устройство ввода информации в эвм (дигитайзер)

Формула изобретения

Устройство (дигитайзер) для ввода информации в ЭВМ, состоящее из планшета с двумя группами проводников, выполненных в виде серпантинов на двух сторонах изолирующей подложки, причем проводники одной группы смещены относительно друг друга на одинаковое расстояние и перпендикулярны проводникам другой группы, и указателя со встроенным генератором фиксированной частоты и электромагнитной катушкой, излучающей под действием указанного генератора электромагнитное поле, наводящее в проводниках электрический сигнал указанной фиксированной частоты, радиоэлектронного блока обработки наведенных в проводниках сигналов, состоящего из двух мультиплексоров по одному для каждой из групп проводников, усилителя напряжения, фазового детектора, выпрямителя, преобразователя напряжения в частоту и микроконтроллера, причем указанные группы проводников подключены одним концом к входам своего мультиплексора, а другие концы объединены, выходы мультиплексоров присоединены к входу усилителя напряжения, выход которого, в свою очередь, подсоединен к входам фазового детектора и выпрямителя, а выход выпрямителя подсоединен к входу преобразователя напряжения в частоту, выход которого, в свою очередь, подсоединен к микроконтроллеру, который последовательно подключает проводники из каждой группы к входам мультиплексоров и путем сравнения оцифрованных значений амплитуд и фаз сигналов, приходящих от проводников, определяет положение указанного указателя относительно планшета,

отличающееся тем, что дигитайзер включает два или более указателя с разными частотами возбуждения электромагнитных катушек, а радиоэлектронный блок включает в себя дополнительно цифровой узкополосный перестраиваемый частотный фильтр, включенный между выходом усилителя и входами фазового детектора и выпрямителя, причем входы управления указанного фильтра подсоединены к микроконтроллеру для последовательной перестройки указанного фильтра на заданные частоты пропускания, совпадающие с частотами электромагнитного излучения катушек указателей.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к электронной технике, а более конкретно к устройствам ввода информации в ЭВМ для организации интерфейса пользователя при работе с различными системными и прикладными программами.

Известно устройство ввода информации [US Patent 3819857, June 25, 1974], содержащее электромагнитный указатель типа "перо", включающий в себя электромагнитную катушку, намотанную на магнитный сердечник, планшет, содержащий множество проводников, расположенных на противоположных сторонах диэлектрической подложки. Каждый из проводников выполнен в виде серпантина, расположенного вдоль одной координаты и смещенного относительно соседних проводников на постоянную величину. Взаимное расположение серпантинов по координатам X и Y ортогонально и выполнено таким образом, что положение катушки указателя на плоскости в области, расположенной между двумя соседними проводниками, однозначно может быть определено путем анализа фаз сигналов, наведенных в проводниках. Область на плоскости планшета, заключенная между крайними проводниками по осям X и Y, формирует рабочую область дигитайзера. Фазы сигналов для каждого из серпантинов формируются в уникальные рефлексные двоичные коды (коды Грея), которые затем преобразуются в нормальный двоичный код, соответствующий положению указателя в определенной части рабочей области планшета.

Недостатком данного устройства является применение отдельного усилителя и компаратора для каждого проводника-серпантина. Количество таких усилителей возрастает с увеличением размеров рабочего поля планшета при заданном разрешении. Кроме того, при расстоянии между соседними проводниками 0.5 мм и расстоянием между соседними витками одного серпантина 256 мм), максимальная разрядность входных данных составляет 256/0.5=512=2⁹ , т.е. 9 бит. Для повышения разрядности входных данных (рабочего разрешения устройства) описывается необходимость применения дополнительной катушки в указателе, возбуждаемой напряжением на порядок более высокой частоты, и, соответственно, дополнительных элементов в схеме анализа наведенных от двух катушек сигналов. Кроме того, схема возбуждения катушек должна работать синхронно со схемой анализа, что предполагает, как минимум, проводную связь указателя с планшетом.

Известно также устройство ввода информации [US Patent 4734546, March 29, 1988], имеющее в своем составе, как и в предыдущем патенте, электромагнитный указатель типа "перо", включающий в себя электромагнитную катушку, намотанную на магнитный сердечник, и планшет, содержащий множество проводников, расположенных в виде серпантинов на противоположных сторонах диэлектрической подложки. Взаимное расположение серпантинов по координатам X и Y также ортогонально и выполнено таким образом, что положение катушки указателя на плоскости, в области, расположенной между двумя соседними проводниками, однозначно может быть определено путем анализа фаз сигналов, наведенных в проводниках. Фазы сигналов первых четырех серпантинов формируются в уникальные рефлексные двоичные четырехразрядные коды (коды Грея), соответствующие положению указателя в одной четвертой части рабочей области планшета по оси X или Y.

В отличие от предыдущего, в данном устройстве используется один усилитель сигнала для серпантинной структуры проводников, расположенной вдоль каждой из координат X и Y. Для этого проводники, расположенные вдоль каждой из координат, подсоединены к входам мультплексоров каналов X и Y. Выход каждого мультиплексора подсоединен ко входу усилителя сигнала. Схема, управляющая логикой работы мультиплексора, включает в себя микроконтроллер, который последовательно подключает проводники ко входу усилителя. Усиленный сигнал поступает на входы фазового детектора и выпрямителя. Выпрямленный сигнал поступает на вход преобразователя напряжения в частоту. Результирующая частота, в свою очередь, подается на один из входов микроконтроллера, котрый на основании зависимости частота-напряжение определяет амплитуду сигнала. Четырехразядные коды Грея по каждой из координат однозначно определяют зону в пределах рабочей области планшета, в которой находится указатель. Затем на основе анализа амплитуд и фаз наведенных сигналов, определяются два проводника, между которыми расположен указатель. Таким образом координаты указателя могут считаться грубо определенными. Например координа X на данном этапе определяется как:

где Хгруб. - координата X в первом приближении [мм];

D - расстояние между соседними проводниками [мм];

S - номер секции;

N - наименьший адрес одного из двух проводников, между которыми определено положение указателя.

Более точная координата определяется как:

где Х - интерполированное значение расстояния, на котором находится указатель от одного из двух проводников с наименьшим адресом, между которыми находится указатель. Метод интерполяции в данном случае не принципиален. Следует отметить, что в данном устройстве также необходимо синхронизировать работу электронных устройств управления указателя и планшета.

К недостаткам вышеописанных устройств относится то, что они расчитаны на работу только с одним указателем. В настоящее время в образовательной сфере широко применяются так называемые интерактивные классные доски, которые по сути являются устройствами ввода информации в ЭВМ, аналогичными вышеописанным, только большего размера. Если настольный планшет изначально разрабатывался как устройство индивидуального общения с ЭВМ, то создание классных досок больших размеров (например 1.5×2 м) открывает новые перспективы для коллективного творчества в процессе обучения. Коллективный подход стимулирует повышение внимания аудитории, предоставляет возможности решения задачи несколькими учениками на одном "рабочем поле", решение задач совместно с преподавателем и т.п. Для этого необходима реализации возможности работы с интерактивной доской (планшетом) более чем одним указателем.

В основу настоящего изобретения поставлена задача обеспечения такой возможности. Для решения задачи используется планшет, содержащий множество проводников, расположенных на противоположных сторонах диэлектрической подложки. Каждый из проводников выполнен в виде серпантина, расположенного вдоль одной координаты и смещенного относительно соседних проводников на постоянную величину. Взаимное расположение серпантинов по координатам X и Y ортогонально и выполнено таким образом, что фазы сигналов, наводимых от катушки указателя в каждой четверти рабочего поля, формируют уникальный рефлексный двоичный код - код Грея. Отличием от приведенных выше изобретений является применение двух указателей, в каждом из которых возбуждение катушек происходит на двух разных частотах, например 100 кГц и 200 кГц соответственно, а наведенные в проводниковой структуре планшета сигналы от каждого из указателей отфильтровываются перестраиваемым узкополосным частотным фильтром и анализируются независимо друг от друга.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1.

На фиг.1 представлена упрощенная блок-схема устройства ввода информации в ЭВМ (дигитайзер). Два указателя типа "перо" 1, 2 имеют встроенные автономные схемы управления, которые возбуждают катушки синусоидальным напряжением с частотой 100 кГц и 200 кГц соответственно. Планшет представляет собой наборы проводников, расположенных в виде серпантинов вдоль осей X и Y, по 16 проводников вдоль каждой из осей 3. Взаимное расположение серпантинных проводников выбрано так, чтобы расстояние между соседними проводниками было постоянным (d), а фазы сигналов, наводимых от указателей, чередовались, как показано стрелками. Таким образом, положение любого из указателей в областях А, В, С и D (одна четвертая рабочей области по координате) однозначно определяется путем анализа фаз сигналов при сканировании первых четырех проводников. Т.к. алгоритм определения координат одинаков для обеих осей, для большей наглядности блок-схемы проводники по оси Y показаны условно.

Каждый из 16-ти серпантинных проводников, расположенных вдоль оси X, подсоединен одним концом к одному из входов 16-канального мультиплексора 4, другие их концы объединены в общую точку.

Каждый из 16-ти серпантинных проводников, расположенных вдоль оси Y, подсоединен одним концом к одному из входов 16-канального мультиплексора 5, другие их концы также объединены в общую точку. Выход каждого из мультиплексоров 4 и 5 подсоединен ко входу усилителя сигнала 6. Выход усилителя подсоединен ко входу перестраиваемого узкополосного частотного фильтра, построенного на основе микросхемы LTC1562-2, состоящей из четырех универсальных фильтров второго порядка. Схема узкополосного фильтра 8-го порядка для частоты 100 кГц представлена на фиг.2. АЧХ такого фильтра представлена на фиг.4.

При расчете значений величин внешних компонентов используются следующие формулы:

R₂=40000·R ₁/f₀,

где R₁=7958 Ом - внутреннее прецизионное сопротивление;

f ₀ - центральная частота фильтра (в данном случае 100 кГц) [кГц].

R_q=(Q·200)/(Q·f ₀) [Ом],

где R₂, R_q - величины сопротивлений на входах секций LTC1562-2 [Ом].

Q - добротность фильтра.

Кроме того, необходимо принимать во внимание, что коэффициент усиления секции с емкостным входом определяется по формуле: K=(Rq/7958)·(Cin/100), а с резистивным входом по формуле:

К=Rq/Rin,

где Rin и Rq - сопротивления на входах секций LTC1562-2 [Ом];

Cin - емкость на входах секций LTC15 62-2 [пФ];

К - коэффициент усиления секции.

Как видно из вышеизложенного, параметры каждой секции LTC1562-2, а следовательно, и всего фильтра в целом зависят от величин сопротивлений на входах секций V1, V2 при условии постоянства входных сопротивления и емкости. Причем для частот от 20 кГц до 300 кГц значения этих сопротивлений лежит в пределах от 500 Ом до 100 кОм. Таким образом, замена всех резисторов в схеме фильтра на фиг.2, за исключением Rin2 и Rin4, на цифровые потенциометры МАХ5401 (100К), управляемые по трем проводникам от микроконтроллера, создает престраиваемый узкополосный фильтр восьмого порядка с хорошей добротностью, узкой полосой пропускания и пределами установки центральной частоты от 20-300 кГц, схема которого представлена на фиг.3.

Микроконтроллер 10 осуществляет настройку узкополосного фильтра на заданную частоту, путем изменения значений сопротивлений в четырех секциях фильтра, управление мультиплексорами, получает информацию от фазового детектора, регистрирует значения амплитуд сигналов, производит необходимые вычисления и передает информацию, содержащую абсолютные координаты указателей в ЭВМ. Определение абсолютных координат осуществляется в соответствии с алгоритмом, блок-схема которого представлена на фиг.5.

Определение координат указателей происходит с определенной периодичностью, определяемой требованиями к быстродействию устройства и производительностью микроконтроллера. В начале цикла определения координат происходит инициализация накопленных ранее данных. Затем микроконтроллер настраивает фильтр на частоту излучения катушки первого указателя (100 кГц) и с помощью мультиплексора 4 по очереди подключает ко входу усилителя все проводники с 0 по 15, расположенные вдоль оси Х.

Для каждого проводника, наведенный в нем сигнал поступает на вход усилителя, а с выхода усилителя на вход перестраиваемого фильтра. Затем отфильтрованный сигнал поступает на входы фазового детектора и выпрямителя. С выхода фазового детектора значение фазы поступает на один из входов общего назначения (GPIO) микроконтроллера. С выхода выпрямителя выпрямленный сигнал с определенной амплитудой поступает на вход преобразователя напряжения в частоту. Полученная частота, пропорциональная амплитуде сигнала, поступает в виде прямоугольных импульсов на один из входов общего назначения микоконтроллера, в котором измеренному значению частоты ставится в соответствие цифровое значение амплитуды аналогового сигнала. На основании значений фаз для первых 4-х выбранных проводников определяется четверть рабочей области (А,В,С или D), в которой находится указатель. Например, если указатель находится в четверти А, 4-битный код Грея, соответствующий этой четверти будет 1100, для четверти В 0110, для четверти С 1001 и для четверти D 0011 соответственно. Затем микроконтроллер определяет номера двух проводников из 16-ти с максимальными значениями амплитуды наведенного сигнала и противоположными фазами. Грубо на данном этапе координата X указателя определяется по формуле (1). Затем точное положение указателя определяется путем вычисления Х.

Для этого микроконтроллер вычисляет коэффициент R по формуле:

R=|A|/(|A|+|B|),

где А - амплитуда сигнала, наведенного в проводнике, расположенном слева от

указателя;

В - амплитуда сигнала, наведенного в проводнике, расположенном справа от указателя.

Значения беруться по модулю, т.к. имеют противоположные знаки. Затем вычисляется Х=D·R и, по формуле (2), координата X. Координата X временно запоминается в ОЗУ микроконтроллера и, по точно такому же алгоритму, вычисляется координата Y для выбранного указателя. После этого микроконтроллер перестраивает фильтр на частоту излучения электромагнитной катушки второго аркера и процедура вычисления координат повторяется. По окончании измерений и вычислений пара координат {X₁,Y₁} и {Х₂,Y ₂} передается в ЭВМ для последующей обработки и цикл определения координат указателей повторяется снова.