一種光電式多用途輸入外設的製作方法

2023-06-08 14:26:41 2

專利名稱：一種光電式多用途輸入外設的製作方法
技術領域：
本發明是計算機的一種輸入外設，屬於人機界面技術。
目前的計算機輸入方式存在如下缺點易引起手指疲勞性損傷；鍵盤和滑鼠體積大，攜帶不便，不適應未來小型化要求。
本發明是一個單片機系統，由光探頭獲取顏色信息及受光情況，經軟硬體轉換成編碼，再經接口送出或存於FLASH存儲器中並可在本機顯示。
本發明實現了非彈性力按鍵輸入，既兼具滑鼠、鍵盤、手寫筆功能，又徹底避免手指疲勞性損傷；該輸入外設適用於任何語言，全球通用；衛生、體積小，壽命長，成本低。
本發明的工作原理操作者戴著手套操作，系統荻取手套指端(或左手掌實鍵盤鍵內)光電二極體受光情況及位移信號，並針對不同的工作模式作相應處理，形成滑鼠或鍵盤或手寫筆的編碼1.對按鍵操作，即一個或多個手指同時作「擊鍵」的操作，a.操作時，在同一時間段，完成一次「擊鍵」操作的手指對應二進位位值1，未運動的手指對應二進位位值0，這樣操作者的左右手10個手指分別對應10位二進位數的一個比特(對手機模式，則為6個手指各對應6位二進位數的一個比特；對實鍵盤，則為9個鍵各對應9比特二進位數的一個比特)；b.滑鼠、鍵盤的一個鍵對應於一個二進位數(10位或6位或9位二進位數)，該二進位數對應一個標準鍵編碼；c.把a中產生的二進位數按b中的對應關係轉換成標準鍵編碼；2.對移動操作，右手食指、中指、無名指、小指並成一個色陣面，右手大拇指在該色陣面上滑動(或右手中指在專用色陣面板上滑動)，位移檢測電路把右手大拇指(右手中指)指端陰面的色敏器件在X、Y方向上掃過的格子數轉換成位移，該位移乘以位移係數，然後轉換成滑鼠格式或手寫筆格式的編碼；最後經PS/2或其它接口送出或存於系統的FLASH存儲器中。
本發明的實施方案及最佳實施例

圖1是脈衝發生計數電路；圖2是位移檢測電路；圖3是燈控制電路圖4是單指觸擊監測電路；圖5是觸擊監測探頭的結構圖；圖6是10指觸擊監測電路；圖7是系統電路；圖8是右手大拇指探頭外形及布置圖；圖9是系統結構圖；圖10信號強度---時間關係圖，該信號是色敏器件的光敏二極體在掃描時獲得的光強信號或該光強信號經光電轉換後產生的電信號；圖11包含方形色陣塊每格顏色定義圖，及方形色陣塊、手、二維直角座標系、實鍵盤鍵陣的方位關係圖；圖12(a)、圖12(b)、圖13、圖14分別是英漢字符區0、1、2、3操作區的字符編碼二維排列表；圖15是手機鍵盤的英語字符排列表；圖16-圖28是軟體流程圖。
一.硬體組成及其功能本發明硬體組成手套、電路。
1手套1.1該手套是彈性尼龍手套；右手套手指陰面塗納米陶瓷；左右手套每個手指末指節陰面(不在指尖，距指尖約10毫米)膠固著一個觸擊監測探頭；1.2觸擊監測探頭提供虛擬鍵盤(或滑鼠)的擊鍵信號、手寫筆(或滑鼠)的觸摸態信號；1.2.1觸擊監測探頭的外殼501是中空圓柱，503為外殼501沿軸心的剖截圖，外殼501分為4個部位透明圓圈段501-2、黑色圓圈段501-1和501-2、黑色擋環501-4；1.2.2觸擊監測探頭的滑窗有兩種形式502、507；滑窗502與滑窗507在功能上等價、相互兼容；滑窗502分為4個部位透明圓圈段502-4、黑色圓圈段502-2和502-5、黑色擋環502-3、黑色半圓球殼502-1；滑窗507分為4個部位連筋507-4、黑色圓圈段507-2和507-5、黑色擋環507-3、黑色半圓球殼507-1；滑窗內壁為鋁鍍層鏡面；1.2.3光電二極體506固定在黑色基盤505中心，滑窗502與外殼501松配合，滑窗502沿軸向有約0.2毫米的自由滑動空間；擋環501-4與擋環507-3接觸(應為柔性接觸，以免滑窗反彈產生虛假信號)時，黑色圓圈段502-5封掩透明圓圈段501-2，外部光線不照射光電二極體506；滑窗502上抵基盤505時，透明圓圈段502-4正對透明圓圈段501-2(對滑窗507，則是連筋507-4正對透明圓圈段501-2)，外部光線照射光電二極體506；1.2.4滑窗502的材質比重很大，滑窗502外壁有多根淺細的「Z」形凹痕，以免滑窗502內空氣正負壓對滑窗502滑動造成阻尼；1.2.5擊鍵操作手掌懸空靜止、陰面朝下，觸擊監測探頭內滑窗透明段502-4(或連筋507-4)與外殼透明圓圈段501-2錯開，探頭內的光電二極體不受環境光照射；此時，手指向下閃擊(或探頭擊打物面)，滑窗相對於外殼501向上移動，滑窗透明段502-4(或連筋507-4)與外殼透明圓圈段501-2正對，探頭內的光電二極體受環境光照射；然後滑窗502借重力下觸擋環501-4，光電二極體不受環境光照射；；1.2.6擊鍵(或觸壓物面)操作，使滑窗透明段502-4(或連筋507-4)與外殼透明圓圈段501-2正對(或錯開)，從而改變觸擊監測探頭內光電二極體的光照狀態；對擊鍵操作，光電二極體受光狀態變化則有擊鍵；對移動操作，右手套大拇指(或中指)指端的光電二極體處於受光態，則滑鼠或手寫筆處於「觸摸態」，反之為「非觸摸態」；1.3右手套大拇指端、中指末指節陰面分別膠固著一個三色色敏器件，光線經管形窗口進入色敏器件，管形窗口內管壁為黑色吸光材料，管內充滿玻璃質材料；窗口軸線與手套指表面垂直；手套上的每個探頭有一簇納米金屬纖維導線連至掌根總線。
以大拇指807上的色敏器件為例，窗口法線803與手套大拇指表面近似於垂直；色敏器件805接收窗口法線803方向來的光線；傳感器805和管形窗口嵌於堆形凸塊809內；1.4手套陰面(包括手指陰面)圖案為方形色陣塊按圍棋格方式拼組而成的方格色陣；每個方形色陣塊由9個大小相同的正方形方塊(該正方形方塊邊長的推薦值範圍0.5～1毫米)按3行3列方陣縱橫排成，圖11(a)中的表格1101定義了該方形色陣塊每格的顏色(用24位RGB顏色模式表示)，按圖11(a)、圖11(b)定義二維直角座標系的X軸、Y軸，即當右(左)手大拇指翹起而其餘4指併攏時，從右(左)手指陰面看，右(左)手中指指向X軸負向且與X軸平行，右(左)手大拇指指向Y軸正向；該二維直角座標系是位移的參考座標系；1.5手套陰面大拇指根部膠固一個照明燈，用於夜間照亮手套陰面；1.6左手套掌面上的實鍵盤由9個重力鍵按3×3方陣(或3×4方陣)分布而成，每個重力鍵由活罩512、支架510、滑窗511、墜子516、光電探頭518、線513、線514構成；重力鍵提供實鍵盤的擊鍵信號；1.6.1 509是支架510的一種視圖；1.6.2滑窗511由不透明段511-1、不透明段511-3、透明段511-2組成；隧道510-1由不透明段510-2、不透明段510-4、透明段510-3組成；除此之外的部位或零件均是不透明材質；1.6.3活罩512(其材質為透明玻璃)罩住支架510並經孔509-1、509-4、512-1、512-2鉸接，活罩512可相對支架510繞鉸接軸自由轉動(即二者保持一定間隙，自由轉動角度約為6度)；鉸接孔512-1、512-2的公共軸心在活罩512的重心(該重心在該軸心的左下方，以使凸臺面朝上或豎立時，凸臺都翹離軸517)與凸臺512-5之間；1.6.4墜子516、滑窗511、線513、線514串接，線513、線514分別繞過圓軸515、軸517，線513末端膠固於孔512-3內；無外力時，墜子516(其材質比重很大)的重力使滑窗511(其材質比重很小)沿方向H在隧道510-1內松配合地滑動、活罩512沿方向U轉動，透明段510-3與透明段511-2錯開，含於滑窗511內的光電二極體519(位於探頭518的上端頭)處於不受光狀態；凸臺512-5受外力時，滑窗511被線513拉而沿逆方向H滑動，直至透明段510-3正對透明段511-2，包於滑窗511內的光電二極體519處於受光狀態；重力鍵內的光電二極體519受光狀態變化則實鍵盤有擊鍵；2電路2.1脈衝發生計數電路接收來自三色色敏器件的紅光(或藍光)強度信號，經光電轉換、微分、放大、檢波後產生符合電平標準的一個正脈衝串和一個負脈衝串；系統通過定時中斷服務程序讀指定的I/O地址，使每個脈衝串的計數器計數值被周期地鎖存並經數據總線輸出，同時被復位2.1.1色敏器件掃描手套陰面方格色陣，色敏器件中的光敏二極體將得到隨時間作階躍變化的光強，光強與時間的關係呈圖10(a)或圖10(b)狀；光敏二極體D1和電阻R1把階躍變化的光強信號轉化為隨時間作階躍變化的電壓(電壓與時間的關係呈圖8(a)或圖8(b)狀)，並經電阻R1輸出；2.1.2點B的電壓是1.4v的恆定電壓；2.1.3由電容C1、電阻R3、運算放大器AMP1組成的微分放大電路把電阻R1上階躍變化的電壓轉化為正、負脈衝信號，經點A輸出；由於運算放大器AMP1的負端接點B，正、負脈衝信號是以1.4v為基準的；2.1.4點A的正脈衝信號經D5、R5檢波輸出到運算放大器AMP3，由於電阻R5一端接點B，運算放大器AMP3隻起差動放大的作用，點A的正脈衝信號被轉化為符合電平標準的脈衝信號在點C輸出；同理，A的負脈衝信號被轉化為符合電平標準的脈衝信號在點F輸出；2.1.5計數器101、計數器102分別對點F、點C的脈衝計數；鎖存脈衝109把計數器101的計數值鎖存到鎖存器103、把計數器102的計數值鎖存到鎖存器104，接著鎖存脈衝109經延時電路110(延時電路110由2個緩衝器串聯而成)變為復位信號，把計數器101、計數器102的計數值復位為0，使其重新開始計數；2.1.6鎖存器103、鎖存器104輸出數據線經三態門105、三態門106與數據總線相連；選通信號108選通三態門105、三態門106，把鎖存器103的數據輸至數據總線，選通信號107把鎖存器104的數據輸至數據總線；2.2位移檢測電路對單個手套指端的所有色敏器件的信號進行處理，並可接受解碼電路傳來的鎖存脈衝、選通信號，把特定時間段的正、負脈衝計數(正、負脈衝計數之和等於掃描過的色陣方格數)送系統數據總線。
以色敏器件201為例，色敏器件201中的二個光敏二極體經三根導線輸出到脈衝發生計數電路204、205，脈衝發生計數電路204(或脈衝發生計數電路205)中的四個鎖存器分別對應著四個不同的I/O地址，系統地址總線AB和控制總線CB用這四個I/O地址、通過解碼電路把脈衝發生計數電路204(或脈衝發生計數電路205)中的四個鎖存器中的值選通到數據總線DB；2.3照明燈控制電路由於非門302輸入端接D觸發器301的Q腳、輸出端接D觸發器301的D腳，所以觸發器301的CK腳每接收一個脈衝信號，觸發器301的Q腳電平就翻轉一次；觸發器301的Q腳為高電平時，場效應管304導通，燈303亮，反之場效應管304截止，燈303熄。觸發器301的CK腳每接收一個脈衝信號，燈303就在「亮狀態」、「熄狀態」間翻轉一次。
2.4單指觸擊監測電路光電二極體D41接受光脈衝時，電阻R41兩端產生電脈衝，該電脈衝經放大器AMP41、斯密特觸發器401放大整形成標準電平脈衝從點E輸出；光電二極體D41處於受光態時，點E的電平為高電平，反之為低電平；光電二極體D41從受光態變為非受光態時，點E產生一個正脈衝信號，該正脈衝信號使觸發器402(為上升沿敏感)的Q端電平變為高電平；信號SIG2選通三態門403；信號SIG1將觸發器402的Q端復位為低電平；信號SIG3選通三態門404；touchFlag對應數據總線的一根線(如DB0)；2.5 10指觸擊監測電路AB總線為sensorAddr+8時，邏輯電路611輸出為SIG1＝0，SIG2＝1，SIG3＝0；AB總線為sensorAddr+9時，邏輯電路611輸出為SIG1＝0，SIG2＝0，SIG3＝1；AB總線為sensorAddr+10時，邏輯電路611輸出為SIG1＝1，SIG2＝0，SIG3＝0；AB總線在(sensorAddr+8)-(sensorAddr+10)之外時，SIG1＝0，SIG2＝0，SIG3＝0；為使邏輯電路611簡單，sensorAddr+8(設為AB15-0)最低的2比特為0，AB15-2中值為0的位經非門後輸入與邏輯門，AB15-2中值為1的位直接輸入該與邏輯門；同理，該與邏輯門的輸出與AB1-0作非與組合運算即可實現邏輯電路611的功能；10個單指觸擊監測電路601-610分別對應數據總線DB的二進位位DB0-DB9；信號線SIG1＝1時，監測電路601-610內的觸發器復位；信號線SIG2＝1時，監測電路601-610內的觸發器(如502)Q端信號電平(信號電平＝1，對應的指端有觸擊發生，反之，對應的指端無觸擊發生)送數據總線DB；信號線SIG3＝1時，監測電路601-610內的運算放大器(如501)輸出端信號電平(信號電平＝1，對應的指端觸壓物面，反之，對應的指端未觸壓物面)送數據總線DB；2.6掌心鍵盤擊鍵監測電路該電路是在IO地址不衝突的前提下對10指觸擊監測電路的直接翻版；設該電路佔用的IO地址是(sensorAddr+12)～(sensorAddr+14)；2.7系統電路2.7.1由電阻R2、矽二極體D2、矽二極體D3把點B的電壓穩定在1.4v；2.7.2微控制器MCU706通過數總線DB、地址總線AB、控制總線CB對隨機存儲器RAM707、只讀存儲器ROM708、閃速存儲器FLASH709、液晶顯示器LED710、語音晶片711、通信晶片712、解碼電路701、10指觸擊監測電路704、位移檢測電路702、位移檢測電路703、燈控制電路705實施控制或與之交換信息；2.7.3鎖存信號716、位移檢測電路(即702和703)的選通信號(即714和715)、脈衝信號713均由解碼電路701產生；2.7.4鎖存信號716是解碼器501的一根輸出信號線，對應著一個特定的I/O地址，微控制器MCU706定時讀(或寫)該I/O地址從而發出鎖存信號716將位移檢測電路(即702和703)中計數器(如101)的計數值鎖存到這些電路內部自身的鎖存器(如103)中；及觸摸監測電路512內的信號鎖存到這些電路內部自身的鎖存器中；2.7.5選通信號714、715分別包含著4根選通信號線，選通信號713是一根選通信號線；一根選通信號線對應著一個特定的I/O地址，系統在需要的時候讀該I/O地址時，該選通信號線即把內部鎖存器中的二進位數送系統數據總線DB；2.7.6系統通過讀IO地址(sensorAddr+8)～(sensorAddr+10)，把10指觸擊監測電路704內的電平信號送入數據總線DB或將其復位；通過讀IO地址(sensorAddr+12)～(sensorAddr+14)，把掌心鍵盤擊鍵監測電路716內的電平信號送入數據總線DB或將其復位；2.7.7脈衝信號713對應著一個特定的I/O地址，微控制器MCU514在系統需要的時候讀(或寫)該I/O地址時，燈控制電路705獲得一個脈衝信號，燈狀態翻轉一次。
2.7.8系統的存儲器由隨機存儲器RAM707、只讀存儲器ROM708、閃速存儲器FLASH709構成；2.7.9系統通過內部集成有字符點陣和驅動電路的液晶顯示器LED710把閃速存儲器FLASH709中的內容顯示出來或提供圖形交互界面；2.7.10系統通過帶文聲轉換功能的語音晶片711發出告警用語或閃速存儲器FLASH709中的字詞所對應的聲音；2.7.11系統通過通信晶片712(藍牙晶片或串口轉PS/2晶片)把按鍵編碼或位移編碼發送出去，在升級模式時則接收升級指令。
2.8系統外形結構2.8.1觸擊監測探頭904、905、906、908、808分別布置在右手套912陰面小指、無名指、中指、食指、大拇指的指端，左手套901陰面也對稱地布置著5個同樣的傳感器；2.8.2右手套大拇指尖、右手套中指尖陰面分別布置著一個色敏傳感器809、907(外形為堆形凸塊)；2.8.3燈303布置在右手套陰面大拇指根；左手套陰面大拇指根對稱地布置同樣的燈一個；2.8.4信號線簇911把右手套上的傳感器獲得的信號送位於腕部的電路系統910，電路系統910同時接收左手套上的傳感器獲得的信號；電路系統910處理傳感器信號，根據當前工作模式把處理結果經無線接口送出或存於電路系統910內的FLASH儲器中或顯示於液晶顯示器710中；若處理結果是燈303的切換信號，電路系統910經信號線簇911切換燈(如303)狀態。
二.軟體該軟體包括以下的功能●分析處理10指觸擊監測電路和位移檢測電路送來的信號，得到有效的編碼；對非法操作，通過語音晶片711發聲告警；●將有效的編碼送出或顯示在液晶顯示器710或存於閃速存儲器FLASH709；●針對系統不同的工作模式，通過液晶顯示器710提供不同的人機互動界面；●把閃速存儲器FLASH709中的內容通過帶文聲轉換功能的語音晶片711播音；●通過藍牙晶片712接收主機發來的升級指令，修改閃速存儲器FLASH709中的內容；在說明軟體流程前，先對軟體中涉及的概念及其內容作說明。
1位移由於色敏器件掃描方格色陣時前端處理器的光敏二極體得到的光強信號呈圖8(a)或圖8(b)狀，且位移檢測電路計數器的計數周期很短(周期很短意味著周期內指端作直線運動)，位移檢測電路送來的正脈衝數Kp與負脈衝數Kn存在如下關係A.色敏器件的運動速度沿X軸(或Y軸)的分速度為正時，Kp≈2*Kn(c)B.色敏器件的運動速度沿X軸(或Y軸)的分速度為負時2*Kp≈Kn(d)軟體根據Kp、Kn關係得到X軸方向位移ΔX(或Y軸方向位移ΔY)的方向a.Kp、Kn呈式(c)關係時，ΔX＞0(或ΔY＞0)b.Kp、Kn式(d)關係時，ΔX＜0(或ΔY＜0)ΔX(或ΔY)的絕對值|ΔX|＝Kp+Kn(或ΔY的絕對值|ΔY|＝Kp+Kn)。由上可知，這裡所說的位移實際是色敏器件掃描過的方格色陣格子數。
2傳感器專用I/O地址設傳感器專用I/O起始地址為sensorAddr，則a)1個位移檢測電路的選通信號佔用4個I/O地址，2個位移檢測電路的選通信號共佔用8個I/O地址，其範圍sensorAddr∽sensorAddr+7；b)觸擊監測電路中，閃擊選通信號佔用1個I/O地址sensorAddr+8；觸摸選通信號佔用1個I/O地址sensorAddr+9；復位信號佔用1個I/O地址sensorAddr+10；
c)照明燈翻轉信號佔用1個I/O地址sensorAddr+11；軟體讀I/O地址sensorAddr∽sensorAddr+7即獲得4個(Kp、Kn)數據對；讀I/O地址sensorAddr+11即使照明燈狀態翻轉一次；讀I/O地址sensorAddr+8即獲知觸擊探頭是否作「閃擊」操作；讀I/O地址sensorAddr+9即獲知觸擊探頭是否處於「觸摸態」I.數據總線二進位位為1，對應的觸擊探頭處於「觸摸態」；II.數據總線二進位位為0，對應的觸擊探頭處於「非觸摸態」；3系統有7種工作模式字符區選擇模式、通用模式、手寫筆模式、手機滑鼠模式、手機鍵盤模式、本地模式、升級模式；每種模式都指定一個二進位數(該二進位數對應於一次按鍵操作)用於退出該模式並進入模式選擇態；4字符區及區內字符分布方式字符區分為兩類語言字符類、專業類；4.1語言字符類字符區針對不同語言生成的字符區，其中包括該語言現行鍵盤中的全部字符及功能鍵；英語和漢語同屬一個字符區，這裡以英語和漢語字符區為例說明字符分布方式(這裡的按鍵編碼是指現用鍵盤掃描碼或滑鼠鍵碼或新增鍵盤掃描碼)a)每個字符區分為4個操作區0操作區、1操作區、2操作區、3操作區；操作區區號由左手大拇指、右手大拇指組成的2位二進位碼(令該2位二進位碼為Q1Q0，則右手大拇指為Q1、左手大拇指Q0)表示；每個操作區內的字符排序合理繼承現行鍵盤的排列；b)每個操作區是一個7行7列的二維表，該表的行號由左手的無名指、中指、食指組成的3位二進位碼(令該二進位碼為R2R1R0，則無名指為R2、中指為R1、食指為R0)表示，該表的列號由右手的無名指、中指、食指組成的3位二進位碼(令該二進位碼為C2C1C0，則無名指為C2、中指為C1、食指為C0)表示；c)0操作區字符按圖12(a)分布，共有49個字符，包括英語小寫字母、數字字符0∽9、鍵「Esc」、鍵「Tab」、鍵「Shift」、鍵「Ctrl」、鍵「Alt」、鍵「Enter」、鍵「Backspace」、空格鍵、鍵「←」、鍵「↑」、鍵「→」、鍵「↓」、鍵「Delete」；d)1操作區字符按圖12(b)分布，共有49個字符，包括英語大寫字母、鍵「Insert」、鍵「Home」、鍵「End」、鍵「PageUp」、鍵「PageDown」、鍵「F1∽F12」、鍵「PrintScrn」、鍵「SysRq」、鍵「ScrollLock」、鍵「Pause」、鍵「Break」、組合鍵「Ctrl」+「Alt」+「Delete」；e)2操作區字符按圖13分布，共有30個字符，包括鍵「∽」、鍵「`」、鍵「！」、鍵「@」、鍵「#」、鍵「$」、鍵「％」、鍵「^」、鍵「」、鍵「*」、鍵「(」、鍵「)」、鍵「[」、鍵「]」、鍵「{」、鍵「)」、鍵「\」、鍵「|」、鍵「；」、鍵「」、鍵「，」、鍵「.」、鍵「」、鍵「」、鍵「？」、鍵「/」、鍵「」」、鍵「』」；f)3操作區字符按圖14分布，該區為漢字專用區，共有34個字符，包括英語小寫字母及漢字專用標點符號鍵「；」、鍵「，」、鍵「？」、鍵「！」、鍵「。」、鍵「「」、鍵「」「、鍵「、」；對本地模式，3操作區的擊鍵均按神碼漢字輸入法轉換成相應的漢字編碼，然後存FLASH存儲器709並送液晶顯示器710。對通用模式，a)3操作區的擊鍵編碼均加上漢字輸入標誌，然後送出；b)0、1、2操作區的擊鍵編碼均無漢字輸入標誌。
這樣就完全避免了英文輸入和漢字輸入的切換。
1.2專業類字符區a)針對基礎學科(如數學、物理等)、工程學科(如建築、機械等)而生成的字符區；b)每個字符區分為4個操作區0操作區、1操作區、2操作區、3操作區；操作區區號由左手大拇指、右手大拇指組成的2位二進位碼(令該2位二進位碼為Q1Q0，則右手大拇指為Q1、左手大拇指為Q0，Q1Q0對應於變量Area)表示；c)按該學科的分學科或字符使用頻度把字符分配在4個操作區；按字符使用頻度由高到低排序將操作區0操作區、1操作區、2操作區、3操作區。
5滑鼠按鍵左右手均可作滑鼠按鍵操作；滑鼠按鍵操作中由食指、中指、無名指分別對應滑鼠左、中、右鍵；同一時間段，當發現左右手中一隻手的食指或中指或無名指有閃擊操作，而另一隻手無任何手指作閃擊操作，則認為作閃擊操作的手指完成了滑鼠擊鍵操作。
6滑鼠移動操作右手食指、中指、無名指、小指併攏形成一個操作面(亦可用方格色陣平板)，右手大拇指上的觸擊監測探頭808在該操作面上滑動，滑鼠位移的正負向按圖11(a)確定。
7虛擬按鍵操作鑑於小指與其它手指組合操作不方便，這裡的按鍵操作均忽略左右手的小指，這樣只有8個手指參與按鍵操作。通用模式中，只有左右手均有手指作按鍵操作時，才認為是在執行鍵盤按鍵操作，否則不認為是鍵盤按鍵操作。手機鍵盤模式中，只認可右手手指和左手大拇指的按鍵操作，左手大拇指作擊鍵操作，則視為漢字輸入操作。
8實鍵盤按鍵操作(以3×3方陣實鍵盤為例作說明，3×4方陣實鍵盤與此雷同)單行按鍵(即同一時間僅在同一行鍵擊鍵)有21個鍵，二行二指按鍵(即同一時間二行鍵上各有且只有一個擊鍵)有27個鍵，二行三指按鍵(即同一時間二行鍵上各至少有一個擊鍵，且二行鍵上共有三個擊鍵)有27個鍵，3行3指(即同一時間三行鍵上各有且只有一個擊鍵)按鍵有27個鍵；以指尖擊打鍵凸臺412-5的方式執行鍵盤按鍵操作；單行按鍵、二行二指按鍵用於常用鍵，圖12(c.1)、(c.2)、(c.3)、(c.4)為鍵排布的一個示例，圖11(c)為鍵盤鍵a2、a1、a0、b2、b1、b0、c2、c1、c0在掌上分布圖，每個鍵對應一個二進位位(值1對應「鍵按下」，值0對應「鍵彈起」)；其它鍵按分區並繼承現行鍵盤布局方式進行，細節參見虛擬按鍵；9組合鍵對幾個同時按下鍵的操作，轉化為幾個串行按鍵操作來完成，該串行按按鍵操作先後分為起始鍵、幾個同時按下鍵、停止鍵；這裡定義起始鍵為左右手的大拇指、中指、小指同時作「往返操作」，停止鍵為空格鍵；對幾個同時按下鍵的擊鍵順序無限制。
10手寫筆操作在書寫每個字(或每個單詞，如英語單詞)前，左手大拇指叩壓在左手掌面，其上的觸擊監測探頭處於接觸態，右手大拇指開始在右手掌面書寫；書寫完每個字(或每個單詞)後，左手大拇指提離左手掌面，其上的觸擊監測探頭處於非接觸態。設進入手寫筆模式的時刻為t1，進入手寫筆模式後書寫完第一個字(或單詞)後左手大拇指提離左手掌面的時刻為t2，第二個字(或單詞)的為t3，第三個字(或單詞)的為t4，則時間段t1-t2為第一個字(或單詞)的書寫時段，時間段t2-t3為第二個字(或單詞)的書寫時段，時間段t3-t4為第三個字(或單詞)的書寫時段，依此類推即可確定其後字[或單詞]的書寫時段。手寫筆的編碼中，一個二進位位作書寫時段位，書寫時段的分界時刻(如t1、t2、t3)對應的書寫時段位的值為1，其它時刻對應的書寫時段位的值為0(手寫筆的編碼包括書寫時段位、接觸狀態位、MouseX、MouseY)。設前後兩次採樣時刻tn、tn+1，tn時刻左手大拇指上的觸擊監測探頭處於接觸態，tn+1時刻左手大拇指上的觸擊監測探頭處於非接觸態，tn+1為書寫時段的分界時刻。
11系統變量及結構下面用程式語言C語言對系統變量及結構作描述；11.1SensorData結構{iht posRedPulseCount；//色敏器件中紅光在光敏二極體正//脈衝計數值Int negRedPulseCount；//色敏器件中紅光在光敏二極體負//脈衝計數值int posBluePulseCount；//色敏器件中蘭光在光敏二極體//正脈衝計數值Int negBluePulseCount；//色敏器件中蘭光在光敏二極體//負脈衝計數值}pulseCntThu，pulseCntMid；11.2struct dualHandsFingers//聲明一個手指對應一個16位二進數的一//位，即符號「？」對應的位
1.3 Vect結構{int RThuDeltaX；//右手大拇指X位移iht RThuDeltaY；//右手大拇指Y位移int RMidDeltaX；//右手中指X位移int RMidDeltaY；//右手中指Y位移}V；1.4 charGroupIndex結構{int index；//序號char charGroupName[32]；//字符區名，如英漢字符區，日語字符區等int addrInit；//字符區起始地址int length；//字符區長度int unit；//字符區長度的單位(字節或字)int existDotArray；//液晶顯示器中是否有該字符區的點陣int existVoice；//1語音晶片中有該字符區的聲波；0語音晶片//中無該字符區的聲波；int current；//1當前字符區；0不是當前字符區}charGroupInfos[]；1.5預設字符區名defCharName；當前字區名curentCharName；1.6整型變量currentMode表示當前模式所對的整數字符區選擇模式對應0，通用模式對應1，手寫筆模式對應2，手機鍵盤模式對應3，手機滑鼠模式對應4，本地模式對應5，播音模式對應6，升級模式對應7；1.7布爾變量mpMoved如mpMoved＝true，則滑鼠或手寫筆有移動操作；如mpMoved＝false，則滑鼠或手寫筆無移動操作；1.8布爾變量keyClicked如keyClicked＝true，則滑鼠或鍵盤有按鍵操作；如keyClicked＝true，則滑鼠或鍵盤無按鍵操作；1.9整型變量detectCnt、clickCatchStep每採集一次探頭數據，detectCnt遞增1，直至detectCnt＝clickCatchStep時置detectCnt＝0；只在detectCnt＝0時採集閃擊信號，改變clickCatchStep，採集閃擊信號的時間步長也隨之改變；12對應於10個手指的10位二進位數(如currentClickFS，currentClickFS實為一個長度為二字節的變量，只用其低10位二進位位)，該二進位位對應某手指稱某手指位；滑鼠或手寫筆位移MouseX對應X軸位移，MouseY對應Y軸位移；
13系統存儲區出於安全與方便考慮，存儲區作如下安排。
13.1隻讀存儲器ROM該區存放中斷服務程序defCharName系統程序、字符區字符編碼、charGroupInfos、升級密碼；13.2 Flash存儲器該區存放currentMode、currentCharName、用戶自定義的字符區字符編碼、用戶在本地模式下輸入的文本字符。由於currentMode、currentCharName在Flash存儲器中，使下次開機後的工作模式和當前字符區與上次關機時相同。
14位移係數與速度設位移係數為m，速度為v(單位為1格/秒)，則預設時 系統在運行中不斷統計滑鼠的移動速度，將移動速度低速、中速、高速三個範圍(低速、中速、高速分別對應位移係數1、16、64)，其中操作者大部分時間在中速範圍內操作。軟體流程該軟體由定時中斷服務程序定時(如設為每20毫秒產生一次，該定時中斷周期即規定了脈衝發生計數電路的2個計數器的計數周期)產生位移10位二進位數(currentClickFS，currentTouchFS)和滑鼠位移(即平面座標(MouseX，MouseY))；系統程序檢查currentClickFS、currentTouchFS、(MouseX，MouseY)並作相應處理。系統程序是無限循環，與定時中斷服務程序配合而形成一個實時系統。
A.定時中斷服務程序按圖24運行步驟2401、2413、2414、2415，使detectCnt每遞增至clickCatchStep時，detectCnt被置零，這樣該定時中斷服務程序使位移及觸摸態的檢測周期為20毫秒，閃擊操作的檢測周期為clickCatchStep*20毫秒；detectCnt＝0時，執行步驟2402把currentClickFS的值賦給lastClickFS，然後執行步驟2408讀I/O地址(sensorAddr+8)檢測「閃擊操作」；再執行步驟2409，若最近二次的閃擊操作記錄(即lastClickFS、currentClickFS)相等且非零(即有「閃擊操作」發生)，則執行步驟2410把閃擊操作標誌keyClick置為真並執行步驟2411清零10指觸擊監測電路中的所有鎖存器，反之執行步驟2412把閃擊操作標誌keyClick置為假；每中斷一次，都執行步驟2403以獲取右手大拇指、中指對應的脈衝發生計數電路中的正負脈衝計數並執行步驟然2404-2407把其轉化為右手大拇指、中指對應的位移，其中步驟2404、2406按圖25執行；然後執行步驟2416判斷有無移動操作；若有，則通過步驟2418、2420-2422來求滑鼠位移，即以右手大拇指和中指處於觸摸態者的位移作滑鼠位移，但如右手大拇指和中指都處於觸摸態，則以大拇指位移作滑鼠位移；如右手大拇指和中指都處於非觸摸態，則視滑鼠無移動操作；步驟2404、2406按圖25運行步驟2503至步驟2505比較探測藍色光信號強度的二極體正脈衝數和負脈衝數大小，從而確定出X位移是正向還是負向，步驟2506產生X位移。步驟2507至步驟2509比較探測紅色光信號強度的二極體正脈衝數和負脈衝數大小，從而確定出Y位移是正向還是負向，步驟2510產生Y位移。最後經步驟2511輸出座標(X，Y)；B.系統主模塊該模塊是整個軟體的最頂層模塊，它是個無限循環程序，按圖16運行步驟1601完成初始化，對全局變量detectCnt、clickCatchStep、mpMoved、keyClicked賦值。步驟1602至步驟1618判斷出當前的工作模式並進入該模式對應的子程序運行。在退出每個模式對應的子程序後，即進入步驟1616，這時用戶可選擇8種工作模式中一種並把其設為當前模式；步驟1616(即模式切換態子程序)只處理滑鼠操作，它按圖17運行步驟1723至步驟1724根據最新滑鼠二維位移移動滑鼠。步驟1701至步驟1708判斷出有無滑鼠左鍵擊鍵操作；若無，則返回起始步驟；若有，進入步驟1709；步驟1709至步驟1722判斷滑鼠座標在哪種模式標誌圖的點陣區內，則把該種模式設為當前工作模式並進入該模式工作；若滑鼠座標不在任何模式標誌圖的點陣區內，則返回起始步驟。
升級工作模式子程序(此時系統只接收外來信號，而不發送信號)按圖18運行步驟1801把允許寫標誌設為「不允許」，步驟1802接收一條指令，若步驟1803判斷出該指令是結束指令則進入模式切換態；若步驟1803判斷出該指令不是結束指令，則在開始寫FLASH存儲器之前由步驟1804至步驟1806驗證密碼以防非法寫入；密碼驗證通過後，才能執行步驟1807至步驟1808，即根據該指令指定的地址把該指令提供的內容寫入FLASH存儲器中，然後返回步驟1801。用戶定義字符區就是通過該模式加入FLASH存儲器的。
通用模式子程序按圖19運行a)步驟1901和步驟1913根據雙手有無按鍵及」觸頭接觸態」確定是否滑鼠移動操作；若是，則執行步驟1914、步驟1915得到滑鼠位移係數，由步驟1916將滑鼠位移和滑鼠位移係數之積作為最終的滑鼠位移輸出；b)步驟1902、步驟1909至步驟1912判斷出當前操作是否滑鼠按鍵操作，若是則輸出相應的滑鼠按鍵編碼，否則返回起始步驟。c)步驟1902至步驟1905判斷出是否有鍵盤按鍵操作，若有則確定出行號(設行號為Row)、列號(設列號為Co1)和區號；c.1)若有且區號為3，且當前字符區為英漢字符區，則執行步驟1906對鍵編碼加上漢字輸入標記後由步驟1924輸出；c.2)對非「區號為3且當前字符區為英漢字符區」的情況，由步驟1917判知目前不是組合鍵輸入態，則直接由步驟1924輸出編碼；c.3)對非「區號為3且當前字符區為英漢字符區」的情況，由步驟1917判知目前是組合鍵輸入態，且步驟1918檢查該按鍵不是空格鍵，則把該鍵碼加入組合鍵緩衝區；c.4)對非「區號為3且當前字符區為英漢字符區」的情況，由步驟1917判知目前是組合鍵輸入態，且步驟1918檢查該按鍵是空格鍵，則輸出組合鍵緩衝區中的編碼並設輸入態為「常規」；c.5)對非「區號為3且當前字符區為英漢字符區」的情況，且在在當前字符區的二維表中查知無相應編碼，且由步驟1921判知是「模式退出」按鍵，則轉入模式切換態；c.6)若區號小於3且在當前字符區的二維表中查知無相應編碼，且由步驟1921至步驟1922判知是「組合鍵起始鍵」，則設輸入態為「組合鍵輸入態」；若由步驟1921至步驟1922判知既不是「組合鍵起始鍵」又不是「模式退出」按鍵，則發告警聲並返回起始步驟。
步驟1915按圖27運行步驟2701至步驟2703向滑鼠速度隊列(這裡設隊列長度為1000個元素)中添加一個元素並查隊列是否滿；未滿，則退出；滿，則執行步驟2704至步驟2707將隊列中元素由低至高排序，並取排序後隊列的中間元素值作參考值Vref，然後由步驟2708產生低速、中速、高速的範圍；最後由步驟2709清空滑鼠速度隊列並退出。
手寫筆模式子程序按圖20執行當手寫筆有移動操作時，執行步驟2001至步驟2003，根據位移和」觸頭接觸態」產生手寫筆格式的編碼；當有「模式退出」按鍵操作時，執行步驟2004至步驟2006，退出「手寫筆模式」，進入「模式切換態」；手機鍵盤模式子程序按圖21執行當有按鍵操作時，執行步驟2101至步驟2103得到一個鍵編碼，步驟2104若查到該編碼不是「模式退出」鍵時，則執行步驟2105輸出該鍵編碼，然後返回起始步驟繼續查詢按鍵，若是「模式退出」鍵則執行步驟2106退出手機鍵盤模式並進入「模式切換態」。
手機滑鼠模式子程序按圖22執行當有按鍵操作時，執行步驟2201、步驟2204得到一個鍵編碼，步驟2205若查到該編碼不是「模式退出」鍵時，則執行步驟2207輸出該鍵編碼，若是「模式退出」鍵則執行步驟2206退出手機鍵盤模式並進入「模式切換態」。當有滑鼠移動操作時，執行步驟2201至步驟2203得到一個滑鼠位移編碼並輸出之。
本地模式子程序按圖23執行a)播音這是一個無限循環子程序，若是「播音」態，每循環一次就執行步驟2301至步驟2302一遍發出一個音符，反之執行步驟2303。b).「播音」控制經步驟2303、步驟2306至步驟2309、步驟2322至步驟2324判斷出有滑鼠左鍵按鍵操作後，此時若滑鼠座標在「播音」點陣區區內且目前是「非播音」態，則執行步驟2325至步驟2328，從光標位置開始播音並把系統設為「播音」態；此時若滑鼠座標在「停止播音」圖符區內且目前是「播音」態，則執行步驟2325、步驟2329至步驟2331，停止播音並把系統設為「非播音」態。c).編輯對鍵盤按鍵操作，執行步驟2303、步驟2306、步驟2307、步驟2310得到鍵盤鍵編碼，若該鍵編碼是編輯鍵(包括「delete」、「backspace」、光標上下左右移動鍵)，則執行步驟2311、步驟2313至步驟2320中相應的步驟，移動光標或刪除光標前(或後)的字符；若該鍵編碼為可顯示字符且其區號為3，且當前字符區為英漢字符區，則經步驟2333漢字輸入法轉化為漢字編碼後存FLASH存儲器709並顯示在液晶顯示器710；對非「區號為3且當前字符區為英漢字符區」的可顯示字符按鍵，則直接存FLASH存儲器709並顯示在液晶顯示器710；若是「模式退出」鍵，則退出該模式並進入模式切換態。d).移動滑鼠對滑鼠移動操作，執行步驟2303至步驟2305，按滑鼠位移對滑鼠作相應的移動。
實鍵盤模式子程序按圖28執行當有按鍵操作時，執行步驟2801至步驟2803得到一個鍵編碼，步驟2804若查到該編碼不是「模式退出」鍵時，則執行步驟2805輸出該鍵編碼，然後返回起始步驟繼續查詢按鍵，若是「模式退出」鍵則執行步驟2806退出實鍵盤模式並進入「模式切換態」。
權利要求
1 一種多功能輸入外設，把手指的動作轉化為鍵盤或滑鼠或手寫筆的編碼，並經PS/2、藍牙等接口送出，其特徵在於，操作者或戴著手套(手套陰面朝下)作手指閃擊操作，使位於手套指端陰面的觸擊監測探頭內的光電二極體接受光脈衝信號；操作者或以右手大拇指(或右手中指)指端的色敏器件掃描手套陰面由方形色陣塊901拼成的方格色陣(或專用方格色陣板)，產生成對的紅光藍光強度信號(呈圖8(a)或(b)狀)，同時由觸擊監測探頭提供「觸摸態」信號；操作者或以右手指尖擊打左手掌心的實鍵盤，使被擊鍵內的光電二極體接受光脈衝信號，這些信號經單片機系統處理後形成相應編碼，該編碼可在本地存儲並顯示；1.1 右手套大拇指端、中指末指節陰面分別膠固著一個三色色敏器件；左右手套每個手指末指節陰面(不在指尖，距指尖約10毫米)膠固著一個觸擊監測探頭；1.2 脈衝發生計數電路接收來自三色色敏器件的紅光(或藍光)強度信號，經光電轉換、微分、放大、檢波後產生符合電平標準的一個正脈衝串和一個負脈衝串；系統通過定時中斷服務程序讀指定的I/O地址，使每個脈衝串的計數器計數值被周期地鎖存並經數據總線輸出，同時被復位；1.3 觸擊監測探頭提供虛擬鍵盤(或滑鼠)的擊鍵信號、手寫筆(或滑鼠)的觸摸態信號擊鍵(或觸壓物面)操作，使滑窗透明段502-4(或連筋507-4)與外殼透明圓圈段501-2正對(或錯開)，從而改變觸擊監測探頭內光電二極體的光照狀態；對擊鍵操作，光電二極體受光狀態變化則有擊鍵；對移動操作，右手套大拇指(或中指)指端的光電二極體處於受光態，則滑鼠或手寫筆處於「觸摸態」，反之為「非觸摸態」；1.4 重力鍵提供實鍵盤的擊鍵信號，其過程同於觸擊監測探頭提供虛擬鍵盤(或滑鼠)的擊鍵信號；無外力時，墜子516(其材質比重很大)的重力使滑窗511(其材質比重很小)沿方向H在隧道510-1內松配合地滑動、活罩512沿方向U轉動，透明段510-3與透明段511-2錯開，含於滑窗511內的光電二極體(位於探頭518的上端頭)處於不受光狀態；1.5 液晶顯示器702位於左手背面，按微控制器706的指令為不同模式提供不同的顯示界面；本地模式下輸入的文本字符存入FLASH存儲器709；1.6 中斷服務程序周期地讀一個色敏器件的4個鎖存器對應的4個I/O地址，得到紅光(或藍光)光強信號對應的正脈衝計數和負脈衝計數；若紅光(藍光)光強信號的正脈衝計數大於負脈衝計數，則Y(X)方向位移為正，反之為負；紅光(藍光)光強信號的正、負脈衝計數之和為Y(X)方向位移的絕對值；1.7 中斷服務程序每執行一次就把右手大拇指(或右手中指)的位移存於變量(MouseX，MouseY)中，把」觸摸態」存變量touchState中；1.8 系統程序與中斷服務程序配合形成一個實時系統；系統有8種工作模式，一個模式切換態；1.8.1 按語言及學科劃分各種字符區，每種字符區對應4個操作區；每個操作區是一個二維表格，格內放字符掃描碼；由Q1Q0表示操作區號；操作區行號R2R1R0(或列號C2C1C0)對應變量swBin中左手(右手)無名指、中指、食指位；英語和漢語合用一個語言類字符區；1.8.2 同一時間段，一個或多個手指完成一次「閃擊操作」就是一個按鍵操作；組合鍵由起始鍵、幾個同時按下鍵、停止鍵構成；1.8.3 啟動時，系統主模塊初始化；然後根據當前模式轉入對應模式的子程序運行；在當前模式退出後，進入模式切換態；模式切換態子程序提供了8種模式供用戶選擇，用戶選擇其中一種模式作當前模式後，進入該模式運行；1.8.4 字符區選擇模式系統有按語言及學科劃分的各種字符區，用戶選取其中一種字符區作當前字符區；1.8.5 升級工作模式子程序在密碼驗證通過後，把升級指令提供的內容寫入FLASH存儲器區；最後轉入模式切換態；1.8.6 通用模式子程序完成如下功能a)判斷出有新按鍵且行號R2R1R0和列號C2C1C0均不為零時，認為這是鍵盤按鍵操作；若Q1Q0為3，且當前字區為英漢字符區，則為鍵編碼加上漢字輸入標誌後輸出；對非「區號為3且當前字符區為英漢字符區」的按鍵，在Q1Q0號操作區按行號列號查當前字符區編碼表得到按鍵編碼；b)判斷出有新按鍵且行號R2R1R0和列號C2C1C0一個為零、另一個的三個二進位位中只有一個不為零時，認為這是滑鼠按鍵操作；一個不為零的二進位位對應的滑鼠鍵碼即為所求的按鍵編碼；c)行號R2R1R0和列號C2C1C0均為零且是觸頭處於接觸狀態時，認為這是滑鼠移動操作，輸出當前的滑鼠位移係數與(MouseX，MouseY)之積作最終滑鼠位移；1.8.7 手寫筆模式根據最新的位移和」觸摸態」信號產生手寫筆格式的編碼；1.8.8 手機鍵盤模式以右手對應的5位二進位數作被除數，以5作除數產生商和餘數，以商作行號，餘數作列號查圖15得按鍵編碼；1.8.9 手機滑鼠模式a)判斷出是按鍵操作，則把按鍵對應的滑鼠編碼輸出；b)判斷出是滑鼠移動操作，則把(MouseX，MouseY)轉化為滑鼠位移編碼輸出；1.8.10 本地模式a)切換「播音態」與「非播音態」，把FLASH存儲器中的內容送語音晶片播放；b)編輯根據鍵盤的按鍵操作產生的編輯鍵或可顯示字符，移動光標或修改FLASH中的內容；若當前字符區為英漢字符區，3操作區的可顯示字符則經漢字輸入法軟體轉化為漢字後存儲並顯示；對非「區號為3且當前字符區為英漢字符區」的按鍵，則直接存儲並顯示；c)對滑鼠移動操作，按滑鼠位移對滑鼠作相應的移動。1.8.11 實鍵盤模式獲取9個鍵擊鍵信號，查圖12(c.1)-(c.4)得按鍵編碼；
2.一種如權項(1)所述的一種多功能輸入外設，其特徵在於彈性手套上的納米金屬纖維把指端傳感器信號傳輸到腕部，右手套手指陰面塗以納米陶瓷。
3.一種如權項(2)所述的一種多功能輸入外設，其特徵在於當前工作模式currentMode和當前字符區currentCharName兩個變量均在FLASH存儲器。
4.一種如權項(3)所述的一種多功能輸入外設，其特徵在於語言類字符區的大小寫字母分配在兩個不同的操作區；
5.一種如權項(4)所述的一種多功能輸入外設，其特徵在於本地模式中3操作區為漢字區；
6.一種如權項(5)所述的一種多功能輸入外設，其特徵在於組合鍵起始鍵定義為左右手的大拇指、中指、小指同時作「往返操作」，組合鍵停止鍵定義為空格鍵；
全文摘要
本發明屬於人機界面技術，是兼具滑鼠、鍵盤、手寫筆功能的電子裝置。本發明中，滑鼠、鍵盤、手寫筆的各種操作對應成手指動作或手指動作組合，單片機接收位於手套指端的光探頭獲取的位移和速度信息及受光情況並轉換成滑鼠、鍵盤、手寫筆操作所對應的編碼，編碼既可經PS/2或藍牙等其它接口送出，也可存於本機的FLASH存儲器中，並可藉助本機的LED液晶顯示器編輯。本發明實現適用於任何語言。
文檔編號G06F9/45GK1521596SQ0311726
公開日2004年8月18日 申請日期2003年1月29日 優先權日2003年1月29日
發明者王 華, 王 華 申請人:王 華, 王 華