姚詩(shī)磊，李龍輝，孫嘉騫，易黃建

（西北大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710000）

0 引 言

主動(dòng)式電容筆的作用對(duì)象是電容屏，電容屏是近年來(lái)興起的一類屏幕，目前大多數(shù)電子設(shè)備應(yīng)用的都是電容屏[1-2]。電容筆通過(guò)內(nèi)部電路產(chǎn)生的信號(hào)與觸摸屏作用從而產(chǎn)生電流，產(chǎn)生的電流可以用來(lái)檢測(cè)筆的坐標(biāo)。電容筆輸出的信號(hào)能夠模擬人體電流作用于電容屏，起到代替手指的功能。用戶可以流暢地在屏幕較大的電子設(shè)備上書寫。研究的核心問(wèn)題在于如何輸出連續(xù)、平穩(wěn)且能夠作用于電容屏的信號(hào)，且考慮到電容筆的功能實(shí)現(xiàn)，不能將筆設(shè)計(jì)得太大，因此選擇可集成、體積小的器件來(lái)實(shí)現(xiàn)功能。

目前市場(chǎng)上主動(dòng)式電容筆售價(jià)較高，很少有廠家開發(fā)這樣的電容筆。本文主要基于正弦信號(hào)發(fā)生和模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)了一款能夠作用于電容屏的電容筆，且在各電路模塊上可以進(jìn)行拓展以增加電容筆的功能。

1 主動(dòng)式電容筆的主要原理研究

電容筆的作用對(duì)象是電容屏，首先要了解電容屏的結(jié)構(gòu)及工作原理。電容屏的結(jié)構(gòu)是一塊四層復(fù)合玻璃層，將ITO導(dǎo)電材料涂在內(nèi)表面和夾面之間[3]。電容屏的工作原理是人的皮膚與電容屏有接觸時(shí)，皮膚作為導(dǎo)體，皮膚和電容屏之間會(huì)產(chǎn)生耦合電容，電容屏幕會(huì)在接觸點(diǎn)生成一個(gè)小電流，電流最終流向屏幕處于對(duì)角的4個(gè)電極中，計(jì)算這些電流到達(dá)電極的時(shí)間，確定觸摸的準(zhǔn)確位置。電容筆的工作原理與之類似，電容筆與屏幕接觸產(chǎn)生動(dòng)作電流，電流流入屏幕對(duì)角的4個(gè)電極中，并且電流到達(dá)電極的時(shí)間與電流流過(guò)的距離成正比，處理器對(duì)4個(gè)電流的到達(dá)時(shí)間和距離進(jìn)行計(jì)算，可以定位到屏幕上接觸點(diǎn)的位置。

根據(jù)電容屏的基本特征，設(shè)計(jì)一款模擬人體電流的電容筆，滿足人們?cè)陔娮釉O(shè)備上書寫的需求。本文利用文氏橋振蕩電路產(chǎn)生一個(gè)正弦波，而后對(duì)正弦波進(jìn)行處理和分析，輸出一個(gè)精度較高的模擬信號(hào)。在此過(guò)程中需要考慮各模塊的選用和設(shè)計(jì)以及電路參數(shù)的設(shè)置。

2 主動(dòng)式電容筆系統(tǒng)模塊

2.1 主動(dòng)式電容筆模塊設(shè)置

主動(dòng)式電容筆包括電容筆模塊、STM32芯片模塊、壓力傳感器模塊和藍(lán)牙模塊，如圖1所示。壓力傳感器安裝在筆尖處，用于收集筆尖壓力信息而后傳給STM32芯片，從而改變輸出信號(hào)幅值。藍(lán)牙模塊與STM32連接使電容筆工作。

圖1 各模塊示意圖

2.2 主動(dòng)式電容筆控制模塊

控制模塊包括STM32F4ZET6主控芯片、藍(lán)牙和壓力傳感器。STM原理圖如圖2所示。

圖2 STM32芯片原理

當(dāng)藍(lán)牙模塊與STM32連接之后，給PA4輸出高電平，給電路模塊供電，當(dāng)無(wú)連接時(shí)電路斷路不輸出信號(hào)。筆尖的壓力傳感器用于感知筆尖壓力大小，當(dāng)壓力越大時(shí)改變輸出信號(hào)幅值，從而改變書寫寬度。

控制代碼如下：

2.3 主動(dòng)式電容筆信號(hào)產(chǎn)生模塊

主動(dòng)式電容筆內(nèi)部電路組成包括信號(hào)發(fā)生模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、LC選頻模塊、電路保護(hù)模塊，如圖3所示。

圖3 電容筆內(nèi)部示意圖

2.3.1 信號(hào)發(fā)生模塊

信號(hào)發(fā)生模塊采用的是文氏橋振蕩電路（Wien Bridge Oscillator Circuit），其通過(guò)對(duì)各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)置能夠產(chǎn)生電路所需的正弦信號(hào)。在此部分需要解決的問(wèn)題是如何調(diào)節(jié)各項(xiàng)參數(shù)的值來(lái)獲得所需信號(hào)以及如何使輸出的正弦波更穩(wěn)定[4]。信號(hào)發(fā)生模塊電路圖如圖4所示。

圖4 信號(hào)發(fā)生模塊電路

信號(hào)發(fā)生模塊由電阻、電容、二極管和運(yùn)算放大器組成，通過(guò)調(diào)節(jié)R2，C1，R3，C2的值來(lái)調(diào)整輸出正弦波的頻率[4]，調(diào)節(jié)R1，R4和R5可以改變電路放大倍數(shù)（Au1為二極管導(dǎo)通前放大倍數(shù)，Au2為二極管導(dǎo)通后放大倍數(shù)），計(jì)算公式如下：

正弦波發(fā)生器對(duì)阻抗匹配要求嚴(yán)格，故選頻網(wǎng)絡(luò)的電阻電容值需要符合要求，在濾除產(chǎn)生的各次諧波之后可以產(chǎn)生更加平滑的正弦曲線。調(diào)節(jié)R5的電阻值可以調(diào)節(jié)獲得正弦波的幅值，確保輸出信號(hào)不出現(xiàn)非線性失真的情況[5-6]。

為確保不出現(xiàn)失真，需要改變模塊的放大倍數(shù)Au。當(dāng)Au＜3時(shí)，電路主要是負(fù)反饋，此時(shí)電路不輸出信號(hào)；當(dāng)Au＞3時(shí)，電路主要是正反饋，此時(shí)電路輸出信號(hào)會(huì)出現(xiàn)失真；當(dāng)Au=3時(shí)，正負(fù)反饋處于平衡，波形不會(huì)出現(xiàn)失真情況，此時(shí)輸出波形穩(wěn)定。

這種電路物理實(shí)現(xiàn)性低，是因?yàn)殡y以控制電路放大倍數(shù)恰好為3，所以對(duì)電路做出如下修改：

在原有的基礎(chǔ)上增加2個(gè)并聯(lián)反向二極管，這樣做的目的是當(dāng)振蕩信號(hào)比較小時(shí)，二極管處于不導(dǎo)通狀態(tài)，其支路相當(dāng)于斷路，當(dāng)Au＞3，二極管導(dǎo)通，降低了放大倍數(shù)，使電路逐漸恢復(fù)正常工作。改進(jìn)之后輸出波形如圖5所示。

圖5 信號(hào)發(fā)生電路改進(jìn)后輸出波形

2.3.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采用的是滯回型電壓比較器，將文氏橋產(chǎn)生的正弦信號(hào)進(jìn)行處理，將正弦波轉(zhuǎn)化成為同頻率的矩形波，優(yōu)點(diǎn)是抗干擾性好且輸出穩(wěn)定[7]。電壓比較器作用是比較同相輸入和反相輸入端輸入的電壓的大小并輸出高低電平[8]。

電壓比較器有兩個(gè)工作狀態(tài)：一是同相端電壓高于反相端電壓，產(chǎn)生高電平信號(hào)；二是同相端電壓低于反相端電壓，產(chǎn)生低電平信號(hào)[9]。此模塊采用反相輸入模式，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的問(wèn)題有：穩(wěn)壓管的大小如何選擇，穩(wěn)壓管可以改變比較器的輸出波形；R的取值，R的大小決定了運(yùn)放的工作狀態(tài)。電壓比較器工作示意圖如圖6所示。

圖6 電壓比較器工作示意圖

滯回比較器的左右電壓變化范圍為：

電壓比較器電路原理圖如圖7所示，數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出波形圖如圖8所示。

圖7 電壓比較器電路原理

圖8 數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出波形

2.3.3 LC選頻模塊

電壓比較器產(chǎn)生的信號(hào)通過(guò)LC并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)，從輸入信號(hào)中選擇出所需的信號(hào)，濾除產(chǎn)生的無(wú)用信號(hào)，減少諧波輸出[10]。電容和電感的取值取決于在文氏橋振蕩電路所產(chǎn)生的信號(hào)頻率大小[11-12]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在添加保護(hù)模塊之后能夠使輸出信號(hào)在高低電平持續(xù)期間不斷變化，使電容筆書寫時(shí)不容易出現(xiàn)間斷現(xiàn)象。

將通過(guò)LC諧振電路的信號(hào)通過(guò)筆頭作用于電容屏上達(dá)到模擬人手指觸摸的功能。信號(hào)在諧振頻點(diǎn)處通過(guò)，在-3 dB處的信號(hào)被截止，通過(guò)傅里葉變換可以看出其在頻域下的分量。傅里葉分析如圖9所示。

圖9 傅里葉分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，信號(hào)頻域分量在諧振頻點(diǎn)處的能量值最大，其余頻點(diǎn)處的分量小，濾波效果較好。LC諧振電路輸出波形圖如圖10所示。

圖10 LC諧振電路輸出波形

輸出信號(hào)傅里葉變換見表1所列。輸出傅里葉變換參數(shù)見表2所列。

表1 輸出信號(hào)傅里葉變換

表2 輸出傅里葉變換參數(shù)

2.3.4 電路保護(hù)模塊

在LC選頻網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置電路保護(hù)模塊，因?yàn)長(zhǎng)C選頻網(wǎng)絡(luò)輸出信號(hào)與筆尖連接，可以防止因筆頭反流電流過(guò)大而造成內(nèi)部電路的損壞；且為了避免電路中浪涌沖擊導(dǎo)致模塊損毀[13]，選擇使用二極管對(duì)輸出端進(jìn)行穩(wěn)壓。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文研究了主動(dòng)式電容筆的內(nèi)部主要原理和外部控制電路，闡述了主動(dòng)式電容筆結(jié)構(gòu)及原理。在不改變現(xiàn)有觸摸屏的架構(gòu)之下，設(shè)計(jì)出具有信號(hào)發(fā)生和運(yùn)算、數(shù)模轉(zhuǎn)換、選頻濾波等功能的電路。在解決了能產(chǎn)生基本信號(hào)的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了電路的性能，令電容筆使用更符合人們要求。