用于击键特征识别压力感应键盘设计.doc

用于击键特征识别压力感应键盘设计摘要： 介绍了一种应用于击键特征识别系统的压力感应键盘的设计。设计的目的是测量用户击键时手指施加的压力并将数据保存，用于生物特征识别系统。本设计中，将压力转换为电信号的压力感应元件是基于应变片设计的。其后还介绍了接口电路的设计，此接口电路负责处理代表压力大小的电信号以及与计算机通信。基于此设备的数据采集软件系统的设计也随后给出。从使用本设备采集的实验数据可以看出，本设计具有高精度与高速度等优点 关键词： 中图分类号： ＴＰ３６８．２ 文献标识码：Ａ 文章编号：２０９５－２１６３（２０１１）０１－００５５－０４ ０引言 压力感应键盘在很多领域十分有用，例如基于压力的视频游戏，智能人机接口等。随着围绕压力感应键盘软件的开发，更多各种类型的应用将会出现。近来，基于击键特征的生物识别技术发展迅速。而击键压力已经成为击键特征中一个很重要的特征[１－２]。压力感应键盘正是这种生物识别系统的硬件基础。研究一种能够实时准确地采集击键压力信息的键盘很有意义 Ｂｏｌｄｕｃ等人提出了一种测量击键压力的方法[３]。这种方法是基于压力敏感电阻的。将一个压敏电阻安装在键盘底部，通过测量电阻的变化来体现击键压力的变化。但这种方法仅使用一个压敏电阻来测量整个键盘的压力，这使得压敏电阻的安装位置将影响测量数据的准确性。对离压敏电阻距离不同的键来说，数据的一致性无法保证。而且，此方法仅仅在理论上提出方案，并未实现这一设备 李响等人在一个系统中提出了一个可以采集压力信息的压力感应键盘[４]。但从其所采集的数据来看，这一键盘在用户的一个击键过程中只采集一个压力值。这无疑丢失了很多对生物特征识别十分重要的信息，比如压力的变化特性等 在另外一些击键特征识别系统中，提出了另一种压力采集键盘[１－２]。这种键盘利用数据采集卡与电脑连接，键盘上的压力传感器通过数据采集卡将压力数据传输给电脑。这一方法虽然具有高分辨率的好处，但大多数电脑并不配备数据采集卡，使得这一键盘无法应用在普通计算机中 本文提出并实现了一个为击键特征识别系统设计的压力感应键盘。这一键盘能在用户的每次击键行为中，实时地多次采集压力信息，并且通过串口与电脑连接。这一设计具有方便易用，准确快速等优点 １硬件设计 硬件设计框图如图１所示。本文首先提出了能将压力转化为电信号的压力传感器设计。之后提出了能将传感器安装于每个按键下的机械设计。最后，本文设计了一个接口电路来处理由压力转换而来的电信号 １．１硬件系统概览 硬件系统包括两个基本部分：（ａ）键盘部分，一个安装了压力传感器的数字小键盘；（ｂ）接口电路部分，用以处理 电信号。硬件系统概览如图２所示 键盘部分主要包括两个组件：一个标准的１２键的数字键盘（０到９，确认，取消）， １２个压力传感器。接口电路主 要由四个部分组成，即放大电路，多路复选（ＭＵＸ）电路，模数转换（ＡＤＣ）电路和主控制器（ＭＣＵ） １．２压力传感器设计 为将用户击键时手指施加的压力转换为电信号，特为设计了一种专门的压力传感器。之所以自行设计传感器而不是购买已有的传感器，是因为这样可以更好地控制自己设计的传感器的大小和形状，使其能够安装于每个按键的底部。这样就能保证本设计的用户接口是传统的键盘而不是针对专门的传感器而设计的按键。这一方法保证了使用此设计采集数据时，能最大限度地体现用户的击键习惯。这对生物特征识别系统至关重要 本设计采用应变片作为压力传感器的基本感应原件。应变片是一种能将形变转换为电阻变化的材料。当应变片被按压时，其电阻将随着压力引起的形变而产生相应变化。但是微小的电阻变化并不容易采集，所以本设计使用四个应变片组成一个惠斯通全桥电路，将电阻的变化转换为电压的变化，再进行采集 惠斯通全桥电路的原理图如图３所示。图中，Ｒ１ 至 Ｒ４ 是四个应变片在非形变状态下的阻值。ΔＲ１至ΔＲ４是应变片受压形变后引起的阻值变化量。Ｕ是整个惠斯通电桥的直流电压源，本设计中为５Ｖ。Ｕｏ是惠斯通桥的输出端，体现了施加于此桥电路的压力大小。当无外加压力时，电桥处于平衡状态，ΔＲ１至ΔＲ４以及输出端Ｕｏ均为零。当有某大小的压力施加于电桥引起应变片的电阻变化时，电桥平衡被破坏，此时输出端将产生一个电压 在本设计的实现中，将四个应变片贴在一个弹性部件上来组成惠斯通全桥电路，如图４所示。在图４中，１是四个应变片之一，２是贴应变片的弹性部件，３是按钮 为保证在外加压力下惠斯通电桥处于非平衡状态，需要保证当受压时，ΔＲ１与ΔＲ３为正，ΔＲ２与ΔＲ４为负。所以本设计将传感器设计为一种特定形状来保证这一点，如图５所示。当受压时，Ｒ１的长度减小而宽度增加，故其电阻值减小；Ｒ２的长度增加而宽度减小，故