一种电容笔、书写终端及其书写轨迹跟踪检测系统、方法与流程

本发明涉及电容笔技术领域，特别是涉及一种电容笔、书写数字矢量化终端及其书写轨迹跟踪检测系统、方法。

背景技术：

书写不仅是常见的学习方法，更是人类表达观点、传播思想、呈现行为的重要手段之一，在科技、人文的传承和发展过程中发挥着极大的作用。在信息科学技术高度发展的今天，书写信息化更利于书写信息的传播、保存、修改以及查阅。

现有的书写信息化方案主要有三种：基于移动设备实现书写数字化、基于电子白板的实现书写信息化以及基于智能笔的实现书写数字化。这些现在的技术在实现书写数字化的应用中局限明显。相关的实现原理方案如下：

基于移动设备的书写数字化技术，触控、手写或者基于电容笔输入在智能手机、平板电脑等移动设备的使用中极为常见，通过电容感应原理实现触控、书写的跟踪定位，移动设备引入电容触摸技术旨在解决触摸控制和手写输入，电容笔输入体验远不如手写方便，在实际中极少使用。此外，移动设备的书写时刻的字迹呈现必须依赖设备本身的液晶显示系统，钢化玻璃的表面书写体验与传统的纸张书写体验有较大的差距，而且用户长时间使用液晶系统容易出现视觉疲劳，影响视力健康。

基于电子白板的书写数字化技术，电子白板经过多年的发展，基于不同原理的产品已经得到广泛应用。实现电子白板的触摸交互，主要触摸定位跟踪问题，主流的技术主要有压感、电磁、红外、光学以及电容感应，这些技术都可以很好地实现电子白板的定位跟踪，但在实际的应用中，电子白板必须依托投影系统进行使用，书写要么使用手指，要么使用特制笔，其书写体验与传统书写有较大的差异。

基于智能笔的书写数字化技术，当前，主流智能笔有主要有“红外线超声波式”和“点印方式”，前者定位精度差，后者需要定制纸，除此之外，它们更致命的缺点就是需要能量维持工作，电能容量大笔就大，没有书写的感觉；容量小就需要经常补充能量，使用不方便。无法传承传统的书写习惯。

综上所述，现有的技术方案在一定程度上可以实现书写信息化，但是这些技术方案的初衷并不在于传承传统书写习惯，而且大多需要配合显示系统使用，无论在书写精度还是书写体验上与传统的书写都有较大的差别。

技术实现要素：

为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种电容笔、书写终端及其书写轨迹跟踪检测系统、方法，其采用电容感应技术融合传统书写工具，构建、检测并跟踪记录位置电容，进而实现书写轨迹的跟踪和记录。

为达上述及其它目的，本发明提出一种书写终端，包括电极面板系统以及书写绝缘层，所述书写绝缘层设置于所述电极面板系统上，所述电极面板系统通过于一绝缘基板的上下两面构造电容阵列形成位置电容。

进一步地，所述电容阵列采用分层架构，以所述绝缘基板为中心，上下铺设电极，各层层内电极相互平行，层与层之间的电极相互垂直。

进一步地，所述电容阵列于所述绝缘基板的上面铺设横向/纵向电极，于所述绝缘基板下面铺设纵向/横向电极，所述横向电极之间相互平行，各横向电极之间的间距相等，所述纵向电极之间相互平行，各纵向之间的电极相等且与横向电极之间的间距相等。

进一步地，所述电极的材料采用金属导体或其它半导体材料。

为达到上述目的，本发明还提供一种电容笔，用于书写终端配合使用，包括：笔芯，所述笔芯的头部采用导电笔尖，所述笔芯设置于一笔壳内，所述导电笔尖与笔芯之间提供握持的笔壳部分为导电笔壳。

进一步地，所述导电笔尖与导电笔壳部分采用移动式接触。

进一步地，所述导电笔尖与所述导电笔壳之间留有空隙，所述空隙间距为1mm以内。

为达到上述目的，本发明还提供一种书写终端的书写轨迹跟踪检测系统，包括：控制中心、驱动通道开关、电容阵列单元、采集通道开关、信号整形电路以及脉宽测量单元，所述控制中心，用于控制产生脉冲驱动信号，控制所述驱动通道开关打开驱动所述电容阵列单元的电极的通道，所述控制中心控制所述采集通道开关，使所述电容阵列单元的电容阵列产生的耦合信号进入所述信号整形电路，对形变的耦合信号进行整形后由所述脉宽测量单元测量脉宽信号的脉宽并获取数据，并由所述控制中心根据脉宽测量单元测量的数据计算书写的位置。

为达到上述目的，本发明还提供一种书写终端的书写轨迹跟踪检测方法，包括如下步骤：

步骤一，控制中心控制于该电极面板系统的一面电极产生脉冲驱动信号，控制驱动通道开关打开驱动电极的通道；

步骤二，控制采集通道开关，采集另一面电极检测到的电容阵列产生的耦合信号，并进入信号整形电路通过电压比较器对形变的耦合信号进行整形；

步骤三，利用脉宽测量单元测量整形后的耦合信号的脉宽并获取数据，并送至所述控制中心。

进一步地，当所有采集通道的脉宽测量完毕，切换下一个驱动通道，进行新一轮的采集，依次循环，直至所有的驱动通道切换驱动完毕，最后计算、存储可能存在的位置电容位置，开始新一轮的检测。

与现有技术相比，本发明一种电容笔、书写终端及其书写轨迹跟踪检测系统、方法通过采用电容感应技术实现了与传统的笔、纸进行结合，以达到跟踪记录书写轨迹的目的。

附图说明

图1为本发明一种书写终端的结构示意图；

图2为本发明具体实施例中电极面板系统的结构示意图；

图3为本发明具体实施例中电容阵列结构示意图；

图4为本发明具体实施例中书写时笔尖影响结点电容示意图；

图5为本发明一种电容笔的结构示意图；

图6为本发明具体实施例中书写与不书写情况下笔尖与外壳的接触情况示意图；

图7为本发明一种书写终端的书写轨迹跟踪检测系统的系统架构图；

图8为本发明一种书写终端的书写轨迹跟踪检测方法的步骤流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

图1为本发明一种书写终端的结构示意图。如图1所示，本发明一种书写终端，包括：电极面板系统10以及书写绝缘层20。

其中，电极面板系统10基于平行板电容原理构造位置电容实现，如图2所示，其通过于一绝缘基板的上下两面构造电极阵列形成位置电容，具体地说，于绝缘基板3的上面铺设横向电极4，电极材料可采用金属导体或其它半导体材料，在绝缘基板3下面铺设纵向电极5，电极材料可采用金属导体或其它半导体材料，本发明具体实施例中，纵横向电极的设计准则是：横向电极之间相互平行，各横向电极之间的间距相等，纵向电极之间相互平行，各纵向之间的电极相等且与横向电极之间的间距相等，如图3所示。当然，也可以于绝缘基板的上面铺设横向电极，于绝缘基板的下面铺设纵向电极，本发明不以此为限。

利用上述结构，在横向电极与纵向电极之间的交叉点处形成结点电容，当笔尖处于交叉处合作附近时，如图4所示，因为笔尖与横纵电极也会形成电容，这样会改变等效结点电容的大小，确定位置电容的位置就是通过检测变化等效结点电容的位置来实现的。

在本发明中，利用电容充放电原理跟踪检测位置电容，由于电容充放电的原因，会引起脉冲信号产生形变。比较常见的改变上升沿和下降沿时间，被改变的程度与电容的大小有直接的关系，在充电电流和放电电流一定的前途下，电容越大，边沿就变得越平缓，即上升沿和下降沿的时间更长，基于这个原理，本发明设计跟踪检测位置电容的检测系统，工作原理是：在其中一面电极依次输入脉冲驱动信号，在另外一面电极检测方波信号，在没有书写的情况下，电容电极面板的结点电容大小固定，则对驱动影响是固定的，当有书写产生时，因为笔尖电容的影响，会增加结点电容，则笔尖所在通道的耦合信号会产生异常形变，即边沿会变得更加平缓，此异常信号所在的位置即书写所在位置。

在本发明具体实施例中，书写绝缘层2采用传统的纸张以供本发明之电容笔30书写，当然，也可以为其他传统的可用于书写的绝缘介质，本发明不以此为限。

图5为本发明一种电容笔的结构示意图。如图5所示，本发明之电容笔，包括：笔芯51，笔芯51的头部采用导电笔尖52，笔芯51设置于一笔壳内，其中，导电笔尖52与笔芯51之间提供握持的笔壳部分为导电笔壳53，其他部分54可采用绝缘材料，也可采用导电材料，笔芯51的另一端部设置有笔帽55。

在本发明具体实施例中，该电容笔传承使用中性笔芯51，中性笔笔芯1的笔尖部分52是碳化钢材料，可以作为电容电极，手握笔芯即形成感应电容耦合信号能量，由于笔芯较小、基本不会直接握笔芯书写，而且笔芯较小，在实际中不可能直接握笔芯书写，正常的书写一般都要配合笔壳使用，传统常用的笔壳基本都是塑料外壳，直接采用塑料外壳，耦合能量极小无法检测，而本发明通过给笔壳提供握持的笔壳部分镀上金属或者半导体材料，使其成为导电笔壳53，并于笔头处与导电笔尖52相连。本发明笔壳外部可以是部分是导体材料(或者半导体材料)，也可以全部是导体材料(或者半导体材料)，笔壳内壳可以是部分是导体材料(或者半导体材料)，也可以全部是导体材料(或者半导体材料)，笔壳对应部分笔芯是导体材料(或者半导体材料)。

本发明中，电容笔设计的关键在于导电笔尖52与导电笔壳53部分的接触处理，本发明采取的办法是移动式接触，所谓移动式接触，即书写的时候，笔尖与导电笔壳接触，不书写的时候不接触。具体实现：笔尖与镀层笔壳之间留有微小空隙，空隙间距在1mm以内，书写过程中由于书写用力和笔尖支撑用力的作用，笔尖会发生轻微移动实现与导体外壳接触。这样书写的时候，笔尖与笔壳接触，开始笔迹记录，不书写的时候，笔尖与笔壳不接触，不会产生干扰，其示意图如图6所示，a为没有书写情况的示意图，b为正在书写情况的示意图。

图7为本发明一种书写终端的书写轨迹跟踪检测系统的系统架构图。如图7所示，本发明一种书写终端的书写轨迹跟踪检测系统，包括：控制中心701、驱动通道开关702、电容阵列单元703、采集通道开关704、信号整形电路705以及脉宽测量单元706。

其中，控制中心701，用于控制产生脉冲驱动信号，控制驱动通道开关打开驱动电容阵列单元703的电极的通道，同时控制中心701控制采集通道开关704，让电容阵列单元703电容阵列产生的耦合信号进入信号整形电路705，通过电压比较器对形变的耦合信号进行整形，然后由脉宽测量单元706测量脉宽信号的脉宽并获取数据，由控制中心根据脉宽测量单元706测量的数据计算书写的位置。

具体地说，在整个检测系统中，控制中心作为主要核心，控制产生脉冲驱动信号，控制驱动通道开关打开驱动电极通道，同时控制采集通道开关，让耦合信号进入信号整形电路，通过电压比较器对形变的耦合信号进行整形，得到耦合脉冲信号，然后测量脉宽信号的脉宽并获取数据，当所有采集通道的脉宽测量完毕，切换下一个驱动通道，进行新一轮的采集，依次循环，直至所有的驱动通道切换驱动完毕，最后计算、存储可能存在的位置电容位置。周而复始，开始新一轮的检测。

图8为本发明一种书写终端的书写轨迹跟踪检测方法的步骤流程图。如图8所示，本发明一种书写终端的书写轨迹跟踪检测方法，包括如下步骤：

步骤801，控制中心控制于该电极面板系统的一面电极产生脉冲驱动信号，控制驱动通道开关打开驱动电极的通道；

步骤802，控制采集通道开关，采集另一面电极检测到的电容阵列产生的耦合信号，并进入信号整形电路通过电压比较器对形变的耦合信号进行整形；

步骤803，利用脉宽测量单元测量整形后的耦合信号的脉宽并获取数据，由控制中心根据脉宽测量单元测量的数据计算出书写的位置，实现书写轨迹的跟踪。

这里需说明的是，本发明中，当所有采集通道的脉宽测量完毕，切换下一个驱动通道，进行新一轮的采集，依次循环，直至所有的驱动通道切换驱动完毕，最后计算、存储可能存在的位置电容位置，周而复始，开始新一轮的检测。

本发明中，在没有书写的情况下，电容电极面板的结点电容大小固定，则对驱动影响是固定的，当有书写产生时，因为笔尖电容的影响，会增加结点电容，则笔记所在通道的耦合信号会产生异常形变，即边沿会变得更加平缓，此异常信号所在的位置即书写所在位置。

可见，本发明一种电容笔、书写终端及其书写轨迹跟踪检测系统、方法通过采用电容感应技术实现了与传统的笔、纸进行结合，以达到跟踪记录书写轨迹的目的。

任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。