用于擊鍵特征識別的壓力感應鍵盤設計

摘要： 介紹了一種應用于擊鍵特征識別系統的壓力感應鍵盤的設計。設計的目的是測量用戶擊鍵時手指施加的壓力并將數據保存，用于生物特征識別系統。本設計中，將壓力轉換為電信號的壓力感應元件是基于應變片設計的。其后還介紹了接口電路的設計，此接口電路負責處理代表壓力大小的電信號以及與計算機通信。基于此設備的數據采集軟件系統的設計也隨后給出。從使用本設備采集的實驗數據可以看出，本設計具有高精度與高速度等優點。

關鍵詞：

中圖分類號： ＴＰ３６８．２ 文獻標識碼：Ａ 文章編號：２０９５－２１６３（２０１１）０１－００５５－０４

０引言

壓力感應鍵盤在很多領域十分有用，例如基于壓力的視頻游戲，智能人機接口等。隨著圍繞壓力感應鍵盤軟件的開發，更多各種類型的應用將會出現。近來，基于擊鍵特征的生物識別技術發展迅速。而擊鍵壓力已經成為擊鍵特征中一個很重要的特征[１－２]。壓力感應鍵盤正是這種生物識別系統的硬件基礎。研究一種能夠實時準確地采集擊鍵壓力信息的鍵盤很有意義。

Ｂｏｌｄｕｃ等人提出了一種測量擊鍵壓力的方法[３]。這種方法是基于壓力敏感電阻的。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。而且，此方法僅僅在理論上提出方案，并未實現這一設備。

李響等人在一個系統中提出了一個可以采集壓力信息的壓力感應鍵盤[４]。但從其所采集的數據來看，這一鍵盤在用戶的一個擊鍵過程中只采集一個壓力值。這無疑丟失了很多對生物特征識別十分重要的信息，比如壓力的變化特性等。

在另外一些擊鍵特征識別系統中，提出了另一種壓力采集鍵盤[１－２]。這種鍵盤利用數據采集卡與電腦連接，鍵盤上的壓力傳感器通過數據采集卡將壓力數據傳輸給電腦。這一方法雖然具有高分辨率的好處，但大多數電腦并不配備數據采集卡，使得這一鍵盤無法應用在普通計算機中。

本文提出并實現了一個為擊鍵特征識別系統設計的壓力感應鍵盤。這一鍵盤能在用戶的每次擊鍵行為中，實時地多次采集壓力信息，并且通過串口與電腦連接。這一設計具有方便易用，準確快速等優點。

１硬件設計

硬件設計框圖如圖１所示。本文首先提出了能將壓力轉化為電信號的壓力傳感器設計。之后提出了能將傳感器安裝于每個按鍵下的機械設計。最后，本文設計了一個接口電路來處理由壓力轉換而來的電信號。

１．１硬件系統概覽

硬件系統包括兩個基本部分：（ａ）鍵盤部分，一個安裝了壓力傳感器的數字小鍵盤；（ｂ）接口電路部分，用以處理

電信號。硬件系統概覽如圖２所示。

鍵盤部分主要包括兩個組件：一個標準的１２鍵的數字鍵盤（０到９，確認，取消）， １２個壓力傳感器。接口電路主

要由四個部分組成，即放大電路，多路復選（ＭＵＸ）電路，模數轉換（ＡＤＣ）電路和主控制器（ＭＣＵ）。

１．２壓力傳感器設計

為將用戶擊鍵時手指施加的壓力轉換為電信號，特為設計了一種專門的壓力傳感器。之所以自行設計傳感器而不是購買已有的傳感器，是因為這樣可以更好地控制自己設計的傳感器的大小和形狀，使其能夠安裝于每個按鍵的底部。這樣就能保證本設計的用戶接口是傳統的鍵盤而不是針對專門的傳感器而設計的按鍵。這一方法保證了使用此設計采集數據時，能最大限度地體現用戶的擊鍵習慣。這對生物特征識別系統至關重要。

本設計采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并不容易采集，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，再進行采集。

惠斯通全橋電路的原理圖如圖３所示。圖中，Ｒ１ 至 Ｒ４ 是四個應變片在非形變狀態下的阻值。ΔＲ１至ΔＲ４是應變片受壓形變后引起的阻值變化量。Ｕ是整個惠斯通電橋的直流電壓源，本設計中為５Ｖ。Ｕｏ是惠斯通橋的輸出端，體現了施加于此橋電路的壓力大小。當無外加壓力時，電橋處于平衡狀態，ΔＲ１至ΔＲ４以及輸出端Ｕｏ均為零。當有某大小的壓力施加于電橋引起應變片的電阻變化時，電橋平衡被破壞，此時輸出端將產生一個電壓。

在本設計的實現中，將四個應變片貼在一個彈性部件上來組成惠斯通全橋電路，如圖４所示。在圖４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。

為保證在外加壓力下惠斯通電橋處于非平衡狀態，需要保證當受壓時，ΔＲ１與ΔＲ３為正，ΔＲ２與ΔＲ４為負。所以本設計將傳感器設計為一種特定形狀來保證這一點，如圖５所示。當受壓時，Ｒ１的長度減小而寬度增加，故其電阻值減小；Ｒ２的長度增加而寬度減小，故其電阻值增加。

根據彈性力學知識，壓力與應變的關系可通過公式（４）[５]表示。公式（４）中，Ｆ為施加的壓力大小。ｂ，ｌ和ｈ分別是貼應變片的彈性部件（圖４中的２）的寬度長度和高度，均為常數。Ｅ為楊氏彈性系數，是一個表征壓力與應變比例的物理量。對于給定的材料，Ｅ也為常數。

從公式（５）中可以看出，壓力Ｆ與輸出電壓Ｕｏ之間存在正比關系。在實際設計中，本壓力傳感器線性度良好，如圖６所示。

１．３機械設計

為將設計的傳感器安裝在每個按鍵底部， 對傳感器的安裝進行了合理的機械設計。機械設計示意圖如圖７所示。

在圖７中， Ｐａｒｔ ａ是一個標準鍵盤的按鍵， 包括鍵帽（圖中１）和回彈裝置（圖中２）。Ｐａｒｔ ｂ是為安裝傳感器而設計的底座。其中，４為兩塊隔板，上隔板有１２個孔洞，正對著１２個傳感器。５是兩排固定支架，用于固定傳感器。３為本文設計的壓力傳感器。當用戶按下按鍵時，回彈裝置２將變形，其底部的凸起將觸及壓力傳感器的按鈕，將壓力傳遞給傳感器。當用戶松開按鍵后，回彈裝置將恢復形狀，使鍵帽抬起。

１．４接口電路設計

傳感器將壓力轉換為電壓信號后，需要一個接口電路來處理這一信號。為此，本系統設計并實現了一個專門的接口電路。接口電路包括放大器，多路復選器，數模轉換器和主控制器四個主要部分。其中，放大器的作用是放大微弱的毫伏級電壓信號至±５Ｖ，這一數值的選擇是根據模擬／數字轉換器（ＡＤＣ）的輸入要求。本設計中采用的是低功耗高精度的儀表放大器ＡＤ６２０。多路復選器的作用是選通１２路信號中的某一路進行數字化及相應處理。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。數模轉換器的作用是將選通的模擬信號數字化，以便主控單元處理并傳送到計算機上。本設計采用的是８位的數模轉換器ＡＤＣ０８０４，其分辨率可以滿足本系統生物特征識別的需求。主控器負責整個硬件電路的控制及與計算機通信的工作，本設計采用了常見的８９ＳＣ５２作為主控單元，其內置的串口控制器可以方便地與計算機進行通信。

２軟件設計

２．１固件程序設計

本系統設計了一個運行于單片微型計算機（ＭＣＵ）中的程序來控制整個硬件電路并與計算機通信，即固件程序。

固件程序在設備上電后自動運行，其運行開始后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后，固件程序開始發送壓力值，直到閉合的鍵被松開。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）。計算機上的采集程序將會把這些壓力值存放在空按鍵對應的壓力數組里。采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征了擊鍵間隔時間的大小。擊鍵間隔時間對于擊鍵特征識別同樣是一個重要數據。

２．２采集程序設計

本系統設計了一個運行于計算機上的程序，負責采集壓力感應鍵盤發送來的數據。

采集程序將采集的數據存為二元關系＜鍵號，壓力數組＞。當采集程序運行后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，并且接下來一字節的數據即為鍵號。所以采集程序將開始信號的下一個字節的數據存在鍵號里。將鍵號之后的數據存在此鍵號對應的壓力數組中，直至收到結束信號。當采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。

３實驗結果

本文提出的系統壓力檢測范圍為０至１００ｃＮ，精度為０．３ｃＮ/ＬＳＢ，響應時間為９６０Ｂ/Ｓ。根據用戶擊鍵速率的不同，每次擊鍵約采樣１５０至３００次。

系統采集的數據為二元關系＜鍵號，壓力數組＞，并將數據存于數據庫中以用于擊鍵特征識別。圖片顯示了系統采集的部分數據。圖８是來自同一個用戶的５次擊鍵的數據，圖９是來自不同的５個用戶的５次擊鍵數據。圖中凸起部分為用戶擊鍵過程，未凸起部分為擊鍵間隔或未擊鍵狀態。

從實驗結果可以看出，用戶每次擊鍵行為，本系統可采集壓力信息２００至３００次，這一采集頻率可以很好地體現用

戶的擊鍵習慣。從圖８中可以看到，來自同一個用戶的擊鍵壓力特征具有很好的穩定性。從圖９中可以看到，來自不同用戶的擊鍵壓力特征具有很好的區分度。這些特性對于生物特征識別系統非常重要。實驗結果表明，使用本系統采集的數據適合擊鍵特征識別系統。

４結束語

本文提出了一種可以采集用戶擊鍵壓力的壓力感應鍵盤設計。設計采用傳統的鍵盤作為用戶接口，不影響用戶的輸入習慣。系統在擊鍵特征識別的信息采集階段表現良好。

今后的研究中可對本系統做如下改進。首先，可以使用同樣的方法將數字鍵盤擴展到標準字母鍵盤。其次，可以采用更高分辨率的ＡＤＣ以及具有更高傳輸速率的接口來提高采樣精度。

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