专利名称：笔位置传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种与点读机配套使用的笔位置传感器。
技术背景
目前，市场上有多种共幼儿、儿童使用的语音学习装置，有电子语音书、 早教机、点读机等，虽然名称不同但工作原理是基本相同的，现在"点读机" 的说法占有主导地位，为了描述方便，我们姑且称它为点读机，它们共同的 特点是由笔位置传感器和主机两部分组成，笔位置传感器检測用户手持的笔 的点击动作的位置，主机根据点击的位置检索与课本对应的多媒体数据并播 放出来。
其中笔位置传感器包括无线信号发射笔、无线信号接收天线阵列和无线 信号接收机，无线信号发射笔检測笔的点击动作并发送无线信号，无线信号 接收机通过无线信号接收天线阵列接收无线信号发射笔发射的无线信号，并 将其处理成点读机主机能接收的信号无线信号接收天线阵列由水平、竖直 两个方向的位置子天线组成，并且相邻位置子天线之间的相对距离是位置子 天线宽度的1/3左右；无线信号接收机包括位置子天线信号调理电路和中央 处理器，其又有两种形式 一种是使用单独的中央处理器将位置子天线信号 调理电路的输出信号处理成坐标数据将其发送给主机的中央处理器(如专利 号为"200420003299.8"的实用新型专利)， 一种是位置子天线信号调理电 路的输出直接发送给主机的中央处理器(如专利号为"2柳62001邻65.9"的 实用新型专利)，主机的中央处理器将来自位置子天线信号调理电路的信号 处理成坐标数据用于检索多媒体数据，值得注意的是，后一种形式无线信号 接收机的中央处理器和多媒体处理的中央处理器共用。
现有的技术方案的笔位置传感器工作方式是扫描方式，需要不停的扫描 各位置子天线的状态，中央处理器一直处于工作状态不能休眠， 一旦休眠则 扫描停止不能正常检測到笔的点击动作，而实际应用中大多数时间里系统等 待用户输入没有什么功能，所以浪费了很多电量，整机功耗比较大。
考虑到硬件成本，在现有笔位置传感器中的无线接收天线矩阵都使用塑 料基材的印刷线路板，其连接线使用导电银浆，另外由于塑料基材的印刷线
3路板中银浆的导电率要比普通印刷线路板中铜皮的导电率大很多，会引入较 大的干扰，由于现有的点读机没能有效的消除干扰，从而影响了点击的准确
度，甚至在一些恶劣的环境中使功能失效，另外银浆的价格昂贵，成本髙；
现有方案的笔位置传感器的另一外一个问题是，由于相邻的子天线之间 的位置偏差是子天线宽度的l/3左右，采样点数相对较少，在点击笔倾斜时 精度会降低很多，如果倾斜的角度比较大的话，点击位置会偏离到用户无法 忍受的程度。
另外，现在市面上的点读机使用的无线信号发射笔多使用开关检测点击 动作，手感差，不符合使用习惯，而"2008200945913"的实用新型专利揭 示的一种检測压力的点读笔，解决了手感问题
实用新型内容
为了解决现有笔位置传感器的功耗大、抗干扰能力差、成本高、笔倾斜 点击精度低、手感差的问题，本实用新型的技术方案如下
构造一种笔位置传感器，包括无线信号发射笔、无线信号接收天线阵 列和无线信号接收机，所述无线信号接收天线阵列包括触发子天线、位置子 天线，所述无线信号接收机包括触发子天线信号调理电路、位置子天线信号 调理电路、中央处理器中央处理器通过模拟开关控制指定的位置子天线和 位置子天线信号调理电路接通，位置子信号天线调理电路与其接通的位置子 天线一起接收来自无线信号发射笔的无线信号，无线信号通过位置子天线信 号调理电路的放大、滤波、检波、放大将信号传递给中央处理器，中央处理 器按照一定的顺序控制位置子天线和位置子天线信号调理电路接通，扫描位 置子天线，并取得每个子天线上的采样数据；本实用新型的特征在于，在中 央处理器休眠、停止位置子天线扫描的状态下，触发子天线信号调理电路和 与接通的触发子天线一起检湄无线信号发射笔发射的无线信号，触发子天线 信号调理电路将无线信号的有无转换成高低电平，当有点击动作时，无线信 号发射笔发射无线信号，触发子天线信号调理电路将发射笔发射的无线信号 转换成一个电平跳沿，电平跳沿触发中央处理器的中断控制器，唤醒中央处 理器，中央处理重新开始工作，中央处理器确认无线信号发射笔抬起且没有 工作需要处理后，中央处理器使能触发子天线，又一次进入休眠状态，可以 看出在没有点击动作的时候，中央处理器处于休眠状态，大大减少了系统功耗。
触发子天线可以有多种形式选择，如图3所示，其优选的触发子天线连 接方式是和无线信号接收天线阵列功能区边缘基本重合的环形导线，和其他 形式的触发子天线相比其信号强度大、制作工艺简单。
触发子夫线信号调理电路的作用是将无线发射笔的键控调幅信号转换 成方波信号，即无线发射笔发射无线信号和不发射信号时触发子天线信号调 理电路输出不同的电平，从而当有点击动作时会产生一个用于唤醒中央处理 器的跳沿，其有两种优选方案，其一是使用检波整形电路，其优点是整个系 统中对信号的放大倍数较低，不用将调幅信号的基频放大到方波，不易产生 寄生震荡，pcb板易于设计，其二使用锁相环频率捕捉电路，其优点是环境 抗干扰能力强；所述检波整形电路主芯片使用LM324及其替换型号芯片， 其特点是功耗较低、价格低廉、低电压工作，所述锁相环频率捕捉电路主芯 片使用CD4046及其替换型号芯片，其特点是功耗非常低；其中"替换型号" 是指电气性能相同，而因厂家不同致使名称不同的型号。
所述无线信号接收天线阵列，印刷在塑料基板之上，包括一网状结构抗 干摊屏蔽层，抗干扰屏蔽层是和位置子天线、触发子天线没有直接电气连接 的地层，抗干扰屏蔽层的作用是屏蔽通过电容耦合施加到位置子天线、触发 子天线上的干扰噪音,特别是手的干扰，由于平面地的涡流效应比较强会使 无线发射笔的发射信号衰减严重，又大面积的铺地会增加制作成本，所以屏 蔽层的走线使用网状结构，网格的设计以能覆盖住位黉子天线为准，这样会 使信噪比提高很多，使笔位置传感器的稳定性加强、精度提高。
所述带有网状结构抗干扰屏蔽层的无线信号接收天线阵列，使用碳浆印 刷，由于使用了网状屏蔽层会使抗千扰能力大大加强，还可以认为增加了网 状屏蔽层的无线信号接收天线阵列对干扰抑制性能太优越了，可以对其他和 抑制干扰相关的设计指标放宽，其中一个童要的抑制干扰相关的设计指标就 是位置子天线的电阻率，对位置子天线的龟阻率要求下降了，就可以使用成 本更加低廉的碳浆印刷无线信号接收天线阵列，降低成本。
在本实用新型中，所述的无线信号接收天线阵列，其位置子天线之间的 位置偏移尺寸是位置子夫线宽度的5倍，和现有方案中位置子天线的位置偏 移尺寸是位置子天线宽度的3倍枏比，在一次点击中采样到的有用数据多 了，采样数据中增加了笔的高度和倾斜角信息，使传感器可以精确探测的无 线信号发射笔点击时高度和倾斜角信息，从而提高了在无线信号发射笔倾斜点击情况下的精确度。
本使用新型的无线信号发射笔，采用带压电式压力传感器的点读笔，由 于其点击的力度小，笔尖的行程小，使用手感号，更符合使用习惯。
总结本实用新型的无线点读笔，有以下优点
功耗小、抗干扰能力强、成本低、精确度髙、手感好，可感知无线发射笔 的髙度和倾斜度。
附闺说明
图1本实用新型原理框图
图2无线信号接收天线阵列隐藏屏蔽层的板图
图3触发子天线外形图
图4主芯片使用LM324的检波整形电路阁
图5主芯片使用CD4046的锁相环频率捕捉电路图
图6网状结构抗干扰屏蔽层的连线外形图
图7位置子天线的相互位置关系图
具体实施方式
本实用新型的具体实例描述如下
如图l所示，无线发射笔在用户有点击动作时发射无线信号，中央处理 器指定无线信号接收天线阵列中的一个子天线接收信号，并将接收到的无线 信号通过连接器、模拟开关送给无线信号接收机的放大电路，放大电路将接 收到的信号放大，放大器输出信号中噪音和信号并存，放大器输出连接到滤 波器，滤波器将噪音滤除，将干净的信号送至检波器检波，检波器将检出的 峰值输出经放大器2放大给中央处理器，中央处理器使用其模数转换器獮定 其值，至此一个采样数据完成，然后中央处理器再根据霈要通过控制模拟开 关使能一位置子天线重复以上过程，直到将所有的数据采集完成，中央处理 器接下来分析所得到的数据并且将其转换成坐标数据，通过串口直接发送给 多媒体处理机。
通过上面的描述可以看出，无线信号的处理过程和调幅收音机、键控调 幅调制遥控接收机的过程基本相同，而且在现有的点读机、写字板方案枏关的公开资料中多有描述，在此不再详细累述本领域的公知技术，本领域的工 程师完全可以在其掌擓的方案中结合本实用新型描述的方案，得到本实用新 型提到的有益效果。
如图l所示，在滤波器的输出端还连接有触发子天线信号调理电路，当 中央处理器休眠时，其控制模拟开关将触发子天线连接到如图1所示的放大 器1上，触发子天线信号调理电路的作用是将其前端传送来的由键控调幅波 转换成髙低电平，为休眠状态的中央处理器提供唤醒的中断跳沿，触发子天
线信号调理电路可以有两种优选的实施方法，其一是如图4所示的主芯片使 用LM324的检波整形电路，其一是如图5所示的主芯片使用CD4046的锁 相环频率捕捉电路。
如图4所示的主芯片使用LM324的检波整形电路，输入端(41)的输 入的是经过前级放大、滤波的键控调幅信号，经R43、 R44、 R4S、 Q2、 C8 组成的运算检波器检波，形成和输入(41)的峰值包络形状相同的键控信号， 运算放大器(43)是射级跟随器，起到阻抗变换的作用，输入输出波形不变， 运放(45)、 Cl、 R32、 R33形成隔直反向放大器，将前级的键控信号直流 偏置重置并将交流信号放大，运放(44)、 R37、 R38、 R39组成带有回差电 压的比较器，将键控包络信号整形为方波，输出(42)链接到中央处理器的 中断脚；其中运放(43)、运放(44)、运放(45)同处在一个LM324芯片 之上；考虑到电路的利用率，R43、 R44、 R45、 Q2、 C8组成的运算检波器 检和运算放大器(43)和阁1所示的检波器共用。
如圉5所示的主芯片使用CD4046的锁相环频率捕捉电路，CD4046的 典型应用，输入端(51)的输入的是经过前级放大、滤波的键控调幅信号， 如果键控信号的频率落在由R1、 R2、 Cl组成的选频网络的频率范围之内， 并且幅值大于100mV时，输出端(S2)则输出高电平，当键控调幅信号消 失则输出端(52)则输出低电平，输出(52)链接到中央处理器的中断脚； 由于CD4046中有两个相位比较器功能相同，其输出放别是CD4046的10 脚(54)和CD柳46的20脚(53),所以R3连接CD4046的加脚的一端更 改为连接IO脚功能不变。
如图3所示，是触发子天线外形图，其中连接端子(31)连接的加黑的 连线是触发子天线，其沿着位置子天线的边缘形成环形结构。
圉6所示是网状结构抗干扰屏蔽层的连线外形图，网状结构抗干扰屏蔽 层连接到地，与图2所示的无线信号接收天线阵列的子天线对比，它们形状相同，并且接收天线阵列的每个子天线都被覆盖，值得注意的是，无线信号 接收天线阵列安装时屏蔽层要在子天线之上，即屏蔽层要更接近手，这样才 能更好的起到屏蔽作用。
如图7所示的位置子天线的相互位置关系图，是图2所示的无线信号接 收天线阵列的右下角的四根位置子天线，如图7所示无线信号接收天线阵列 的水平位置子天线(73、 74)、竖直位豐子天线(71、 72)的宽度相同，相 邻位置子天线的相对偏移尺寸相同，其偏移尺寸约是是位置子天线宽度的 1/5。
点读笔的具体情况请参阅专利号为"2008200945913"的实用新型专利。 完毕
权利要求1、一种笔位置传感器，包括无线信号发射笔、无线信号接收天线阵列和无线信号接收机；其特征在于所述无线信号接收天线阵列包括触发子天线；所述无线信号接收机包括触发子天线信号调理电路。
2、 根据权利要求1所述的笔位置传感器，其特征在于，所述触发子天 线是和无线信号接收天线阵列功能区边缘基本重合的环形导线。
3、 根据权利要求1所述的笔位置传感器，其特征在于，所述无线信号
4、 根据权利要求3所述的笔位置传感器，其特征在于，所述检波整形 电路的主芯片使用LM324及其替换型号芯片。
5、 根据权利要求1所述的笔位置传感器，其特征在于，所述无线信号
6、 根据权利要求5所述的笔位置传感器，其特征在于，所述锁相环频 率捕捉电路主芯片使用CD4046及其替换型号芯片。
7、 根据权利要求1所述的笔位置传感器，其特征在于，所述的无线信 号接收天线阵列，包括一网状结构抗干扰屏蔽层。
8、 根据权利要求7所述的笔位置传感器，其特征在于，所述的无线信 号接收天线阵列是碳浆为连线材料印刷的塑料基材印刷线路板。
9、 根据权利要求1所述的笔位置传感器，其特征在于，所述的无线信 号接收天线阵列，其位置子天线之间的位置偏移尺寸是子天线宽度的1/5。
10、 根据权利要求1所述的笔位置传感器，其特征在于，所述的无线信 号发射笔，使用带压电式压力传感器的点读笔。
专利摘要本实用新型涉及一种与点读机配套使用的笔位置传感器。包括无线信号发射笔、无线信号接收天线阵列和无线信号接收机，所述无线信号接收天线阵列包括触发子天线、位置子天线，所述无线信号接收机包括触发子天线信号调理电路、位置子天线信号调理电路、中央处理器；本实用新型有功耗小、抗干扰能力强、成本低、精确度高、手感好，可感知无线发射笔的高度和倾斜度的特点。
文档编号G06F3/033GK201348772SQ200920101210
公开日2009年11月18日 申请日期2009年1月6日 优先权日2009年1月6日
发明者伟 崔 申请人:伟 崔