УСТРОЙСТВО ВВОДА ИНФОРМАЦИИ В ЭВМ (ДИГИТАЙЗЕР)
APPARATUS FOR ENTERING INFORMATION INTO COMPUTER (DIGITISER)

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.
9
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=2, 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 ΔХ - 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:
2
1
0
R=40000·R/f,
1
где R=7958 Ом - внутреннее прецизионное сопротивление;
0
f - центральная частота фильтра (в данном случае 100 кГц) [кГц].
q
0
R=(Q·200)/(Q·f) [Ом],
2
q
где R, R - 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 ΔХ.
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.
1
1
2
2
Значения беруться по модулю, т.к. имеют противоположные знаки. Затем вычисляется ΔХ=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 {X,Y} и {Х,Y} передается в ЭВМ для последующей обработки и цикл определения координат указателей повторяется снова.