1 引言

当前，针对平板类设备的手写输入技术有主动式电容手写技术和被动式电磁手写技术。LCD 液晶类设备多为强交互的视频、游戏等娱乐功能，手写输入只是其可选配置，因此多会采用主动式电容笔技术、选配手写笔不需要额外增加设备硬件成本。代表就是iPad，还有三星等平板厂商。

电子纸类平板设备除了阅读以外，模仿传统纸张手写输入的效果和触感、取代记事本的功能是此类设备的主打和高频使用功能场景，因此电子纸类平板设备基本上会选择电磁手写技术。代表就是reMarkable、讯飞、文石、汉王这些厂商。当然不走寻常路的华为却选择了主动电容笔。

相对于需要内置电池的主动式电容笔、被动式电磁手写技术无需内置电池，标配笔的更换成本、手写输入效果、压感精度都有部分优势。本文针对电子纸手写技术广泛采用的被动式电磁手写技术进行全面的介绍与产品设计分享，为厂商和用户提供参考。丑化说前头，不作为用户购买的要件。

2 电磁手写技术系统及原理

2.1 电磁手写技术系统

电磁手写技术，又被称为EMR(Electro Magnetic Resonancey) 技术。电磁手写技术系统由电磁板、电磁手写笔、控制板组成。

如图 1所示，其中电磁板又由磁性膜和感应天线栅格板组成。来作为感应天线的功能，磁性膜用来起到磁性屏蔽和增强的作用。控制板是由一颗专用的控制器芯片组成，内部集成了算法，将电磁感应天线栅格板的各种传感数据转化成点的位置、倾斜的角度、压力值等。

电磁手写笔的结构比较简单，内部没有电池。一支具备基础功能的电磁笔有笔尖、感应线圈、工作电容( 震荡电容)，随着产品功能的需求升级，陆续增加了用于压力检测的可变电容、侧按键电容、橡皮擦线圈等，如图 2 所示。

2.2 电磁手写技术原理

电磁手写控制器一边通过接口连接到平板主控芯片，另外一边连接到电磁感应天线栅格板的横纵线路上形成回路。以图 3 所示的其中一个回路为例，控制板通过电流驱动与天线开关不断输出交变电流，使得电磁感应栅格板天线回路发射磁场信号，电磁笔内的震荡电路感受到磁场的变化产生反馈信号，电磁感应板再接收电磁笔反射回来的信号，根据水平方向和垂直方向的天线阵列接收信号，通过磁通量的变化，控制器 IC 计算获得笔所在的Z、Y坐标位置，从而定位到笔的坐标位置。

说人话就是芯片告诉笔我在哪里，然后把位置变化持续同步，从而形成轨迹。

作为电磁笔，特别针对有橡皮擦功能的电磁笔，在尾部增加一个电路。书写的压力感应是通过笔内的可变电容来实现，当笔尖的书写力度不同传导到可变电容，引起容值变化，从而输出的不同谐振频率，实现压感的检测。

电磁笔的几个功能部件通过电容值的不同区分，以此来区分笔的不同行为。电磁笔笔尖的书写，侧按键，橡皮擦的频率是固定的。所有符合频率规范的电磁笔、在所有设备上都是彼此兼容的。所以电磁笔的通用型较好。

和传统笔写类似，电磁笔在书写时会有倾斜角度，不同倾斜角度也会引发笔迹的不同，因此需要能够检测这一参数。当电磁笔发生倾斜时，通过左右两边磁通量的强度变化，控制器可以计算获得角度对应值。

这就是某些品牌广告里那种比较炫的展现的技术本源。

2.3 电磁手写技术优势

在高频度重度手写输入的场景下，被动电磁于写技术对比主动电容手写技术具有相对的技术优势见表 1，电磁手写精度高，可以写小字；可以方便地支持橡皮擦功能；由于不是通过笔尖材质来导通，因此笔尖材质选择限制较少；由于电磁笔的原理不需要内置电池，因此笔的成本可以控制到很低，防水性和跌落性可以设置得相对很高，笔形的设计也可以变成标准笔芯，并与传统水笔的多样外壳兼容。

注：拜国人强大的制造能力，现在主动电容笔的成本也降下来了，当然品质上良莠不齐，购买的时候要睁开慧眼。

3 电磁手写技术主要技术指标

电磁手写技术的核心指标为书写延迟，从整机角度看，书写延迟为笔在做直线移动过程中笔尖到达 A 点的时间与显示轨迹到达 A 点的时间差。

书写延迟 = 显示估计到达A点的时间 - 笔尖到达A点的时间

整个书写显示的过程，由多个处理单元协同完成，由电磁手写板部分、主控 CPU 部分以及屏幕显示部分等多个环节，从这个数据传输以及处理的过程来看书写延迟，具体拆分为如下若干部分：

书写延迟 = 电磁采样及坐标计算时间 + I2C 数据传输时间 + 驱动处理时间 + 主机应用处理时间 + 显示驱动处理时间 + 屏幕显示时间

在书写延迟各个组成中，电磁采样及坐标计算时间是与电磁手写技术的控制处理器芯片息息相关的一个性能指标，这里对此进行重点分析。以Wacom 产品系列为例，当前主流产品设计采用的电磁手写控制器芯片型号为 G14P，下一代芯片型号为ALBA，表 2 为列两颗控制器芯片参数的对比。

随着控制器芯片主频的倍增，采样时间以及过滤干扰所引发的处理延时得到了很大提升。其中，过滤干扰主要来自整机系统设计的好坏，来自系统对于电磁笔工作频率的干扰源和强度越少，由于过滤干扰所需的时间延迟也就越少，可以极大提升手写延迟指标。

此外，数据传输时间、驱动处理时间、主机应用处理时间、显示驱动处理时间、屏幕显示时间等均因所选整机系统方案不同而有较大差异。以当前 RK3566 作为主控，10.3 英寸电子纸的配置为例，采用 G14P 控制器，整个电磁手写延迟已经可以实现小于 20 ms。

题外话，这里的延时是很理论化的时间间隔，实际上使用体验差异是极小的，对于所谓延时10几毫秒的文宣，听着就好。倒是国内有厂商N年前就把延时干到30+ms的，现如今却没产品可用，着实叫人唏嘘（说的就是你，国文）。

4 电磁手写产品优化

4.1 手写延迟优化

根据电磁手写延迟的组成，优化的方法主要围绕在以下 3 个方面。

(1) 降低系统对笔的电磁干扰。

(2) 系统优化数据传输路径。在系统底层直接给 CPU 传输数据，进行显示处理。同时，选择高性能的 CPU以降低系统延迟以及笔记特效的处理时间。

(3) 电子纸自身的显示模式选择。

电磁手写产品手写延迟时间真正大幅缩短的主要原因，来自 AI轨迹预测的贡献。以划线为例，当书写者以一定的速度划线时，系统可以计算出 10 ms之后点可能出现的位置，从而可以提前将该点计算和显示出来。AI 轨迹预测算法的出现，大大降低了电磁手写的延迟体验，是所有书写延迟优化方法中代价最低的。

作为整机产品设计，为了实现效果重好的笔迹浓度效果、笔锋效果等，可以根据书写内容选择速度优先还是效果优先等综合动态优化方法。如，当书写者在写字过程中，延迟优化无需达到极致，就可以关闭 AI轨迹预测，而把更多的 CPU 算力留给笔记、笔锋的优化。

4.2 贴合校准

电磁手写感应板与电子纸屏幕的AA(Active Area，显示区域)需要严格对位重合。任何的不平整或电磁感应板周边的翘曲，都会引起电磁手写在边缘或局部发生笔画扭曲的问题。

当每一台整机设备在完成了电磁板和电子纸屏幕的贴合后，都需要进行贴合纠偏、通过专用光学治具放大 300 倍进行观测贴合偏差，将偏差数据计入电磁手写控制器芯片中，在电磁板报点时，将偏移进行修正。

4.3 磁铁屏蔽

磁铁对于电磁手写的影响非常大，位于磁铁上方的电磁感应板区域的电磁场会受到干扰，从而引发笔画变形甚至无法书写。对于一台整机平板产品，磁铁主要来自喇叭和霍尔磁感应保护套，需要进行屏蔽处理。

4.4 干扰规避

如上所述，电磁笔的3 个工作频率是固定的，从整机系统设计角度，还是要从源头对干扰源进行屏蔽处理。办法主要有修改干扰源频率，或者通过屏蔽罩进行隔离。

4.5 压感倾角

压感是电磁手写的一个性能指标。电磁笔内可变电容可以识别一定克重内的压力变化，从而形成针对原有电磁笔工作频点有一个偏移。电磁控制器将这个带宽分成 4096 级精度识别。

压感和上述的倾角识别结合，可以实现电磁手写的笔锋变化、线宽变化、颜色浓度变化，最大程度还原传统纸笔书写的效果。相比常规书写上压感和角度实现的线条的优美变化，对于签名笔记认证方面具有更为实用的价值。在法律上，对于数字签名笔记的比对识别需要结合压力倾角所产生的细微变化，来最终判定笔记的相似度。这点您在银行柜台办业务签名就会遇到！

4.6 笔尖选择

电子纸呈现了类纸显示，而电子纸手写设备就需要电磁书写实现类纸书写的体验和效果。书写效果由上述技术保障，而书写的体验和电磁笔尖的材质选择和电子纸屏幕保护盖板的表面处理紧密关联。

常用电磁手写笔尖分为干式和湿式两种。干式笔尖用来模仿铅笔、粉笔、蜡笔等，此类笔尖在书写过程中会产生磨损，其特点是书写过程中会产生沙沙的摩擦声；湿式笔尖用来模仿钢笔、圆珠笔、毛笔等，此类笔尖在书写过程中不易磨损，有湿滑的感觉。

当前电磁手写干式笔尖主要采用一种毛毡的材料，需要搭配相对笔尖更硬的整机盖板的表面材质.同时盖板表面需要进行 AG 粗糙度处理，以便形成干式笔尖沙沙的摩擦声，实现铅笔在白纸上的书写体验。

电磁手写湿式笔尖主要采用硬塑材料，需要搭配相对笔尖更软的整机盖板的表面材料，通常采用一张特殊的软膜来调节与笔尖的体验适配。软膜可以实现一个书写的阻尼效果和一种书写的弹性体验。此外，还有一种橡胶材质的湿式笔尖，需要搭配硬质的盖板表面材料，形成软笔、毛笔等的书写效果。作为一种新式的湿式笔尖材质，陶瓷笔尖已经被开发出来、其特点是笔尖强度高。笔尖很细、耐磨性强。此类陶瓷笔尖需要搭配软膜来使用。

与笔尖直接发生接触的整机的表面处理，在电子纸手写设备的设计中也是一个不可忽视的环节。表面处理有两种方式，一种是直接在盖板表面材料上进行处理加工，一种是通过贴手写膜来实现。表面主要的选材和处理因素有：粗糙度、透光率、软硬度、耐磨度、自修复力。这些参数彼此之间相互关联，需要达到一种书写体验与效果的平衡，例如，表面粗糙度与透光率之间互为制约，软硬度、耐磨度又互为限制。

对于整机的保护屏幕盖板当前有两种材质：一:种是亚克力材质，一种为钢化玻璃材质。对于亚克力盖板材质，表面的粗糙度处理及软硬度调试相对比较方便。对于玻璃材质的盖板，表面粗糙度处理的代价较大，当前通常采用专用的电磁手写贴膜来实现不同手写体验的调试。可以实现快速反弹复原的效果，同时形成湿式笔尖书写过程的弹性体验。

5 结语

当前，无论液晶平板还是电子纸平板，手写输入逐渐成为标配功能。根据 ePaper Insight 在电子纸产业蓝皮书中的统计数据显示，2020 年，我国有脑力工作者 1.66 亿人，每年使用纸质的记事本超过 3 亿本，不但造成大量一次性的纸张浪费，笔记记录后还很难被检索和再次翻阅。随着手写设备的书写效果和体验日趋类纸化，以及设备综合成本逐渐降低，记事本全面数字化可循环的进程也将日趋到来。

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特别感谢MiraiCreate王小春/Rico李峰#