連接。
7.用于手持或便攜設(shè)備的超聲手寫輸入檢測(cè)裝置，該裝置包含有一套能夠利用實(shí)現(xiàn)超聲波手寫筆定位的信號(hào)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，由以下幾個(gè)部分構(gòu)成一只手寫筆；至少兩個(gè)其位置坐標(biāo)在某一個(gè)指定坐標(biāo)系內(nèi)已知的超聲波接收傳感器；分別與每個(gè)接收傳感器連接的、由信號(hào)放大、濾波、整形電路構(gòu)成的信號(hào)處理電路；一個(gè)坐標(biāo)值在上述坐標(biāo)系內(nèi)已知的超聲波發(fā)射換能器，及其由超聲波發(fā)生、信號(hào)控制、驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成的超聲波發(fā)射電路；一套測(cè)量超聲波在介質(zhì)中傳播的渡越時(shí)間的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的I/O接口與上述信號(hào)處理電路的輸出端相連接；并通過一個(gè)端口與所述設(shè)備的操作系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)；其特征在于所述全部的超聲波換能器，均安裝在手持或便攜設(shè)備的殼體的一個(gè)表面，這些換能器的超聲波發(fā)射或接收面，均指向殼體外部；在所述手寫筆的書寫端有一個(gè)超聲波反射面。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的超聲筆式輸入檢測(cè)裝置，其特征在于手寫筆的書寫端還安裝有一個(gè)紅外發(fā)射元件，與此配合在手寫筆內(nèi)部有一套紅外信號(hào)的發(fā)生、控制和驅(qū)動(dòng)電路；在所述安裝超聲波接收傳感器的表面，還安裝有一只紅外線接收管，與該接收管配合，在所述的便攜或手持設(shè)備內(nèi)部，還包含有一套光電信號(hào)接收處理的電路，該電路的輸出端與所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的I/O端口相連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求3、4或7所述的超聲手寫輸入檢測(cè)裝置，其特征在于所述安裝在手寫筆上的光電子元的前方，安裝有一個(gè)尖端指向元件管芯的光反射錐。
10.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4、6或7所述的超聲筆式輸入檢測(cè)裝置，其特征在于在所述設(shè)備的表面，是安裝在設(shè)備殼體上的折疊臂或抽拉臂的表面，或顯示屏所在的表面之中的一個(gè)。
全文摘要
一種應(yīng)用在個(gè)人手持或便攜信息設(shè)備上的超聲手寫輸入檢測(cè)裝置,將兩個(gè)以上超聲波換能器,安裝在手持設(shè)備或便攜設(shè)備外殼的一個(gè)表面或表面的延伸部分,通過檢測(cè)有線或無線手寫筆所發(fā)射或反射的超聲波,在空氣介質(zhì)內(nèi)的渡越時(shí)間,或者渡越時(shí)間的差值,在這些設(shè)備外部的空間或屏幕上實(shí)現(xiàn)手寫筆位置坐標(biāo)的檢測(cè)及信息的輸入。
文檔編號(hào)G06F3/033GK1339691SQ00133388
公開日2002年3月13日 申請(qǐng)日期2000年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月18日
發(fā)明者劉中華 申請(qǐng)人:劉中華