电磁笔、电磁触控接收装置以及两者组成的无线通信系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及电磁触控领域，公开了一种电磁笔、电磁触控接收装置以及两者组成的无线通信系统。本发明中，在电磁笔中设有无线发射器，用于采集电磁笔的有用信号，将有用信号组成数据帧并调制之后，通过电磁波发送给电磁触控接收装置；在电磁触控接收装置中设有无线接收器，用于通过天线阵列接收电磁笔发射的电磁信号，对接收到的信号进行滤波并进行模数转换得到数字信号，采用数字信号处理技术对数字信号进行预处理、解调和解帧，得到接收到的比特数据流并输出。采用本发明的方案，通过将有用信号组成数据帧并调制之后发送，不再单纯依靠频率传递信息，使得电磁笔和电磁触控接收装置之间可以进行丰富的信息传递。
【专利说明】电磁笔、电磁触控接收装置以及两者组成的无线通信系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及电磁触控技术，特别涉及电磁笔、电磁触控接收装置以及两者组成的无线通信系统。
【背景技术】
[0002]触控技术在很多产品中作为输入控制使用。随着智能手机，平板电脑的普及，触控技术的应用更加广泛。这些设备因为便携性，设备尺寸的限制等等通常不会有外置的键盘鼠标等输入设备。触控输入作为一种自然方便的输入方法具有强大的吸引力。触控输入技术也有多种分类，其中触控笔输入是一个重要的应用。利用触控笔，用户可以在设备上直接进行手写输入，还可以模拟鼠标操作等。触控笔输入设备通常采用基于电磁辐射的技术。如图1所示，在智能手机，平板电脑，手写板等设备中，植入了专门用于接收电磁信号的天线阵列。在使用时，触控笔发出某种形式的电磁信号，在触控面板接收端，通过检测这些天线上的接收信号，可以判读触控笔的位置等信息，达到书写的效果。
[0003]电磁感应触控技术分为两大类，一为被动式，又称为无电池笔技术，Wacom主导市场，拥有该技术的基础专利；被动式电磁感测的电磁笔内不需装电池而有共振电路，电磁触控接收装置经由天线发射交流的电磁场，电磁笔接收交流电磁场的能量并储存起来，接著由电磁笔发射电磁讯号回电磁触控接收装置；电磁触控接收装置和电磁笔均具有双向天线。该技术缺点为能量转换效率低于1/200，耗电较大。二为主动式，电磁笔需要置入电池，发射讯号。电磁笔的体积、重量受限于电池大小，也可采用充电锂电池。其基础技术专利为摩根触控所拥有。在主动式电磁触控中，电磁笔会主动发射特定频率的电磁讯号至电磁触控接收装置上的天线阵列，电磁触控接收装置接收讯号并传递给主控IC进行处理和运算，得出电磁笔的位置和笔压压力，以实现触摸操作。在该方案下，电磁笔只需要发射讯号，电磁触控接收装置不需要发射电磁讯号，只需要接收讯号。比较主动式与被动式，主动式在省电、感测距离和杂讯、纪录率方面较有优势，被动式则在方便性和笔的重量上具优势。
[0004]现有主动式电磁触控方案中，电磁笔所传输的通常是单频或连续扫频信号，电磁触控接收装置只能通过检测接收信号的强度以及频率信息，确定电磁笔需要传递的有效信息。而频率的变化比较单调，仅随笔压近似线性变化，所以传递的信息量很小。此外，目前电磁笔发射的信号的频率采用模拟调制，其抗干扰和接收性能都比较差。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种电磁笔、电磁触控接收装置以及两者组成的无线通信系统，使得电磁笔与电磁触控接收装置之间可以进行丰富的信息传递。
[0006]为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种电磁笔，包含:数据输入模块、组帧模块、调制模块和天线；
[0007]所述数据输入模块采集有用信号；
[0008]所述组帧模块将所述有用信号组成由帧头和帧体组成的数据帧；其中，所述有用信号携带在所述帧体内；
[0009]所述调制模块对所述数据帧内的每比特的数据流进行调制；
[0010]所述天线发射电磁波，将所述已进行频率调制的数据流发送给电磁触控接收装置。
[0011]本发明的实施方式还提供了一种电磁触控接收装置，包含:天线阵列、带通滤波器、模数转换器、数字信号预处理模块、数字解调模块、位同步判决模块、帧同步模块、解帧模块和数据输出模块；
[0012]所述带通滤波器对通过天线阵列接收的电磁笔发射的电磁信号进行滤波；
[0013]所述模数转换器将滤波后的信号转换成数字信号；
[0014]所述数字信号预处理模块对所述数字信号进行下变频、降速率和滤波，得到基带信号;
[0015]所述数字解调器对所述基带信号进行解调；
[0016]所述位同步判决模块对解调输出的信号进行位同步，并进行判决输出；
[0017]所述帧同步模块在所述位同步模块输出的比特数据流中搜索帧头；
[0018]所述解帧模块在帧同步完成之后，进行解帧，得到比特数据流；
[0019]所述数据输出模块将所述解帧得到的比特数据流输出。
[0020]本发明的实施方式还提供了一种电磁笔和电磁触控接收装置组成的无线通信系统，包含:上述电磁笔和上述电磁触控接收装置。
[0021]本发明相对于现有技术而言，在电磁笔和电磁触控接收装置之间组成无线通信系统，在电磁笔中设有无线发射器，用于采集电磁笔的有用信号，将有用信号组成数据帧并调制之后，通过电磁波发送给电磁触控接收装置；在电磁触控接收装置中设有无线接收器，用于通过天线阵列接收电磁笔发射的电磁信号，对接收到的信号进行滤波并进行模数转换得到数字信号，采用数字信号处理技术对数字信号进行预处理、解调和解帧，得到接收到的比特数据流并输出。采用本发明的方案，通过将有用信号组成数据帧并调制之后发送，不再单纯依靠频率传递信息，使得电磁笔和电磁触控接收装置之间可以进行丰富的信息传递。同时，由于电磁笔中的无线发射器采用数字调制，电磁触控接收装置中的无线接收器采用数字解调，而数字调制本身优于模拟调制的特性，因此系统的性能也大大提高。
[0022]另外，还包含:位于所述数据输入模块和所述组帧模块之间的交织器、扰码器和第一校验模块；
[0023]所述交织器将所述数据输入模块采集的有用信号进行数据顺序重排；
[0024]所述扰码器将所述交织器的输出与本地固定序列进行异或；
[0025]所述第一校验模块对扰码器输出的数据计算出校验码，得到第二预设比特的数据，输出给所述组帧模块。
[0026]利用交织和扰码技术对有用信号进行白化处理，使有用信号具有一定的伪随机性，同时又具有足够多的变换，防止连续的I或者O出现，可以提高通信的可靠性；在帧结构中加入校验码，可以进一步保证数据通信的可靠性。
[0027]另外，所述组帧模块通过以下方法生成帧头和帧体:
[0028]将第一预设比特的固定数据作为所述帧头；
[0029]由所述校验模块输出的第二预设比特的数据生成所述帧体:[0030]将所述第二预设比特的数据分成若干段，每段的比特数相同；其中，最后一段为校验码，其余段为所述扰码器输出的数据；
[0031]在最后一段的末尾填充I比特的0，在其余段的末尾插入I比特的插入数据，所述插入数据根据插入位置的前一个数据取反计算得到。
[0032]通过上述合理的帧体设计，可以进一步保证接收端帧同步的准确性；而且方法简单，易于实现。
[0033]另外，所述电磁笔的有用信号包含:设备识别ID码、按键信息和压力信息。可以将丰富的信息作为有用信号，通过组帧进行传递，使电磁笔与电磁触控接收装置之间进行丰富的信息传递。
[0034]另外，所述调制方式为以下方式中的任意一种:频移键控FSK、幅移键控ASK、相移键控PSK。可以根据实现复杂度、抗干扰能力的要求，灵活选择调制方式。
[0035]另外，所述电磁触控接收装置还包含:位于所述解帧模块和所述数据输出模块之间的第二校验模块、解扰码器和解交织器；
[0036]所述第二校验模块对所述解帧模块输出的比特数据流计算出校验码，并与所述解帧模块输出的校验码进行比较，判断两个校验码是否一致；在两个校验码一致时，将所述数据帧中除校验码之外的部分输出给所述解扰码器；
[0037]所述解扰码器对所述校验模块的输出与本地固定序列进行异或；其中，所述本地固定序列与所述电磁笔中扰码器使用的本地固定序列相同；
[0038]所述解交织器对所述解扰码器的输出进行数据重排；其中，数据重排的规律与所述电磁笔中交织器进行数据重排的规律相反。
[0039]在电磁触控接收装置中采用数字信号处理技术对数字解调的数据进行校验、解扰码和解交织，恢复出有用信号的比特数据流，可以进一步提高系统性能。
[0040]另外，所述帧同步模块在所述位同步判决模块输出的比特数据流中搜索帧头时，所述搜索的时间大于两个数据帧的长度。确保一定能正确的捕捉到一个连续并且完整的数据帧。
[0041]另外，所述帧同步模块包含:天线扫描子模块；
[0042]所述天线扫描子模块按照预先配置在每个天线上的停留时间，逐步扫描天线阵列中的每个天线或其中一部分天线；其中，通过设置数据帧、扫描频率和长度，使至少有一个完整的帧出现在一个天线的扫描时间内。使得无线发射器的设计非常简单，适合于电磁笔简单体积小的要求；而无线接收器的同步也可以非常简单，只需要专注于一次扫描的数据即可，不需要跨天线的同步。
【专利附图】
【附图说明】
[0043]图1是根据现有技术的电磁触控设备示意图；
[0044]图2是根据本发明实施方式的电磁笔和电磁触控接收装置组成的无线通信系统示意图；
[0045]图3是根据本发明第一实施方式的电磁笔中无线发射器进行组帧的过程示意图；
[0046]图4是根据本发明第二实施方式的电磁触控接收装置中无线接收器的帧同步示意图。【具体实施方式】
[0047]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。
[0048]本发明的第一实施方式涉及一种电磁笔，该电磁笔内设有无线发射器，该无线发射器采集电磁笔的有用信号，将有用信号组成数据帧并调制之后，通过电磁波发送给电磁触控接收装置。也就是说，无线发射器是电磁笔的一部分，主要是将采集到的有用信号，例如电磁笔的设备识别码(ID码)、按键信息以及压力信息等，通过合理设计，按照一定的数据帧的结构进行频移键控调制，并通过电磁波的方式进行无线传输。也就是说，可以将丰富的信息作为有用信号，通过组帧进行传递，使电磁笔与电磁触控接收装置之间进行丰富的信息传递。
[0049]如图2所示，电磁笔包含:数据输入模块、组帧模块、调制模块和天线；其中，数据输入模块采集电磁笔的有用信号；组帧模块将有用信号组成由帧头和帧体组成的数据帧；其中，有用信号携带在所述帧体内；调制模块对数据帧内的每比特的数据流进行调制?’天线发射电磁波，将已进行频率调制的数据流发送给电磁触控接收装置。
[0050]电磁笔还包含:位于数据输入模块和组帧模块之间的交织器、扰码器和第一校验模块；交织器将数据输入模块采集的有用信号进行数据顺序重排；扰码器将交织器的输出与本地固定序列进行异或；第一校验模块对扰码器输出的数据计算出校验码，得到第二预设比特的数据，输出给组帧模块。利用交织和扰码技术对有用信号进行白化处理，使有用信号具有一定的伪随机性，同时又具有足够多的变换，防止连续的I或者O出现，可以提高通信的可靠性；在帧结构中加入校验码，可以进一步保证数据通信的可靠性。
[0051]具体地说，电磁笔内设有无线发射器，该无线发射器包括数据输入，交织，扰码，循环冗余(CRC)校验，组帧，以及频移键控(FSK)调制等模块。数据输入模块主要负责有用信号的采集。利用交织和扰码技术对`有用信号进行白化处理，使其具有一定的伪随机性的同时，又具有足够多的变换，防止连续的I或者O的数据出现，从而可以提高通信的可靠性。在帧结构中加入CRC校验码，可以保证数据通信的可靠性。在组帧模块中，加入合适的帧头以及合理设计帧结构，提高接收机帧同步的准确性。FSK调制模块对I比特的数据流进行频率调制，数据I对应的是频率是fc+fd，数据O对应的频率为fc-fd。fc为载波频率，fd则为频率偏移量。数据流的速率，载波频率以及频率偏移量都可以进行灵活的配置。假如，数据流的速率为25Kbps，采用200KHz的载波，频率偏移量为12.5KHz，那么这种FSK调制方式的调制系数就为0.5，数据I对应的发射频率为212.5KHz，数据O对应的发射频率为187.5KHz。此外，由于频移键控信号具有恒包络特性，因此，其包络幅度用来检测接收信号的能量，而频率调制部分可以传输笔压以及其他多功能笔的功能信息。调制模块采用的调制方式可以为以下方式中的任意一种:频移键控(FSK)、幅移键控(ASK)、相移键控(PSK)。其他调制方式与FSK类似，在此不再一一赘述。在实际应用中，可以根据实现复杂度、抗干扰能力的要求，灵活选择调制方式。[0052]此外，值得说明的是，数据帧包含:帧头和帧体；组帧模块通过以下方法生成帧头和帧体:
[0053]将第一预设比特的固定数据作为帧头；由校验模块输出的第二预设比特的数据生成帧体:将第二预设比特的数据分成若干段，每段的比特数相同；其中，最后一段为校验码，其余段为扰码器输出的数据；在最后一段的末尾填充I比特的0，在其余段的末尾插入I比特的插入数据，该插入数据根据插入位置的前一个数据取反计算得到。图3是无线发射器发送数据流的一个具体组成流程图，15比特有用信息经交织、扰码、CRC校验之后，加上帧头，并插值之后组成31比特的数据帧，具体包含以下步骤:
[0054]步骤301，低位填充:15比特有用信息，最低位填充0，组成2个字节的输入数据[15:0]。
[0055]步骤302，交织:交织器是一个4X4的交织矩阵，交织后，将低位填充得到的输入数据，按图3中输出地址重新排列。
[0056]步骤303，扰码输出:交织器的输出与本地16位固定序列0101 0101 0101 0101
进行异或。
[0057]步骤304，循环冗余(CRC)校验:CRC模块对扰码输出的16比特数据计算出4比特CRC校验码，共计20比特。
[0058]步骤305，加帧头和分段:数据帧的帧头为6比特固定数据111110，帧体由CRC输出的16+4比特数据组成。先将20比特数据分成5段，每段4比特。前四段为扰码输出的16比特数据，第五段为CRC生成的校验码。分别对前四段数据末尾插入I比特数据X，根据插入位置的前一个数据取反计算得到每一段的X。第五段的末尾填充I比特O。每帧数据包括帧头和帧体，共为31比特。
[0059]通过上述合理的帧体设计，可以进一步保证接收端帧同步的准确性；而且方法简单，易于实现。
[0060]本发明的第二实施方式涉及一种电磁触控接收装置，该电磁触控接收装置设有无线接收器，无线接收器通过天线阵列接收电磁笔发射的电磁信号，对接收到的信号进行滤波并进行模数转换得到数字信号，采用数字信号处理技术对所述数字信号进行预处理、解调和解帧，得到接收到的比特数据流并输出。
[0061]电磁触控接收装置包含:天线阵列、带通滤波器、模数转换器、数字信号预处理模块、数字解调模块、位同步判决模块、帧同步模块、解帧模块和数据输出模块；其中，带通滤波器对通过天线阵列接收到的电磁笔发射的电磁信号进行滤波；模数转换器将滤波后的信号转换成数字信号；数字信号预处理模块用于对数字信号进行下变频、降速率和滤波，得到基带信号；数字解调器对基带信号进行解调；位同步判决模块用于对解调输出的信号进行位同步，并进行判决输出；帧同步模块在位同步模块输出的比特数据流中搜索帧头；解帧模块用于在帧同步完成之后，进行解帧、校验、解扰码和解交织，得到比特数据流；数据输出模块将解帧得到的比特数据流输出。
[0062]此外，电磁触控接收装置还包含:位于解帧模块和数据输出模块之间的第二校验模块、解扰码器和解交织器；第二校验模块对解帧模块输出的比特数据流计算出校验码，并与解帧模块输出的校验码进行比较，判断两个校验码是否一致；在两个校验码一致时，将数据帧中除校验码之外的部分输出给解扰码器；[0063]解扰码器对校验模块的输出与本地固定序列进行异或；其中，本地固定序列与电磁笔中扰码器使用的本地固定序列相同；
[0064]解交织器对解扰码器的输出进行数据重排；其中，数据重排的规律与电磁笔中交织器进行数据重排的规律相反。
[0065]在电磁触控接收装置中采用数字信号处理技术对数字解调的数据进行校验、解扰码和解交织，恢复出有用信号的比特数据流，可以进一步提高系统性能。
[0066]具体地说，如图2所示，电磁触控接收装置内设有无线接收器，该无线接收器主要包括了带通滤波器，模数转换器，数字混频，级联数字变速率滤波器，FSK数字解调，位同步判决，帧同步，解帧，CRC校验，解扰码，解交织。
[0067]带通滤波器对天线接收到的信号进行滤波，滤除带外干扰信号。并提供可配置的增益。保证无线接收器具有足够的接收灵敏度以及动态范围。带通滤波器的中心频率可以根据不同的发射载波频率进行配置。通过模数转换器将模拟信号转换成数字信号，利用数字信号处理技术，对数字信号进行下变频，降速率，滤波。
[0068]解调模块采用的解调方式与电磁笔中所使用的调制方式对应。以电磁笔中采用FSK调制为例，电磁触控接收端的数字解调模块利用四相相关技术对输入的FSK调制基带信号进行解调。公式I为具体的解调过程。公式I中的I (η)和Q(n)分别为输入的正交基带信号，m为可配置的数据延迟，D (η)为FSK解调输出信号。
[0069]D (n) =Q (η) X I (n_m) -1 (η) X Q (n_m)(公式 I)
[0070]位同步判决模块用于对FSK解调输出的信号进行位同步，并进行判决输出。首先对FSK解调输出进行积分，积分的长度取决于过采样速率。假如FSK解调输出的采样速率为125KHz，数据率为25Kbps，那么公式2中N=125/25=5。
[0071]
【权利要求】
1.一种电磁笔，其特征在于，包含:数据输入模块、组帧模块、调制模块和天线； 所述数据输入模块采集所述电磁笔的有用信号； 所述组帧模块将所述有用信号组成由帧头和帧体组成的数据帧；其中，所述有用信号携带在所述帧体内； 所述调制模块对所述数据帧内的每比特的数据流进行调制； 所述天线发射电磁波，将所述已进行频率调制的数据流发送给电磁触控接收装置。
2.根据权利要求1所述的电磁笔，其特征在于，还包含:位于所述数据输入模块和所述组帧模块之间的交织器、扰码器和第一校验模块； 所述交织器将所述数据输入模块采集的有用信号进行数据顺序重排； 所述扰码器将所述交织器的输出与本地固定序列进行异或； 所述第一校验模块对扰码器输出的数据计算出校验码，得到第二预设比特的数据，输出给所述组帧模块。
3.根据权利要求2所述的电磁笔，其特征在于，所述组帧模块通过以下方法生成帧头和帧体: 将第一预设比特的固定数据作为所述帧头； 由所述校验模块输出的第二预设比特的数据生成所述帧体: 将所述第二预设比特的数据分成若干段，每段的比特数相同；其中，最后一段为校验码，其余段为所述扰码器输出的数据； 在最后一段的末尾填充I比特的O，在其余段的末尾插入I比特的插入数据，所述插入数据根据插入位置的前一个数据取反计算得到。
4.根据权利要求1所述的电磁笔，其特征在于，所述电磁笔的有用信号包含:设备识别ID码、按键信息和压力信息。
5.根据权利要求1所述的电磁笔，其特征在于，所述调制方式为以下方式中的任意一种:频移键控FSK、幅移键控ASK、相移键控PSK。
6.一种电磁触控接收装置，其特征在于，包含:天线阵列、带通滤波器、模数转换器、数字信号预处理模块、数字解调模块、位同步判决模块、帧同步模块、解帧模块和数据输出模块； 所述带通滤波器对通过天线阵列接收的电磁笔发射的电磁信号进行滤波； 所述模数转换器将滤波后的信号转换成数字信号； 所述数字信号预处理模块对所述数字信号进行下变频、降速率和滤波，得到基带信号; 所述数字解调器对所述基带信号进行解调； 所述位同步判决模块对解调输出的信号进行位同步，并进行判决输出； 所述帧同步模块在所述位同步模块输出的比特数据流中搜索帧头； 所述解帧模块在帧同步完成之后，进行解帧，得到比特数据流； 所述数据输出模块将所述解帧得到的比特数据流输出。
7.根据权利要求6所述的电磁触控接收装置，其特征在于，还包含:位于所述解帧模块和所述数据输出模块之间的第二校验模块、解扰码器和解交织器； 所述第二校验模块对所述解帧模块输出的比特数据流计算出校验码，并与所述解帧模块输出的校验码进行比较，判断两个校验码是否一致；在两个校验码一致时，将所述数据帧中除校验码之外的部分输出给所述解扰码器； 所述解扰码器对所述校验模块的输出与本地固定序列进行异或；其中，所述本地固定序列与所述电磁笔中扰码器使用的本地固定序列相同； 所述解交织器对所述解扰码器的输出进行数据重排；其中，数据重排的规律与所述电磁笔中交织器进行数据重排的规律相反。
8.根据权利要求6所述的电磁触控接收装置，其特征在于，所述帧同步模块在所述位同步判决模块输出的比特数据流中搜索帧头时，所述搜索的时间大于两个数据帧的长度。
9.根据权利要求8所述的电磁触控接收装置，其特征在于，所述帧同步模块包含:天线扫描子模块； 所述天线扫描子模块按照预先配置在每个天线上的停留时间，逐步扫描天线阵列中的每个天线或其中一部分天线；其中，通过设置数据帧、扫描频率和长度，使至少有一个完整的帧出现在一个天线的扫描时间内。
10.根据权利要求6所述的电磁触控接收装置，其特征在于，所述解调方式与电磁笔中所使用的调制方式对应。
11.一种电磁笔和电磁触控接收装置组成的无线通信系统，其特征在于，包含:如权利要求I至5所 述的电磁笔和如权利要求6至10所述的电磁触控接收装置。
【文档编号】H04B1/38GK103677339SQ201310601791
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年11月25日 优先权日:2013年11月25日
【发明者】金海鹏, 杨中奇, 郑明剑 申请人:泰凌微电子（上海）有限公司