Патент на изобретение №2316806

(54) УСТРОЙСТВО ВВОДА ИНФОРМАЦИИ В ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ

(57) Реферат:

Изобретение относится к устройствам ввода информации в электронные приборы, в частности в мобильные телефонные аппараты, компьютеры, пульты управления, бытовые и другие технологические устройства. Технический результат заключается в создании устройства ввода информации, которое позволяет отображать в виде курсора абсолютные координаты позиции беспроводного, миниатюрного манипулятора и передавать с его помощью сигналы управления. При этом устройство может быть интегрировано с управляемым им электронным прибором. Устройство содержит корпус, предназначенный для монтажа конструктивных элементов. На рабочей поверхности корпуса расположен миниатюрный манипулятор, выполняющий функции управляемого элемента. Во внутреннем пространстве корпуса устройства расположены: маркер с возможностью перемещения под воздействием сил магнитного притяжения со стороны манипулятора, датчики магнитного поля и акустических сигналов и оптоэлектронный блок управления, включающий в себя электронную и оптические системы. 8 з.п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение может быть использовано для ввода информации в электронные приборы, в частности в мобильные телефонные аппараты, компьютеры, пульты управления, фото, видео, аудио, бытовые и другие технологические устройства, путем управления курсором, отображаемым на дисплее управляемого электронного прибора, а также путем передачи управляющих сигналов.

Устройства для ввода информации в электронные приборы широко известны. Известно, например, устройство для указания положения манипулятора, описанное в патенте JP №10171582 A (WACOM CO LTD) 26.06.1998. «Указатель положения» [1]. Устройство содержит две расположенные параллельно и с заданным расстоянием между собой поверхности с электропроводным растром. На внешней стороне верхней поверхности установлен манипулятор, являющийся управляемым элементом устройства, манипулятор может содержать в себе постоянный магнит. Между поверхностями с электропроводным растром расположен электропроводный подвижный элемент. При перемещении манипулятора по поверхности устройства, электропроводный элемент перемещается между двумя поверхностями с электропроводным растром, так как на него воздействует сила магнитного притяжения со стороны манипулятора. При этом указанный подвижный элемент, на месте своего расположения, вызывает изменение емкостной связи между указанными поверхностями, что позволяет блоку управления устройством определить координаты положения подвижного элемента и ввести их в компьютер.

Недостатками «Указателя положения» являются низкая надежность, связанная с тем, что емкостная связь между поверхностями с электропроводным растром крайне чувствительна к вибрациям, температурным и механическим деформациям этих поверхностей, возникающим при эксплуатации устройства, что может привести к потере блоком управления контроля координат положения подвижного элемента.

Кроме того, устройство не способно передавать сигналы, необходимые для управления компьютером, как, например, широко известная компьютерная «мышь».

Наиболее близким к изобретению по сущности и достигаемому техническому результату является устройство оптического ввода информации типа «мышь», описанное в патенте US №4751505 НКИ: 340/710 «Оптическая мышь» [2].

В патенте описывается устройство, содержащее корпус, предназначенный для монтажа конструктивных элементов, одновременно выполняющий функцию управляемого элемента и элемента, координаты позиции которого определяются. Корпус имеет на своей поверхности микропереключатели для передачи сигналов управления и содержит в себе электронную и оптическую системы. Оптическая система проецирует изображение участка рабочей поверхности под корпусом устройства, освещаемого источником света, на матричный фотодетектор, входящий в состав электронной системы. Фотодетектор представляет собой матрицу из фотодиодов, построенную на базе технологии КМОП-КМДП. Процессор обработки изображений, входящий в состав электронной системы, делает снимки поверхности под «мышью» с высокой частотой, при этом АЦП процессора, осуществляя построчное сканирование, оценивает освещенность каждого элемента матрицы. На основании анализа череды последовательных снимков поверхности процессор высчитывает результирующие показатели, соответствующие направлению и величине перемещения корпуса «мыши» вдоль осей Х и Y, под воздействием руки оператора. Полученные данные передаются микросхеме-контроллеру, входящей в состав электронной системы «мыши», отвечающей также за реакцию на нажатие микропереключателей, вращение колеса прокрутки и т.д. Данная микросхема уже непосредственно передает в ПК информацию о направлении перемещения мыши, конвертируя данные в передаваемые по интерфейсам PS/2 или USB сигналы. А уже компьютер, используя драйвер «мыши», на основании поступившей по этим интерфейсам информации, перемещает курсор-указатель по экрану монитора и выполняет команды, соответствующие углу поворота колеса прокрутки и нажатию на микропереключатели.

Оптическая «мышь» имеет недостатки.

Конструкция оптической системы и наличие многочисленных элементов в корпусе манипулятора не позволяют выполнить «мышь» в миниатюрном исполнении.

Кроме того, наличие провода для передачи данных и питания ограничивает ее подвижность, а беспроводная «мышь» имеет большой вес, из-за элементов питания и требует периодической зарядки.

Кроме того, для «мыши» необходима горизонтальная рабочая поверхность.

Описанные выше недостатки в совокупности не позволяют применить «мышь» для управления мобильными устройствами, например сотовыми телефонами.

Техническим результатом заявляемого изобретения является создание устройства ввода информации в электронные приборы, которое позволяет отображать в виде курсора на дисплее управляемого электронного прибора абсолютные координаты позиции миниатюрного и беспроводного манипулятора, выполняющего в устройстве функцию управляемого элемента.

Дополнительным техническим результатом изобретения является создание такой конструкции устройства, в которой при помощи миниатюрного и беспроводного манипулятора возможна передача сигналов управления.

Еще одним техническим результатом изобретения является повышение удобства пользования миниатюрным манипулятором устройства.

Еще одним техническим результатом изобретения является конструкция устройства, интегрированная с управляемым им электронным прибором.

Указанные технические результаты достигаются за счет того, что заявляемое устройство ввода информации в электронные приборы содержит управляемый элемент, корпус с установленным в нем источником света и электронной системой, содержащей электрически связанные матричный фотодетектор, процессор обработки изображений и микросхему-контроллер, при этом управляемым элементом является миниатюрный манипулятор, содержащий в себе как минимум один постоянный магнит и размещенный на поверхности корпуса, при этом источник света выполнен в форме плоской светоизлучающей панели, установлен напротив и параллельно фотодетектору, при этом между источником света и фотодетектором размещен маркер, содержащий в себе как минимум один постоянный магнит и выполненный с возможностью перемещения параллельно поверхности фотодетектора, под воздействием сил магнитного притяжения со стороны манипулятора, при этом процессор обработки изображений выполнен с возможностью определения координат позиции маркера по его тени на поверхности фотодетектора.

Кроме того, в корпусе устройства дополнительно установлен как минимум один датчик, чувствительный к магнитному полю маркера и электрически связанный с микросхемой-контроллером.

Кроме того, в корпусе устройства дополнительно установлен датчик акустических колебаний корпуса, при этом электронная система устройства дополнительно содержит блок обработки импульсных акустических сигналов, электрически связанный с указанным датчиком и микросхемой контроллером.

Кроме того, манипулятор дополнительно содержит как минимум один излучатель импульсных звуковых сигналов в виде упругой мембраны.

Кроме того, на поверхности манипулятора, в центре его верхней части, выполнено углубление.

Кроме того, манипулятор и маркер дополнительно содержат наружный слой материала с низким коэффициентом трения.

Кроме того, маркер дополнительно содержит узел блокировки самопроизвольного движения.

Кроме того, что маркер выполнен с возможностью перемещения и вращения параллельно поверхности фотодетектора, под воздействием сил магнитного притяжения со стороны манипулятора, при этом маркер дополнительно содержит непрозрачную диафрагму, в которой имеется как минимум одно прозрачное окно, а процессор обработки изображений выполнен с возможностью определения координат позиции и угла поворота маркера, по его тени на поверхности фотодетектора.

Кроме того, устройство интегрировано с управляемым им электронным прибором.

Сущность изобретения поясняется следующими графическими материалами.

Фиг.1а – общий вид устройства, в сечении.

Фиг.1б – общий вид устройства с возможностью передачи сигналов управления, в разрезе.

Фиг.1в – устройство с магнитами в форме квадратной рамки, в разрезе.

Фиг.1г – устройство с кольцевыми магнитами, в разрезе.

Фиг.2а – схемы взаимодействия магнитных полюсов манипулятора и маркера с магнитами в форме квадратной рамки.

Фиг.2б – схемы взаимодействия магнитных полюсов манипулятора и маркера с кольцевыми магнитами.

Фиг.3а – иллюстрация к словесному описанию алгоритма нахождения координат и угла поворота манипулятора, в общем виде.

Фиг.3б – иллюстрация к словесному описанию алгоритма нахождения координат и угла поворота манипулятора.

Фиг.4 – блок-схема алгоритма нахождения координат манипулятора и угла его поворота.

Фиг.5 – блок-схема принципа работы устройства по примеру 1.

Фиг.6 – блок-схема принципа работы устройства по примеру 2.

Фиг.7 – блок-схема принципа работы устройства по примеру 4.

Фиг.8 – временная диаграмма передачи и преобразования импульсных акустических сигналов.

Фиг.9а – общий вид устройства, интегрированного с управляемым электронным прибором, вид сверху.

Фиг.9б – разрез (А-А) интегрированного устройства.

Фиг.10 – структурная схема устройства.

Заявляемое устройство (фиг.10) содержит: 1 – корпус, 2 – фотодетектор, 3 – манипулятор, 4 – маркер, 5 – источник света, 6 – датчик акустических колебаний корпуса, 7 – датчик, чувствительный к магнитному полю маркера, 22 – рабочая поверхность, 23 – электронная система.

Манипулятор 3 является управляемым элементом устройства и расположен на рабочей поверхности 22 корпуса 1. Кроме того, устройство содержит в себе маркер 4, являющийся элементом, координаты позиции которого определяются. При этом фотодетектор 2, датчик акустических колебаний корпуса 6 и датчики, чувствительные к магнитному полю маркера 7, являются чувствительными элементами электронной системы 23.

Фотодетектор 2 является чувствительным элементом процессора обработки изображений (не обозначен), входящего в состав электронной системы устройства 23, выполняет роль позиционно-чувствительного датчика. Фотодетектор 2 представляет собой матрицу из фотодиодов, являющихся светочувствительными элементами, при этом матрица изготовлена, например, по стандартной технологии КМОП-КМДП на основе аморфного кремния, с архитектурой активных или пассивных пикселов [3]. Подобный матричный фотодетектор, но меньшего размера, применяется в прототипе, кроме того, подобные матричные фотодетекторы применяются в устройствах ввода графической информации в вычислительных системах [4] и в других устройствах [3]. Матричный фотодетектор 2 расположен во внутреннем пространстве корпуса устройства под рабочей поверхностью 22 (фиг.1a) и имеет размеры, пропорциональные размерам дисплея. Для управления персональным компьютером фотодетектор может иметь размеры: 70 × 90 мм, для управления сотовым телефоном фотодетектор может иметь размеры: 10 × 10 мм, возможно исполнение матричного фотодетектора и с другими размерами. Количество светочувствительных элементов матричного фотодетектора 2 выбирается в соответствии с требуемым разрешением устройства. При этом, так как устройство позволяет определить абсолютные координаты положения манипулятора, его разрешение можно считать достаточным на уровне разрешения дисплея. Например, для управления персональным компьютером, количество элементов матрицы может составить: 1280·10241,3·10⁶, для управления сотовым телефоном, количество элементов матрицы может составить: 100·100=1·10⁴, возможно изготовление матричного фотодетектора и с другим разрешением.

Источник света 5 представляет собой плоскую светоизлучающую панель, расположенную во внутреннем пространстве корпуса устройства напротив и параллельно матричному фотодетектору 2, на расстоянии более толщины маркера 4 (фиг.1а). В качестве светоизлучающей панели используется, например, электролюминесцентная лампа рулонного типа, создающая равномерное рассеянное освещение с высокой яркостью свечения (порядка 50 люкс) [5], [6]. Линейные размеры светоизлучающей панели равны линейным размерам матричного фотодетектора. Спектр излучения светоизлучающей панели соответствует диапазону спектральной чувствительности фотодетектора.

Манипулятор 3 в простейшем случае представляет собой постоянный магнит (фиг.1а). При этом часть поверхности корпуса устройства 1, по которой производят перемещения манипулятора с целью ввода информации в электронный прибор, образует рабочую поверхность 22. Устройство может быть интегрировано с управляемым им электронным прибором, в этом случае рабочей является часть поверхности управляемого прибора, например, в сотовом телефоне (фиг.9а, б). Часть корпуса 1 устройства, расположенная под рабочей поверхностью 22, по которой производят перемещение манипулятора, выполнена из немагнитного материала, например пластмассы. Под рабочей поверхностью, смежно к манипулятору, расположен маркер 4, в простейшем случае представляющий собой постоянный магнит (фиг.1а). Постоянные магниты манипулятора и маркера изготовлены, например по технологии магнитопластов из редкоземельных магнитов, неодим-железо-бор (Nd-Fe-B) [7]. Постоянные магниты манипулятора и маркера могут быть выполнены в форме кольца, диска или квадрата, а также могут иметь и другую форму. При этом магниты могут иметь осевую, радиальную и двухполюсную или многополюсную намагниченность, а также могут иметь и другую намагниченность. Технология изготовления, форма и тип намагниченности магнитов не имеют принципиального значения, принципиальное значение имеет то, что магнитные полюса постоянных магнитов манипулятора и маркера расположены так, что между манипулятором и маркером возникает сила притяжения, обусловленная взаимодействием их магнитных полей [7], [8]. Такое решение позволяет использовать магнитную цепь, образованную постоянными магнитами манипулятора и маркера, для того, чтобы синхронизировать перемещения маркера 4, происходящие под действием силы притяжения со стороны манипулятора 3, с перемещениями манипулятора, происходящими под воздействием пальцев руки оператора (фиг.1а). Манипулятор 3 перемещают по рабочей поверхности устройства 22, при этом по поверхности матричного фотодетектора 2 синхронно и смежно перемещается маркер 4, перекрывая световой поток от светоизлучающей панели 5 к матричному фотодетектору 2 и образуя на его поверхности тень. При необходимости, матричный фотодетектор 2 и светоизлучающая панель 5 могут иметь взаимообратное расположение, при этом под рабочей поверхностью расположена светоизлучающая панель (взаимообратное положение не показано). Таким образом, задача определения координат позиции манипулятора сводится к задаче определения координат позиции маркера, совершающего синхронные и смежные с манипулятором движения.

Процессор обработки изображения (не обозначен), входящий в состав электронной системы 23 (фиг.10), в соответствии с установленным алгоритмом (фиг.4), проводит мультиплексный опрос элементов матричного фотодетектора и переводит при помощи компаратора (не показан) распределенную по площади фотодетектора оптическую информацию, образованную тенью маркера, во временную последовательность цифровых сигналов. При этом опрошенным элементам матричного фотодетектора, находящимся в тени маркера, присваивается значение 0, а элементам, находящимся вне тени маркера, присваивается значение 1, и далее процессор по установленному алгоритму определяет координаты позиции маркера, при этом на дисплее управляемого электронного прибора отображаются абсолютные координаты позиции манипулятора. Так как светоизлучающая панель создает высокую освещенность на поверхности матричного фотодетектора, а уровень освещенности на его элементах оценивается только двумя значениями, матричный фотодетектор может иметь архитектуру пассивных пикселов и низкий коэффициент заполнения, а светочувствительные элементы матрицы могут иметь невысокий динамический диапазон, что существенно упростит технологию изготовления матрицы [3]. Таким образом, обеспечивается технический результат: создание устройства ввода информации в электронные приборы, позволяющего отображать в виде курсора на дисплее управляемого электронного прибора абсолютные координаты позиции миниатюрного и беспроводного манипулятора, выполняющего в устройстве функцию управляемого элемента.

Для достижения дополнительного технического результата магнитные свойства маркера 4 используются для позиционного управления отдельными датчиками 7 (фиг.1б), чувствительными к магнитному полю маркера и расположенными рядом с траекторией движения маркера [8]. Это позволяет управлять простыми функциями электронных приборов, например включением, ответом на звонок в сотовых телефонах, таким же образом, как и в случае применения обычных микропереключателей – при приближении маркера 4 к датчику 7, например датчику Холла или геркону, происходит коммутация цепей электронной системы 23 (фиг.10). Для передачи сигналов управления, аналогичных нажатию на левую и правую кнопку «мыши», может использоваться излучатель 13 (фиг.1г), или несколько подобных излучателей импульсных звуковых сигналов, установленных в манипуляторе, и сама рабочая поверхность 22, датчик акустических колебаний корпуса 6 (фиг.1б) и блок обработки импульсных акустических сигналов (не обозначен), входящий в состав электронной системы 23 (фиг.10). При нажатии на верхнюю часть манипулятора, образованную упругим колпаком 11 (фиг.1г), с силой, превышающей порог срабатывания излучателя импульсных звуковых сигналов 13, происходит излучение звукового импульса. При этом продольная механическая волна распространяется по корпусу устройства 1 и улавливается датчиком акустических колебаний корпуса 6 (фиг.1б), например пьезоэлектрическим микрофоном. Блок обработки импульсных акустических сигналов производит селективный выбор акустических сигналов по частоте и амплитуде, что позволяет электронной системе однозначно определить факт нажатия или отпускания [9], [10]. Для передачи сигналов управления, аналогичных сигналам управления, передаваемым при помощи колеса прокрутки манипулятора «мышь», используется вращательное движение манипулятора. При вращении манипулятора 3, а вместе с ним магнита 9 вокруг их оси симметрии по рабочей поверхности 22 по поверхности фотодетектора 2 синхронно и смежно вращается магнит 15, а вместе с ним и маркер 4 (фиг.1в и фиг.2а). При этом на светочувствительной поверхности фотодетектора образуется тень с характерной зоной – освещенным участком, расположенным под прозрачным окном 20 диафрагмы 14, что позволяет однозначно определить угол поворота маркера. Таким образом, задача определения угла поворота манипулятора сводится к задаче определения угла поворота маркера, совершающего синхронное и смежное с манипулятором вращение. Процессор обработки изображений, входящий в состав электронной системы 23 (фиг.10) по установленному алгоритму работы (фиг.4), определяет угол поворота маркера, при этом на дисплее отображается абсолютное значение угла поворота манипулятора. Таким образом, обеспечивается технический результат: создание такой конструкции устройства, в которой при помощи миниатюрного и беспроводного манипулятора возможна передача сигналов управления.

Для повышения удобства пользования миниатюрным манипулятором, например для ввода рукописного текста, на поверхности манипулятора в центре верхней части, выполнено углубление 21 (фиг.1в). Установив в углубление, например, пишущую часть карандаша, производят привычные при написании текста движения, увлекая при этом стержнем карандаша манипулятор. Кроме того, наличие у манипулятора прокладки 8, имеющей с наружной стороны слой материала с низким коэффициентом трения (не показан), а также наличие на диафрагме 14 маркера подобного слоя, выполненного например, из тефлона или фторопласта, уменьшает величину силы, необходимой для перемещения манипулятора. Кроме того, наличие в маркере узла блокировки самопроизвольного движения позволяет снимать манипулятор с рабочей поверхности, например, для чистки, при этом маркер остается зафиксированным неподвижно. Таким образом, обеспечивается технический результат: повышение удобства пользования миниатюрным манипулятором устройства.

Учитывая, что элементы устройства, а именно манипулятор, стенка корпуса устройства, матричный фотодетектор, маркер и светоизлучающая панель, могут иметь толщину не более 1 мм [3], [6], [7], суммарная толщина устройства может составить не более 5 миллиметров, при этом линейные размеры устройства равны размерам рабочей поверхности (фиг.1а). Например, в сотовом телефоне устройство можно установить вместо панели с микропереключателями (фиг.10а, б). Таким образом, обеспечивается технический результат: конструкция устройства, интегрированная с управляемым им электронным прибором.

Примеры конкретного выполнения.

Пример 1.

На фиг.1а показаны: 1 – корпус устройства, 2 – матричный фотодетектор, 3 – манипулятор, 4 – маркер, 5 – источник света.

Манипулятор представляет собой постоянный магнит, выполнен в форме диска с двухполюсной осевой намагниченностью. Маркер представляет собой постоянный магнит, выполнен в форме диска с двухполюсной осевой намагниченностью. Передача сигналов управления, аналогичных нажатию на левую и правую кнопки манипулятора «мышь», осуществляется нажатием на микропереключатели, расположенные на поверхности корпуса устройства (не показаны).

На фиг.5 представлена блок-схема работы устройства по примеру 1.

Устройство работает следующим образом.

По рабочей поверхности устройства 22 производят перемещение манипулятора 3, прикладывая к нему усилие пальца (фиг.1а). Так как дисковые магниты 3; 4 манипулятора и маркера имеют осевую намагниченность, одинаковые размеры и обращены разноименными полюсами навстречу друг другу, между манипулятором 3 и маркером 4 действует сила притяжения, прижимающая маркер к матричному фотодетектору 2 и увлекающая его вслед за движениями манипулятора. Таким образом, синхронно и смежно с поступательным движением манипулятора 3 по рабочей поверхности 22 во внутреннем пространстве корпуса 1 устройства, по поверхности матричного фотодетектора 2 происходит движение маркера 4. При этом маркер при движении перекрывает световой поток от источника света 5 к матричному фотодетектору 2, являющемуся приемником светового сигнала процессора обработки изображений, входящего в состав электронной системы устройства 23 (фиг.10), и образует на светочувствительных элементах матрицы фотодетектора тень.

Процессор обработки изображения, входящий в состав электронной системы устройства 23 (фиг.10), по установленному алгоритму работы, осуществляет сканирование в виде адресного опроса элементов матрицы фотодетектора. Компаратор, входящий в состав процессора (не показан), в зависимости от напряжения на элементах матрицы, присваивает им цифровые значения.

Напряжение U на светочувствительных элементах матрицы: U=f(E).

Где

Е – освещенность.

На элементах матрицы, полностью перекрытых маркером, U=0, так как освещенность для этих элементов Е=0, и элементам присваивается значение 0. На элементах, не закрытых от источника света маркером, U0, так как освещенность для этих элементов Е0, и элементам присваивается значение 1. Таким образом, для определения текущих координат позиции центра манипулятора достаточно определить координаты элементов матрицы, оказавшихся в тени, образованной маркером, с U=0 и по установленному алгоритму вычислить координаты его центра.

Определение текущих координат позиции центра маркера возможно, например, по алгоритму, показанному на фиг.3а, б. Пусть, например, матрица фотодетектора выполнена с количеством элементов M·N, равным 300×300, имеет шаг расположения элементов: h=0.1 мм. При этом размер матричного фотодетектора составит 30 × 30 мм. Радиус маркера R равен, например, 5 мм, и для вычислений по алгоритму ему присвоено численное значение: R=R/h. При вышеуказанном значении h значение R=50. Для определения текущих координат манипулятора определяют текущие координаты проекции центра маркера на плоскость матрицы фотодетектора.

Цикл сканирования матрицы начинается с элемента с координатами: Х=О; Y=О (фиг.3а) и осуществляется построчно в направлении увеличения Y с шагом R, до обнаружения на строке Y_o=R_n элемента Х_о; Y_o с напряжением U=0. Далее проводится построчное сканирование элементов в прямоугольной зоне размерами R·(R-1) от элемента Х_о; Y_o-(R-1) в направлении к элементу Х_о+R; Y_o до обнаружения на строке Ymin элемента с напряжением U=0 (фиг.3б). Далее проводится сканирование строки Ymin+R до обнаружения элемента Xmin с напряжением U=0. Искомой проекцией центра маркера О на плоскость матрицы является элемент матрицы О’ с координатами Х=Xmin+R; Y=Ymin+R, данные о котором записываются в оперативное запоминающее устройство процессора. Таким образом, абсолютные координаты положения манипулятора определены. Погрешность определения координаты: =[ОО’]h, в случае применения вышеуказанной матрицы составит: 0.1 мм. Частота циклов сканирования матрицы может составлять до 30 кадров/с, что связано с инерционностью зрения человека, так как процессор определяет абсолютные координаты положения манипулятора, которые будут всегда однозначно отображаться на дисплее. Каждый поступающий в процессор кадр будет представлять собой последовательность данных с максимальным объемом: VМ·(N/R-1)+R² бит.

Где

М и N – количество элементов матрицы по строкам и по столбцам соответственно. В случае применения вышеуказанной матрицы V4 кбит или V15 кбит в секунду. Низкий объем передаваемых в процессор данных позволяет использовать устройство для управления сотовыми телефонами и другими электронными приборами с низкой тактовой частотой центрального процессора, что позволит использовать его для ввода информации в простые электронные приборы.

После каждого цикла сканирования процессор передает данные о координатах X; Y микросхеме-контроллеру (не обозначена), входящей в состав электронной системы устройства 23 (фиг.10). Микросхема-контроллер является элементом согласования между электронной системой устройства ввода информации и электронной системой управляемого прибора. При этом микросхема-контроллер принимает также сигналы управления от расположенных на корпусе устройства микропереключателей (не показаны), подобные нажатию на кнопки манипулятора «мышь» (фиг.5). В случае применения устройства для управления курсором компьютера микросхема-контроллер конвертирует данные о координатах маркера в передаваемые по интерфейсам PS/2 или USB сигналы. Компьютер, используя драйвер устройства, на основании поступившей по этим интерфейсам информации, перемещает курсор-указатель по экрану монитора в соответствии с перемещением манипулятора, например, для выбора пунктов меню, и выполняет команды соответствующие нажатию на микропереключатели.

На фиг.4 вышеописанный алгоритм представлен в форме блок-схемы. Часть 1 – поиск первого элемента под тенью образованной маркером. Часть 2 – поиск значения Y для проекции центра маркера. Часть 3 – поиск значения X. Часть 4 – не выполняется.

Пример 2.

На фиг.1б и 1в показаны: 1 – корпус устройства, 2 – матричный фотодетектор, 3 – манипулятор, 4 – маркер, 5 – источник света, 7 – датчик, чувствительный к магнитному полю маркера, 8 – прокладка манипулятора, 9 – постоянный магнит манипулятора, 11 – колпак манипулятора, 14 – непрозрачная диафрагма маркера, 15 – постоянный магнит маркера, 20 – прозрачное окно в диафрагме, 21 – углубление на поверхности колпака.

Постоянные магниты манипулятора и маркера 9; 15 выполнены в форме квадратной рамки, с двухполюсной осевой намагниченностью (фиг.2а). Прокладка манипулятора 8 и диафрагма 14 с наружной стороны содержат слой материала с низким коэффициентом трения (не показан), в качестве которого используется фторопласт. В качестве датчика, чувствительного к магнитному полю маркера 7, используется магнитоуправляемый контакт – геркон. Передача сигналов управления, аналогичных нажатию на левую и правую кнопки манипулятора «мышь», осуществляется нажатием на микропереключатели, расположенные на поверхности корпуса устройства (не показаны).

На фиг.6 представлена блок-схема работы устройства по примеру 2.

Устройство работает следующим образом.

По рабочей поверхности устройства 22 (фиг.1б и 1в) производят перемещение манипулятора 3, прикладывая усилие пальца к колпаку 11. При необходимости более точного позиционирования манипулятора или для рукописного ввода текста, в углубление 21 устанавливают, например, пишущую часть карандаша и производят привычные при написании текста движения, увлекая при этом стержнем карандаша манипулятор. Наличие прокладки 8, у которой с наружной стороны имеется слой материала с низким коэффициентом трения (не показан), значительно уменьшает величину необходимого для перемещения манипулятора усилия. Так как рамочные магниты 9; 15 манипулятора и маркера имеют осевую намагниченность, одинаковые размеры и обращены разноименными полюсами навстречу друг другу (фиг.2а), между манипулятором 3 и маркером 4 действует сила притяжения, прижимающая к светочувствительной матрице 2 маркер и увлекающая его вслед за движениями манипулятора. Так как магниты манипулятора и маркера имеют форму квадратной рамки, при вращении манипулятора 3 под воздействием усилий со стороны пальцев, вокруг его вертикальной оси симметрии, а вместе с ним и магнита 9 происходит изменение магнитного потока в зазоре, образованном магнитами манипулятора и маркера. При этом возникает момент сил, приводящий магнит 15, а вместе с ним и маркер 4 во вращательное движение в том же направлении (фиг.2а). Таким образом, синхронно и смежно с поступательным и вращательным движением манипулятора 3 по рабочей поверхности 22, во внутреннем пространстве корпуса 1 устройства, по поверхности матричного фотодетектора 2 происходит движение маркера 4. Наличие диафрагмы 14, имеющей с наружной стороны слой материала с низким коэффициентом трения (не показан), увеличивает синхронизирующий момент при движении манипулятора и маркера и уменьшает величину необходимого для перемещения манипулятора усилия. При приближении маркера 4 к зоне, где находится датчик 7, чувствительный к магнитному полю маркера (фиг.1б), магнитное поле постоянного магнита маркера воздействует на датчик, в результате чего происходит его срабатывание и коммутация цепей электронной системы 23 (фиг.10), например включение управляемого прибора. При приближении маркера к аналогичному датчику, расположенному в другом месте, происходит срабатывание датчика и, например, выключение управляемого электронного прибора. Кроме того, маркер 4 при движении перекрывает диафрагмой 14 световой поток от источника света 5 к матричному фотодетектору 2, являющемуся приемником светового сигнала процессора обработки изображений, входящего в состав электронной системы устройства 23 (фиг.10). При этом маркер образует на светочувствительных элементах матрицы фотодетектора тень в соответствии с формой диафрагмы 14, которая может иметь как минимум одно прозрачное окно 20 (фиг.1в и фиг.2а).

Процессор обработки изображения, входящий в состав электронной системы устройства 23 (фиг.10) по установленному алгоритму работы, осуществляет сканирование в виде адресного опроса элементов матрицы. Компаратор, входящий в состав процессора, в зависимости от напряжения на элементах матрицы, присваивает им цифровые значения.

Напряжение U на светочувствительных элементах матрицы: U=f(E).

Где

Е – освещенность.

На элементах матрицы, полностью перекрытых непрозрачными участками диафрагмы маркера, U=0, так как освещенность для этих элементов Е=0, и элементам присваивается значение 0. На элементах, не закрытых от источника света диафрагмой маркера, U0, так как освещенность для этих элементов Е0, и элементам присваивается значение 1. Таким образом, для определения текущих координат положения центра манипулятора достаточно определить координаты элементов матрицы, оказавшихся в тени, образованной маркером, с U=0 и по установленному алгоритму вычислить координаты его центра. Для определения угла поворота манипулятора достаточно определить координаты элементов матрицы, оказавшихся под прозрачным окном диафрагмы маркера, с U0 и по установленному алгоритму вычислить текущее значение угла.

Определение текущих координат позиции центра маркера и угла его поворота возможно, например, по алгоритму, показанному на фиг.3а, б. Пусть, например, матрица фотодетекторов выполнена с количеством элементов M·N, равным 300×300, имеет шаг расположения светочувствительных элементов: h=0.1 мм. При этом размер матрицы составит 30 × 30 мм. Диафрагма 14, показанная на (фиг.2а), представляет собой непрозрачный диск радиуса R. При этом, так как применяется квадратный магнит, для вычислений по алгоритму ему присвоено целое численное значение: R0.5L/h.

Где

L – длина стороны применяемого магнита в маркере.

Например, L=7 мм, тогда R=50. На диафрагме находится прозрачное окно 20 (фиг.2а) в форме отверстия с радиусом r_о2b на расстоянии r от центра маркера О. Для определения текущих координат манипулятора определяют текущие координаты проекции центра маркера на плоскость матричного фотодетектора. Для определения угла поворота манипулятора определяют текущие координаты проекции прозрачного окна маркера на плоскость матричного фотодетектора.

Цикл сканирования матрицы начинается с элемента с координатами: Х=О; Y=О (фиг.3а) и осуществляется построчно в направлении увеличения Y с шагом R до обнаружения на строке Y_o=R_n элемента Х_о; Y_o с напряжением U=0. Далее проводится построчное сканирование элементов в прямоугольной зоне размерами R·(R-1) от элемента Х_о; Y_o – (R-1) в направлении к элементу Х_о+R; Y_o до обнаружения на строке Ymin элемента с напряжением U=0 (фиг.3б). Далее проводится сканирование строки Ymin+R до обнаружения элемента Xmin с напряжением U=0. Искомой проекцией центра маркера О на плоскость матрицы является элемент матрицы О’ с координатами Х=Xmin+R; Y=Ymin+R, данные о котором записываются в оперативное запоминающее устройство процессора. Таким образом, абсолютные координаты положения манипулятора определены. Погрешность определения координаты: =[ОО’]h, в случае применения вышеуказанной матрицы составит: 0.1 мм.

После определения координат X; Y проводится сканирование по часовой стрелке элементов матрицы, расположенных вблизи окружности с центром О’ и радиусом r, с шагом сканирования ‘, соответствующим условию: ‘=360°/p, a sin ‘4r_о/r.

Где

p – целое число.

Данное условие позволяет не фиксировать изменения угла при случайных локальных вращениях, происходящих в момент линейного перемещения манипулятора, например p=12, ‘=30°. Координаты сканируемых элементов рассчитываются по формуле Хс=Х+Sc; Yc=Y+Сс.

Где

с – номер шага кругового сканирования, причем 0сp;

Sc, Cc целые числа, причем: Scr·sin(‘·с) и Ссr·cos(‘·с).

Все значения Sc и Cc хранятся в постоянном запоминающем устройстве процессора и извлекаются для использования в арифметике – логическом устройстве процессора, при определении координат элементов Хс; Yc по мере роста значения с. Значению с=0 соответствует угол =0 и элемент матрицы А, с координатами X; Y+r. Если все сканируемые элементы Хс; Yc при изменении значения с от 0 до p имеют напряжение U=0, это означает, что проекция окна диафрагмы на плоскость матрицы находится в промежутке между сканируемыми элементами, при этом значение с, определенное в предыдущем цикле сканирования, не меняется. При обнаружении элемента Хс; Yc, для которого U0, в оперативном запоминающем устройстве процессора фиксируется новое значение величины с, которой будет однозначно соответствовать угол =‘·с. Таким образом абсолютное значение угла поворота манипулятора определено с точностью до шага сканирования ‘.

Частота циклов сканирования матрицы может составлять до 30 кадров/с, так как процессор определяет абсолютные координаты позиции манипулятора, которые будут всегда однозначно отображаться на дисплее. Каждый поступающий в процессор кадр будет представлять собой последовательность данных с максимальным объемом VM·(N/R-1)+R² бит.

Где

М и N – количество элементов матрицы по строкам и по столбцам соответственно.

В случае применения вышеуказанной матрицы V4кбит или V15 кбит в секунду. Низкий объем передаваемых в процессор данных позволяет использовать устройство для управления сотовыми телефонами и другими электронными приборами с низкой тактовой частотой центрального процессора.

После каждого цикла сканирования процессор передает данные о координатах X; Y и номере шага кругового сканирования с, микросхеме-контроллеру, входящей в состав электронной системы устройства 23 (фиг.10). Микросхема-контроллер является элементом согласования между электронной системой устройства ввода информации и электронной системой управляемого прибора. При этом микросхема-контроллер принимает также сигналы управления от расположенных на корпусе устройства микропереключателей (не показаны), подобные нажатию на кнопки манипулятора «мышь», и сигналы от датчиков, чувствительных к магнитному полю маркера 7 (фиг.1б). В случае применения устройства для управления курсором компьютера микросхема-контроллер конвертирует данные о координатах маркера в передаваемые по интерфейсам PS/2 или USB сигналы. Компьютер, используя драйвер устройства, на основании поступившей по этим интерфейсам информации, перемещает курсор-указатель по экрану монитора в соответствии с перемещением манипулятора, например, для выбора пунктов меню. Кроме того, компьютер выполняет команды, соответствующие углу поворота манипулятора, аналогичные колесу прокрутки манипулятора «мышь», а также выполняет команды, соответствующие нажатию на микропереключатели и срабатыванию датчиков, чувствительных к магнитному полю маркера.

На фиг.4 вышеописанный алгоритм представлен в форме блок-схемы. Часть 1 – поиск первого элемента под тенью, образованной маркером. Часть 2 – поиск значения Y для проекции центра маркера. Часть 3 – поиск значения Х для проекции центра маркера. Часть 4 – поиск значения с шага кругового сканирования.

Пример 3.

Устройство отличается от устройства, описанного в примере 2, конструкцией манипулятора и маркера. На фиг.1г показаны: 9; 10 – постоянные магниты манипулятора, 15; 16 – постоянные магниты маркера, 17 – диск, 18 – шайба, 19 – держатель.

Постоянные магниты 9 и 15 выполнены в форме кольца, с многополюсной осевой намагниченностью. Постоянные магниты 10 и 16 выполнены в форме кольца, с двухполюсной осевой намагниченностью. Диск 17 имеет с наружной стороны слой материала с высоким коэффициентом трения (не показан), в качестве которого используется, например, силикон. Шайба 18 выполнена из упругого материала, например из латуни.

Устройство работает аналогично устройству, описанному в примере 2, при этом магнитная связь между манипулятором 3 и маркером 4 образована кольцевыми магнитами 9 и 15 и, дополнительно к ним, кольцевыми магнитами 10 и 16. Кольцевые магниты 9; 15 имеют осевую намагниченность, одинаковые диаметры и обращены разноименными полюсами навстречу друг другу (фиг.2б), что приводит к возникновению силы притяжения между манипулятором и маркером и увлекает последний вслед за движениями манипулятора. Так как магниты 9; 15 являются многополюсными с равным количеством полюсов, при вращении манипулятора вокруг его вертикальной оси симметрии, а вместе с ним и магнита 9 происходит изменение магнитного потока между его полюсами и полюсами магнита 15. При этом возникает момент сил, приводящий магнит 15, а вместе с ним и маркер во вращательное движение в том же направлении. Кольцевой магнит 10 зафиксирован неподвижно в центре кольцевого магнита 9, на прокладке 8. Кольцевой магнит 16 закреплен на упругой шайбе 18, удерживаемой держателем 19, который зафиксирован неподвижно в центре кольцевого магнита 15, на прокладке 14 (фиг.1г). Так как магниты 10; 16 имеют осевую намагниченность, одинаковые диаметры и обращены разноименными полюсами навстречу друг другу (фиг.2б), это приводит к возникновению силы притяжения между ними и увеличивает синхронизирующий момент между манипулятором и маркером при их движении. При снятии манипулятора 3 (фиг.1б) с рабочей поверхности, например, для чистки, магнитное взаимодействие между магнитами манипулятора и маркера исчезает, при этом магнит 16 (фиг.1г) под воздействием прогнутой шайбы 18 отходит от прокладки 14 и упирается диском 17 в источник света 5, представляющий собой светоизлучающую панель. При этом, так как диск 17 с наружной стороны содержит слой материала с высоким коэффициентом трения (не показан), маркер фиксируется неподвижно, в зазоре между матричным фотодетектором 2 и светоизлучающей панелью 5. При установке манипулятора на рабочую поверхность, смежно к маркеру, между магнитом манипулятора 10 и магнитом маркера 16 возникает сила притяжения, при этом упругая шайба 18 прогибается, зафиксированный на ней магнит 16, а вместе с ним и диск 17 отходят от светоизлучающей панели 5. Таким образом, маркер содержит узел блокировки самопроизвольного движения, состоящий из держателя 19, упругой шайбы 18, кольцевого магнита 16 и диска 17 (фиг.1г).

Пример 4.

Устройство отличается от устройства, описанного в примере 3, конструкцией манипулятора и наличием датчика акустических колебаний корпуса. На фиг.1б и 1г показаны: 6 – датчик акустических колебаний корпуса, 11 – колпак, 12 – толкатель, 13 – излучатель импульсных звуковых сигналов.

Колпак 11 выполнен из упругого материала, например из латуни. Толкатель 12 выполнен из эластичного материала, например из силикона. Излучатель звуковых сигналов 13 выполнен в виде мембраны и изготовлен из упругого материала, например из латуни. На фиг.7 представлена блок-схема работы устройства по примеру 4.

Устройство работает аналогично устройству, описанному в примере 2 и в примере 3. При этом при нажатии на колпак 11 с силой, необходимой для перемещения манипулятора по рабочей поверхности, колпак прогибается и толкатель 12 оказывает давление на мембрану 13, обращенную выпуклой стороной к колпаку и установленную в кольцевом магните 10 параллельно его основанию. При увеличении усилия нажима, с целью ввода сигнала управления, толкатель прогибает мембрану в обратную сторону. Прогиб мембраны происходит скачком и на полную амплитуду. При этом мембрана 13 (фиг.1г) излучает звуковой импульс, представляющий собой затухающие акустические колебания. При уменьшении величины усилия нажима на колпак 11 мембрана возвращается в исходное положение, также излучая импульс звука. Используемая мембрана в излучателе импульсных звуковых сигналов аналогична мембранам, установленным в микропереключателях манипулятора «мышь», которые также при нажатии на микропереключатели «мыши» излучают звук, но при этом еще и коммутируют электрическую цепь.

При излучении звука происходит распространение продольной механической волны через магнит 10, прокладку 8, корпус 1 (фиг.1г), датчик акустических колебаний корпуса 6 (фиг.1б), который является чувствительным элементом блока обработки импульсных акустических сигналов (не обозначен), входящего в состав электронной системы устройства 23 (фиг.10). Для сигналов, излученных мембраной 13 (фиг.1г) и принятых датчиком 6, характерна стабильная амплитуда и форма частотного спектра, обусловленная коэффициентом упругости мембраны и ее размерами, а также подобными свойствами других элементов устройства, расположенных по пути следования звуковой волны. При этом частотные характеристики сигнала не зависят от месторасположения манипулятора на рабочей поверхности устройства, так как собственная частота колебаний излучающей мембраны 13 значительно выше собственной частоты колебаний корпуса устройства 1, в силу того, что размеры рабочей поверхности устройства значительно больше размеров мембраны излучателя импульсных звуковых сигналов. В состав блока обработки импульсных акустических сигналов (фиг.10) входит акустическое реле (не показано). При этом блок обработки импульсных акустических сигналов осуществляет селективный выбор сигналов, например, на основе фильтра высокой частоты ФВЧ, а акустическое реле коммутирует входную цепь микросхемы-контроллера (фиг.10). При нажатии на колпак манипулятора 11 (фиг.1г), импульсный сигнал с характерной для излучателя частотой и амплитудой, соответствующими входным параметрам блока обработки импульсных акустических сигналов, переводит акустическое реле в состояние – «включено», что эквивалентно нажатию на левую кнопку «мыши». Следующий активный импульсный акустический сигнал, возникающий при ослаблении усилия нажима на колпак, переводит реле в состояние «выключено», что эквивалентно отпусканию левой кнопки «мыши». Блок обработки импульсных акустических сигналов может быть выполнен многоканальным и настроенным на различные характерные частоты нескольких излучателей импульсных звуковых сигналов, размещенных в манипуляторе, что эквивалентно применению дополнительных кнопок в манипуляторе «мышь». Для передачи сигналов управления, аналогичных нажатию на правую кнопку манипулятора «мышь», может осуществляться щелчок пальцем по корпусу устройства 1. В этом случае блок обработки импульсных акустических сигналов (фиг.10) выполнен двухканальным, где второй канал настроен на низкую частоту звукового импульса, возникающего при щелчке пальцем по корпусу устройства.

На фиг.8 показана временная диаграмма для сигналов, принимаемых блоком обработки импульсных акустических сигналов в процессе работы устройства. Напряжение Ua представляет собой аналоговый сигнал, снимаемый с датчика акустических колебаний корпуса 6 при нажатии и отпускании верхней части манипулятора устройства. Напряжение Um представляет собой обработанный частотным фильтром сигнал, при этом Um=f(Ua, ).

Где

– характерная частота для применяемого импульсного акустического излучателя.

Напряжение Ud представляет собой уровень сигнала на выходе акустического реле, при этом Ud=f(Um, to).

Где

to – время между нажатием и отпусканием манипулятора.

Момент времени t1 отображает двойное нажатие на колпак манипулятора, функционально аналогичное двойному нажатию на левую кнопку манипулятора «мышь». Напряжение Ua’ представляет собой аналоговый сигнал необходимой амплитуды, сформированный щелчком пальца по корпусу устройства. Напряжение Ud’ представляет собой уровень сигнала на выходе акустического реле по второму каналу, при этом Ud’=f(Ua’, ).

Где

– характерная частота возникающего при щелчке звукового импульса. При этом >>. Таким образом, акустические свойства мембраны и корпуса устройства позволяют использовать излучаемые с их помощью импульсные звуковые колебания для ввода сигналов управления.

Поскольку используемые в устройстве материалы и компоненты изготавливаются и выпускаются серийно, заявляемое устройство может производиться на предприятиях электронной промышленности по стандартным технологиям. Благодаря простой и компактной конструкции заявляемое устройство найдет широкое применение в электронных приборах, в частности в мобильных телефонных аппаратах, компьютерах, пультах управления, бытовых и других технологических устройствах.

Источники информации

1. Патент JP №10171582 A (WACOM CO LTD), 26.06.1998.

2. Патент US №4751505. 14.06.1988. 340/710; 178/18; 250/221 (прототип).

3. Интернет ресурс: www.ssga.ru/erudites_info/ccd_and_cmos/oes/63/00.html.

4. Ларионов А.М., Горнец Н.Н. Периферийные устройства в вычислительных системах, М., 1991.

5. Мазур А.И., Грачев В.Н. Электрохимические индикаторы, М., Радио и Связь, 1985.

6. Интернет ресурс: www.glowlight.ru.

7. Интернет ресурс: www.valtar.ru.

8. Берк Г.Ю. Справочное пособие по магнитным явлениям, М., 1991.

9. Акустический выключатель, журнал «Радио», 1985, №2; 1986, №6-8.

10. Боровский В.П. Справочник по схемотехнике для радиолюбителя. К., Техника, 1987.

Формула изобретения

1. Устройство ввода информации в электронные приборы, содержащее управляемый элемент, корпус с установленным в нем источником света и электронной системой, содержащей электрически связанные матричный фотодетектор, процессор обработки изображений, передающий данные о координатах микросхеме-контроллеру, предназначенной для согласования работы упомянутой электронной системы и управляемого прибора, отличающееся тем, что управляемым элементом является миниатюрный манипулятор, размещенный на поверхности корпуса и содержащий в себе как минимум один постоянный магнит, при этом источник света выполнен в форме плоской светоизлучающей панели, установлен напротив и параллельно матричному фотодетектору, при этом между источником света и упомянутым фотодетектором размещен маркер, содержащий в себе как минимум один постоянный магнит и выполненный с возможностью перемещения параллельно поверхности упомянутого фотодетектора под воздействием сил магнитного притяжения со стороны манипулятора, при этом процессор обработки изображений предназначен для определения координат позиции маркера по его тени на поверхности указанного фотодетектора.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в корпусе устройства дополнительно установлен как минимум один датчик, чувствительный к магнитному полю маркера и электрически связанный с микросхемой-контроллером.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в корпусе устройства дополнительно установлен датчик акустических колебаний корпуса, при этом электронная система устройства дополнительного содержит блок обработки импульсных акустических сигналов, электрически связанный с указанным датчиком и микросхемой-контроллером.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что манипулятор дополнительно содержит как минимум один излучатель импульсных звуковых сигналов в виде упругой мембраны.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на поверхности манипулятора в центре его верхней части выполнено углубление.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что манипулятор и маркер дополнительно содержат наружный слой материала с низким коэффициентом трения.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что маркер дополнительно содержит узел блокировки самопроизвольного движения.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что маркер выполнен с возможностью перемещения и вращения параллельно поверхности матричного фотодетектора под воздействие сил магнитного притяжения со стороны манипулятора, при этом маркер дополнительно содержит непрозрачную диафрагму, в которой имеется, как минимум одно прозрачное окно, а процессор обработки изображений предназначен для определения координат позиции и угла маркера по его тени на поверхности указанного фотодетектора.

9. Устройство по любому из пп.1-8, отличающееся тем, что оно интегрировано с управляемым им электронным прибором.

РИСУНКИ