本发明属于人机交互技术领域，具体涉及一种直接利用触点就可以向触控设备发送书写过程中各种状态信息的数字通用笔以及配套的信号传输系统。
背景技术：
现如今随着计算机的发展，鼠标、键盘等传统设备限制了计算机的使用环境，已经阻碍了日常娱乐、办公环境的发展。目前市面上普遍的做法是加载电容式触摸屏或触控板，电容式触摸设备利用人体的电流感应可以定位出手指触摸位置，从而使得人们可以随时随地利用手指操作设备。但是，手指频繁在设备上操作会对手指的皮肤产生损伤，长时间的使用甚至会对手指产生不可修复的伤害。而且，手指可以提供的只有坐标信息，无法完成较为复杂的操作。
物理世界和数字世界之间的融合，是实物用户界面希望解决的一类问题，关于这种实物与虚拟环境的融合交互，已经出现了许多相关的研究。实物用户界面作为一种新的界面形式，旨在利用人们与真实的物理世界互动形成的技能操纵和控制数字信息。在普适计算的背景下，实物用户界面主张“回归真实世界”，运用计算技术帮助人们获得更加丰富、自由的日常生活体验。
数字笔作为实物交互对象，更直观、更方便。数字笔替代手指来操作触控设备是较为妥善的解决方案，近几年笔式交互技术的发展，使得数字笔到了更加广泛的应用。研究者们对笔交互进行了大量的研究，著名的科技公司如苹果、微软、华为也将目光投向了笔交互的市场，给用户带来更方面、更自然的交互体验。
虽然，日常生活中，我们用一只笔可以在任意本子上书写；任意一本本子，随意哪支笔都可以书写。但是，受制于无线交互技术(蓝牙、红外、wi-fi等)，现在的数字笔与触控设备交互之前必须先进行“匹配”、“连接”等绑定操作，这种绑定这大大限制了“笔”作为日常书写工具中的通用性。
技术实现要素：
针对目前数字笔与触控设备之间连接方式过于复杂，数字笔在不同设备间切换使用操作繁琐的问题，本发明公开了一种不需要与设备之间进行“匹配”、“连接”等绑定操作就可以直接在触控设备上完成数据传输与交互功能的数字笔及配套的信号传输系统。
本发明的原理是，利用电容式触控介质对电压信号敏感的特性，在数字笔上加载电压发射装置，持续产生一个电压较高、频率较高的电信号作为载波信号，这个信号会引发触控设备的电容进行充放电反应，从而被触控设备感应到。因为数字笔与触控设备之间使用的是独立的供电装置，所以数字笔上的电压发射装置所发出的电压不能太低，过低会被触控设备本身的滤波系统滤除。
本发明采用的技术方案如下：
一种用于触控设备的数字通用笔，包括控制系统和与所述控制系统连接的供电与信号发射系统、笔状态识别系统、信号调制系统；所述控制系统包含处理器，用于提供逻辑运算与控制指令收发；所述供电与信号发射系统包括供电模块与信号发射模块，所述信号发射模块将所述供电模块提供的电压信号转换成载波信号；所述笔状态识别系统识别笔在使用过程中的状态信息；所述信号调制系统对所述笔在使用过程中的状态信息进行编码并调制到所述载波信号中。
进一步地，所述载波信号在触及电容式触控设备的表面时，能够引起触控设备电容值的波动，从而在数字笔与触控设备之间形成数据通道。
进一步地，所述信号发射模块为反激式变压器。
进一步地，所述反激式变压器针对不同触控设备间的差异性调节载波信号的幅值、频率，以适用于不同的电容式触控设备。
进一步地，所述笔状态识别系统识别的笔在使用过程中的状态信息包括：运动轨迹、倾斜角度、旋转角度、笔尖压力、握笔握力、剩余电量、笔上按键被触发情况。
进一步地，所述笔状态识别系统包含加速度传感器、陀螺仪、地磁传感器，用于感知笔的运动轨迹、倾斜角度、旋转角度。
进一步地，在笔尖后方加载压力传感器，同时笔身处也加载压力传感器，以实时感知用户使用过程中笔的受力状态。
进一步地，所述数字通用笔还包括按键模块，通过操作按键接通/断开所述供电模块中的电源，或者通过按键调节数字通用笔的工作模式，不同工作模式下激活对应的传感器，以适应于不同的需求。
进一步地，所述笔状态识别系统判断剩余电量、按键模块被触发情况，并综合笔的使用状态，判别按键触发事件，同时减少数据传输中的数据量。
进一步地，所述供电模块为可充电电源。
本发明的有益效果是：
1)本发明的数字通用笔，不需要与设备之间进行“匹配”、“连接”等绑定操作就可以直接在触控设备上完成数据传输与交互功能。
2)针对不同触控设备间的差异性，本发明中的数字笔产生的载波信号幅值、频率都可以直接调节，适用于绝大多数的电容式触控设备。
3)本发明的数字通用笔，调制信号并在触控设备端对信号进行解调。这样就可以使得触控设备得到数字笔使用过程中的倾斜角度、旋转角度、笔尖压力、握笔握力、剩余电量、笔上按键被触发情况等信息。
4)有些触控介质可以感知触碰面的面积，使得这些交互动作更自然。数字笔的低功耗系统配合充电电池，保障数字笔的长时间使用。
附图说明
图1是本发明的数字笔组件设计和传感器集成示意图。
图中标号说明：1-位于笔尖的压力传感器；2-位于笔杆的压力传感器；3-信号调制系统；4-笔状态识别系统；5-供电与信号发射系统；6-按键模块。
具体实施方式
下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步说明。
图1是本实施例的数字笔的结构示意图，该数字笔包括控制系统，以及与该控制系统连接的供电与信号发射系统、笔状态识别系统、信号调制系统。
1.控制系统
控制系统(没有在图1中表示)主要是指主控芯片及基本核心电路，作为数字笔的处理器，用于提供逻辑运算与控制指令收发。
2.供电与信号发射系统。
供电与信号发射系统如图1中标号5所示。该系统主要包括：
1)可充电式供电模块：为电路提供初始电压。
2)信号发生模块：本实施例中采用反激式变压器，其具有转换效率高、损失小，变压器匝数比值较小等优点；可以持续将电源信号转换为载波信号，并且生成信号的幅值与频率可调，从而可以适用于绝大多数的电容式触控设备。载波信号在触及电容式触控设备的表面时，能够引起触控设备电容值的波动，从而在数字笔与触控设备之间形成数据通道。
3.笔状态识别系统
笔状态识别系统如图1中标号4所示。该系统主要包括：
1)笔的压力识别
利用压力传感器实现笔的压力识别，包括在笔尖后方的压力传感器(如图1中标号1所示)，以及笔杆(笔身)上的压力传感器(如图1中标号2所示)。其中在笔尖后方的压力传感器识别笔尖压力，判别数字笔是否触碰到设备，并且识别触碰压力；笔杆上的压力传感器识别判断使用过程中的握力大小。优选地，由于一般是采用三根手指握笔，故可在笔杆上设置三个压力传感器，以更好地识别使用过程中的握力大小。但本发明不以此为限制，也可在笔杆上只设置一个压力传感器。
2)笔运动状态识别
利用加速度传感器、陀螺仪、地磁传感器等模块识别数字笔的使用轨迹、倾斜角度、旋转角度等信息。
3)笔状态信息融合
判断剩余电量、笔上按键被触发情况，并综合笔的使用状态，判别按键触发事件，同时减少数据传输中的数据量。所述按键触发事件是指在笔杆尾部有按键模块，如图1中标号6所示，用户可以通过操作按键接通/断开数字笔电源，同时也可以通过按键调节数字笔工作模式，不同工作模式下数字笔激活对应的传感器，以适应于不同的需求。
4.信号调制系统
信号调制系统如图1中标号3所示。该系统包括：
1)信号编码模块：综合选定笔可以发送的各种信号(运动轨迹、倾斜角度、旋转角度、笔尖压力、握笔握力、剩余电量、笔上按键被触发情况等)，利用“振幅键控”(amplitudeshiftkeying)等编码方式进行定义与压缩，并叠加到载波信号中。
2)信号传输模块：信号发射端连接在数字笔的笔尖位置，这样每一次触碰操作可以直接把信号传输到触控屏上，这样对于其他数字笔，即使也在发射信号，由于没有和触控设备接触，不会被触控设备错误捕捉到。
3)触碰事件及信号解码模块：触控设备采集两个方面的信息：a、触碰点所处的坐标点；b、数字笔发射的信号。其中前一项数据，触控设备已有的功能就已经可以做到；数字笔的笔尖包含的信号在触及到电容式触控设备之后电容板会产生相应的变化，因而只需要根据电容值的变化就可以分析出数字笔传输的信号。对于系统的底层硬件以及软件协议层不需要做任何改动。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。