袁 梅，梁向東，汪鵬程，黃潔文

（桂林理工大學(xué)南寧分校，廣西 南寧530001）

0 引言

隨著多媒體技術(shù)的發(fā)展和普及，在教師授課[1]，會(huì)議講評(píng)以及產(chǎn)品路演展示時(shí)，經(jīng)常需要對(duì)顯示屏或投影幕上的內(nèi)容進(jìn)行操控[2]，甚至要在畫面上觀場書寫文字和作畫。電子板書寫是常用的工具，眾所周知，教師們書寫的文字和手繪的圖畫大多是由許多筆劃組成，能夠一筆連完的少之又少，筆劃與筆劃之間有著長短不一的間斷而停頓。在書寫過程中靠按壓（落筆）和提筆來實(shí)現(xiàn)每一筆劃的啟、停。落筆和提筆的動(dòng)作控制精確與否主要取決于書寫時(shí)反饋回的觸壓力度大小以及手眼配合的熟練程度，這是由長時(shí)間形成的書寫習(xí)慣所決定的。但大多數(shù)的電子板書寫功能并不符合書寫習(xí)慣，因此開展帶書寫觸感的虛擬空間電子手寫筆的研究。

1 現(xiàn)有設(shè)備技術(shù)特點(diǎn)與不足

1.1 鼠標(biāo)與飛鼠

使用傳統(tǒng)的輸入設(shè)備，如鼠標(biāo)（特別是飛鼠）來寫、畫時(shí)，指尖和手腕無法感受到平時(shí)運(yùn)筆的觸壓感，只能全憑眼睛緊盯光標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡一點(diǎn)點(diǎn)的描，落筆和提筆的動(dòng)作靠點(diǎn)擊相應(yīng)的開關(guān)來模擬。書寫的動(dòng)作與感覺與平時(shí)多年練就已形成條件反射的用筆習(xí)慣大相徑庭。無法通過增減書寫的力度來調(diào)節(jié)筆跡的粗細(xì)、筆鋒以及每一筆劃之間的停頓與連接關(guān)系，和平常書寫相比，其效果和效率都差距甚遠(yuǎn)。

1.2 手寫板與觸摸屏

使用手寫板（觸摸屏）作為輸入設(shè)備時(shí)，其效果和平常用紙、筆書寫的相差不大，但也存在兩個(gè)明顯不足：1）手寫板（觸摸屏）不如鼠標(biāo)小巧，使用者需要一邊走動(dòng)，一邊演示時(shí)不夠方便攜帶；2）書寫大字或繪制大幅圖畫時(shí)操作不便，程序繁雜。

2 虛擬空間電子手寫筆的設(shè)計(jì)原理

2.1 電子筆結(jié)構(gòu)

如圖1所示，本產(chǎn)品既能模擬實(shí)際書寫時(shí)的觸壓與摩擦感受，又具備普通鼠標(biāo)的便攜能力?？梢詫⑵湟暈橐恢茉诖笮】烧{(diào)，位置任意設(shè)定的觸摸屏上書寫和繪畫的電子筆，操作簡便，真實(shí)感強(qiáng)，具有良好的使用價(jià)值。結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖1 帶書寫觸感的虛擬空間電子手寫筆

圖2 電子手寫筆結(jié)構(gòu)圖

2.2 工作原理

（1）啟動(dòng)書寫功能后，手寫筆內(nèi)置的控制模塊4從陀螺儀模塊9獲取手寫筆的俯仰角α與航向角β，以及筆前端A點(diǎn)的三維坐標(biāo)（x，y，z），如圖3所示。

圖3 電子手寫筆手筆端電路原理框圖

（2）生成以A點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，且與地面、手寫筆在地面的投影線段A′B′垂直的虛擬平面M。

（3）生成平行于平面M的虛擬平面M′，M、M′之間的距離為H（見圖4）。M、M′等效于實(shí)際觸摸屏的表面和底面。虛擬平面M、M′的三維坐標(biāo)存儲(chǔ)于控制模塊4內(nèi)的微處理器，作為下步（見第5點(diǎn)）比對(duì)的參照。

圖4 虛擬屏示意圖

（4）觸摸筆的前端裝有陀螺儀模塊9，該模塊實(shí)時(shí)采集陀螺儀內(nèi)部x、y、z三個(gè)方向的加速度及水平俯仰，滾動(dòng)角速度數(shù)據(jù)，并由控制模塊4換算出觸摸筆筆尖的實(shí)際三維坐標(biāo)位置（x、y、z），根據(jù)增量坐標(biāo)值計(jì)算出光標(biāo)移動(dòng)距離，再根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)HID協(xié)議命令格式編碼，通過通信模塊3透傳給PC接收端。

（5）控制模塊 4 將（x、y、z）值與預(yù)設(shè)的虛擬屏（M、M′）比對(duì)（見圖 1）。當(dāng)筆尖處于 M、M′之間時(shí)，啟動(dòng)直線振動(dòng)電機(jī)8推動(dòng)傳振構(gòu)件6，再由控制模塊4調(diào)節(jié)直線振動(dòng)電機(jī)8的行程與幅度，產(chǎn)生觸壓感，觸壓力度F由壓力傳感器7采集，并反饋至控制模塊4形成閉環(huán)控制。F的大小與距離h（見圖4）成正比（F=kh，k為常數(shù)，k越大則觸壓感越強(qiáng)）。與此同時(shí)控制模塊4通過通信模塊3向PC端發(fā)送變換后的坐標(biāo)（x′，y′，h），其中 x′，y′為筆前端 A 點(diǎn)在虛擬平面 M的投影坐標(biāo)（見圖4）；h相當(dāng)于筆尖A位于虛擬屏（M，M′）的深度（見圖 5），h的大小用于控制筆畫的粗細(xì)和筆鋒的力度。如果筆尖位置不在M、M′之間，則向 PC 端發(fā)送的數(shù)據(jù)為（x′，y′，-255），直線振動(dòng)電機(jī)不動(dòng)作，此時(shí)按壓在手寫筆傳振構(gòu)件6上的手指得不到書寫的觸壓感。

圖5 虛擬屏示意圖

（6）限位彈簧5用于支撐傳振構(gòu)件6，使傳振構(gòu)件6與壓力傳感器7和直線振動(dòng)電機(jī)8保持輕微接觸。

（7）無線收發(fā)模塊接收到手寫筆發(fā)來的光標(biāo)控制命令編碼，通過USB-HID模塊，直接傳輸?shù)絇C，PC端則根據(jù)控制命令，進(jìn)行光標(biāo)移動(dòng)等控制，從而實(shí)現(xiàn)書寫、點(diǎn)擊等各種操作，原理如圖6所示。

圖6 手寫筆PC端原理框圖

2.3 制作與應(yīng)用

（1）圖3中電子筆的微處理器控制模塊中采用STC8A8K64S4A12核心板，陀螺儀模塊采用MPU6050芯片，直線電機(jī)采用1027手機(jī)震動(dòng)電機(jī)，藍(lán)牙模塊采用CC2540。PC接收端的藍(lán)牙模塊采用CC2540，連接USB串口HID模塊CH9329，接收串口數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為HID協(xié)議鼠標(biāo)鍵盤控制指令，控制PC端的電子白板，實(shí)現(xiàn)虛擬空間的書寫功能。

（2）參數(shù)對(duì)比。帶書寫觸感的虛擬空間電子手寫筆與同類產(chǎn)品參數(shù)對(duì)比。

從表1可以看出，無論在新增功能與使用體驗(yàn)、各種新能參數(shù)及性價(jià)比方面，與其他類似產(chǎn)品相比，本產(chǎn)品具有著獨(dú)特的優(yōu)勢。

表1 與同類產(chǎn)品性能對(duì)比

3 結(jié)束語

本設(shè)備在實(shí)現(xiàn)無線空鼠功能的同時(shí)，使用者在書寫過程中，還可通過實(shí)時(shí)反饋的指間觸感，以便調(diào)整書寫動(dòng)作，從而獲得真實(shí)的手寫感覺。