一種實時擊鍵壓力採集系統的製作方法

2023-10-10 11:53:54

專利名稱：一種實時擊鍵壓力採集系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及信號採集技術，具體說就是一種實時擊鍵壓力採集系統。
背景技術：
擊鍵壓力採集系統是基於擊鍵特徵的人體生物特徵識別系統很重要的一個環節， 目前還沒有出現通用的擊鍵壓力採集系統。現在已有的幾種擊鍵壓力採集方法都存在各自的缺點。Bolduc等人提出了一種測量擊鍵壓力的方法。這種方法是基於壓力敏感電阻的。 將一個壓敏電阻安裝在鍵盤底部，通過測量電阻的變化來體現擊鍵壓力的變化。但這種方法僅使用一個壓敏電阻來測量整個鍵盤的壓力，這使得壓敏電阻的安裝位置將影響測量數據的準確性。對離壓敏電阻距離不同的鍵來說，數據的一致性無法保證。李響等人提出了一個可以採集壓力信息的壓力感應鍵盤。但從他們所採集的數據來看，這一鍵盤在用戶的一個擊鍵過程中只採集一個壓力值。這無疑丟失了很多對生物特徵識別十分重要的信息， 比如壓力的變化特性等。在另外一些擊鍵特徵識別系統中提出了另一種壓力採集鍵盤。這種鍵盤利用數據採集卡與電腦連接，鍵盤上的壓力傳感器通過數據採集卡將壓力數據傳輸給電腦。這一方法雖然具有高解析度的好處，但大多數電腦並不配備數據採集卡，使得這一鍵盤無法應用在普通計算機中。

發明內容
本發明的目的在於提供一種在不改變用戶接口情況下，鍵入數據的同時，實時準確採集擊鍵壓力的實時擊鍵壓力採集系統。本發明的目的是這樣實現的它是由壓力傳感器和接口電路組成的，壓力傳感器連接接口電路，所述的壓力傳感器使用四個應變片組成一個惠斯通全橋電路，將電阻的變化轉換為電壓的變化再進行採集，壓力傳感器安裝在標準鍵盤每個按鍵的底部，包括鍵帽和回彈裝置，設置兩塊隔板，上隔板有12個孔洞，正對著12個傳感器，兩排固定支架用於固定傳感器，當用戶按下按鍵時，回彈裝置將變形，其底部的凸起觸及壓力傳感器的按鈕， 將壓力傳遞給傳感器，鬆開按鍵後，回彈裝置恢復原狀，使鍵帽抬起；所述的接口電路包括放大器、多路複選器、模數轉換器和主控制器，放大器連接多路複選器，多路複選器連接模數轉換器，模數轉換器連接主控制器；其中放大器的作用是放大微弱的毫伏級電壓信號至士5v，這一數值的選擇是根據ADC的輸入要求，採用低功耗高精度的儀表放大器AD620， 多路複選器的作用是選通12路信號中的一路進行數位化及相應處理，兩個8路模擬信號復用器組成一個16路的多路復用電路，滿足12路信號的需要，模數轉換器的作用是將選通的模擬信號數位化，以便主控單元處理並傳送到計算機上，採用的是8位的模數轉換器 ADC0804，主控制器負責整個硬體電路的控制及與計算機通信的工作，採用89SC52作為主控單元，其內置的串口控制器可以方便的與計算機進行通信。本發明實現了在用戶敲擊鍵盤時向計算機同時發送鍵碼和鍵壓力值的功能，運行於計算機上的程序可以實時的採集鍵盤發送來的數據。本發明最終效果為一個12個按鍵的小鍵盤包括10個數字鍵，1個確認鍵，1個取消鍵，以及一個運行於計算機上的採集程序。 在用戶的一次擊鍵行為中，本系統採集鍵碼一個，採集壓力值200至300個，並將每個鍵碼及與其對應的壓力值序列保存到硬碟上。本發明在不改變用戶接口的情況下，實現一個在用戶鍵入數據的同時，實時準確採集擊鍵壓力的系統。本發明使用普通鍵盤作為用戶接口， 克服了使用特殊鍵盤容易造成用戶擊鍵習慣改變的缺點，這對於身份識別意義重大。本發明為每一個按鍵均安裝一個壓力傳感器，保證壓力採集的準確性。通過對接口電路與採集程序的設計，本發明實現了實時高效的擊鍵壓力採集。


圖1為本發明的結構方框圖；圖2為本發明的硬體系統設計方框圖；圖3為本發明的按鍵與傳感器機械連接的俯視圖；圖4為本發明的按鍵與傳感器機械連接的主視圖；圖5為本發明的壓力傳感器示意圖；圖6為本發明的接口電路方框圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步說明。實施例1 結合圖3-圖6，本發明一種實時擊鍵壓力採集系統，它是由壓力傳感器和接口電路組成的，其特徵在於壓力傳感器連接接口電路，所述的壓力傳感器使用四個應變片組成一個惠斯通全橋電路，將電阻的變化轉換為電壓的變化再進行採集，壓力傳感器安裝在標準鍵盤每個按鍵的底部，包括鍵帽和回彈裝置，設置兩塊隔板，上隔板有12個孔洞，正對著12個傳感器，兩排固定支架用於固定傳感器，當用戶按下按鍵時，回彈裝置將變形，其底部的凸起觸及壓力傳感器的按鈕，將壓力傳遞給傳感器，鬆開按鍵後，回彈裝置恢復原狀，使鍵帽抬起；所述的接口電路包括放大器、多路複選器、模數轉換器和主控制器，放大器連接多路複選器，多路複選器連接模數轉換器，模數轉換器連接主控制器；其中放大器的作用是放大微弱的毫伏級電壓信號至士 5v，這一數值的選擇是根據ADC的輸入要求，採用低功耗高精度的儀表放大器AD620，多路複選器的作用是選通12路信號中的一路進行數位化及相應處理，兩個8路模擬信號復用器組成一個16路的多路復用電路，滿足12路信號的需要，模數轉換器的作用是將選通的模擬信號數位化，以便主控單元處理並傳送到計算機上，採用的是8位的模數轉換器ADC0804，主控制器負責整個硬體電路的控制及與計算機通信的工作，採用89SC52作為主控單元，其內置的串口控制器可以方便的與計算機進行通實施例2 結合圖1-圖5，本發明的整體結構框圖如圖1所示。1.硬體系統設計硬體設計框圖如圖2所示。本發明首先提出了將壓力轉化為電信號的壓力傳感器設計，之後提出了將壓力傳感器安裝於每個按鍵下的機械設計，最後，本發明設計了一個接口電路來處理由壓力轉換而來的電信號。1.2壓力傳感器設計
本設計採用應變片作為壓力傳感器的基本感應原件。應變片是一種能將形變轉換為電阻變化的材料。當應變片被按壓時，其電阻將隨著壓力引起的形變而產生相應變化。但是微小的電阻變化並不容易採集，所以本設計使用四個應變片組成一個惠斯通全橋電路， 將電阻的變化轉換為電壓的變化再進行採集。圖3、圖4為本發明設計的壓力傳感器示意圖。圖中(1)是四個應變片之一，(2)是貼應變片的彈性部件，(3)是按鈕。1.3機械設計為將本發明設計的傳感器安裝在每個按鍵底部，我們對傳感器的安裝進行了仔細的機械設計。機械設計示意圖如圖5所示。在圖5中，(a)部分是一個標準鍵盤的按鍵，包括鍵帽如圖中(9)和回彈裝置如圖中(10)。(b)部分是為安裝傳感器而設計的底座。圖中 (5)為下隔板，(8)上隔板，上隔板有12個孔洞，正對著12個傳感器。(6)為上固定支架， (7)為下固定支架，用於固定傳感器。圖中(4)為壓力傳感器。當用戶按下按鍵時，回彈裝置(10)將變形，其底部的凸起將觸及壓力傳感器的按鈕，將壓力傳遞給壓力傳感器。當用戶鬆開按鍵後，回彈裝置將恢復形狀，使鍵帽抬起。1.4接口電路設計壓力傳感器將壓力轉換為電壓信號後，需要一個接口電路來處理這一信號，為此本系統設計並實現了一個專門的接口電路。圖6為本發明的接口電路方框圖。接口電路包括放大器，多路複選器(MUX)，模數轉換器(ADC)和主控制器(MCU)四個主要部分。其中放大器的作用是放大微弱的毫伏級電壓信號至士5v，這一數值的選擇是根據ADC的輸入要求。本設計中採用的是低功耗高精度的儀表放大器AD620。多路複選器的作用是選通12路信號中的一路進行數位化及相應處理。本設計中使用兩個8路模擬信號復用器(CD4051)來組成一個16路的多路復用電路，這一設計可以滿足12路信號的需要。模數轉換器的作用是將選通的模擬信號數位化，以便主控單元處理並傳送到計算機上。本設計採用的是8位的模數轉換器ADC0804，8位的解析度可以滿足本生物特徵識別系統的需求。主控制器負責整個硬體電路的控制及與計算機通信的工作，本設計採用了常見的89SC52作為主控單元， 其內置的串口控制器可以方便的與計算機進行通信。2.軟體設計2. 1固件程序設計本系統設計了一個運行於MCU中的程序來控制整個硬體電路並與計算機通信，即固件程序。固件程序在設備上電後自動運行，其運行開始後則循環檢測是否有鍵被按下。一旦檢測到某個鍵閉合，則發送一個開始信號到計算機，告訴計算機有鍵被按下。在緊接開始信號的一個字節中，固件程序將閉合鍵的鍵號發給計算機。在鍵號字節發送結束後，固件程序開始發送壓力值，直到閉合的鍵被鬆開。按鍵被放開時，固件程序發送一個字節的結束信號給計算機，告訴計算機此次擊鍵動作結束。如果沒有鍵被按下，固件程序將不發送開始信號以及鍵號到計算機，但仍發送壓力值(空壓力)。計算機上的採集程序將會把這些壓力值存放在空按鍵對應的壓力數組裡。採集按鍵的空壓力是為了衡量擊鍵間隔時間，兩次按鍵之間的空壓力數組的長度表徵了擊鍵間隔時間的大小。擊鍵間隔時間對擊鍵特徵識別同樣是一個重要數據。2. 2採集程序設計本系統設計了一個運行於計算機上的程序，負責採集壓力感應鍵盤發送來的數據。採集程序將採集的數據存為二元關係〈鍵號，壓力數組〉。當採集程序運行後即循環檢測是否收到固件程序發來的開始信號，若收到則表明某個鍵被按下，並且接下來一字節的數據即為鍵號。所以採集程序將開始信號的下一個字節的數據存在鍵號裡。將鍵號之後的數據存在此鍵號對應的壓力數組中，直至收到結束信號。當採集程序沒有收到開始信號時， 程序將收到的數據存在鍵號為空所對應的壓力數組中。以此來衡量擊鍵間隔時間。
權利要求
1. 一種實時擊鍵壓力採集系統，它是由壓力傳感器和接口電路組成的，其特徵在於 壓力傳感器連接接口電路，所述的壓力傳感器使用四個應變片組成一個惠斯通全橋電路， 將電阻的變化轉換為電壓的變化再進行採集，壓力傳感器安裝在標準鍵盤每個按鍵的底部，包括鍵帽和回彈裝置，設置兩塊隔板，上隔板有12個孔洞，正對著12個傳感器，兩排固定支架用於固定傳感器，當用戶按下按鍵時，回彈裝置將變形，其底部的凸起觸及壓力傳感器的按鈕，將壓力傳遞給傳感器，鬆開按鍵後，回彈裝置恢復原狀，使鍵帽抬起；所述的接口電路包括放大器、多路複選器、模數轉換器和主控制器，放大器連接多路複選器，多路複選器連接模數轉換器，模數轉換器連接主控制器；其中放大器的作用是放大微弱的毫伏級電壓信號至士 5v，這一數值的選擇是根據ADC的輸入要求，採用低功耗高精度的儀表放大器 AD620，多路複選器的作用是選通12路信號中的一路進行數位化及相應處理，兩個8路模擬信號復用器組成一個16路的多路復用電路，滿足12路信號的需要，模數轉換器的作用是將選通的模擬信號數位化，以便主控單元處理並傳送到計算機上，採用的是8位的模數轉換器ADC0804，主控制器負責整個硬體電路的控制及與計算機通信的工作，採用89SC52作為主控單元，其內置的串口控制器可以方便的與計算機進行通信。
全文摘要
本發明提供一種實時擊鍵壓力採集系統。它是由壓力傳感器和接口電路組成的，壓力傳感器連接接口電路，壓力傳感器使用四個應變片組成一個惠斯通全橋電路，將電阻的變化轉換為電壓的變化再進行採集；壓力傳感器安裝在標準鍵盤的底部，包括鍵帽和回彈裝置，接口電路包括放大器、多路複選器、模數轉換器和主控制器，模數轉換器將選通的模擬信號數位化，主控制器負責整個硬體電路的控制及與計算機通信，採用89SC52作為主控單元，其內置的串口控制器可以方便的與計算機進行通信。本發明在不改變用戶接口的情況下實時採集擊鍵壓力，使用普通鍵盤作為用戶接口，克服了使用特殊鍵盤容易造成用戶擊鍵習慣改變的缺點，這對於身份識別意義重大。
文檔編號A61B5/22GK102389317SQ20111019641
公開日2012年3月28日 申請日期2011年7月14日 優先權日2011年7月14日
發明者卜巍, 張世雷, 王寬全, 鄔向前 申請人:哈爾濱工業大學