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採用雷射二極體與影像感測器的PDA虛擬鍵盤剖析

上網時間: 2006年08月07日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:虛擬鍵盤  Virtual Keyboard  入侵感測器  intrusion sensors  輕負載 

在近來剖析Fly Pen電腦的熱潮中,讓我們也把目光瞄準另一種設計巧妙的產品─iTech虛擬鍵盤(Virtual Keyboard),這種產品旨在解決手持設備所面臨的文字輸入困難問題。它利用標準鍵盤(QWERTY)佈局的投影來代替實際鍵盤,用戶在敲擊這種虛擬鍵盤時,鍵盤會自動讀取‘鍵擊’位置,並轉換為真實的輸入。至少就技術層面而言,這是一種相當精巧靈活的設計。

這種虛擬鍵盤的重量僅有3盎司(約85克)多一些,寬度和長度度僅為1英吋多,高度稍超過3.5英吋。它依靠發射雷射光束在幾乎任何平坦的表面上投影出一個梯形的全尺寸鍵盤虛擬影像。製造商表示,這種虛擬鍵盤每分鐘能夠處理多達400次鍵擊,每充滿一次電後,連續鍵擊時間可達2小時。這種鍵盤配有介面配接器纜線,適用於大多數PDA機種;其中一款鍵盤還支援藍芽無線連接,因而免除了配備纜線之虞。在我們進行的次數有限的測試中,該產品工作情況相當好,其設計似乎考慮得非常全面。

那麼,它到底是如何工作的呢?儘管我們的分析常常包含推測成份,但其核心工作原理似乎相當簡單明瞭-將鍵盤佈局進行投影,並擷取能協助確定‘輸入’內容的影像。

這種虛擬鍵盤的實現方案內包含一塊電路板,電路板兩端各配備一個雷射元件。其中一個雷射二極體(或稱半導體雷射器)插在電路板頂端,負責將鍵盤投影到一個平坦的表面上。而要將複雜得多的QWERTY鍵盤投影,頂端的這個雷射二極體光束透過繞射光或全像光學原理進行投影,因而產生鍵盤影像。其中的光學原理包括把雷射二極體的點光源轉換為精確二維影像的顯微鏡模式。新穎的雷射指示器就常常利用類似的光學原理來投影一些更奇特的影像,如心臟、文件訊息和微笑的臉龐等,但原理是相同的。


圖:iTech虛擬鍵盤採用了Atmel的MCU和OmniVision的感測器

對於設計來說,除了要考慮對影像進行投影,更重要的是要知道按鍵何時被‘按下’。在設計中,第二個雷射器嵌入在電路板的底端,也就是位於直立式設計方案的底部;它在投影表面上方幾毫米處投影出一個隱形的平面。當用戶的手指經過較低的平面時,雷射就被反射回監測元件。在這個過程中,每當雷射平面受到擾動(disruption),就意味著是時候進行影像感應了,這就相當於電影《不可能的任務》中先進的入侵感測器功能了。

用戶手指觸碰鍵盤感應平面所反射的雷射會被影像感測器接收到,這裡採用的是Omnivision公司具有CIF解析度的CMOS影像感測器。一旦影像感測器檢測到反射雷射,感測器就要捕捉投影鍵盤的影像。雖然具有一點猜想成分,但我們在這裡還是這樣假設,即捕捉到的影像被處理分析,以確定QWERTY鍵盤圖案中哪些部份被佔據(blocked)或是仍然可見(visible),因而推斷出用戶的手指位置,因此,也就可以確定實際的鍵擊動作,並輸出到相應的設備。

這種虛擬鍵盤的全部處理與控制工作皆由Atmel的AT94S10AL微控制器(MCU)來完成,這款MCU整合了FPGA邏輯和E2PROM。Omnivision影像感測器將數位影像數據輸出到Atmel微控制器,由其進行分析。該虛擬鍵盤還採用了1個串列8位元A/D轉換器(猜想是用於監控雷射二極體驅動級)、1個溫度感測器晶片、2個LDO穩壓器以及2個運算放大器,這些元件皆出自美國國家半導體公司,它們提供了所有必須的基本功能。此外,該鍵盤還採用了1個Sipex串列收發器,作為連接PDA主機的串列介面。系統中的電子元件除了這些,剩下的就是電池與插在電路板頂端和底端的雷射二極體了。雖然電路板上的兩個雷射二極體看起來別無二致,但二者在功能上的差異顯示它們各自的電子與光學原理完全不同。CMOS影像感測器所擷取的影像的解析度並不高(288 × 352畫素),可見其光學結構相當簡單,只不過是在出廠時業已聚焦的光學模組上整合了1個玻璃鏡頭和鍍膜的紅外線濾光鏡。

雖然iTech虛擬鍵盤能夠完成複雜的功能,但卻只含有11塊晶片封裝。估計其總製造成本為44美元,其中包括隨之提供的價格超過5美元的配件。該虛擬鍵盤的建議零售價為100美元,可見對製造商而言,具有足夠的利潤空間,而該產品支援藍芽無線連接型號的利潤則更加可觀。

這種虛擬鍵盤的應用並不侷限於PDA,還能成為個人運算系統的更完整精巧方案的一部份;在個人電腦中,‘輕負載(light-duty)’鍵盤可以根據需要收放自如,完全不佔用空間,也不會遭遇諸如不小心把咖啡潑洒在上面的這類麻煩。

作者:David Carey

總裁

Portelligent公司




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