磁信號書寫筆技術(shù)資料(最終)

1、 產(chǎn)品與技術(shù)分析1 產(chǎn)品簡述磁信號書寫筆本產(chǎn)品磁信號書寫筆采用先進的磁敏傳感技術(shù)、最新手寫識別技術(shù)、無線傳感與充電技術(shù)，無需特殊傳感材料支持,例如觸摸板、手寫板等，有效解決了觸摸板的使用不方便、壽命短、靈敏度低等問題，改變了我國主要以手寫板、觸摸板為市場的情況、手寫板、觸摸板由于操作不便和低效率等問題而難以真正替代和融入筆紙書寫交流的傳統(tǒng)書寫方式。一種先進的書寫方式能有效推動社會信息化，促進辦公自動化和帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。1.1 產(chǎn)品概述磁信號書寫筆是一種能廣泛應(yīng)用于教學(xué)、商務(wù)、娛樂等需要進行信息化處理場合的電子輔助設(shè)備。當(dāng)使用者使用該書寫筆時，筆尖軌跡運動球開始轉(zhuǎn)動，由系統(tǒng)內(nèi)置磁敏電阻組成

2、的信號采集矩陣盤掃描信號，并將掃描后的信號送由處理器處理，之后將整理好的信號數(shù)據(jù)通過無線發(fā)射器發(fā)射、接收并處理成符合USB協(xié)議的可用數(shù)據(jù)，經(jīng)PC端軟件對數(shù)據(jù)進行處理，最終顯示在終端電子設(shè)備上。由此可實現(xiàn)無需特制壓感材料（如手寫板、觸摸板）即可實現(xiàn)信息的書寫與識別功能，能夠直接在任何介質(zhì)上進行書寫，其原始筆跡可傳送給電腦、手機、PDA等電子設(shè)備上顯示、存儲和處理。圖1-1 磁信號書寫筆示意圖1.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)磁信號書寫筆主要有以下四大模塊組成：1 信號采集模塊2 信號發(fā)射與接收模塊3 信號處理模塊4 上位機軟件處理顯示模塊1.3 性能指標(biāo)本產(chǎn)品所具有的功能在國內(nèi)外電子筆應(yīng)用中尚屬首例，為我國電子筆

3、規(guī)模推廣的目標(biāo)奠定了關(guān)鍵性基礎(chǔ)，在產(chǎn)品的性能、用途等方面都實現(xiàn)了創(chuàng)新性的突破。下表是本產(chǎn)品性能的簡單介紹。 表1-1 產(chǎn)品基本介紹與實際手寫真實感相差3%5%書寫顯示準(zhǔn)確率90%95%操作簡易度簡易操作舒適度舒適1.4產(chǎn)品功能應(yīng)用于教育產(chǎn)業(yè)的教輔產(chǎn)品教輔筆教師采用此筆上課時，無需掛接話筒等其他設(shè)備，此筆既是一個無線話筒，又是一個實體電子教鞭，教師在教師內(nèi)走動，想寫什么，即可以在手上紙上屏幕上等任何地方進行書寫，并在投影屏幕上顯示出來，相當(dāng)于把計算機的屏幕變成教師的隱形手寫板或筆記本，但書寫舒適感和在紙上書寫一樣，以方便教學(xué)培訓(xùn)使用，而且提高了教師的授課質(zhì)量，上位機的軟件還能夠?qū)⒔處煹臅鴮懝P跡嵌

4、套進PPT，也利于學(xué)生復(fù)習(xí)使用。高級培訓(xùn)場合講師使用此產(chǎn)品便于把臨場想到的東西記錄下來并傳授給聽課者更有利于講師與聽眾之間的溝通，提高講課效率。企事業(yè)單位開會每人都可以把自己想到的通過此產(chǎn)品傳到多媒體上或電腦上供大家討論使用并能自動保存記錄，使每個人的觀點更容易的表達(dá)出來，且對于臨時性的想法更容易記錄。個人PC計算機輔助書寫筆將功能完善的產(chǎn)品推廣到個人電腦上，將是一款能夠與鼠標(biāo)想媲美的計算機部件，擁有鼠標(biāo)的功能但又比鼠標(biāo)功能強大得多，必將成為PC的必備設(shè)備，計算機的顯示頁面將完全隱化為人們所熟悉的書寫紙了，這將給以實體書寫紙向電子書寫紙過度的時代以強大的推動力。應(yīng)用于電子商務(wù)的新一代電子簽名和

5、防偽措施應(yīng)用。隨著經(jīng)濟全球化的發(fā)展，和科技的日益發(fā)展，電子商務(wù)已表現(xiàn)出越來越強的生命力了，這就急需一種安全性高、方便使用的新一代電子簽名技術(shù)，而此產(chǎn)品將為新時代的電子商務(wù)給以足夠的向前發(fā)展的動力。即時通訊能夠聯(lián)網(wǎng)進行通訊，使通訊交流更加便利。例如A和B用聊天軟件來交流學(xué)習(xí)計劃或討論某學(xué)術(shù)問題，當(dāng)語言不能完全表達(dá)所說的意思時，便需要動筆寫出來，用此產(chǎn)品可以將自己所寫的東西在自己和對方的計算機上顯示出來，無論公式或圖形，而此時具有實體紙性能的電子書寫紙就表現(xiàn)出了網(wǎng)絡(luò)時代無限的生命力了。如此則實現(xiàn)了即使是遙遠(yuǎn)的距離也能夠做到像面對面交流討論問題一樣，更加有利于提高交流溝通的便利性，更能體現(xiàn)社會的進步

6、性。書法應(yīng)用此產(chǎn)品還可推廣為書法應(yīng)用，這也將會引起實體書法向電子書法的轉(zhuǎn)變，引領(lǐng)書法新潮流，這也是具有突破性的發(fā)展方向。2 .產(chǎn)品創(chuàng)新（一）本產(chǎn)品最大的創(chuàng)新點就是此筆可以在任意介質(zhì)上書寫，不需要專門的書寫紙，方便，并且不需要筆芯，可以永久使用。而且顯示出來的均是電子筆跡，便于保存。（二）作為新一代教輔筆，它使教師擺脫了必須在黑板上書寫的限制，使教師即使在教室內(nèi)走動也可以將自己想要表達(dá)的寫在投影屏幕上。雖然利用鼠標(biāo)也可以在投影屏上寫字，不過鼠標(biāo)寫字很不方便，不僅費勁，而且顯示出來的字還很不好看，但此筆用起來就很方便了，因為它符合人們的書寫習(xí)慣。（三）此筆將現(xiàn)實中的物理書寫跟電子網(wǎng)絡(luò)有效的連接在一

7、起，提供了一個更好的人機交互界面，使人機交互更加方便快捷，從而提高了人們的工作效率，同時也促進了信息化時代的向前發(fā)展。（四）價格低：磁敏電阻價格低廉,穩(wěn)定性好,或者采用微型磁通門,均是成熟是元器件,且性價比高。 （五）單片機和無線模塊性價比都是比較高的,且上位機軟件采用開源方式,用戶可進行二次開發(fā).利于軟件功能的增強和進步。3. 技術(shù)方案（一）工作原理：本設(shè)計主要利用磁敏電阻的作計量和檢測元件（動態(tài)測量、位移測量及角度變換）來設(shè)計。筆端獲取書寫信號：筆頭獲取信息的部分為帶磁性釘子球體(軌跡球)和磁敏電阻球形矩陣盤，圖3-1為磁敏電阻矩陣盤的示意圖，當(dāng)書寫時，筆頭的球珠滾動，矩陣盤上相應(yīng)微小的磁

8、敏電阻的電阻值就會發(fā)生變化，變化值通過信息輸出點輸出.圖3-2為磁敏電阻矩陣盤上的磁敏電阻排列和信息輸出原理圖。圖3-3為磁敏電阻矩陣盤信號輸出模塊立體示意圖。圖3-4為磁敏電阻矩陣盤上角度信息計算示意圖，角度信息計算就可以得出軌跡及每筆的偏轉(zhuǎn)方向。圖3-1磁敏電阻矩陣盤示意圖圖3-2磁敏電阻排列和信息輸出原理圖圖3-3磁敏電阻矩陣盤信號輸出模塊立體示意圖軌跡組合處理：這個過程即是對筆的書寫的軌跡進行精確的組合再現(xiàn)，再現(xiàn)所需要的參數(shù)為：每一劃的長度、運動方向（在基準(zhǔn)參考方向條件下），則矩陣盤的點間距離都是一定的，可以用來計量長度，而計量的快慢還可以做為書寫速度快慢的體現(xiàn)；若矩陣盤是8*8的矩陣

9、，則?。?,0）和（4,7）作為計算點，便可以計算出這張數(shù)據(jù)矩陣上的軌跡方向了；當(dāng)采集頻率夠高時，則相當(dāng)于把書寫的每一劃都進行微分處理，劃分的越細(xì)，則精度越高。在此基礎(chǔ)上，便可實現(xiàn)軌跡的精確再現(xiàn)。圖3-4磁敏電阻矩陣盤上角度信息計算示意圖PC機軟件工作原理：PC機軟件獲得矩陣盤信號后，對這些數(shù)據(jù)矩陣進行重疊比較操作，得出軌跡的運動走向，并對運動走向進行時間積分得出整體的運動軌跡，然后進行顯示。 圖3-5數(shù)據(jù)矩陣重疊示意圖（二）模塊詳述：信號獲取與處理：書寫軌跡的信號通過磁敏矩陣來采集，而模擬開關(guān)控制和磁敏矩陣相對應(yīng)的磁敏電阻與高速AD的接通情況，通過AD后就獲得了相應(yīng)的數(shù)字信號，將采集的各個磁

10、敏信息整合成相應(yīng)的信號矩陣信息，通過無線模塊將信息矩陣傳送到接收端。在這個過程中作為處理這些信息的處理器采用ARM7處理器。外部輔助設(shè)備：無線單元發(fā)送信號到PC機上，PC機通過軟件處理，構(gòu)建平面矩陣，接著對數(shù)據(jù)矩陣進行拼接，將矩陣?yán)锩娴母咝盘柣蛘叩托盘柼崛〕鰜?，即?gòu)成軌跡的運動圖，這樣就可以提取出軌跡球運動軌跡，也即書寫的軌跡。主要工作示意過程：見圖5.圖3-6 工作流程圖圖3-7 工作流程圖（三）具體設(shè)計圖3-7 教輔磁信號書寫筆的外觀結(jié)構(gòu)圖書寫筆整體結(jié)構(gòu)： 在鎖閉書寫功能的時候，作為PPT翻頁功能使用；當(dāng)使用電子白板的時候，作為電子白板長度功能使用 當(dāng)使用電子白板的時候，作為電子白板寬度功

11、能使用 電子白板功能鍵，當(dāng)使用者需要使用白板功能的時候，可以開啟電子白板功能，這樣使用者就可以在電子白板上進行書寫，演算之類的操作 電子白板透明化功能鍵，在使用電子白板的時候，若需要觀看白板后面的其他材料時，可以將白板透明化，這樣可以方便信息的獲取和實現(xiàn)電子白板的使用靈活性 單擊：作為電子橡皮按鈕功能使用，在使用書寫的過程中，出現(xiàn)書寫錯誤或取消所寫的字跡，則只需使用這個電子橡皮，就可以把所寫的字跡擦除雙擊：作為書寫鎖閉功能使用，在筆的使用過程中，當(dāng)真實的書寫空間不足時，需將筆往回提，以提供書寫空間，這時不希望在屏幕上的書寫位置發(fā)生改變 筆身圖3-8 一般用磁信號書寫筆的外觀結(jié)構(gòu)圖 掛鉤：方便攜

12、帶 單擊：作為電子橡皮按鈕功能使用，在使用書寫的過程中，出現(xiàn)書寫錯誤或取消所寫的字跡，則只需使用這個電子橡皮，就可以把所寫的字跡擦除雙擊：作為書寫鎖閉功能使用，在筆的使用過程中，當(dāng)真實的書寫空間不足時，需將筆往回提，以提供書寫空間，這時不希望在屏幕上的書寫位置發(fā)生改變 筆身圖 3-7 筆的外形和功能按鍵設(shè)計主要針對是上課、會議等場所用的書寫筆。圖3-8針對的場合是生活中用的。因為有的功能鍵很少用到所以刪除了一些按鍵。筆部分結(jié)構(gòu)設(shè)計1.電源1.筆端的移動電源此筆上采用了無線技術(shù)和精密的信號采集技術(shù)制作的單元,對噪聲都比較敏感,為減少噪聲對這些單元造成影響,則需要使用使用具有較高的紋波抑制比,很低

13、的噪聲電壓值的電源進行供電,而且還要考慮到電池的使用時間,所以采用MAX8890穩(wěn)壓器, MAX8890采用QFN封裝,尺寸僅為4*4*0.85mm，所以在滿足要求的前提下，體積已是很小符合要求。MAX8890主要技術(shù)參數(shù)表MAX8890的封裝引腳及典型應(yīng)用電路2.充電部分:（無線加有線充電）2.坐標(biāo)系確立模塊：高精度三軸加速度模塊要完整地實現(xiàn)字體的顯示方向規(guī)范，以及字體的組合不導(dǎo)致錯亂，就需要在字體信號獲取的過程中，擁有確立的坐標(biāo)作為參考方向，這樣可以容易實現(xiàn)坐標(biāo)的任意變換，有利于筆跡輸入的正確顯示，但在筆書寫的過程中，筆是屬于運動的物體，所以采用動態(tài)垂直參考坐標(biāo)系實現(xiàn)書寫軌跡參考方向的確立

14、。定中心坐標(biāo)的方法：將筆在開始書寫之前，點一下，則會把這個信號作為定出中心坐標(biāo)的信號。采用高靈敏度的三軸加速度傳感器MMA8452Q來實時檢測筆運動的加速度狀態(tài)，實現(xiàn)對中心坐標(biāo)的確定以及筆書寫斷筆續(xù)寫的功能。圖2-1 MMA8452Q的應(yīng)用電路采用MMA8452Q有如下優(yōu)點：1、MMA845xQ加速計系列通過在三款先進的加速計里提供嵌入式算法和計算，將傳感器智能性提高到新的級別。該嵌入式加速計與主機處理器結(jié)合，有助于對上下文環(huán)境傳感做出決定，并在大量消費電子產(chǎn)品（包括平板電腦、電子閱讀器和遠(yuǎn)程控制）中提供記錄高精度動作的功能。 2、電池應(yīng)用的優(yōu)勢包括能夠在備用模式下實現(xiàn)1.8微安的低

15、電流消耗，在激活模式下實現(xiàn)低至6微安的電流消耗，并且從高分辨率到低功耗總共包括4種功率模式，從而提供同類最佳的省電功能，并通過極高的分辨率完成極細(xì)小動作的檢測。3、MMA845xQ 加速計包括大量實時動作檢測功能，如方向、定向震動和搖晃、搖晃和自由落體檢測。 這些設(shè)備功能齊全，可以支持用于捕捉、彈開等基本姿勢的低端應(yīng)用，用于較為復(fù)雜的位置和三維姿勢檢測等中端應(yīng)用，以及航跡推算或傾斜檢測精度等高端應(yīng)用。4、支持不同的應(yīng)用，MMA845xQ加速計提供大范圍的帶寬以及1.5 - 800 Hz的用戶配置采樣率，I/O接口的操作電壓為1.62V- 3.6V。5、MMA8451Q加速計包括一個片上FIFO

16、(先進先出)內(nèi)存緩沖器，可以保存X/Y/Z軸數(shù)據(jù)的32個樣集。 通過減少主機處理器負(fù)荷，有利于改善功耗狀況和縮短系統(tǒng)響應(yīng)時間。 將FIFO緩沖器與其他嵌入式功能結(jié)合，可以讓主機處理器只分析所需的數(shù)據(jù)，而且還能在同一IIC總線上復(fù)用其他傳感器的同時防止數(shù)據(jù)丟失。 FIFO與主機處理器相結(jié)合，可以將當(dāng)前消耗節(jié)省的百分比從78%提高到96%或更高，這取決于選定的微控制器和輸出數(shù)據(jù)速率的情況。6、MMA8452Q 的亮點：（1）12和14位數(shù)字輸出（2）分辨率： (14位) 0.25mg; (12位) 1mg（3）噪音低： 每根赫99微克（與分辨率無關(guān)）（4）低功率模式： 6微安（5）I/O接口電源：

17、 1.62 至3.6 （6）電源電壓： 1.95 至3.6 V（7）輸出數(shù)據(jù)速率 1.5 至800 Hz（8）2個可編程中斷引腳，可用于7個中斷源（9）嵌入式動作檢測功能（10）自由下落或動作檢測（11）脈沖檢測（12）搖晃檢測（13）帶滯后補償?shù)姆较颍M向/縱向）檢測（14）自動輸出數(shù)據(jù)率變化實現(xiàn)自動喚醒/休眠（15）自測（16）嵌入式32樣本FIFO緩沖器 （17）按照FIFO規(guī)則在樣本上提供高通濾波數(shù)據(jù)（18）小型3 x 3 x 1.0 mm QFN 封裝3.無線收發(fā)模塊：此筆采用無線發(fā)射信息，且信息量由獲取信號的精度的提高，信息量的增大，所以采用CC1100無線模塊，CC1100收發(fā)器

18、集成了一個高度可配置的調(diào)制解調(diào)器。這個調(diào)制解調(diào)器支持不同的調(diào)制格式，其數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)500kbps。通過開啟集成在調(diào)制解調(diào)器上的前向誤差校正選項，能使性能得到提升。而筆的金屬外殼即可作為天線使用。圖2-2CC1100應(yīng)用電路CC1100-232無線模塊特點：1.低功耗模塊，最大發(fā)射功率10mW，推薦使用10mW，以達(dá)到最佳的通信效果2.載頻頻段433MHz ：推薦使用433MHz頻段，該頻段為免費ISM頻段免許可證使用（420MHz440MHz）。還可以為用戶提供其他的載頻頻段475MHz、868MHz和915MHz選擇（需要定制）。3.高抗干擾能力和低誤碼率基于FSK的調(diào)制方式，采用高效前向

19、糾錯和信道交織編碼技術(shù)，提高了數(shù)據(jù)抗隨機干擾和突發(fā)干擾的能力，在信道誤碼率為10-2時，可得到實際誤碼率10-510-6。4.傳輸距離遠(yuǎn)在直線可視情況下，天線放置高度位置>2米，9600bps可靠傳輸距離大于200m (BER=10-3/9600bps)；1200bps傳輸距離可達(dá)300m (BER=10-3/1200bps)。5.支持透明的數(shù)據(jù)傳輸及DL/645規(guī)約。提供透明的數(shù)據(jù)接口，能適應(yīng)任何標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)的用戶協(xié)議。自動過濾掉空中產(chǎn)生的假數(shù)據(jù)(所收即所發(fā))；通信軟件支持無線抄表系統(tǒng)的DL/645規(guī)約。6256個可編程信道（20M頻段）在同一個頻段可以按照用戶200KHz間隔頻點則可

20、以提供至少256個信道，滿足用戶多種通信組合方式。7.提供3種接口方式。提供3選1接口方式，TTL電平UART接口、標(biāo)準(zhǔn)電平的RS-232或標(biāo)準(zhǔn)的RS-485接口。8.單芯片設(shè)計降低成本采用專業(yè)的單芯片模塊設(shè)計，降低了用戶使用成本9.全金屬外殼設(shè)計（可選）CC1100-232的結(jié)構(gòu)可選為全金屬外殼設(shè)計，超小型體積；電磁兼容性能極好，可嵌入安裝于各種儀表中而不會發(fā)生干擾。10.大的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)接口波特率等于空中有效波特率，提供3種用戶可選波特率： 4800、9600、19200bps（接口速率最高可設(shè)置到19200bps）；數(shù)據(jù)格式為8N1/8E1/8O1用戶自定義，可傳輸最長為30字節(jié)的數(shù)據(jù)幀，

21、用戶編程更靈活。11.智能數(shù)據(jù)控制，用戶無需編制多余的程序。 即使是半雙工通信，用戶也無需編制多余的程序，只要從接口收/發(fā)數(shù)據(jù)即可，其它如空中收/發(fā)轉(zhuǎn)換，控制等操作，模塊自動完成。12. 多種天線配置方案，滿足用戶不同的結(jié)構(gòu)需要?？膳渲缅冦y彈簧天線、多種增益的柱狀天線、吸盤天線等。4.數(shù)據(jù)采集 1.磁敏矩陣模塊磁敏矩陣是作為信號的采集使用，在拿著筆書寫的時候，沒有任何的觸屏設(shè)備支持，所寫的軌跡由軌跡球的滾動導(dǎo)致磁敏矩陣上的矩陣信息變化，通過變化的記錄來繪制書寫軌跡；磁敏矩陣信號采集模塊安置于軌跡球的上方。圖4-1信號采集外觀示意圖圖4-2磁敏電阻排列和信息輸出原理圖磁敏矩陣：上圖是磁敏電阻排列

22、和信息輸出原理圖,可變電阻是磁敏電阻, 當(dāng)長度方向有電流通過時，若在垂直于電流片的寬度方向上施加一個磁場，磁敏電阻長度方向上就會發(fā)生電阻率增大的現(xiàn)象，所以，當(dāng)帶有磁性的球滾動時，這樣在8*8的磁敏電阻的輸出口的電壓就會發(fā)生變化，用AD采集到每個信號輸出口的電壓，再與設(shè)定的初值對比就可以獲得變化值。下圖是磁敏電阻感應(yīng)區(qū)與磁釘空間位置關(guān)系圖，是把一個立體圖形展開后的關(guān)系圖形。圖中寬黑線框內(nèi)表示的是磁敏電阻感應(yīng)區(qū)，他在空間上顯示的是一個圓弧，他的面積是一個磁釘磁場的4倍，藍(lán)色的正方形表示的是一個磁釘磁場所能輻射到的范圍，他們在某一時刻的關(guān)系圖就是圖中所看到的。圖4-3磁敏電阻感應(yīng)區(qū)與磁釘位置關(guān)系圖

23、a b c d e fh i圖4-4 狀態(tài)輸出矩陣圖圖4-4采集到信號的一部分?jǐn)?shù)據(jù)，他是以矩陣的方式保存和發(fā)送的。矩陣是由0和1構(gòu)成的，一個單元就可以表示出兩個狀態(tài)，而這個單元的表示出來的是8*8磁敏矩陣信號輸出口的狀態(tài)，0表示磁敏電阻下方?jīng)]有磁場，1表示的磁敏電阻下方有磁場。在圖4-4中的第一張圖中，它的狀態(tài)輸出圖對應(yīng)的磁場與磁敏電阻感應(yīng)區(qū)相對位置就是圖4-3所表示出來的，第二張圖形和后幾張圖形可以根據(jù)狀態(tài)輸出矩陣圖來確定磁場與磁敏電阻感應(yīng)區(qū)的位置關(guān)系。通過對所采集的幾張信號矩陣進行重疊比對操作，便可得出軌跡的運動走向，并對運動走向進行時間積分，便可得出整體的運動軌跡。 下圖是磁敏電阻矩陣盤信號輸出模塊立體示意圖，在實際的設(shè)計中會是個球面使得檢測范圍更大，更加靈敏。4-5 磁敏電阻矩陣盤信號輸出模塊立體示意圖如果采用8*8的磁敏矩陣，就要64個輸出口，安裝實際的情況每秒需要采集500張磁敏矩陣電阻輸出的狀態(tài)，那