具有笔触压力感应功能的数位板系统

摘要

本发明涉及计算机的输入设备，特别是一种具有笔触压力感应功能的数位板系统。包括数位板和画笔，数位板内设置有RFID阅读器芯片，画笔的逻辑控制电路中设置有RFID应答器芯片，画笔从数位板上RFID阅读器芯片发射的无线射频信号获取能量，通过电磁感应方式检测笔芯的伸缩量，以获取画笔作用到数位板触摸屏上的压力感应信息，并将获取到的该压力感应信息通过画笔上的RFID应答器芯片以无线方式发送给数位板上的RFID阅读器芯片，数位板对接收的压力感应信息进行处理，并将处理后的数据发送至上位机。该数位板系统能够采用无线无源的画笔，在数位板的普通触摸屏上实现压力感应功能。

权利要求

1. 一种具有笔触压力感应功能的数位板系统，包括数位板和画笔，数位板上设置有触模屏和USB接口，数位板内设置有微处理器、USB控制器和触模屏控制器，画笔包括笔壳（2）、笔芯（1）和位于笔壳内的逻辑控制电路，其特征在于：在笔芯（1）后端固定有第一磁体（3），所述数位板内还设置有连接有天线的RFID阅读器芯片， 画笔笔壳内的逻辑控制电路中设置有连接有天线的RFID应答器芯片，所述RFID阅读器芯片的并行数据端口、地址端口和控制端口分别通过数据总线、地址总线和控制总线与所述微处理器的并行数据端口、地址端口和控制端口连接；画笔笔壳内的逻辑控制电路由绕在铁芯（5）上的磁感应线圈（6）、A/D转换器、连接有天线的RFID应答器芯片、谐振电路、整流升压电路和超级电容器组成，磁感应线圈与A/D转换器的输入端连接，A/D转换器的输出端与RFID应答器芯片连接，连接在RFID应答器芯片上的天线通过谐振电路、整流升压电路与超级电容器连接，超级电容器分别与A/D转换器、RFID应答器芯片连接；画笔从数位板RFID阅读器芯片发射的无线射频信号获取能量，通过电磁感应方式检测笔芯的伸缩量，以获取画笔作用到数位板触摸屏上的压力感应信息，并将获取到的该压力感应信息通过画笔上的RFID应答器芯片以无线方式发送给数位板上的RFID阅读器芯片，数位板对接收的压力感应信息进行处理，并将处理后的数据发送至上位机。

2.根据权利要求1所述具有笔触压力感应功能的数位板系统，其特征在于：在笔壳（2）内固定有第二磁体（4），第二磁体位于第一磁体（3）的后方且两磁体同极性端相正对，使第一磁体与第二磁体之间沿画笔轴向相隔一距离，第二磁体开设有中心孔，所述铁芯（5）前端穿插于其中。

说明书

具有笔触压力感应功能的数位板系统

技术领域

[0001] 本发明涉及计算机的输入设备，特别是在使用计算机绘图软件进行绘图操作时使用的数位板系统。

背景技术

[0002] 计算机的数位板系统是利用计算机进行绘图操作的输入设备，其包括数位板和画笔，数位板上设置有普通触模屏和USB接口，数位板内设置有微处理器、USB控制器和触模屏控制器。画笔包括笔壳、笔芯和位于笔壳内的逻辑控制电路。操作者通过画笔在数位板的触模屏上进行线条的绘制，从而实现计算机的绘图操作。

[0003] 为了达到在真实世界作画时的笔触效果和绘画感觉，通常需要实现将画笔触及绘画板的力度的轻重直接反应为所画线条的粗细及色彩的深浅这一功能，即实现数位板的压力感应功能（通常简称为压感功能），这更加符合真实世界中画笔的使用效果，从而增强绘图操作的直观真实感。目前，许多绘画类的应用软件在应用层面都支持压感功能。

[0004] 但是，要让应用软件感知画笔触及绘画板时的压力轻重，仅有应用软件的支持是不够的。压力信息（或称压感信息）是通过计算机硬件接口接收的底层信号，它直接由操作系统的底层驱动程序进行接收和处理，应用软件并不直接接收这样的底层信号，而是接收一种遵从统一工业标准的属于应用层面的信息格式。

[0005] 在使用Windows操作系统的计算机中，Windows Vista以前版本的操作系统没有提供按工业标准对压力信息进行转换处理的功能，应用软件不能直接通过操作系统获得压力信息，而是需要通过遵从统一工业标准的中间件（软件）作为桥梁，即由中间件接收数位板发送给计算机的压力信息，再将其转换为符合那个标准所规定的格式的信息，然后由遵从同样标准的诸如Photoshop这样的绘画软件去响应，完成压感功能的实现。中间件实现了应用层标准信息格式和底层压力信息格式上下两个方面的接口。

[0006] 但从Windows Vista开始，微软操作系统自身就提供了这方面的支持。只要底层驱动程序按照微软的规范要求进行相应的处理，操作系统会自动与上层应用软件进行接口，这样，支持压感功能的应用软件就能实现压感功能，因而也就不再需要使用中间件。

[0007] 显而易见，对于数位板而言，要实现压感功能还必须有硬件的支持，而其中的关键就是在硬件上如何实现对压力信息的采集和传输。

[0008] 从现有的数位板产品看，目前有两种压力信息采集方式：一种方式是通过获取数位板和画笔相互之间的电磁感应强弱的方式，此方式的数位板中有专门设计生产的电磁感应屏，压力信息是在电磁感应屏上获取，画笔是无线无源的。压力信息的获取同时依赖于数位板和画笔，离开了电磁感应屏仅有画笔便无法获取压力信息，反之亦然。由于此类产品的技术实现比较复杂，生产成本非常高昂。另一方面，由于此类产品必须是电磁感应屏和其特定的画笔配合使用才能发挥功能，那么这样的画笔所采用的技术便不能应用在其它非电磁感应屏的产品上。

[0009] 另一种方式是在画笔上获取压力信息，此方式下，要对压力信息进行处理，要么是通过有线方式传输给数位板处理，要么通过无线方式传输给数位板处理。如果为了方便使用而去掉连接线，以无线方式传输，势必就要使用电池对画笔进行供电，这便有更换电池的麻烦和因电池电能减弱而导致性能不稳等一系列的问题。

[0010] 综上所述，采用无线无源技术的压感画笔方便适用，但依赖于电磁感应屏，整体价格昂贵，而其它品牌的产品虽然价格相对低廉，但压感笔需要使用电池，感觉烦琐，使用不便。

[0011] 众所周知，RFID（Radio Frequency Identification—无线射频识别）技术主要应用于自动识别，其基本技术原理是：阅读器通过天线发送某个频率的射频信号，应答器（射频卡，或称电子标签）在这个信号所覆盖的区域内产生感应电流，并获得能量被激活，应答器将自身编码等信息通过内置天线发送出去，阅读器通过天线接收到从应答器发送来的载波信号，并对接收到的信号进行解调和解码，然后送给系统进行相关处理。

发明内容

[0012] 本发明的目的是提供一种具有笔触压力感应功能的数位板系统，能够采用无线无源的画笔，在数位板的普通触摸屏上实现笔触压力感应功能。

[0013] 本发明所述具有笔触压力感应功能的数位板系统，包括数位板和画笔，数位板上设置有触模屏和USB接口，数位板内设置有微处理器、USB控制器和触模屏控制器，画笔包括笔壳、笔芯和位于笔壳内的逻辑控制电路，在笔芯后端固定有第一磁体，所述数位板内还设置有连接有天线的RFID阅读器芯片， 画笔笔壳内的逻辑控制电路中设置有连接有天线的RFID应答器芯片，所述RFID阅读器芯片的并行数据端口、地址端口和控制端口分别通过数据总线、地址总线和控制总线与所述微处理器的并行数据端口、地址端口和控制端口连接；画笔笔壳内的逻辑控制电路由绕在铁芯上的磁感应线圈、A/D转换器、连接有天线的RFID应答器芯片、谐振电路、整流升压电路和超级电容器组成，磁感应线圈与A/D转换器的输入端连接，A/D转换器的输出端与RFID应答器芯片连接，连接在RFID应答器芯片上的天线通过谐振电路、整流升压电路与超级电容器连接，超级电容器分别与A/D转换器、RFID应答器芯片连接；画笔从数位板RFID阅读器芯片发射的无线射频信号获取能量，通过电磁感应方式检测笔芯的伸缩量，以获取画笔作用到数位板触摸屏上的压力感应信息，并将获取到的该压力感应信息通过画笔上的RFID应答器芯片以无线方式发送给数位板上的RFID阅读器芯片，数位板对接收的压力感应信息进行处理，并将处理后的数据发送至上位机。

[0014] 在笔壳内固定有第二磁体，第二磁体位于第一磁体的后方且两磁体同极性端相正对，使第一磁体与第二磁体之间沿画笔轴向相隔一距离，第二磁体开设有中心孔，所述铁芯前端穿插于其中。

[0015] 利用两磁体同极性相排斥的特性，本发明中的画笔在操作时，笔尖受压力后要克服第一、第二磁体之间的排斥力向笔壳内缩进，笔芯后端的第一磁体与磁感应线圈中铁芯前端之间的距离将发生变化（距离减小），致使磁感应线圈中的磁通量增大，磁感应线圈中将产生感应电压；同样，笔尖在失去压力时，笔芯后端的第一磁体与磁感应线圈中铁芯前端之间的距离也将发生变化（距离增大），此时磁感应线圈中将产生反向感应电压。通过磁感应线圈采集到的电压（或经放大后）作为A/D（模/数）转换器的输入信号，将被转换为数字信号，然后送给RFID应答器芯片进行处理，RFID应答器芯片内部的程序代码以一定的频率连续地从A/D转换器中获取数字信号，并根据前次获取的数字信号值和当前增减值计算出压感信息，然后将压感信息通过天线发送出去。

[0016] 在画笔上通过磁感应方式检测笔芯的伸缩量，以此获取压力感应信息，而不是通过压力传感器，其最大的好处是压力的采集不需要消耗电能，以节省画笔中宝贵的电源能量。

[0017] 数位板内的RFID阅读器芯片具备按特定频率发送射频信号和接收画笔发送的压感信息的功能，这样数位板与画笔结合便组成一个能够实现压力感应功能的数位板系统。

[0018] 通过微处理器对RFID阅读器芯片的射频发送和数据读取操作进行控制，达到为画笔提供射频能量以及从画笔RFID应答器芯片接收压力信息的目的。

[0019] 由于RFID阅读器芯片并不涉及常规RFID技术中的ID“识别”和数据的加密、解密等应用问题，所以微处理器中此功能部分的固件程序极为简单，主要处理流程就是循环地读取画笔RFID应答器芯片发送的压力信息。

[0020] 在本发明所述数位板系统中，使用普通触摸屏（比如电阻式触摸屏）作为操作屏，用于获取画笔操作的位置信息。RFID阅读器芯片用于接收画笔压力信息。数位板将从触摸屏获取的位置信息和从RFID阅读器芯片接收到的压力信息按系统要求的格式发送到USB接口，操作系统自带的HID（Human Interface Device—人机接口设备）设备类驱动程序将会自动接收这些输入信息，并将这些信息传递给应用层，使上位机（计算机）绘画软件最终能够响应这些包含压力信息的输入信息，实现压感功能。

[0021] 本发明中，画笔内部包含有RFID的应答器（可编程应答器芯片及天线）部分，数位板包含有RFID的阅读器部分。本发明仅通过使用RFID技术实现“画笔通过数位板阅读器发送的无线射频获取能量，以及画笔应答器以无线方式发送数据给数位板阅读器”，且画笔发送给阅读器的数据不是固定的ID编码，而是所采集到的压感信息，此功能是通过在有源或无源可编程应答器芯片中通过编程予以扩展实现的。

[0022] 本发明所述具有压力感应功能的数位板系统由于采用了RFID技术，数位板无需采用电磁感应屏，而只需采用普通触摸屏即能实现压力感应功能，故极大程度降低了产品的成本。同时，画笔在不使用电池的情况下与数位板采用无线连接，能够消除连接线带来的不便，以及画笔使用电池的麻烦及由于电池电能减弱而对产品性能所造成的不利影响。

附图说明

[0023] 现结合附图对本发明作进一部详细说明。

[0024] 图1为本发明所述具有压力感应功能的数位板系统中画笔的结构示意图；

[0025] 图2为图1中M处的放大图；

[0026] 图3为画笔内的逻辑控制电路的模块连接示意图；

[0027] 图4为数位板的硬件模块结构示意图；

[0028] 图5为数位板中微处理器与RFID阅读器芯片的模块连接关系示意图；

[0029] 图6为笔芯压力计算程序流程图；

[0030] 图7为触摸屏输入控制程序处理流程图；

[0031] 图8为数位板对上位机发送数据程序处理流程图。

具体实施方式

[0032] 该具有笔触压力感应功能的数位板系统包括数位板和画笔，如图1、图2和图3所示，画笔包括笔壳2、笔芯1和位于笔壳2内的逻辑控制电路，在笔芯1后端固定有第一磁体3，在笔壳2内固定有第二磁体4，第二磁体4位于第一磁体3的后方且两磁体同极性端相正对，使第一磁体3与第二磁体4之间沿画笔轴向相隔一距离，第二磁体4开设有中心孔。逻辑控制电路由绕在铁芯5上的磁感应线圈6、A/D转换器、连接有天线的RFID应答器芯片、谐振电路、整流升压电路和超级电容器组成，磁感应线圈6与A/D转换器的输入端连接，A/D转换器的输出端与RFID应答器芯片连接，连接在RFID应答器芯片上的天线通过谐振电路、整流升压电路与超级电容器连接，超级电容器分别与A/D转换器、RFID应答器芯片连接。所述铁芯5为高导磁率的铁氧体铁芯，其前端穿插于第二磁体4的中心孔中，使铁芯5前端端面正对第一磁体3。RFID应答器芯片为无源（或有源）可编程处理器芯片，其数据发送端与天线连接，天线既用于发送数据，又用于通过射频获取能量，将接收到的高频（或超高频）信号通过整流、升压等方式转换为直流，并存储于超级电容中，同时为RFID应答器芯片工作提供能量。超级电容器（比如1法拉），用于在画笔逻辑控制电路相对空闲时，储存RFID应答器芯片从数位板RFID阅读器芯片发送的射频信号中产生的感应电流，为逻辑控制电路提供足够的电源能量。

[0033] 如图4和图5所示，数位板上设置有触模屏和USB接口，数位板内设置有带有USB控制器的微处理器（可选用Cypress公司的CY68013芯片）、触模屏控制器和连接有天线的RFID阅读器芯片（可选用Philips公司的13.56Mhz波段的MFRC530）， RFID阅读器芯片的并行数据端口、地址端口和控制端口分别通过数据总线、地址总线和控制总线与所述微处理器的并行数据端口、地址端口和控制端口连接。

[0034] 画笔从数位板RFID阅读器芯片发射的无线射频信号获取能量，通过电磁感应方式检测笔芯的伸缩量，以获取画笔作用到数位板触摸屏上的压力感应信息，并将获取到的该压力感应信息通过画笔上的RFID应答器芯片以无线方式发送给数位板上的RFID阅读器芯片，数位板对接收的压力感应信息进行处理，并将处理后的数据发送至上位机。

[0035] 在画笔中通过磁感应方式检测笔芯的伸缩量，以此获取压力感应信息。但由于画笔笔芯缩进到某处后处于静止时，线圈中的磁通量将保持固定值而停止变化，线圈中产生的感应电压也将消失，A/D转换器此时的输出将是零，由此可见，A/D转换器输出的数字信号反映的是一个变化值而不是静态值，不能直接把它作为压感信息发送出去。

[0036] 为了通过感应电压值计算出相应的压力信息，需要通过在RFID应答器芯片内部编写程序进行计算，程序的概要性处理流程是：在初始时，将当前获取的A/D转换器的输出值作为压力信息发送出去并保存，第二次读取的值若为正（笔芯缩进），则与所保存的值相加，其结果作为压力信息发送出去同时替换已保存的值；第二次读取的值若为负（磁感应线圈中产生反向电压），即笔芯伸出，则仍然与所保存的值相加（因为读取值为负，其结果是用所保存的值减去读取值的绝对值），其结果作为压力信息发送出去同时替换已保存的值，… 。以此方式连续处理下去，实现压力信息的计算和发送。

[0037] 出于对画笔使用的实际需要和节省画笔中的电源能量的考虑，在程序的实际处理中，需预先设置一个电压阈值（临界值），作为程序发送压力信息的判断依据。由于绘画板上的触摸屏需要一定的压力才能够响应输入，所以笔芯在缩进到一定程度（即绘画力度大于触摸屏响应所需要的力度）时，程序才开始计算和发送压力信息，程序处理流程如图6所示，数位板在未收到压力信息时将以默认值（零）作为压力值。

[0038] 数位板的操作屏为普通触摸屏，触摸屏通过触摸屏控制器与微处理器连接，微处理器内部USB控制器的串行数据输出端口连接到USB接口，微处理器中的固件程序负责获取画笔操作的位置信息，其程序处理流程图见图7。

[0039] 微处理器读取当前RFID阅读器芯片获取到的压力值，此部分的固件程序处理流程极其简单（循环读取压力值），故未给出此部分程序处理流程图。

[0040] 在微处理器的固件程序中，针对USB接口按HID设备类定义好此设备（数位板）的设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符、报告描述符等。在端点描述符中指定传输位置信息和压感信息的USB接口的端点，在报告描述符中的用法（Usage）“X (page 0x01, usage 0x30) ”和 “Y (page 0x01, usage 0x31) ” 里面指定X,Y坐标所占的字节数和单位，在用法“page 0x0D, usage 0x30”中指定压力信息的相关格式。总之，通过报告描述符指定每一个用户功能(模拟鼠标左键，右键，滚轮，X,Y，压力等信息)在端点描述符所指定的端点里面所占的字节数和位置。

[0041] 微处理器定时地将位置信息、压力信息等信息按规定顺序和位置送入相应端点中，上位机操作系统中的HID设备类驱动程序将自动接收并让应用软件响应这些信息。微处理器固件程序发送数据处理流程见图8。