PDA激光虚拟键盘实现方案剖析

在近来剖析Fly Pen笔触式电脑的热潮中，让我们也把目光瞄准另一种设计巧妙的产品——iTech虚拟键盘(Virtual Keyboard)，这种产品旨在解决手持设备所面临的文本输入困难问题。它利用标准键盘(QWERTY)布局的投影来代替实际键盘，用户在敲击这种虚拟键盘时，键盘会自动读取“键击”位置，并转换为真实的输入。至少就技术层面而言，这是一种相当精巧灵活的东西。

这种虚拟键盘的重量只有3盎司(约合85克)多一点，宽度和长度都仅为1英寸多(1英寸相当于2.54厘米)，高度稍超过3.5英寸(约合8.8?厘米)。它直立发射激光光束，可在几乎任何平坦的表面上投影出一个梯形的全尺寸键盘虚拟图像。制造商表示，这种虚拟键盘每分钟能够处理多达400次键击，电池充电每充满一次后，连续键击时间可达2小时。这种键盘配有接口适配器线缆，适用于大多数流行PDA；其中一款键盘还支持蓝牙无线连接，从而免除了配备线缆之虞。在我们进行的次数有限的测试中，该产品工作得出奇地好，其设计似乎考虑得非常全面。

那么，它到底是如何工作的呢？尽管我们的分析常常包含推测成份，但其核心工作原理似乎简单明了——将键盘布局进行投影，并捕获能够帮助确定“输入”内容的图像。

这种虚拟键盘的实现方案内包含一块电路板，电路板两端各配一个激光组件。其中一个激光二极管(或称半导体激光器)插在电路板顶端，负责将键盘投影到一个平坦的表面上。而要将复杂得多的QWERTY键盘投影，顶端的这个激光二极管的光束通过衍射光或全息光学原理进行投影，从而产生键盘图像。个中的光学原理包括把激光二极管的点光源转换为精确的二维图像的显微模式。新颖的激光指示器就常常利用类似的光学原理来投影一些更奇特的影像，比如心脏、文本消息和微笑的脸庞等，但原理是相同的。

对于设计来说，除了要考虑对图像进行投影，更重要的是要知道按键何时被“按下”。在设计中，第二个激光器嵌入在到电路板的底端，也就是位于直立式设计方案的底部；它在投影表面上方几毫米处投影出一个隐形的平面。当用户的手指经过较低的平面时，激光就被反射回监测器件。在这个过程中，每当激光平面受到扰动(disruption)，就意味着是时候进行相应的图像传感了，这就相当于电影《碟中谍》(Mission: Impossible)中先进的入侵传感器功能了。

iTech虚拟键盘采用了Atmel的MCU和OmniVision的传感器

用户手指触碰键盘传感平面所反射的激光会被图像传感器接收到，这里采用的是OmniVision公司具有CIF分辨率的CMOS图像传感器。一旦图像传感器检测到反射激光，传感器就要捕捉投影键盘的图像。虽然带有一点猜想成分，但我们在这里还是这样假设，即捕捉到的图像被处理分析，以确定QWERTY键盘图案中哪些部分被占据(blocked)或是仍然可见(visible)，从而推断出用户的手指位置，因此，也就可以确定实际的键击动作，并输出到相应的设备。

这种虚拟键盘的全部处理与控制工作皆由Atmel的AT94S10AL微控制器(MCU)来完成，这款MCU集成了FPGA逻辑和E²PROM。OmniVision图像传感器将数字图像数据输出到Atmel微控制器，由其进行分析。该虚拟键盘还采用了1个串行8位A/D转换器(猜想是用于监控激光二极管驱动级)、1个温度传感器芯片、2个LDO稳压器以及2个运算放大器，这些器件皆出自美国国家半导体公司，它们提供了提供了所有必需的基本功能。此外，该键盘还采用了1个Sipex串行收发器，以此作为连接PDA主机的串行接口。系统中的电子部件除了这些，剩下的就是电池与插在电路板顶端和底端的激光二极管了。虽然电路板上的两个激光二极管看起来别无二致，但二者在功能上的差异表明它们各自的电子与光学原理完全不同。CMOS图像传感器所捕获的图像的分辨率并不高(288×352像素)，可见其光学结构相当简单，只不过是在出厂时业已聚焦的光学模块上集成了1个玻璃镜头和镀膜的红外(IR)滤光镜。

虽然iTech虚拟键盘能够完成复杂的功能，但却只含有11块芯片封装。估计其总制造成本为44美元，其中包括随之交付的价格超过5美元的配件。该虚拟键盘的建议零售价为100美元，可见对制造商而言，具有足够的利润空间，而该产品支持蓝牙无线连接的型号的利润则更加可观。

这种虚拟键盘的应用并不局限于PDA，还能够成为个人计算系统的更完整更精巧方案的一部分；在个人计算机中，“轻负荷(light-duty)”键盘可以根据需要收放自如，完全不占用空间，也不会遭遇诸如不小心把咖啡泼洒在上面的这类麻烦。

作者：David Carey

总裁

Portelligent公司