专利名称：基于超声和红外的手写签名识别输入设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种手写签名与识别输入设备。
背景技术：
手写签名与识别系统是一种生物统计学鉴别的类型。它广泛应用于用户访问网络、个人计算机等场合的身份鉴别。手写签名与识别系统对计算机的安全性做出了非常重要的贡献，它相对于用户口令或机械钥匙的安全机制，具有不能被泄密或偷去的特点。手写签名与识别系统提取的是个人的生理行为，这为用户的真实身份的识别提供了可靠的依据。
当今，尽管可以利用计算机化的文件，但在对文件有法律要求的场合，仍然依靠纸上的文件，这是因为法律要求文件签署者的原始手写签名，否则文件不产生法律效力。然而，手写签名的安全性并不高，仍然能够被人模仿签名，进而产生不良的后果。手写签名与识别系统的出现，使签署的文件变为电子形式，改变了纸上文件的方式，同时由于手写签名与识别系统能够俘获手写签名者的生理行为，比如提取出书写者的笔迹形状、书写顺序、书写速度、书写加速度和书写压力等特征，为签署的电子文件的安全性提供了可靠的保证。下面结合相关专利对手写签名与识别系统进行说明。
村濑正等的发明专利《手写签名鉴别程序、方法和设备》，中国专利公开号1445663A，首先注册签名数据。当用户注册签名时，对注册的签名数据产生相应的用户ID，用户ID和注册的签名数据一一对应，储存在笔迹词典存储单元中。当用户用输入笔和输入板进行手写签名输入后，系统根据用户的ID从笔迹词典存储单元中读取用户的注册签名数据，并和输入的签名数据相比较，进行鉴别。系统的注册签名数据和录入签名的数据主要包括笔迹形状、书写速度、书写加速度和书压力等特征量。
村濑正等的发明专利《手写签名认证程序、方法和装置》，中国专利公开号1445723A，通过对手写签名的匹配数据进行预处理或后处理来改善匹配精度。它动态地对每个人的特征量进行加权，考虑特征量中的时效变化，自动确定所登记的签名的训练程度，和消除手迹中的不稳定部分，进而能估算一个人最显著的特征量，从而能避免对被认证的错误拒绝或使不正当的人被认证。
克里斯托弗等的发明专利《用来俘获、存储、传送和认证手写签名的方法和系统》，中国专利公开号1159238A，提供了一种综合的方法和系统，用来电子俘获手写签名、以电子形式存储手写签名、电子传送所捕获的手写签名、以及认证索俘获的手写签名。该发明的代表性实施例包括一个签名俘获模块、一个签名验证模块以及一个模块数据库。用户手写签名时，用一支电子指示笔写到计算机屏幕上，签名俘获模块测出签名动作的某些特征，并由签名验证模块以及模块数据库进行验证。
Eytan Suchard等的专利《Signature Recognition System and Method》，美国专利，专利号6661908，主要通过对签名的采样和存储采样数据，并将采样数据转化为高维矢量，传输到无人管理的神经网络系统中，一个与神经网络相联的分析设备分析数据，进而对签名进行鉴别。
何代水等的专利《电脑签名安全保密装置及保密方法》，中国专利公开号1197249A，利用一手写板输入签名，处理设备读入签名数据后，提取出签名中笔划的书写速度，笔划的起始点到结束点的长度等特征常数，然后与储存装置中的原始签名资料进行对比判别，确定签名是否正确。
综上所述，现有的签名识别系统的签名输入设备大多利用手写板或相近的装置，采用上述技术的签名输入设备的主要不足是手写板对签名的提取精度较低，不能很好体现签名的真迹，尤其是在小字签名的情况下，采样点很少，为识别带来困难。也不能提供书写过程中的压力信息。
发明内容
本发明提供一种基于超声和红外的手写签名识别输入设备，用于基于超声、红外的无线定位系统中，它能解决目前基于超声、红外的无线定位系统不提供书写过程中笔的倾斜角信息和压力信息的问题。
本发明是通过以下技术方案实现的它包括信号发射笔2、书写板面1和信号接收处理器3，其中，信号发射笔2内包括电池21、普通书写笔芯27、薄膜开关22、线路板23、力传感器24、红外发射传感器25和超声发射传感器26，薄膜开关22与力传感器24连接，该力传感器与线路板23连接。
线路板23上包括倾角传感器231、差分放大器一232、差分放大器二234、微处理器235、红外驱动电路236和超声驱动电路237，倾角传感器231连接差分放大器一232，差分放大器二234的前端接力传感器24。
信号接收处理器3内包括左信号接收放大器31、右信号接收放大器32和信号处理器33。
左信号接收放大器31、右信号接收放大器32组成相同，其中左信号接收放大器31包括超声传感器311、前置放大器312、红外传感器313和红外整形放大电路314。其中右信号接收放大器32包括超声传感器321、前置放大器322、红外传感器323和红外整形放大电路324。
信号处理器33包括两路对称的可变增益放大器一331、二332、脉冲成形电路一333、二334、脉冲合成电路一335、二336和通信接口38、指示灯330、FLASH存储器338、倾角传感器及放大电路337及单片机339，FLASH存储器连接单片机339，倾角传感器及放大电路337连接单片机339。
在书写过程中，书写笔芯27与纸面接触后，使薄膜开关22动作，常开触点接通，电池21通过薄膜开关22向线路板23供电，薄膜开关22动作的同时，将力传递给力传感器24。线路板23上电后，倾角传感器231的输出信号送至差分放大器232，经放大后送至微处理器235；力传感器24的输出信号送至差分放大器234，经放大后送至微处理器235；微处理器235定期采集倾角信号和书写力度信号，通过内部的A/D变换器，将模拟信号转换为数字信号，并定期产生红外和超声驱动信号分别送至红外驱动电路236和超声驱动电路237，红外信号中包括倾角和书写力度信息。采用多进制脉宽调制方式向信号接收处理器3发送传递倾角和书写力度信息。红外和超声驱动信号经红外驱动电路236和超声驱动电路237大后，分别驱动红外发射传感器25和超声发射传感器26，发射红外和超声信号，由信号接收处理器3接收并处理。
当信号发射笔发出超声和红外信号时，左信号接收放大器的超声传感器和右信号接收放大器的超声传感器接收超声信号，并分别送至经过前置放大器和进行滤波放大。滤波电路采用带通滤波器，滤波器中心频率略高于接收传感器的的谐振频率，这样可以使接收到的超声脉冲前沿更加陡峭，便于提取时延。两路超声信号经前置放大后，分别送至可变增益放大器，再送至脉冲成形电路，将模拟信号变为规范的数字信号。单片机339根据上一次测量值调整增益，以保证送至脉冲成形电路333和334的信号幅度基本不变。
左、右信号接收器中的红外传感器接收到信号发射笔发出的红外信号，将其转换为电信号后，分别送至红外整形放大电路一314、二324，经处理后的红外信号与脉冲成形电路一333、二334的输出信号一起送至脉冲合成电路一335、二336，将同一侧的超声和红外信号复合成一路送入单片机339。
当信号接收处理器3与PC机之间没有通信连接时，信号接收处理器3将采集到的信息存储在FLASH储存器338中，一旦建立起通信连接，立即将存储在FLASH储存器338中的内容发送给PC机。
需要指出的是，超声传感器安装在信号发射笔的前端，并不直接接触纸面，而系统记录的是超声传感器的运动轨迹，只要书写过程中，信号发射笔没有保证与纸面绝对的垂直，系统记录的轨迹与真实笔迹就有区别，采用倾角传感器后可以补偿上述误差。
为了确定信号发射笔2在书写板面1上的坐标，须确定信号发射笔2分别与左信号接收器31和右信号接收器32的距离l、r。已知左信号接收器和右信号接收器的距离为L，并假设左信号接收器的坐标为(0，0)，右信号接收器的坐标为(L，0)，则信号发射笔的位置坐标由下式求得。
x=L2+l2-r22L---(1)]]>y＝(r2-x2)1/2(2)距离l和r等于左信号接收器和右信号接收器分别接收到红外和超声信号之间的时间差与超声波的传播速度乘积。红外信号在空气中的传播速度为每秒三十万公里，远大于超声信号的每秒三百四十米左右的传播速度，所以这样做产生的误差不会带来任何实质性的影响。
本发明的有益效果是，基于超声、红外与压力传感器的手写签名与普通识别装置、手写板相比，它对输入签名数据的俘获的精度高，利于签名识别系统对签名的识别。在超声红外定位系统的发射装置中增添了力传感器和倾角旋转传感器，作为签名输入设备，能够精确反映书写轨迹和书写习惯，并且能够补偿书写过程中笔倾斜带来的系统误差，进而能够提高手写签名识别系统的识别正确率。
图1为本发明的系统组成示意2为本发明的信号发射笔组成框3为本发明的信号发射笔的微处理器235的程序流程框4为本发明信号接收处理器电路原理框5为本发明的单片机339的程序流程框6为本发明信号发射笔轴向剖面7为本发明的笔芯腔隔板俯视8为本发明信号接收处理器结构9为本发明信号接收处理器外壳A-A视图具体实施方式
实施例1如图1，本发明包括信号发射笔2、书写板面1和信号接收处理器3，其中，如图2所示信号发射笔2内包括电池21、普通书写笔芯27、薄膜开关22、线路板23、力传感器24、红外发射传感器25和超声发射传感器26，薄膜开关22与力传感器24连接，该力传感器与线路板23连接。
线路板23上包括倾角传感器231、差分放大器一232、差分放大器二234、微处理器235、红外驱动电路236和超声驱动电路237，倾角传感器231连接差分放大器一232，差分放大器二234的前端接力传感器24。
如图3所示，信号发射笔的微处理器235的程序流程为信号发射笔工作开始，微处理器235设置I/O口，并开始采集信号笔压力、倾斜角和旋转等信息。微处理器235通过其I/O口输出一定宽度的红外脉冲，延时一段时间后I/O口输出第二个红外脉冲，两个脉冲的时间间隔作为信号笔的颜色信息。在这之后，I/O口先后输出分别包含压力和倾斜角、旋转信息编码的脉冲串信号。紧接着，I/O口输出超声脉冲驱动超声驱动电路237，并延时一段时间。延时时间到后，微处理器235重新开始采集压力等信息和发送驱动脉冲，这样周期性的进行，直到信号笔不工作。
如图6所示，本发明信号发射笔的一个具体结构实例笔壳40由两个半圆柱形外壳组合而成，内部形成若干相互连通的腔体。
书写笔芯27放置于笔芯腔42，头部从发射头41伸出，尾部插在笔心座44上，笔芯腔隔板421中部有孔，用于防止书写笔芯27在书写过程中受力弯曲，其俯视图如图7所示。
笔芯座44放置在笔芯座腔43内，一端插在书写笔芯27尾部，与其连成一体，另一端与薄膜开关22相接触，笔芯座44在笔芯座腔43内，由于薄膜开关22及力传感器24的限制，不会与分隔壁424接触。
薄膜开关22与力传感器24放置在开关腔45内，薄膜开关22夹在力传感器24与笔芯座44之间，力传感器24紧靠开关腔45与电路板腔46之间的分隔壁424。
线路板23垂直放置在线路板腔46内。
信号发射笔的电源为两节纽扣电池21，放置于电池腔47内，在电池腔47与电路板腔46之间的分隔壁上装有电池触片471，在电池盖472一侧装有弹簧473，保证可靠接触。电池盖472通过转轴49与笔壳40相联，利用卡扣48将电池盖472扣在笔壳40上。
弹簧473、电池触片471、力传感器24、薄膜开关22和发射头41与电路板23之间的连线采用薄膜电路，均放置在线路腔423内。
发射头41采用美国精量公司生产的笔头套件PT80kKz-01，它内部含有超声发射传感器26和红外发射传感器25，超声发射传感器的固有频率为80kHz。传感器的驱动电路采用精量公司提供的配套电路。
力传感器[24]采用霍尼维尔公司的FSL05N2C型触力传感器，其输出为桥式输出，后级差分放大器采用该公司提供的配套电路实现。
倾角旋转传感器采用霍尼维尔公司HMC1051单轴磁传感器和HMC1052双轴磁传感器共同组成三轴传感器，后续差分放大器仍然采用该公司提供的配套电路实现。
微处理器235采用PIC16F688，它带有8路10bitA/D，可以减少元器件数量，利于小型化，并将低成本。
在超声驱动电路237中，采用的谐振放大器中心频率100Hz，中心频率调整元件为可变电容。
如图4所示，本发明的信号接收处理器3内包括左信号接收放大器31、右信号接收放大器32和信号处理器33。
左信号接收放大器31、右信号接收放大器32组成相同，其中左信号接收放大器31包括超声传感器一311、前置放大器一312、红外传感器一313和红外整形放大电路314。其中右信号接收放大器32包括超声传感器321、前置放大器322、红外传感器323和红外整形放大电路324。
信号处理器33包括两路对称的可变增益放大器一331、二332、脉冲成形电路一333、二334、脉冲合成电路一335、二336和通信接口38、指示灯330、FLASH存储器338、倾角传感器及放大电路337及单片机339，FLASH存储器连接单片机339，倾角传感器及放大电路337连接单片机339。
如图5所示，本发明的单片机339的程序流程为单片机339首先和PC机建立通信联系，并接收倾角传感器及放大电路337的倾斜角信息。单片机339对接收到红外信号采集，提取出信号笔发出的颜色、压力信息、倾斜角等信息，并提取超声波的时延信息。由于信号笔的位置变化，超声传感器一311、二312接收到的超声信号强弱变化较大，单片机339控制可变增益放大器一331、二332，调整超声信号的强弱。最后，单片机339将时延等信息传给PC机，同时开始重复接收信号笔发出的信息。
在信号接收处理器3中，超声传感器一311、二312采用美国精量公司生产US80KS-01全向超声接收传感器，前置放大器一321、二322采用与超声传感器一311、二312配套的低噪声电荷放大电路，带通滤波采用LC并联谐振滤波器，考虑到体积的原因，调整元件为电容，考虑到元件参数的容差，谐振频率调整范围不小于±5kHz。红外整形放大电路一314、二324则采用通用的低噪声放大电路，并采用TTL门电路进行整形。
可变增益放大器一331、二332可以是同相或者反相运算放大电路，反馈电阻采用数字电位计，数字电位计的输出阻抗受单片机[39]控制，通过调整数字电位计的输出实现增益的改变。根据信号发射笔2到超声传感器一311]、二312距离的不同，增益调整分为5档。
脉冲成形电路一333、二334采用TTL电路实现，单片机339通过控制TTL电路的使能端来控制脉冲成形电路一333、二334的工作时机。
脉冲合成电路一335、二336采用TTL电路实现，将同一侧的超声和红外信号复合成一路，根据信号电平的不同，相应采用与逻辑或者或逻辑，在本例中，信号在高电平时有效，故采用或逻辑。
倾角旋转传感器与信号发射笔相同。
通信接口38采用RS232串行接口，也可以采用USB接口或者无线形式的接口。
为使电路结构简单，在信号接收处理器3中采用单电源供电。
信号接收处理器3的结构示意图如图8，所有的电路安装在一个长条形塑料外壳53内，其两端各有一个半圆柱形突出55，左、右信号接收器中的超声和红外传感器安装在其中。在两个半圆柱形突出55之间的底部连接板上刻有若干圆功能孔54，外壳53的A-A剖视图如图9所示，扳手51、壳体、转轴52和弹簧61形成一夹子，可将书写纸夹住，书写纸面与扳手水平部分平行。
实施例2将实施例1中的超声驱动电路237中，采用的谐振放大器中心频率180Hz，中心频率调整元件为可变电感。
实施例3将实施例1中的超声驱动电路237中，采用的谐振放大器中心频率280Hz，中心频率调整元件为可变电感。
权利要求
1.一种基于超声和红外的手写签名识别输入设备，包括信号发射笔[2]、书写板面[1]和信号接收处理器[3]，其特征在于信号发射笔[2]内包括电池[21]、普通书写笔芯[27]、薄膜开关[22]、线路板[23]、力传感器[24]、红外发射传感器[25]和超声发射传感器[26]，薄膜开关[22]与力传感器[24]连接，该力传感器与线路板23连接。线路板23上包括倾角传感器[231]、差分放大器一[232]、差分放大器二[234]、微处理器[235]、红外驱动电路[236]和超声驱动电路[237]，倾角传感器231连接差分放大器一232，差分放大器二234的前端接力传感器24。信号接收处理器[3]内包括左信号接收放大器[31]、右信号接收放大器[32]和信号处理器[33]。左信号接收放大器31、右信号接收放大器32组成相同，其中左信号接收放大器[31]包括超声传感器[311]、前置放大器[312]、红外传感器[313]和红外整形放大电路[314]。其中右信号接收放大器[32]包括超声传感器[321]、前置放大器[322]、红外传感器[323]和红外整形放大电路[324]信号处理器[33]包括两路对称的可变增益放大器一、二[331]、[332]、脉冲成形电路一、二[333]、[334]、脉冲合成电路一、二[335]、[336]和通信接口[38]、指示灯[303]、FLASH存储器[338]、倾角传感器及放大电路[337]及单片机[339]，FLASH存储器连接单片机339，倾角传感器及放大电路337连接单片机339。
2.根据权利要求1所述的基于超声和红外的手写签名识别输入设备，其特征在于倾角旋转传感器[231]采用能通过感受地磁变化，检测书写过程中笔的倾角和旋转的单轴磁阻传感器和两轴磁阻传感器组成3轴传感器。
3.根据权利要求1所述的基于超声和红外的手写签名识别输入设备，其特征在于在超声驱动电路[237]中，采用的谐振放大器中心频率高于超声频率20-200Hz。
4.根据权利要求3所述的基于超声和红外的手写签名识别输入设备，其特征在于采用的并联振放大器中心频率调整元件为可变电容。
5.根据权利要求3所述的基于超声和红外的手写签名识别输入设备，其特征在于采用的并联谐振放大器中心频率调整元件为可变电感。
全文摘要
本发明涉及一种基于超声和红外的手写签名识别输入设备，属于一种手写签名与识别输入设备。包括信号发射笔2、书写板面1和信号接收处理器3，信号发射笔包括力传感器、薄膜开关与力传感器连接，该力传感器与线路板连接，线路板上包括倾角传感器，信号接收处理器3内包括左信号接收放大器、右信号接收放大器和信号处理器。在超声红外定位系统的发射装置中增添了力传感器和倾角旋转传感器，作为签名输入设备，能够精确反映书写轨迹和书写习惯，并且能够补偿书写过程中笔倾斜带来的系统误差，进而能够提高手写签名识别系统的识别正确率。
文档编号G06K11/06GK1595426SQ20041001095
公开日2005年3月16日 申请日期2004年6月28日 优先权日2004年6月28日
发明者王树勋 申请人:王树勋