专利名称：一种计算机手写输入装置及其快速手写输入方法
技术领域：
本发明是一种计算机手写输入装置及其快速手写输入方法，属计算机输入技术及设备。
市场上现有可购买到的计算机手写输入装置(以下亦简称作手写输入装置)所采用的技术主要是应用电磁感应原理，可以做到较高的分辨率，同时应用磁至伸缩原理和超声延时原理也能实现较高的分辨率，这三种方法在数字化仪器中均有采用。它们的缺点是坐标的输入速度不快，所以采用这些方法的手写输入装置不能满足快速手写输入的要求；这三种方法的另一个缺点是，需要精确测量其中电信号的大小或相位，对电信号的精度和稳定性要求较高，且易受到外部干扰，故结构较复杂，其实现成本较高。
本发明的目的就是为了克服和解决现有计算机手写输入装置输入速度较慢、无法满足要求、且需精确测量电信号大小或相位，易受干扰、对电信号的精度及稳定性要求较高、结构较复杂、成本较高等的缺点和问题，研究发明一种坐标输入速度快、电信号精度及稳定性要求不高、结构简单、分辨率高、成本相对较低的计算机手写输入装置及其手写输入方法。
本发明是通过下述技术方案来实现的本计算机手写输入装置的工作原理及结构示意图如
图1～3所示，其手写笔结构及工作原理示意图如图4～7所示，本手写输入装置的电路方框图如图8所示；其电路原理图如图9所示；本手写输入装置的软件程序流程框图如图10所示。本计算机手写输入装置由电路板4、连接电缆线5、手写输入笔6、手写输入笔电源线7、手写输入部件10、手写输入装置机壳11共同连接构成；电路板4上装有功能电路、指示灯8、电源开关9、检测电路12、连接电缆线5的插座13、手写输入笔电源线插座14；手写输入部件10由隔膜1、网栅2、3连接构成，其上表面为手写输入面；其相互位置及连接关系为在一块受到光—包括红外线照射或加热时便能产生光电效应或热电效应的光敏或热敏材料所制成的平面隔膜1两面分别安置一排等距平行且互不接触的电极—网栅2、3，隔膜与电极直接紧密接触并且中间无绝缘物，隔膜两个面上的电极相互垂直；网栅2安置在隔膜1上面构成X轴，其上每一根电极表示X轴上的一个坐标值，网栅3安置在隔膜1下面构成Y轴，其上每一根电极表示Y轴上的一个坐标值，网栅2、3构成一个平面纵横坐标网；网栅2、3的电极逐根地电气连接到电路板4上的检测电路12，其中网栅2的电极与X坐标扫描电路相连，网栅3的电极与Y坐标检测电路相连；连接电缆线5与计算机的串行通信端口及直流电源相电气连接；手写输入笔6通过电源线7与插座14相电气连接；电路板4、手写输入部件10装在机壳11内，机壳11为装在电路板4上的指示灯8、电源开关9、手写输入部件10的手写输入面、插座13、14留有外露开口便于电源指示和控制，手写笔输入、电源与通信线连接；实现本手写输入装置的技术方案及其工作原理如下在一块由受到光-包括红外线照射或加热时便能产生光电效应或热电效应的光敏或热敏材料制成的平面隔膜两面分别安置一排等距平行且互不接触的电极—网栅，隔膜与电极直接紧密接触且中间没有绝缘物，隔膜两个面上的电极相互垂直。任选其中一个面上的电极构成X轴，在这个面上的每一根电极表示X轴上的一个坐标值；另一个面上的电极构成Y轴，其上的每一根电极表示Y轴上的一个坐标值；隔膜两面的电极构成了一个平面纵横坐标网—简称坐标网，隔着隔膜垂直相交的电极的交点在坐标网上的位置——坐标由相交电极的X轴坐标值和Y轴坐标值表示。坐标网越密，即隔膜每面电极越密，则手写输入装置的分辨率越高。当隔膜上的某一点被光照或加热时，由于隔膜材料具有光敏或热敏特性而产生光电效应或热电效应，使在该点相交的电极之间的电压或电流发生改变，利用检测电路，根据电压或电流的改变确定出在该点相交的电极，就确定了该点的坐标，然后将该点坐标输入到计算机就实现了坐标输入。若被光照点或加热点是由笔尖能发光或发热的手写笔在隔膜上书写或作图所产生的，则坐标输入就是由光照点或加热点构成的笔迹的输入，从而实现了手写输入；当接通电源开关9，手写输入装置通过连接电缆线5接受来自计算机的直流电源并开始工作，指示灯8亮，检测电路12不断扫描坐标网，当笔尖能发光或发热的手写输入笔在手写输入部件10的手写输入面上书写或作图时，笔尖所在坐标网交点处的隔膜就受到光照或加热，该交点处相交电极之间的电压或电流就会发生改变并被检测电路12检测到，同时检测电路12将该相交电极的X、Y坐标作为当前输入坐标通过连接电缆线5送给计算机。
本手写输入装置的手写输入笔包括手写输入光笔和手写输入热笔，其中手写输入光笔由笔杆15、笔尖16、开关17共同连接构成，其相互连接关系为光笔笔杆15与笔尖16固定连接，开关17装于笔杆的杆壳上，笔杆15内装电池E1或经E1两端的接线端子接外部电源供电，电池E1与限流电阻R1、发光二极管D1、及开关17构成串联回路；开关导通或断开控制着发光二极管D1的亮或灭；笔尖16是空心的，由发光二极管D1产生的光束经空心笔尖16照射在手写输入板上所形成的光点来选择输入坐标；手写输入热笔由笔杆18、笔尖19、开关20共同连接构成，其相互连接关系为热笔笔杆18与笔尖19固定连接，开关20装于笔杆的杆壳上，笔杆18内装电池E2或经E2两端的接线端子接外部电源供电，笔尖19是一微型发热元件，电池E2与开关20及作为微型发热元件的电阻R2构成串联回路，开关导通或断开控制着笔尖发热或不发热；由发热笔尖与手写输入面的接触点来选择输入坐标。
本手写输入装置的电路由电源开关及指示灯电路、通信及控制电路、X坐标扫描电路、Y坐标检测电路、坐标网共同电气连接构成，其互连关系为通信及控制电路分别通过电源线、Y坐标数据总线、X坐标扫描信号线分别与电源开关及指示灯电路、Y坐标检测电路、X坐标扫描电路相电气连接；由连接电缆线5输入的直流电源经电源开关及指示灯电路分别向通信与控制电路、Y坐标检测电路、X坐标扫描电路供电；坐标网的X轴电极即网栅2的电极逐根地与X坐标扫描电路相电气连接，坐标网的Y轴电极即网栅3的电极逐根地与Y坐标检测电路相电气连接；电路方框图的工作过程是(1)通信及控制电路向X坐标扫描电路发出数据告诉该电路要检测哪根X轴电极；(2)X坐标扫描电路改变该根电极的电压或电流而维持其它电极的电压或电流不变；(3)Y坐标检测电路检测Y轴电极的电压或电流是否发生改变，并将发生这种改变的Y轴电极坐标送给通信与控制电路；(4)通信与控制电路将接受到的Y轴电极坐标及该时刻被检测的X轴电极坐标作为当前输入坐标送给计算机。
本手写输入装置的电路原理图中，电源开关及指示灯电路由开关9、二极管D2及其限流电阻R3共同电气连接构成，二极管D2作指示灯8使用；通信及控制电路由微处理器MPU构成；X坐标扫描电路由非门集成件IC1、与门集成件IC2共同电气连接构成；Y坐标检测电路由存储器IC4、比较器集成件IC3、电阻R4～R131、电位器Rv共同电气连接构成。扫描时IC2改变被检测X轴电极的电压而维持其它X轴电极的电压不变，当位于该X轴电极上的坐标点受到光照或加热时，通过该点的Y轴电极的电压和电流均会改变，此电压通过比较器IC3使相应存储器单元输出该Y轴电极的坐标数据到与MPU相连的数据总线上，MPU接收此数据并将此数据与该时刻被检测的X轴电极坐标数据一起送给计算机。
图10是通信及控制电路的软件程序流程框图，21是通过全面扫描坐标网来检测输入坐标部分，22为通过小区域扫描来检测输入坐标部分；其中X=0表示检测坐标值最小的X轴电极；X=X+1表示逐根地按坐标值由小到大的顺序扫描X轴电极；X=(X+1)P，表示对X+1取模P运算(除以P取余，P为X轴电极根数)，其结果用于确定将要检测的X轴电极，即该X轴电极的坐标值是上述取模P运算的结果，这里进行模P运算的目的是使X总是在0到P-1之间循环变化，从而实现不断重复地全面扫描坐标网；“送输入坐标”表示将检测到的输入坐标送给计算机；X1=X是将当前输入坐标的X轴坐标暂存为X1并将其作为当前扫描小区域的中点坐标；X≥P？是保证将要检测的X轴电极实际存在；X-X1≥K？表示将要检测的X轴电极是否在当前扫描小区域中，其中K为扫描小区域两端的电极到中点电极的坐标距，K表示了扫描小区域的大小；X=X1-K表示检测小区域中坐标值最小的X轴电极；X＜0？是保证将要检测的X轴电极实际存在；X=X1？是判断是否已扫描完当前小区域。
本发明的快速手写输入方法是当本发明的手写输入装置隔膜上的某一点被光照或加热时，由于隔膜材料具有光敏或热敏特性而产生光电效应或热电效应，使在该点相交的电极之间的电压或电流发生改变，利用检测电路，根据电压或电流的改变确定出在该点相交的电极，就确定了该点的坐标，然后将该点坐标输入到计算机就实现了坐标输入；若被光照点或加热点是由笔尖能发光或发热的手写笔在隔膜上书写或作图所产生的，则坐标输入就是由光照点或加热点构成的笔迹的输入，从而实现了手写输入；利用大部分手写笔迹具有分段连续性以及书写时笔尖常常是在一个小的逐渐变化的区域之中移动的特点，如书写一般就是写完一个字然后挨着写另一个字，作图时的笔画通常也是连续变化的，检测电路只需对包含前一个手写输入坐标—简称输入坐标的小区域进行扫描检测，便能找到当前笔尖所在位置的坐标，笔迹有较大的跳变时，则可通过全面扫描坐标网，检测每一对相交电极之间的电压或电流是否改变来找出输入坐标，从而实现快速手写输入。另外，检测电路采取逐根扫描X轴电极，而对Y轴电极信号译码的办法来确定Y输入坐标，以进一步提高手写输入速度，具体做法是任一扫描时刻只使一根X轴电极的电压或电流不同于其它X轴电极的电压或电流，该电极称为该时刻被扫描X轴电极，如果位于该X轴电极上的某个坐标点有输入—即受到光照或加热，则通过该点的Y轴电极电压或电流便不同于其它Y轴电极中的电压或电流，将Y轴电极的电压或电流信号转换成相应的电平高低时，该Y轴电极电平是唯一的，即如果它是高或低电平，则其它Y轴电极就是低或高电平；译码方法是，利用上述Y轴电极电平的唯一性作为存储单元输出数据的条件，具体做法是让对应于每根Y轴电极的电平信号控制一个存储单元—该单元存放有相应Y轴电极的坐标数据，使仅当电平高或低时被控存储单元才输出数据，将所有存储单元的数据输出端都接在同一条数据总线上，出现在该数据总线上的数据就是相应Y轴电极的坐标，此Y轴电极坐标和该时刻被扫描X轴电极坐标就是当时的手写输入坐标。根据上述方法，只需找出电压或电流发生改变的相交电极就确定了输入坐标，而不必精确测量电极中电压或电流大小(通常精确测量需严格消除干扰的影响)，更不必测量这些电压或电流的相位。
本发明与现有技术相比有如下的优点和有益效果(1)本发明的手写输入装置结构简单、手写输入速度快；(2)本发明采取对X轴电极扫描，对Y轴电极译码的方法进一步提高了输入速度；(3)本发明不必精确测量电极中电压或电流大小，更不必测量这些电压或电流的相位，故本发明检测电路简单并且抗干扰能力强；(4)本发明只需采用细直径或小截面的电极来提高网栅密度就提高了本手写输入装置的分辨率，并且如果此时只是提高网栅密度而保持总的电极数不变，则检测电路可不作任何该变。(5)本发明装置的隔膜采用了受光(包括红外线)照或加热时会产生光电效应或热电效应的光敏或热敏材料，所以手写输入笔可以是手写光笔或手写热笔。
下面对说明书附图进一步说明如下图1～3是本计算机手写输入装置的结构及原理示意图；图4～5是手写输入光笔的结构及原理示意图；图6～7是手写输入热笔结构及原理示意图；图8是本计算机手写输入装置电路板的电路方框图；图9是本计算机手写输入装置的电路原理图；图10是本计算机手写输入装置的软件程序流程框图。
本发明的实施方式可为如下①按图1～3所示，设计、加工制造光敏或热敏隔膜1、机壳11；购置开关9、指示灯8、连接电缆线插座13、手写笔电源线插座14等；机壳11可选用塑料注塑而成；手写输入部件10是由隔膜1及安置在其上下两面的电极构成，电极可采用无绝缘的细导电线制成；当用手写光笔时，采用光敏隔膜，当用手写热笔时，则用热敏隔膜；光敏隔膜可采用有机光敏材料，如聚乙烯咔唑-三硝基芴酮(PVK-TNF)；热敏隔膜可采用电阻随温度减小的有机热敏材料，如在PVC或聚氯基甲酸脂(polyurethane)中分散Na-四氯醌二甲烷化合物(Na Tetracyano-quinodimethane)所形成的电子传导型塑料；②按图8～9所示的电源开关与指示灯电路、通信与控制电路、X坐标扫描电路、Y坐标检测电路制作印刷电路板(包括给出插座13、14的安装位置及其与直流电源的电气连结)，然后筛选元器件进行电路板安装，IC1可选用反向缓冲器74HC9034,IC2可选用多片与门CC4068组合而成，IC3可选用比较器MC14574组合而成，IC4可选用TC74ACT373八D锁存器组合而成，每片TC74ACT373的八位输入端分别接与相应Y轴电极坐标值对应的高电平或低电平，MPU可选用内部带只读程序存储器ROM的MS-51单片机；然后按图10所示编制程序并输入到单片机的只读程序存储器中；③按图4～7所示，设计制造手写光笔和手写热笔，均可采用塑料注塑笔杆，光笔笔尖也可用塑料注塑成空心状，热笔笔尖可用金属电阻丝制成，购买图5、7所示电子元件，然后按上面说明书所述的光笔及热笔的构成及其连接关系就能制成手写光笔和手写热笔；④按图1～3所示，并按上面说明书所述的结构与连接关系进行本手写输入装置的装配便能较好地实施本发明。在实施过程中，应注意下述问题(1)电极最好嵌入隔膜表面，以使隔膜表面平整光滑便于书写；(2)对于光敏隔膜，位于输入面的电极最好是透明的，以便光束能照射到被电极覆盖的区域；(3)手写输入光笔或热笔可以装上起鼠标按键作用的开关和相应电路以及与计算机之间的通信线(相应电路及通信线也可以装在手写输入装置外壳内)从而使手写输入装置能兼作鼠标使用；(4)也可以给手写输入面加上耐磨薄保护层，光敏隔膜的保护层应透明(对红外线敏感的隔膜保护层应能透过红外线)，热敏隔膜的保护层应导热性好；(5)判断相交电极间的电压或电流是否因手写输入而改变的一种方法是，如果电压或电流偏离参考值，则认为该电压或电流因手写输入发生了改变，该参考值既可以是相交电极在其交点未受光照或加热时的电压或电流值，也可以是所有相交电极在各自交点未受光照或加热时电压或电流的平均值；另一种方法是取交点受光照或加热时的相交电极间的电压或电流为参考值，也可以取所有相交电极各自在交点受光照或加热时电压或电流的平均值为参考值，如果电压或电流等于或接近参考值，则认为该电压或电流因手写输入发生了改变；(6)可以根据环境温度或光照情况对以上两种方法中的参考值加以修正；(7)用简单的模拟比较电路就能实现相交电极的实际电压或电流与参考值的比较而不必将它们转换成数字量后再比较；(8)采用电导随光照强度或温度变化的材料作手写输入板的隔膜更适合，可使检测电路相对简单。这类材料很多如对可见光敏感的有硒、硒碲合金、三硒化二砷等，对红外线敏感的有硫化铅(PbS)、硒化铅(PbSe)、碲化铅(PbTe)等，热敏材料有以Mn、Co、Ni、Fe等过渡金属氧化物为主要成份的氧化物半导体；另外还有各种有机光敏材料如聚乙烯咔唑-三硝基芴酮(PVK-TNF)，及有机热敏材料如含Na-四氯醌二甲烷的PVC或聚氯基甲酸脂；对硒、硒碲合金、三硒化二砷、硫化铅(PbS)、硒化铅(PbSe)、碲化铅(PbTe)等可采用真空蒸镀的方法来获取隔膜；对Mn、Co、Ni、Fe等过渡金属氧化物，可选其中两种以上的成份混合制成薄膜再烧结而成，用真空蒸镀或溅射的方法可得到更薄的隔膜；用适当的溶剂如四氢呋南、环乙酮、氯苯、甲苯等按一定比例混合而成来溶解PVK-TNF，然后涂布在基板上即可形成薄膜；(9)无论是光敏隔膜还是热敏隔膜均应尽可能地薄，一般应在50微米以下，以利于提高响应速度和分辨率；(10)对光敏或热敏材料尽量选择在手写笔的正常输入光强或温度附近具有急剧变化的电特性的材料，从而有更强的抗干扰性；(11)发光二极管(包括红外发光二极管)应选其所发光的波长落在隔膜最敏感波长范围内的型号；(12)由于光敏材料一般比热敏材料响应速度快，所以采用光敏隔膜的手写输入装置对提高手写输入速度更有利，而采用只对红外线敏感的隔膜具有抗干扰能力强的特点；(13)本手写输入装置中用到的集成件最好专门设计生产，把多片相同的集成度不高的芯片做成一片高集成度的芯片，这样可大幅度地减小集成件的费用，也能明显减小集成件所占的空间。
权利要求
1.一种计算机手写输入装置，其特征在于它由电路板(4)、连接电缆线(5)、手写输入笔(6)、手写输入笔电源线(7)、手写输入部件(10)、手写输入装置机壳(11)共同连接构成；电路板(4)上装有功能电路、指示灯(8)、电源开关(9)、检测电路(12)、连接电缆线(5)的插座(13)、手写输入笔电源线插座(14)；手写输入部件(10)由隔膜(1)、网栅(2)、(3)连接构成，其上表面为手写输入面；其相互位置及连接关系为在一块受到光—包括红外线照射或加热时便能产生光电效应或热电效应的光敏或热敏材料所制成的平面隔膜1两面分别安置一排等距平行且互不接触的电极—网栅(2)、(3)，隔膜与电极直接紧密接触并且中间无绝缘物，隔膜两个面上的电极相互垂直；网栅(2)安置在隔膜(1)上面构成X轴，其上每一根电极表示X轴上的一个坐标值，网栅(3)安置在隔膜(1)下面构成Y轴，其上每一根电极表示Y轴上的一个坐标值，网栅(2)、(3)构成一个平面纵横坐标网；网栅(2)、(3)的电极逐根地电气连接到电路板(4)上的检测电路(12)，其中网栅(2)的电极与X坐标扫描电路相连，网栅(3)的电极与Y坐标检测电路相连；连接电缆线(5)与计算机的串行通信端口及直流电源相电气连接；手写输入笔(6)通过电源线(7)与插座(14)相电气连接；电路板(4)、手写输入部件(10)装在机壳(11)内，机壳(11)为装在电路板(4)上的指示灯(8)、电源开关(9)、手写输入部件(10)的手写输入面、插座(13)、(14)留有外露开口便于电源指示和控制，手写笔输入、电源与通信线连接。
2.按权利要求1所述的一种计算机手写输入装置，其特征在于所述的手写输入光笔由笔杆(15)、笔尖(16)、开关(17)共同连接构成，其相互连接关系为光笔笔杆(15)与笔尖(16)固定连接，开关(17)装于笔杆的杆壳上，笔杆(15)内装电池E1或经E1两端的接线端子接外部电源供电，电池E1与限流电阻R1、发光二极管D1、及开关(17)构成串联回路。
3.按权利要求1所述的一种计算机手写输入装置，其特征在于所述的手写输入热笔由笔杆(18)、笔尖(19)、开关(20)共同连接构成，其相互连接关系为热笔笔杆(18)与笔尖(19)固定连接，开关(20)装于笔杆的杆壳上，笔杆(18)内装电池E2或经E2两端的接线端子接外部电源供电，笔尖(19)是一微型发热元件，电池E2与开关(20)及作为微型发热元件的电阻R2构成串联回路。
4.按权利要求1所述的一种计算机手写输入装置，其特征在于所述的电路由电源开关及指示灯电路、通信及控制电路、X坐标扫描电路、Y坐标检测电路、坐标网共同电气连接构成，其互连关系为通信及控制电路分别通过电源线、Y坐标数据总线、X坐标扫描信号线分别与电源开关及指示灯电路、Y坐标检测电路、X坐标扫描电路相电气连接；由连接电缆线(5)输入的直流电源经电源开关及指示灯电路分别向通信与控制电路、Y坐标检测电路、X坐标扫描电路供电；坐标网的X轴电极即网栅(2)的电极逐根地与X坐标扫描电路相电气连接，坐标网的Y轴电极即网栅(3)的电极逐根地与Y坐标检测电路相电气连接。
5.一种计算机手写输入装置的快速手写输入方法，其特征在于当本发明的手写输入装置隔膜上的某一点被光照或加热时，由于隔膜材料具有光敏或热敏特性而产生光电效应或热电效应，使在该点相交的电极之间的电压或电流发生改变，利用检测电路，根据电压或电流的改变确定出在该点相交的电极，就确定了该点的坐标，然后将该点坐标输入到计算机就实现了坐标输入；若被光照点或加热点是由笔尖能发光或发热的手写笔在隔膜上书写或作图所产生的，则坐标输入就是由光照点或加热点构成的笔迹的输入，从而实现了手写输入；利用大部分手写笔迹具有分段连续性以及书写时笔尖常常是在一个小的逐渐变化的区域之中移动的特点，如书写一般就是写完一个字然后挨着写另一个字，作图时的笔画通常也是连续变化的，检测电路只需对包含前一个手写输入坐标—简称输入坐标的小区域进行扫描检测，便能找到当前笔尖所在位置的坐标，笔迹有较大的跳变时，则可通过全面扫描坐标网，检测每一对相交电极之间的电压或电流是否改变来找出输入坐标，从而实现快速手写输入。另外，检测电路采取逐根扫描X轴电极，而对Y轴电极信号译码的办法来确定Y输入坐标，以进一步提高手写输入速度，具体做法是任一扫描时刻只使一根X轴电极的电压或电流不同于其它X轴电极的电压或电流，该电极称为该时刻被扫描X轴电极，如果位于该X轴电极上的某个坐标点有输入—即受到光照或加热，则通过该点的Y轴电极电压或电流便不同于其它Y轴电极中的电压或电流，将Y轴电极的电压或电流信号转换成相应的电平高低时，该Y轴电极电平是唯一的，即如果它是高或低电平，则其它Y轴电极就是低或高电平；译码方法是，利用上述Y轴电极电平的唯一性作为存储单元输出数据的条件，具体做法是让对应于每根Y轴电极的电平信号控制一个存储单元—该单元存放有相应Y轴电极的坐标数据，使仅当电平高或低时被控存储单元才输出数据，将所有存储单元的数据输出端都接在同一条数据总线上，出现在该数据总线上的数据就是相应Y轴电极的坐标，此Y轴电极坐标和该时刻被扫描X轴电极坐标就是当时的手写输入坐标。
全文摘要
本发明是计算机手写输入装置及其快速手写输入方法。装置由隔膜、网栅、电路板、手写输入笔、指示灯、开关、机壳、手写输入部件、电缆线插座、电源线插座共同连接安装构成;电路由电源开关及指示灯电路、通信及控制电路、Y坐标检测电路、X坐标扫描电路、坐标网共同电气连接构成。本发明装置结构简单、分辨率高、手写输入速度快、抗干扰能力强,手写输入笔可以是手写输入光笔或手写输入热笔,手写输入板的隔膜是光敏材料或热敏材料隔膜。
文档编号G06F3/02GK1300974SQ0110745
公开日2001年6月27日 申请日期2001年1月12日 优先权日2001年1月12日
发明者王剑 申请人:王剑