磁信号书写笔技术资料最终.docx
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磁信号书写笔技术资料最终
产品与技术分析
1产品简述——磁信号书写笔
本产品——磁信号书写笔采用先进的磁敏传感技术、最新手写识别技术、无线传感与充电技术，无需特殊传感材料支持,例如触摸板、手写板等，有效解决了触摸板的使用不方便、寿命短、灵敏度低等问题，改变了我国主要以手写板、触摸板为市场的情况、手写板、触摸板由于操作不便和低效率等问题而难以真正替代和融入笔纸书写交流的传统书写方式。
一种先进的书写方式能有效推动社会信息化，促进办公自动化和带动相关产业链的发展。
1.1产品概述
磁信号书写笔是一种能广泛应用于教学、商务、娱乐等需要进行信息化处理场合的电子辅助设备。
当使用者使用该书写笔时，笔尖轨迹运动球开始转动，由系统内置磁敏电阻组成的信号采集矩阵盘扫描信号，并将扫描后的信号送由处理器处理，之后将整理好的信号数据通过无线发射器发射、接收并处理成符合USB协议的可用数据，经PC端软件对数据进行处理，最终显示在终端电子设备上。
由此可实现无需特制压感材料（如手写板、触摸板）即可实现信息的书写与识别功能，能够直接在任何介质上进行书写，其原始笔迹可传送给电脑、手机、PDA等电子设备上显示、存储和处理。
图1-1磁信号书写笔示意图
1.2产品结构
磁信号书写笔主要有以下四大模块组成：
1信号采集模块
2信号发射与接收模块
3信号处理模块
4上位机软件处理显示模块
1.3性能指标
本产品所具有的功能在国内外电子笔应用中尚属首例，为我国电子笔规模推广的目标奠定了关键性基础，在产品的性能、用途等方面都实现了创新性的突破。
下表是本产品性能的简单介绍。
表1-1产品基本介绍
与实际手写真实感相差
3%～5%
书写显示准确率
90%～95%
操作简易度
简易
操作舒适度
舒适
1.4产品功能
①应用于教育产业的教辅产品－教辅笔
教师采用此笔上课时，无需挂接话筒等其他设备，此笔既是一个无线话筒，又是一个实体电子教鞭，教师在教师内走动，想写什么，即可以在手上纸上屏幕上等任何地方进行书写，并在投影屏幕上显示出来，相当于把计算机的屏幕变成教师的隐形手写板或笔记本，但书写舒适感和在纸上书写一样，以方便教学培训使用，而且提高了教师的授课质量，上位机的软件还能够将教师的书写笔迹嵌套进PPT，也利于学生复习使用。
②高级培训场合
讲师使用此产品便于把临场想到的东西记录下来并传授给听课者更有利于讲师与听众之间的沟通，提高讲课效率。
③企事业单位开会
每人都可以把自己想到的通过此产品传到多媒体上或电脑上供大家讨论使用并能自动保存记录，使每个人的观点更容易的表达出来，且对于临时性的想法更容易记录。
④个人PC—计算机辅助书写笔
将功能完善的产品推广到个人电脑上，将是一款能够与鼠标想媲美的计算机部件，拥有鼠标的功能但又比鼠标功能强大得多，必将成为PC的必备设备，计算机的显示页面将完全隐化为人们所熟悉的书写纸了，这将给以实体书写纸向电子书写纸过度的时代以强大的推动力。
⑤应用于电子商务的新一代电子签名和防伪措施应用。
随着经济全球化的发展，和科技的日益发展，电子商务已表现出越来越强的生命力了，这就急需一种安全性高、方便使用的新一代电子签名技术，而此产品将为新时代的电子商务给以足够的向前发展的动力。
⑥即时通讯
能够联网进行通讯，使通讯交流更加便利。
例如A和B用聊天软件来交流学习计划或讨论某学术问题，当语言不能完全表达所说的意思时，便需要动笔写出来，用此产品可以将自己所写的东西在自己和对方的计算机上显示出来，无论公式或图形，而此时具有实体纸性能的电子书写纸就表现出了网络时代无限的生命力了。
如此则实现了即使是遥远的距离也能够做到像面对面交流讨论问题一样，更加有利于提高交流沟通的便利性，更能体现社会的进步性。
⑦书法应用
此产品还可推广为书法应用，这也将会引起实体书法向电子书法的转变，引领书法新潮流，这也是具有突破性的发展方向。
2.产品创新
（一）本产品最大的创新点就是此笔可以在任意介质上书写，不需要专门的书写纸，方便，并且不需要笔芯，可以永久使用。
而且显示出来的均是电子笔迹，便于保存。
（二）作为新一代教辅笔，它使教师摆脱了必须在黑板上书写的限制，使教师即使在教室内走动也可以将自己想要表达的写在投影屏幕上。
虽然利用鼠标也可以在投影屏上写字，不过鼠标写字很不方便，不仅费劲，而且显示出来的字还很不好看，但此笔用起来就很方便了，因为它符合人们的书写习惯。
（三）此笔将现实中的物理书写跟电子网络有效的连接在一起，提供了一个更好的人机交互界面，使人机交互更加方便快捷，从而提高了人们的工作效率，同时也促进了信息化时代的向前发展。
（四）价格低：
磁敏电阻价格低廉,稳定性好,或者采用微型磁通门,均是成熟是元器件,且性价比高。
（五）单片机和无线模块性价比都是比较高的,且上位机软件采用开源方式,用户可进行二次开发.利于软件功能的增强和进步。
3.技术方案
（一）工作原理：
本设计主要利用磁敏电阻的作计量和检测元件（动态测量、位移测量及角度变换）来设计。
笔端获取书写信号：
笔头获取信息的部分为带磁性钉子球体（轨迹球）和磁敏电阻球形矩阵盘，图3-1为磁敏电阻矩阵盘的示意图，当书写时，笔头的球珠滚动，矩阵盘上相应微小的磁敏电阻的电阻值就会发生变化，变化值通过信息输出点输出.图3-2为磁敏电阻矩阵盘上的磁敏电阻排列和信息输出原理图。
图3-3为磁敏电阻矩阵盘信号输出模块立体示意图。
图3-4为磁敏电阻矩阵盘上角度信息计算示意图，角度信息计算就可以得出轨迹及每笔的偏转方向。
图3-1磁敏电阻矩阵盘示意图
图3-2磁敏电阻排列和信息输出原理图
图3-3磁敏电阻矩阵盘信号输出模块立体示意图
轨迹组合处理：
这个过程即是对笔的书写的轨迹进行精确的组合再现，再现所需要的参数为：
每一划的长度、运动方向（在基准参考方向条件下），则矩阵盘的点间距离都是一定的，可以用来计量长度，而计量的快慢还可以做为书写速度快慢的体现；若矩阵盘是8*8的矩阵，则取（0,0）和（4,7）作为计算点，便可以计算出这张数据矩阵上的轨迹方向了；当采集频率够高时，则相当于把书写的每一划都进行微分处理，划分的越细，则精度越高。
在此基础上，便可实现轨迹的精确再现。
图3-4磁敏电阻矩阵盘上角度信息计算示意图
PC机软件工作原理：
PC机软件获得矩阵盘信号后，对这些数据矩阵进行重叠比较操作，得出轨迹的运动走向，并对运动走向进行时间积分得出整体的运动轨迹，然后进行显示。
图3-5数据矩阵重叠示意图
（二）模块详述：
①信号获取与处理：
书写轨迹的信号通过磁敏矩阵来采集，而模拟开关控制和磁敏矩阵相对应的磁敏电阻与高速AD的接通情况，通过AD后就获得了相应的数字信号，将采集的各个磁敏信息整合成相应的信号矩阵信息，通过无线模块将信息矩阵传送到接收端。
在这个过程中作为处理这些信息的处理器采用ARM7处理器。
②外部辅助设备：
无线单元发送信号到PC机上，PC机通过软件处理，构建平面矩阵，接着对数据矩阵进行拼接，将矩阵里面的高信号或者低信号提取出来，即构成轨迹的运动图，这样就可以提取出轨迹球运动轨迹，也即书写的轨迹。
主要工作示意过程：
见图5.
图3-6工作流程图
图3-7工作流程图
（三）具体设计
图3-7教辅磁信号书写笔的外观结构图
书写笔整体结构：
1在锁闭书写功能的时候，作为PPT翻页功能使用；当使用电子白板的时候，作为电子白板长度功能使用
2当使用电子白板的时候，作为电子白板宽度功能使用
3电子白板功能键，当使用者需要使用白板功能的时候，可以开启电子白板功能，这样使用者就可以在电子白板上进行书写，演算之类的操作
④电子白板透明化功能键，在使用电子白板的时候，若需要观看白板后面的其他材料时，可以将白板透明化，这样可以方便信息的获取和实现电子白板的使用灵活性
4单击：
作为电子橡皮按钮功能使用，在使用书写的过程中，出现书写错误或取消所写的字迹，则只需使用这个电子橡皮，就可以把所写的字迹擦除
双击：
作为书写锁闭功能使用，在笔的使用过程中，当真实的书写空间不足时，需将笔往回提，以提供书写空间，这时不希望在屏幕上的书写位置发生改变
⑥笔身
图3-8一般用磁信号书写笔的外观结构图
①挂钩：
方便携带
②单击：
作为电子橡皮按钮功能使用，在使用书写的过程中，出现书写错误或取消所写的字迹，则只需使用这个电子橡皮，就可以把所写的字迹擦除
双击：
作为书写锁闭功能使用，在笔的使用过程中，当真实的书写空间不足时，需将笔往回提，以提供书写空间，这时不希望在屏幕上的书写位置发生改变
③笔身
图3-7笔的外形和功能按键设计主要针对是上课、会议等场所用的书写笔。
图3-8针对的场合是生活中用的。
因为有的功能键很少用到所以删除了一些按键。
笔部分结构设计
1.电源
1.笔端的移动电源
此笔上采用了无线技术和精密的信号采集技术制作的单元,对噪声都比较敏感,为减少噪声对这些单元造成影响,则需要使用使用具有较高的纹波抑制比,很低的噪声电压值的电源进行供电,而且还要考虑到电池的使用时间,所以采用MAX8890稳压器,MAX8890采用QFN封装,尺寸仅为4*4*0.85mm，所以在满足要求的前提下，体积已是很小符合要求。
MAX8890主要技术参数表
MAX8890的封装引脚及典型应用电路
2.充电部分:
（无线加有线充电）
2.坐标系确立模块：
高精度三轴加速度模块
要完整地实现字体的显示方向规范，以及字体的组合不导致错乱，就需要在字体信号获取的过程中，拥有确立的坐标作为参考方向，这样可以容易实现坐标的任意变换，有利于笔迹输入的正确显示，但在笔书写的过程中，笔是属于运动的物体，所以采用动态垂直参考坐标系实现书写轨迹参考方向的确立。
定中心坐标的方法：
将笔在开始书写之前，点一下，则会把这个信号作为定出中心坐标的信号。
采用高灵敏度的三轴加速度传感器MMA8452Q来实时检测笔运动的加速度状态，实现对中心坐标的确定以及笔书写断笔续写的功能。
图2-1MMA8452Q的应用电路
采用MMA8452Q有如下优点：
1、MMA845xQ加速计系列通过在三款先进的加速计里提供嵌入式算法和计算，将传感器智能性提高到新的级别。
该嵌入式加速计与主机处理器结合，有助于对上下文环境传感做出决定，并在大量消费电子产品（包括平板电脑、电子阅读器和远程控制）中提供记录高精度动作的功能。
2、电池应用的优势包括能够在备用模式下实现1.8微安的低电流消耗，在激活模式下实现低至6微安的电流消耗，并且从高分辨率到低功耗总共包括4种功率模式，从而提供同类最佳的省电功能，并通过极高的分辨率完成极细小动作的检测。
3、MMA845xQ加速计包括大量实时动作检测功能，如方向、定向震动和摇晃、摇晃和自由落体检测。
这些设备功能齐全，可以支持用于捕捉、弹开等基本姿势的低端应用，用于较为复杂的位置和三维姿势检测等中端应用，以及航迹推算或倾斜检测精度等高端应用。
4、支持不同的应用，MMA845xQ加速计提供大范围的带宽以及1.5-800Hz的用户配置采样率，I/O接口的操作电压为1.62V-3.6V。
5、MMA8451Q加速计包括一个片上FIFO（先进先出）内存缓冲器，可以保存X/Y/Z轴数据的32个样集。
通过减少主机处理器负荷，有利于改善功耗状况和缩短系统响应时间。
将FIFO缓冲器与其他嵌入式功能结合，可以让主机处理器只分析所需的数据，而且还能在同一IIC总线上复用其他传感器的同时防止数据丢失。
FIFO与主机处理器相结合，可以将当前消耗节省的百分比从78%提高到96%或更高，这取决于选定的微控制器和输出数据速率的情况。
6、MMA8452Q的亮点：
（1）12和14位数字输出
（2）分辨率：
（14位）–0.25mg;（12位）1mg（3）噪音低：
每根赫99微克（与分辨率无关）（4）低功率模式：
6微安（5）I/O接口电源：
1.62至3.6（6）电源电压：
1.95至3.6V（7）输出数据速率1.5至800Hz（8）2个可编程中断引脚，可用于7个中断源（9）嵌入式动作检测功能（10）自由下落或动作检测（11）脉冲检测（12）摇晃检测（13）带滞后补偿的方向（横向/纵向）检测（14）自动输出数据率变化实现自动唤醒/休眠（15）自测（16）嵌入式32样本FIFO缓冲器（17）按照FIFO规则在样本上提供高通滤波数据（18）小型3x3x1.0mmQFN封装
3.无线收发模块：
此笔采用无线发射信息，且信息量由获取信号的精度的提高，信息量的增大，所以采用CC1100无线模块，CC1100收发器集成了一个高度可配置的调制解调器。
这个调制解调器支持不同的调制格式，其数据传输率可达500kbps。
通过开启集成在调制解调器上的前向误差校正选项，能使性能得到提升。
而笔的金属外壳即可作为天线使用。
图2-2CC1100应用电路
CC1100-232无线模块特点：
1.低功耗模块，最大发射功率10mW，推荐使用10mW，以达到最佳的通信效果
2.载频频段433MHz：
推荐使用433MHz频段，该频段为免费ISM频段免许可证使用（420MHz～440MHz）。
还可以为用户提供其他的载频频段475MHz、868MHz和915MHz选择（需要定制）。
3.高抗干扰能力和低误码率
基于FSK的调制方式，采用高效前向纠错和信道交织编码技术，提高了数据抗随机干扰和突发干扰的能力，在信道误码率为10-2时，可得到实际误码率10-5~10-6。
4.传输距离远在直线可视情况下，天线放置高度位置>2米，9600bps可靠传输距离大于200m（BER=10-3/9600bps）；1200bps传输距离可达300m（BER=10-3/1200bps）。
5.支持透明的数据传输及DL/645规约。
提供透明的数据接口，能适应任何标准或非标准的用户协议。
自动过滤掉空中产生的假数据（所收即所发）；通信软件支持无线抄表系统的DL/645规约。
6．256个可编程信道（20M频段）
在同一个频段可以按照用户200KHz间隔频点则可以提供至少256个信道，满足用户多种通信组合方式。
7.提供3种接口方式。
提供3选1接口方式，TTL电平UART接口、标准电平的RS-232或标准的RS-485接口。
8.单芯片设计降低成本
采用专业的单芯片模块设计，降低了用户使用成本
9.全金属外壳设计（可选）
CC1100-232的结构可选为全金属外壳设计，超小型体积；电磁兼容性能极好，可嵌入安装于各种仪表中而不会发生干扰。
10.大的数据缓冲区
接口波特率等于空中有效波特率，提供3种用户可选波特率：
4800、9600、19200bps（接口速率最高可设置到19200bps）；数据格式为8N1/8E1/8O1用户自定义，可传输最长为30字节的数据帧，用户编程更灵活。
11.智能数据控制，用户无需编制多余的程序。
即使是半双工通信，用户也无需编制多余的程序，只要从接口收/发数据即可，其它如空中收/发转换，控制等操作，模块自动完成。
12.多种天线配置方案，满足用户不同的结构需要。
可配置镀银弹簧天线、多种增益的柱状天线、吸盘天线等。
4.数据采集
1.磁敏矩阵模块
磁敏矩阵是作为信号的采集使用，在拿着笔书写的时候，没有任何的触屏设备支持，所写的轨迹由轨迹球的滚动导致磁敏矩阵上的矩阵信息变化，通过变化的记录来绘制书写轨迹；磁敏矩阵信号采集模块安置于轨迹球的上方。
图4-1信号采集外观示意图
图4-2磁敏电阻排列和信息输出原理图
磁敏矩阵：
上图是磁敏电阻排列和信息输出原理图,可变电阻是磁敏电阻,当长度方向有电流通过时，若在垂直于电流片的宽度方向上施加一个磁场，磁敏电阻长度方向上就会发生电阻率增大的现象，所以，当带有磁性的球滚动时，这样在8*8的磁敏电阻的输出口的电压就会发生变化，用AD采集到每个信号输出口的电压，再与设定的初值对比就可以获得变化值。
下图是磁敏电阻感应区与磁钉空间位置关系图，是把一个立体图形展开后的关系图形。
图中宽黑线框内表示的是磁敏电阻感应区，他在空间上显示的是一个圆弧，他的面积是一个磁钉磁场的4倍，蓝色的正方形表示的是一个磁钉磁场所能辐射到的范围，他们在某一时刻的关系图就是图中所看到的。
图4-3磁敏电阻感应区与磁钉位置关系图
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图4-4状态输出矩阵图
图4-4采集到信号的一部分数据，他是以矩阵的方式保存和发送的。
矩阵是由0和1构成的，一个单元就可以表示出两个状态，而这个单元的表示出来的是8*8磁敏矩阵信号输出口的状态，0表示磁敏电阻下方没有磁场，1表示的磁敏电阻下方有磁场。
在图4-4中的第一张图中，它的状态输出图对应的磁场与磁敏电阻感应区相对位置就是图4-3所表示出来的，第二张图形和后几张图形可以根据状态输出矩阵图来确定磁场与磁敏电阻感应区的位置关系。
通过对所采集的几张信号矩阵进行重叠比对操作，便可得出轨迹的运动走向，并对运动走向进行时间积分，便可得出整体的运动轨迹。
下图是磁敏电阻矩阵盘信号输出模块立体示意图，在实际的设计中会是个球面使得检测范围更大，更加灵敏。
4-5磁敏电阻矩阵盘信号输出模块立体示意图
如果采用8*8的磁敏矩阵，就要64个输出口，安装实际的情况每秒需要采集500张磁敏矩阵电阻输出的状态，那么采集到一张矩阵需要1/500=0.002S的时间，采集到一个信号输出口的时间T2=0.002/64=31us。
基于这样的要求所以采用ARM处理器来处理。
1.轨迹球
下图是轨迹球，在方形的格子上会装有一个磁钉，在一个区域内的其他部分就用塑料或者导磁率很低的材料组成，图中的“×”表示的是磁钉的N极，没有符号就表示不放磁钉。
轨迹球安装在笔尖，类似签字笔的球珠。
球珠在球座内可以自由转动，笔在书写时，与书写面直接接触产生摩擦力，使磁钉球在球座内滚动，那么轨迹球上的磁场也会跟随球一起转动。
4-5轨迹球球立体图
5.模数转换
下图是模数转化图，右边是64选一的模拟开关，左边是磁敏矩阵，它的信号输出口的接线图如图所示。
模拟开关有一个输出口与高速AD相连。
图5-1磁敏矩阵与AD连接电路图
以下是模数转换的工作过程图，经过转换和比较后的可以得到最终的数字信号，它就组成了由0、1构成的状态输出矩阵图。
图5-2模数转换的工作过程图
6.信息处理模块及功能键（翻页，白板，电子橡皮）
笔的电子系统的处理核心采用ARM7处理器，LPC111x是基于ARMCortex-M0的微控制器，可用于高集成度和低功耗的嵌入式应用。
ARMCortex-M0是第二代内核，它提供了一个简单的指令集，可以实现确定性行为。
LPC111xCPU的工作频率高达50MHz，满足了整体系统的设计要求。
LPC111x的外设包括：
高达32kB的Flash、8kB的数据存储器、一个Fast-modePlus的I2C接口、一个RS-485/EIA-485UART、2个SSP接口、4个通用定时器，以及多达42个通用I/O引脚。
且LPC111xCPU的体积也小，符合应用于此笔的整个系统。
笔座部分模块设计
1.充电部分模块
2.USB模块和数据收发模块
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