孫增武， 吳仲城， 羅健飛， 林秋詩(shī)， 任亭亭

(1.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 合肥物質(zhì)研究院，安徽 合肥230031；2.中國(guó)科學(xué)院 強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心，安徽 合肥230031)

基于多維力傳感器的手寫信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

孫增武1,2， 吳仲城2， 羅健飛2， 林秋詩(shī)1,2， 任亭亭1,2

(1.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 合肥物質(zhì)研究院，安徽 合肥230031；2.中國(guó)科學(xué)院 強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心，安徽 合肥230031)

針對(duì)傳統(tǒng)手寫信息采集系統(tǒng)存在的信息獲取不全面的弊端，設(shè)計(jì)了一種基于多維力傳感器的手寫信息采集系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的總體框架。系統(tǒng)以多維力傳感器為核心，不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)手寫過程靜態(tài)軌跡信息的獲取，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)手寫多維力信息的獲取。整個(gè)系統(tǒng)由用戶接口模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊組成，分析了各模塊的設(shè)計(jì)思想和工作原理，并基于WinCE系統(tǒng)開發(fā)了一種手寫信息采集系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)證明：該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，性能優(yōu)良，實(shí)現(xiàn)了對(duì)手寫過程中力和位置信息的全面獲取。

多維力傳感器； 手寫； 信息采集； WinCE

0 引 言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)手寫的研究不再局限于紙筆測(cè)驗(yàn)和肉眼的觀察，數(shù)字手寫板的誕生，可以即時(shí)跟蹤和記錄手寫的運(yùn)動(dòng)，客觀而精確地反映手寫運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力特點(diǎn)[1,2]。數(shù)字手寫板所具有的即時(shí)性、敏感性和精確性的特點(diǎn)使其作為研究工具得到了廣泛的運(yùn)用，被用于正常手寫的運(yùn)動(dòng)控制機(jī)制和各種精細(xì)運(yùn)動(dòng)障礙潛在病理的研究[3]。

目前常用的手寫輸入設(shè)備有很多，如日本的Wacom公司、美國(guó)的Interlink公司以及中國(guó)的漢王公司等產(chǎn)品。然而現(xiàn)有的筆交互設(shè)備絕大部分都存在對(duì)手寫過程信息獲取不完整的問題,這些設(shè)備在獲取筆跡等靜態(tài)軌跡信息的同時(shí)僅能獲得單維的筆尖壓力信息，不能完成對(duì)手寫運(yùn)動(dòng)過程全信息的獲取，影響了手寫運(yùn)動(dòng)分析的準(zhǔn)確性[4,5]。

本文研制了一種可以實(shí)現(xiàn)對(duì)手寫過程全力信息進(jìn)行獲取的手寫信息采集系統(tǒng)——F-Pad 2，包括多維力傳感器、嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)以及嵌入式微處理器等，能夠?qū)κ謱戇^程中筆尖與平臺(tái)接觸的全力信息的獲取，不僅能夠得到書寫的筆跡，筆順，筆畫，字型等靜態(tài)信息，還同時(shí)得到手寫的力矢量信息、書寫速度、加速度等動(dòng)態(tài)信息[6～10]。

1 手寫信息采集系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

手寫信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，分為總體設(shè)計(jì)和相應(yīng)的單元功能模塊設(shè)計(jì)。手寫信息采集系統(tǒng)主要由用戶接口模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊組成，圖1所示為手寫信息采集系統(tǒng)總體架構(gòu)。數(shù)據(jù)采集模塊主要任務(wù)是實(shí)時(shí)采集多維力傳感器輸出的手寫三維力信息。數(shù)據(jù)處理模塊主要完成對(duì)手寫過程中力信息的采集處理。用戶接口模塊是手寫信息采集系統(tǒng)的主要模塊，與數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)采集模塊直接聯(lián)系，具體可分為數(shù)據(jù)保存模塊、用戶手寫模塊和狀態(tài)顯示模塊三個(gè)子模塊。

圖1 手寫信息采集系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig 1 Overall architecture diagram of handwriting information acquisition system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 多維力傳感器模塊設(shè)計(jì)

多維力傳感器模塊主要負(fù)責(zé)完成對(duì)手寫過程中產(chǎn)生的筆尖施力信息的全面獲取。F-Pad 2手寫信息獲取平臺(tái)是基于多維力傳感器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的，能夠直接測(cè)量出手寫書寫過程中三維書寫力信息，并通過置于力傳感器上方的觸摸屏直接獲得書寫點(diǎn)的位置信息，通過計(jì)算可以得到手寫過程的速度和加速度等信息。

F-Pad 2手寫信息獲取平臺(tái)的受力作用原理如圖2所示。當(dāng)書寫筆在任意書寫點(diǎn)P(x,y)處書寫時(shí)，書寫筆將在該點(diǎn)產(chǎn)生三維書寫力信息Fx,Fy和Fz。該三維力信息可以直接由平臺(tái)內(nèi)部的多維力傳感器直接測(cè)得。

圖2 F-Pad 2平臺(tái)書寫受力作用原理圖Fig 2 Principle diagram of force action in writing of F-Pad 2 platform

在F-Pad 2平臺(tái)上進(jìn)行書寫時(shí)，平臺(tái)可以采集得到三維書寫力信息和二維位置信息隨時(shí)間變化的序列，序列中任一時(shí)刻t的信息可由一五維向量表示，即Pt=[Fx(t),Fy(t),Fz(t),x(t),y(t)]′，則t到t+Δt時(shí)間段內(nèi)書寫筆的平均書寫速度為

(1)

t時(shí)刻的書寫加速度可表示如下

(2)

2.2 信號(hào)調(diào)理電路

F-Pad 2平臺(tái)的信號(hào)調(diào)理電路完成對(duì)多維力傳感器測(cè)得的模擬信號(hào)的放大、濾波、A/D采樣、預(yù)處理以及與主機(jī)的通信。其工作原理為：當(dāng)書寫筆在書寫平面上書寫時(shí)，書寫力通過書寫平面作用于傳感器的彈性膜片，使得彈性膜片發(fā)生形變，導(dǎo)致膜片上的應(yīng)變片也發(fā)生同樣的形變；多維力傳感器通過應(yīng)變片組成的惠斯通橋路檢測(cè)應(yīng)變量，由運(yùn)算放大器對(duì)其進(jìn)行放大，其后采用RC濾波電路濾波，得到的穩(wěn)定信號(hào)在A/D采樣環(huán)節(jié)被采樣數(shù)字化；A/D環(huán)節(jié)定時(shí)輪流采樣3個(gè)通道的力信息，并通過SPI接口與主控單片機(jī)通信，傳送采樣的結(jié)果，對(duì)3個(gè)通道的應(yīng)變量進(jìn)行解藕計(jì)算得到相應(yīng)的力信息。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件設(shè)計(jì)思想

手寫信息采集系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，需要處理大量的數(shù)據(jù)，并且實(shí)時(shí)地計(jì)算和存儲(chǔ)，為此，在軟件系統(tǒng)中采用了嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，從而為管理系統(tǒng)任務(wù)提供了合適的平臺(tái)，采用實(shí)時(shí)內(nèi)核的多任務(wù)系統(tǒng)在系統(tǒng)中管理各個(gè)任務(wù)，簡(jiǎn)化了應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，提高了系統(tǒng)應(yīng)用的可靠性。綜合開發(fā)周期、實(shí)用性和可移植性等因素，在手寫信息采集系統(tǒng)中，采用了Microsoft公司的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Windows CE 6.0作為整個(gè)軟件的開發(fā)系統(tǒng)。根據(jù)需求遵循軟件工程原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)功能通過相應(yīng)的功能模塊實(shí)現(xiàn)，其劃分遵循軟件工程學(xué)中模塊的獨(dú)立性原則，保證了模塊的高內(nèi)聚性和模塊之間的低耦合性。

3.2 軟件總體流程

手寫信息采集系統(tǒng)，不但可以實(shí)時(shí)采集用戶在F-Pad 2手寫板上書寫的三維力信息和二維位置信息，同時(shí)在F-Pad 2上顯示書寫的內(nèi)容，并將這些信息保存在Windows CE 6.0系統(tǒng)的txt文檔中，圖3給出了手寫信息采集系統(tǒng)的總體處理流程。

圖3 手寫信息采集系統(tǒng)總體處理流程Fig 3 Overall processing flow chart of handwriting information acquisition system

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

所設(shè)計(jì)的手寫信息采集系統(tǒng)用戶界面如圖4所示。整個(gè)軟件主界面分為四大區(qū)域，分別是：操作區(qū)、描述區(qū)、狀態(tài)顯示區(qū)和書寫區(qū)，其中操作區(qū)用于完成對(duì)整個(gè)軟件的控制功能；描述區(qū)用于指示如何操作該軟件和手寫任務(wù)要求等內(nèi)容；狀態(tài)顯示區(qū)用于顯示當(dāng)前的手寫任務(wù)狀態(tài)等內(nèi)容；書寫區(qū)是進(jìn)行書寫的區(qū)域，可以實(shí)時(shí)顯示手寫的結(jié)果。

圖4 手寫信息采集系統(tǒng)用戶界面Fig 4 User interface of handwriting information acquisition system

圖5給出了手寫信息采集系統(tǒng)采集到的在書寫漢字過程中產(chǎn)生的實(shí)時(shí)三維力信息和二維位置信息曲線。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出:所設(shè)計(jì)的手寫信息采集系統(tǒng)能夠完整的獲取手寫過程中的全力信息和手寫運(yùn)動(dòng)軌跡信息。

圖5 三維力信息和二維軌跡信息Fig 5 3D force and 2D trajectory information

5 結(jié) 論

針對(duì)傳統(tǒng)手寫信息采集系統(tǒng)存在的信息獲取不全面的問題，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于多維力傳感器的手寫信息采集系統(tǒng)，不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)手寫過程靜態(tài)軌跡信息的獲取，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)手寫多維力信息的獲取。基于WinCE系統(tǒng)開發(fā)了一種手寫信息采集系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)證明：該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，性能優(yōu)良，實(shí)現(xiàn)了對(duì)手寫過程中力和位置信息的全面獲取。

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Design of handwriting information acquisition system based on multi-dimensional force sensor*

SUN Zeng-wu1,2, WU Zhong-cheng2, LUO Jian-fei2, LIN Qiu-shi1,2, REN Ting-ting1,2

(1.Hefei Institutes of Physical Science,University of Chinese Academy of Sciences,Hefei 230031,China;2.High Magnetic Field Laboratory of Chinese Academy of Science,Hefei 230031,China)

Aiming at insufficiency of traditional handwritten information acquisition system,design a novel handwriting information acquisition system based on multi-dimensional force sensor,and overall framework of the system is given.The system uses multi-dimensional force sensor as core,not only realize capturing static trajectory of writing process,but also multi-dimensional handwriting force information.The system consists of user interface module data acquiring module and data processing module.Design idea and operation principles of each module are analyzed,and develop a set of handwriting information acquiring system based on WinCE.Experiments show that the handwriting system is stable,has excellent performance,and it has capability to acquire force and position information.

multi-dimensional force sensor; handwriting; information acquisition; WinCE

10.13873/J.1000—9787(2014)12—0070—03

2014—04—09

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61301058)

TP 212

A

1000—9787(2014)12—0070—03

孫增武(1986-)，男，山東泰安人，博士研究生，主要研究方向?yàn)樾盘?hào)處理、生物特征模式識(shí)別、人機(jī)交互接口設(shè)計(jì)等。