专利名称：一种实时击键压力采集系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及信号采集技术，具体说就是一种实时击键压力采集系统。
背景技术：
击键压力采集系统是基于击键特征的人体生物特征识别系统很重要的一个环节， 目前还没有出现通用的击键压力采集系统。现在已有的几种击键压力采集方法都存在各自的缺点。Bolduc等人提出了一种测量击键压力的方法。这种方法是基于压力敏感电阻的。 将一个压敏电阻安装在键盘底部，通过测量电阻的变化来体现击键压力的变化。但这种方法仅使用一个压敏电阻来测量整个键盘的压力，这使得压敏电阻的安装位置将影响测量数据的准确性。对离压敏电阻距离不同的键来说，数据的一致性无法保证。李响等人提出了一个可以采集压力信息的压力感应键盘。但从他们所采集的数据来看，这一键盘在用户的一个击键过程中只采集一个压力值。这无疑丢失了很多对生物特征识别十分重要的信息， 比如压力的变化特性等。在另外一些击键特征识别系统中提出了另一种压力采集键盘。这种键盘利用数据采集卡与电脑连接，键盘上的压力传感器通过数据采集卡将压力数据传输给电脑。这一方法虽然具有高分辨率的好处，但大多数电脑并不配备数据采集卡，使得这一键盘无法应用在普通计算机中。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在不改变用户接口情况下，键入数据的同时，实时准确采集击键压力的实时击键压力采集系统。本发明的目的是这样实现的它是由压力传感器和接口电路组成的，压力传感器连接接口电路，所述的压力传感器使用四个应变片组成一个惠斯通全桥电路，将电阻的变化转换为电压的变化再进行采集，压力传感器安装在标准键盘每个按键的底部，包括键帽和回弹装置，设置两块隔板，上隔板有12个孔洞，正对着12个传感器，两排固定支架用于固定传感器，当用户按下按键时，回弹装置将变形，其底部的凸起触及压力传感器的按钮， 将压力传递给传感器，松开按键后，回弹装置恢复原状，使键帽抬起；所述的接口电路包括放大器、多路复选器、模数转换器和主控制器，放大器连接多路复选器，多路复选器连接模数转换器，模数转换器连接主控制器；其中放大器的作用是放大微弱的毫伏级电压信号至士5v，这一数值的选择是根据ADC的输入要求，采用低功耗高精度的仪表放大器AD620， 多路复选器的作用是选通12路信号中的一路进行数字化及相应处理，两个8路模拟信号复用器组成一个16路的多路复用电路，满足12路信号的需要，模数转换器的作用是将选通的模拟信号数字化，以便主控单元处理并传送到计算机上，采用的是8位的模数转换器 ADC0804，主控制器负责整个硬件电路的控制及与计算机通信的工作，采用89SC52作为主控单元，其内置的串口控制器可以方便的与计算机进行通信。本发明实现了在用户敲击键盘时向计算机同时发送键码和键压力值的功能，运行于计算机上的程序可以实时的采集键盘发送来的数据。本发明最终效果为一个12个按键的小键盘包括10个数字键，1个确认键，1个取消键，以及一个运行于计算机上的采集程序。 在用户的一次击键行为中，本系统采集键码一个，采集压力值200至300个，并将每个键码及与其对应的压力值序列保存到硬盘上。本发明在不改变用户接口的情况下，实现一个在用户键入数据的同时，实时准确采集击键压力的系统。本发明使用普通键盘作为用户接口， 克服了使用特殊键盘容易造成用户击键习惯改变的缺点，这对于身份识别意义重大。本发明为每一个按键均安装一个压力传感器，保证压力采集的准确性。通过对接口电路与采集程序的设计，本发明实现了实时高效的击键压力采集。
图1为本发明的结构方框图；图2为本发明的硬件系统设计方框图；图3为本发明的按键与传感器机械连接的俯视图；图4为本发明的按键与传感器机械连接的主视图；图5为本发明的压力传感器示意图；图6为本发明的接口电路方框图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步说明。实施例1 结合图3-图6，本发明一种实时击键压力采集系统，它是由压力传感器和接口电路组成的，其特征在于压力传感器连接接口电路，所述的压力传感器使用四个应变片组成一个惠斯通全桥电路，将电阻的变化转换为电压的变化再进行采集，压力传感器安装在标准键盘每个按键的底部，包括键帽和回弹装置，设置两块隔板，上隔板有12个孔洞，正对着12个传感器，两排固定支架用于固定传感器，当用户按下按键时，回弹装置将变形，其底部的凸起触及压力传感器的按钮，将压力传递给传感器，松开按键后，回弹装置恢复原状，使键帽抬起；所述的接口电路包括放大器、多路复选器、模数转换器和主控制器，放大器连接多路复选器，多路复选器连接模数转换器，模数转换器连接主控制器；其中放大器的作用是放大微弱的毫伏级电压信号至士 5v，这一数值的选择是根据ADC的输入要求，采用低功耗高精度的仪表放大器AD620，多路复选器的作用是选通12路信号中的一路进行数字化及相应处理，两个8路模拟信号复用器组成一个16路的多路复用电路，满足12路信号的需要，模数转换器的作用是将选通的模拟信号数字化，以便主控单元处理并传送到计算机上，采用的是8位的模数转换器ADC0804，主控制器负责整个硬件电路的控制及与计算机通信的工作，采用89SC52作为主控单元，其内置的串口控制器可以方便的与计算机进行通实施例2 结合图1-图5，本发明的整体结构框图如图1所示。1.硬件系统设计硬件设计框图如图2所示。本发明首先提出了将压力转化为电信号的压力传感器设计，之后提出了将压力传感器安装于每个按键下的机械设计，最后，本发明设计了一个接口电路来处理由压力转换而来的电信号。1.2压力传感器设计
本设计采用应变片作为压力传感器的基本感应原件。应变片是一种能将形变转换为电阻变化的材料。当应变片被按压时，其电阻将随着压力引起的形变而产生相应变化。但是微小的电阻变化并不容易采集，所以本设计使用四个应变片组成一个惠斯通全桥电路， 将电阻的变化转换为电压的变化再进行采集。图3、图4为本发明设计的压力传感器示意图。图中(1)是四个应变片之一，(2)是贴应变片的弹性部件，(3)是按钮。1.3机械设计为将本发明设计的传感器安装在每个按键底部，我们对传感器的安装进行了仔细的机械设计。机械设计示意图如图5所示。在图5中，(a)部分是一个标准键盘的按键，包括键帽如图中(9)和回弹装置如图中(10)。(b)部分是为安装传感器而设计的底座。图中 (5)为下隔板，(8)上隔板，上隔板有12个孔洞，正对着12个传感器。(6)为上固定支架， (7)为下固定支架，用于固定传感器。图中(4)为压力传感器。当用户按下按键时，回弹装置(10)将变形，其底部的凸起将触及压力传感器的按钮，将压力传递给压力传感器。当用户松开按键后，回弹装置将恢复形状，使键帽抬起。1.4接口电路设计压力传感器将压力转换为电压信号后，需要一个接口电路来处理这一信号，为此本系统设计并实现了一个专门的接口电路。图6为本发明的接口电路方框图。接口电路包括放大器，多路复选器(MUX)，模数转换器(ADC)和主控制器(MCU)四个主要部分。其中放大器的作用是放大微弱的毫伏级电压信号至士5v，这一数值的选择是根据ADC的输入要求。本设计中采用的是低功耗高精度的仪表放大器AD620。多路复选器的作用是选通12路信号中的一路进行数字化及相应处理。本设计中使用两个8路模拟信号复用器(CD4051)来组成一个16路的多路复用电路，这一设计可以满足12路信号的需要。模数转换器的作用是将选通的模拟信号数字化，以便主控单元处理并传送到计算机上。本设计采用的是8位的模数转换器ADC0804，8位的分辨率可以满足本生物特征识别系统的需求。主控制器负责整个硬件电路的控制及与计算机通信的工作，本设计采用了常见的89SC52作为主控单元， 其内置的串口控制器可以方便的与计算机进行通信。2.软件设计2. 1固件程序设计本系统设计了一个运行于MCU中的程序来控制整个硬件电路并与计算机通信，即固件程序。固件程序在设备上电后自动运行，其运行开始后则循环检测是否有键被按下。一旦检测到某个键闭合，则发送一个开始信号到计算机，告诉计算机有键被按下。在紧接开始信号的一个字节中，固件程序将闭合键的键号发给计算机。在键号字节发送结束后，固件程序开始发送压力值，直到闭合的键被松开。按键被放开时，固件程序发送一个字节的结束信号给计算机，告诉计算机此次击键动作结束。如果没有键被按下，固件程序将不发送开始信号以及键号到计算机，但仍发送压力值(空压力)。计算机上的采集程序将会把这些压力值存放在空按键对应的压力数组里。采集按键的空压力是为了衡量击键间隔时间，两次按键之间的空压力数组的长度表征了击键间隔时间的大小。击键间隔时间对击键特征识别同样是一个重要数据。2. 2采集程序设计本系统设计了一个运行于计算机上的程序，负责采集压力感应键盘发送来的数据。采集程序将采集的数据存为二元关系〈键号，压力数组〉。当采集程序运行后即循环检测是否收到固件程序发来的开始信号，若收到则表明某个键被按下，并且接下来一字节的数据即为键号。所以采集程序将开始信号的下一个字节的数据存在键号里。将键号之后的数据存在此键号对应的压力数组中，直至收到结束信号。当采集程序没有收到开始信号时， 程序将收到的数据存在键号为空所对应的压力数组中。以此来衡量击键间隔时间。
权利要求
1. 一种实时击键压力采集系统，它是由压力传感器和接口电路组成的，其特征在于 压力传感器连接接口电路，所述的压力传感器使用四个应变片组成一个惠斯通全桥电路， 将电阻的变化转换为电压的变化再进行采集，压力传感器安装在标准键盘每个按键的底部，包括键帽和回弹装置，设置两块隔板，上隔板有12个孔洞，正对着12个传感器，两排固定支架用于固定传感器，当用户按下按键时，回弹装置将变形，其底部的凸起触及压力传感器的按钮，将压力传递给传感器，松开按键后，回弹装置恢复原状，使键帽抬起；所述的接口电路包括放大器、多路复选器、模数转换器和主控制器，放大器连接多路复选器，多路复选器连接模数转换器，模数转换器连接主控制器；其中放大器的作用是放大微弱的毫伏级电压信号至士 5v，这一数值的选择是根据ADC的输入要求，采用低功耗高精度的仪表放大器 AD620，多路复选器的作用是选通12路信号中的一路进行数字化及相应处理，两个8路模拟信号复用器组成一个16路的多路复用电路，满足12路信号的需要，模数转换器的作用是将选通的模拟信号数字化，以便主控单元处理并传送到计算机上，采用的是8位的模数转换器ADC0804，主控制器负责整个硬件电路的控制及与计算机通信的工作，采用89SC52作为主控单元，其内置的串口控制器可以方便的与计算机进行通信。
全文摘要
本发明提供一种实时击键压力采集系统。它是由压力传感器和接口电路组成的，压力传感器连接接口电路，压力传感器使用四个应变片组成一个惠斯通全桥电路，将电阻的变化转换为电压的变化再进行采集；压力传感器安装在标准键盘的底部，包括键帽和回弹装置，接口电路包括放大器、多路复选器、模数转换器和主控制器，模数转换器将选通的模拟信号数字化，主控制器负责整个硬件电路的控制及与计算机通信，采用89SC52作为主控单元，其内置的串口控制器可以方便的与计算机进行通信。本发明在不改变用户接口的情况下实时采集击键压力，使用普通键盘作为用户接口，克服了使用特殊键盘容易造成用户击键习惯改变的缺点，这对于身份识别意义重大。
文档编号A61B5/22GK102389317SQ20111019641
公开日2012年3月28日 申请日期2011年7月14日 优先权日2011年7月14日
发明者卜巍, 张世雷, 王宽全, 邬向前 申请人:哈尔滨工业大学