CN101339477A - 一种声波接触板系统及其多次扫描的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种声波接触板系统及其多次扫描的控制方法，该方法包括：控制板内的扫描信号发生电路按nF频率产生扫描信号，模数转换器对每次接收到的检波信号进行S/n次模数转换，每次模数转换的时间间隔为nT，将模数转换后的数据重新合成为频率为F且模数转换次数为S的完整扫描数据。本发明可以使用较低速模数转换器对检波信号进行模数转换，从而使其生产成本降低，使其可应用内置于微控制器内的模数转换器进行模数转换，如果应用内置于微控制器的模数转换器模块，则本发明实现更简单，印刷线路板面积更小，制造成本更低，适用于计算机、电视机、游戏机应用领域。

Description

一种声波接触板系统及其多次扫描的控制方法

技术领域

本发明公开一种声波接触板系统及其多次扫描的控制方法，特别是一种涉及到接触位置坐标的多次扫描的声波接触板系统及其控制方法。

背景技术

声波接触板装置可以应用在很多领域，较常见的应用是在计算机、电视机、游戏机和各种专用设备上，作为一种人对机器的输入界面，可以对机器输入类似按键、线、图形、文字等信息。在专利号ZL86102275.A的专利文件中已经介绍了目前声波接触板的主要技术。声波接触板装置具体的实现也有很多方法，图1中给出一种比较常见的两轴的声波接触板装置，一般安装在计算机的显示屏幕的表面，可以用作坐标、文字、图形等内容的输入。其中主要包括接触板120和控制板108，接触板120包括透明材料做的基板100，基板100的一个角上安装有X轴发射换能器104，相邻的角上安装有X轴接收换能器103，X轴发射换能器104的对角上安装有Y轴发射换能器101，X轴接收换能器103旁边安装有Y轴接收换能器102。基板100的四个边上分别安装有X轴第一反射声栅110、X轴第二反射声栅112、Y轴第一反射声栅111、Y轴第二反射声栅113，每个反射声栅均是由许多反射单元115构成。控制板108包括接收电路、扫描信号发生电路、模数转换电路和微控制器，微控制器负责控制扫描时序、接收时序、模数转换时序、计算坐标并和计算机通讯等。现有技术中是由微控制器控制扫描信号发生电路驱动发射换能器，产生短脉冲声波信号，这声波一般为频率5MHz的超声波信号，声波由反射声栅反射在基板100上传播，声波再由另一反射声栅汇集到接收换能器，转换出电信号。图1是具有X轴Y轴2个接收换能器的系统，X轴或Y轴重复上述过程大约100次每秒，分时交替进行，即先扫描X轴，间隔大约5毫秒后扫描Y轴，然后大约5毫秒后再扫描X轴，不断循环顺序处理，现有的控制板上一般都有如图2A的结构的接收电路，各个接收换能器的输出信号201输入到通道选择及接收放大器202内，放大后的信号输入检波电路203进行信号检波，检波后的信号207输入到模数转换器204，经模数转换器204转换后输出数字信号205到微控制器206。微控制器206输出控制信号209控制通道选择及接收放大器202，微控制器206输出控制信号208控制模数转换器204。图2B为现有技术的检波电路、模数转换器及微处理器的部分电路图，主放大器输出的信号由输入接口J0接入到由三极管Q4、三极管Q5、三极管Q6为主要元器件组成的检波电路，检波电路的输出由三极管Q6输出，再经电阻R20和电容C20组成的低通滤波器直接接入模数转换器U6的模拟信号输入端，模数转换器U6的数字信号输出到微处理器U1，同时微处理器U1输出控制信号控制模数转换器U6工作。对于有2个或2个以上接收换能器的系统，现有的技术中是采用分时处理技术，将不同的接收换能器的输出信号分时接入放大器，所有接收到的信号最终会由端口J0输入至同一主放大器，再由主放大器输入到同一个检波电路和模数转换器，只是接入的时间错开。

图3是有X轴Y轴两个接收换能器的接触板系统的检波电路输出的信号示意图，301为X轴的检波后的信号，302为Y轴的检波后的信号，X轴信号和Y轴信号间隔时间303为一般为5毫秒，同一轴的信号间隔304约为10毫秒。我们以其中一轴信号X轴的检波后的信号301为例，301信号时间展宽后如图4A所示，402为发送扫描信号产生的干扰信号，接收周期401范围里的检波后信号403是需要，检波后信号403是一个最大幅度不超过2.5伏的模拟信号，现时技术一般都采用微处理器来处理这信号，因而需要有高速模数转换器来将这模拟信号转换成数字信号，然后输入到微控制器。因不同的轴长短不同、或不同尺寸的触摸屏大小不同，接收周期401的时间长短是不同的，但模数转换器的转换速度要求基本一样，一般为1MSPS(1百万次每秒)，即每微秒取样一次。请参看图4B，对于常见15寸大小的触摸屏的X轴，这接收周期401时间为180微秒左右，模数转换器在微控制器的控制下对接收周期401内的检波后信号403进行模拟信号转换为数字信号，一个接收周期401内大约进行180次转换，符号405表示其中的一次模数转换，每次转换的时间间隔406相同，大约1微秒。每次模数转换后的数字信号输入到微控制器存储及处理。现有技术采用模数转换器一般为TLC5540集成电路，价格比较高。现时的微控制器有一些是内部具有模数转换器的，但其转换速度一般都在200KSPS(20万次每秒)以下，即至少要5微秒才能完成一次模数转换，不能达到1MSPS的要求，因而不能直接用于声波触摸系统处理接收周期的信号。

发明内容

针对上述提到的现有技术中的声波接触板系统需要采用高速模数转换器，才能完成模数转换要求，高速模数转换器价格高，且其外围器件个数多的缺点，本发明提供一种新的声波接触板系统，其采用多次扫描、转换后再重新合成完整扫描数据的技术实现用较低速的模数转换器转换接收周期里的信号，尤其适用于微控制器内置模数转换器。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种声波接触板系统，该系统包括接触板和控制板，所述的接触板主体为一基板，基板四周安装有一个或一个以上的反射声栅，每个反射声栅一端分别安装有发射换能器或接收换能器，所述的控制板包括通道选择电路、前置放大器、主放大器、检波电路、增益控制电路、微控制器、扫描信号发生电路，接收换能器的信号输出端与前置放大器的信号输入端连接，前置放大器的信号输出端与主放大器的信号输入端连接，主放大器的信号输出端与检波电路的信号输入端连接，检波电路的信号输出端与微控制器的模数转换接口连接，微控制器通过接口电路与外部进行通信，微控制器输出信号控制扫描信号发生电路输出扫描信号，微控制器输出信号控制通道选择电路，微控制器输出信号控制前置放大器及主放大器的放大增益，微控制器控制模数转换器进行转换。

一种声波接触板系统的多次扫描控制方法，该方法包括：控制板内的扫描信号发生电路按nF频率产生扫描信号，模数转换器对每次接收到的检波信号进行S/n次模数转换，每次模数转换的时间间隔为nT，将模数转换后的数据重新合成为频率为F且模数转换次数为S的完整扫描数据。

本发明解决其技术问题采用的技术方案进一步还包括：

所述的时间间隔nT为模数转换器的每转换一次需要的最低时间。

所述的模数转换后的数据暂存在微控制器内置的存储器中，或与微处理器连接的外置存储器中。

所述的模数转换后的数据按模数转换的时间点相对第一次初始转换的时间点位置升序作为顺序存储。

所述的扫描信号发生电路受微控制器控制产生扫描信号。

所述的扫描信号发生电路由微控制器直接产生扫描所需的包含载波的短脉冲信号。

本发明的有益效果是：本发明可以使用较低速模数转换器对检波信号进行模数转换，从而使其生产成本降低，使其可应用内置于微控制器内的模数转换器进行模数转换，如果应用内置于微控制器的模数转换器模块，则本发明实现更简单，印刷线路板面积更小，制造成本更低。

下面将结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2A为现有技术的接收电路结构框图。

图2B为现有技术的检波器、模数转换器及微控制器的电路图。

图3为现有技术中检波器输出信号示意图。

图4A为现有技术中一次扫描检波器输出的模拟信号的示意图。

图4B为现有技术中一次扫描检波器输出的模拟信号进行模数转换的示意图。

图5为本发明的多次扫描包含2个扫描轴的检波器输出信号示意图。

图6A为本发明的多次扫描技术中一组中的第1次扫描检波器输出的信号模数转换示意图。

图6B为本发明的多次扫描技术中一组中的第2次扫描检波器输出的信号模数转换示意图。

图6C为本发明的多次扫描技术中一组中的第3次扫描检波器输出的信号模数转换示意图。

图6D为本发明的多次扫描技术中一组中的第4次扫描检波器输出的信号模数转换示意图。

图6E为本发明的多次扫描技术中一组中的第5次扫描检波器输出的信号模数转换示意图。

图7为本法发明的多次扫描技术的示意电路图。

图8A为应用现有技术的扫描电路框图。

图8B为应用现有技术的扫描电路的微处理器控制信号示意图。

图8C为具有载波的短脉冲扫描信号示意图。

图9为直接用微处理器产生有载波的短脉冲扫描信号的结构框图。

具体实施方式

本实施例为本发明优选实施方式，其它凡其原理和基本结构与本实施例相同或近似的，均在本发明保护范围之内。

请参看附图1，本发明中的声波接触板系统的机械结构与现有技术中的声波接触板机械结构大致相同，控制板108的电路和现有的电路基本相同，不同的是模数转换器换成低速的或直接包含在微控制器里。

本发明的声波接触板也是采用透明材料制成的基板100作为主要器件，本实施例以两轴信号为例进行具体说明，本实施例中，基板100设计为长方形，基板100四个边上均设有反射单元115构成的反射声栅，其中对称的两个边上分别设置为X轴第一反射声栅110、X轴第二反射声栅112，另外两个对称的边上分别设置为Y轴第一反射声栅111、Y轴第二反射声栅113。基板100四个角中，对称的两个角上分别设置有X轴发射换能器104和Y轴发射换能器101，其中一个角上为X轴发射换能器104，另一个角上为Y轴发射换能器101，其余剩下的两个角中的一个角上同时设有X轴接收换能器103和Y轴接收换能器102。X轴发射换能器104和Y轴发射换能器101分时发射出声波能量，经反射单元115反射后由X轴接收换能器103和Y轴接收换能器102接收，并传输给控制板108。

本发明的控制板108内包括各个通道选择电路、前置放大器、主放大器、检波电路、模数转换器、增益控制电路、微控制器、扫描信号发生电路等，各个接收换能器输出信号分别与其相对应的前置放大器输入端连接，各个前置放大器输出端连接在一起输入给主放大器，主放大器输出端与检波电路输入端连接，检波电路信号输出端与模数转换器连接，模数转换器输出的数字信号输入到微控制器，微控制器有接口电路与外部通信，模数转换器输出的数字信号通过微控制器输出。微控制器控制通道选择电路选择，微控制器控制前置放大器及主放大器的放大增益，微控制器控制模数转换器进行转换，微控制器控制扫描信号发生电路输出扫描信号。

本实施例中，以一个通道的扫描信号为例作进一步说明，旨在说明多次扫描技术的工作方式和原理，具体实施时，可采用多组发射换能器和接收换能器，区别只是在基板上安装的发射换能器接收换能的组数增加，需要加入分时电路，分时接入不同的信道，每个信道处理的原理和方法都一样的。

假设触摸系统设计需要以F的频率来扫描，并且每次扫描接收到的检波信号进行S次模数转换，且每次模数转换时间间隔T。现时的声波接触板系统，一般要求每一轴以100Hz的频率进行扫描，即每秒钟发射换能器产生100次声波，接收电路的检波器上检测到相应的100次信号，对于15英寸的声波接触板的X轴，每次检波器上的信号由模数转换器进行大约180模数转换，每次模数转换的时间间隔为1微秒左右，在这条件下，声波接触板系统设计要求为：F＝100Hz，S＝180次，T＝1微秒。

本发明采用的具体技术方案是：

微处理器控制控制板108的扫描信号发生电路按nF频率来产生扫描信号，其中n为大于等于2的整数，多次扫描的扫描倍数n由目标需要的模数转换时间与应用本发明方法的较低速模数转换器的转换时间比来决定的，现有的微控制器的内置模数转换器的每转换一次需时5微秒，和要求的1微秒转换时间相差5倍，因而将n设为5，每次扫描后的接收到的检波信号进行S/n次模数转换，每次模数转换时间间隔为nT，将模数转换后的数据重新合成频率为F且模数转换次数为S的完整扫描数据。

本实施例采用n＝5进行具体说明，使用本发明的技术，我们将扫描频率提高5倍，即扫描频率为5F，每次扫描的到的检波信号进行S/5次模数转换，由此得到：

nF＝5×100＝500(Hz)

S/n＝180/5＝36(次)

nT＝5×1＝5(微秒)

即应用本发明技术的系统将要以500Hz扫描每一轴，每次扫描做36次模数转换，模数转换时间间隔5微秒。

每n次扫描作为一组，这n次扫描可以是连续的n次，也可以中间插入其它轴的扫描，但连续扫描对于存储单元占用较少，一般一组为连续扫描n次，中间不插入其他轴的扫描。请参见图5，X轴扫描结果501为X轴的一组扫描，Y轴扫描结果502为Y轴的一组扫描。假设t0为每次扫描后有用信号开始出现的时间点，由于向发送换能器发送的时间是由微控制器精确控制的，所以t0的出现时间可被精确计算，并且在同一轴的每一次扫描t0出现的位置都是相同的。每一组里面的n次扫描的模数转换起始时间相对t0的起始时间互不相同，这起始时间相差是T的整倍数，一般以距离t0的位置远近作为这一组里面的n次扫描的次序，即：

第1次扫描的第1个模数转换点起始时间在t0；

第2次扫描的第1个模数转换点起始时间在t0+(2-1)T；

第3次扫描的第1个模数转换点起始时间在t0+(3-1)T；

......

第n次扫描的第1个模数转换点起始时间在t0+(n-1)T。

在这例子里，按距离t0位置的远近升序作为这一组里面的次序，n为5，即5次扫描作为一组，我们将这5次扫描顺序编号为第1次扫描、第2次扫描、第3次扫描、第4次扫描、第5次扫描。

第1次扫描在时间点t0开始做模数转换，之后每间隔nT进行一次模数转换，直至本次扫描后接收到的检波信号结束，请参见图6A，即从t0时间开始，共转换36次，每次模数转换的时间间隔为5微秒。

第2次扫描在t0+(2-1)T开始做模数转换，之后每间隔nT进行一次模数转换，直至本次扫描后接收到的检波信号结束，请参见图6B，在这里t0+(2-1)T＝t0+T，即从t0后1微秒时间开始，共转换36次，每次模数转换的时间间隔为5微秒。

第3次扫描在t0+(3-1)T开始做模数转换，之后每间隔nT进行一次模数转换，直至本次扫描后接收到的检波信号结束，请参见图6C，在这里t0+(3-1)T＝t0+2T，即从t0后2微秒时间开始，共转换36次，每次模数转换的时间间隔为5微秒。

第4次扫描在t0+(4-1)T开始做模数转换，之后每间隔NT进行一次模数转换，直至本次扫描后接收到的检波信号结束，请参见图6D，在这里t0+(4-1)T＝t0+3T，即从t0后3微秒时间开始，共转换36次，每次模数转换的时间间隔为5微秒。

第5次扫描在t0+(5-1)T开始做模数转换，之后每间隔nT进行一次模数转换，直至本次扫描后接收到的检波信号结束，请参见图6E，在这里t0+(5-1)T＝t0+4T，即从t0后4微秒时间开始，共转换36次，每次模数转换的时间间隔为5微秒。

期间这5次扫描做的模数转换得到的数据，输入到微控制器内置的存储器存储，或其它外置存储器存储。

微控制器将这一组共n次的模数转换合成为一次完整扫描数据，合成的方法有许多种，其中本实施例中给出一种简单的方法是：在每次存储模数转换得到信息的时候，按模数转换的时间点相对t0位置升序作为顺序存储，即：

第1次扫描模数转换的第1个数据存储在第1个位置；

第1次扫描模数转换的第2个数据存储在第n+1个位置；

第1次扫描模数转换的第3个数据存储在第2n+1个位置；

......

第1次扫描模数转换的第S/n个数据存储在第(S/n-1)n+1个位置；

第2次扫描模数转换的第1个数据存储在第2个位置；

第2次扫描模数转换的第2个数据存储在第n+2个位置；

第2次扫描模数转换的第3个数据存储在第2n+2个位置；

......

第2次扫描模数转换的第S/n个数据存储在第(S/n-1)n+2个位置；

......

第n次扫描模数转换的第1个数据存储在第n个位置；

第n次扫描模数转换的第2个数据存储在第n+n个位置；

第n次扫描模数转换的第3个数据存储在第2n+n个位置；

......

第n次扫描模数转换的第S/n个数据存储在第(S/n-1)n+n个位置。

这样当一组扫描完成后，存储器里的信息就是一次完整扫描得到的数字化信息了。存储器里的数据排列和现有技术一样是按照时间顺序的，并且完整扫描数据包含S次模数转换的数据，和现有技术得到的一次扫描模数转换后的数据是相同的。由于扫描了nF次，每n次作为一组，则有nF/n＝F，即完整扫描数据的获取频率降为F，和现有技术相同。完整扫描数据相当于现有技术的一次扫描得到的数据，微控制器可以按完整数据进行后续的处理，如判断是否被触摸、触摸的坐标和触摸力度等。

本发明采用了一个转换速度较低的模数转换器，这里模数转换器一般要求能达到8位以上的转换精度，200ksps的转换速度即可使用，转换速度低于200ksps将影响到声波接触板系统的检测精度。

本发明的方法主要是涉及到控制板的微处理器对各个部件的控制流程上的改进，即使不改动现有硬件系统，直接应用现有技术的硬件系统也可以实现本发明的方法，只是不能产生有益的效果。本发明可以使用独立于微控制器的模数转换器作为模数转换器，此时的模数转换器可以用较低速的，也可以使用微控制器内自带的一个功能模块，使用性能没有明显差别，但使用微控制器内的模数转换器功能模块有明显的成本优势，线路板设计也能更简单。图7为一采用微控制器的内置模数转换器的改进电路，前置放大器和主放大器AMP放大后的信号由J0输入主要由三极管Q4、三极管Q5和三极管Q6组成的检波电路，检波电路输出的检波后模拟信号由三极管Q6输出经过电阻R20和电容C20滤波后直接接入到微控制器U2内置的模数转换器的输入引脚，由内置的模式转换器进行模数转换，电容C50为内置模数转换器的参考电压源的滤波电容。

本发明的扫描信号发生电路可以在现有技术的电路基础上，提高微控制器控制产生扫描信号的频率由原先的F到nF即可，图8A为有X轴和Y轴的扫描信号发生器的结构框图，振荡信号源801产生高频信号输出到四分频的分频器802将频率降低生成5.5296MHz左右的载波，载波输出到受微控制器809分别输出控制的X轴信号电子开关803和Y轴信号电子开关804，如果X轴信号电子开关803接通，信号将经过X轴的驱动电路805放大后接入X轴发送换能器807，如果Y轴信号电子开关804接通，信号将经过Y轴的驱动电路806放大后接入Y轴发送换能器808，要将扫描信号的频率由原先的F到nF，只需要将控制信号813和控制信号814的开关次数从每秒F次提高到nF次，在前面叙述的n为5的多次扫描系统里，则将原先扫描次数100次每秒提高到500次每秒，这只要修改微处理器的控制程序即可实现。微控制器输出的控制信号813或控制信号814是一个开关信号，不包含载波信号。图8B是每一次开关的信号示意图，开关一般是低电平有效，接通维持时间815一般为几个微秒，接通维持时间815期间内电平保持不变。在X轴信号电子开关803出来的信号810或Y轴信号电子开关804出来的信号811是含有载波的短脉冲信号，图8C是X轴或Y轴其中一次包含载波的短脉冲的示意图，包含载波的短脉冲的时间长度816的长短由微处理器控制的接通维持时间815控制，包含载波的短脉冲的时间长度816期间有电平变化，变化频率为载波。因为一般采用分时工作方式，一般不会同时发X轴和Y轴短脉冲信号。

本发明的扫描信号发生电路还可以使用微控制器直接产生包含有载波的短脉冲，由驱动电路放大后直接驱动发送换能器，图9是有X轴Y轴输出的扫描信号发生电路的结构框图，高频信号源或晶体901向微处理器902提供工作时钟，微处理器902由程序控制分时产生包含载波的短脉冲输出到输出引脚906和输出引脚907，输出引脚906连接X轴驱动电路903，然后接入X轴的发送换能器905，输出引脚907连接Y轴驱动电路904，然后接入Y轴的发送换能器906。具体实现需要使用工作速度比较高的微控制器，高频信号源或晶体901的频率一般为载波频率的整倍数，由微控制器程序控制微处理器的输出引脚输频率正好是载波频率的方波，并维持需要的时间，实际编写程序时，这部分可以用汇编语言编写，选用例如4倍载波频率的22.1184MHz晶体作为微处理器的工作时钟频率，使得执行命令的微处理器的输出端口电平变高再变低的两个连续指令所用的时间恰好为载波的一个周期时间，重复执行令输出端口变高变低的指令，让这段程序的执行时间总长度为需要的短脉冲时间长度即可产生如图8C所示的包含载波的短脉冲，短脉冲的每次持续时间大约为几个微秒，每一轴每秒钟发送nF次短脉冲。请参考图7，晶体Y1和电容C54、电容C55和微处理器U2内部的电路形成振荡电路，提供微处理器U2的工作时钟，控制程序令微处理器U2产生的包含载波的短脉冲信号，由引脚连接到由电阻R5、电阻R6、驱动集成电路U3、封装好的变压器U4等组成的X轴和Y轴驱动电路，信号放大后通过连接器J4连接到X轴和Y轴的发送换能器(图7中未画X轴和Y轴的发送换能器)。这样做省掉了用于分频的器件和电子开关。

具体实现本法明时，可以选用如Silicon Laboratories公司的C8051F系列的微处理器，有些型号能具有内置的200ksps的模数转换器，同时能在22.1184MHz晶体下用本发明方法产生具有载波的短脉冲扫描信号。

本发明可取代现有技术中采用高速模数转换器进行模数转换的声波接触板而达到相同的目的和效果，从而节省了制造成本、简化了线路设计。

Claims (7)

1、一种声波接触板系统，其特征是：所述的该系统包括接触板和控制板，所述的接触板主体为一基板，基板四周安装有一个或一个以上的反射声栅，每个反射声栅一端安装有发射换能器或接收换能器，所述的控制板包括通道选择电路、前置放大器、主放大器、检波电路、增益控制电路、微控制器、扫描信号发生电路，接收换能器的信号输出端与前置放大器的信号输入端连接，前置放大器的信号输出端与主放大器的信号输入端连接，主放大器的信号输出端与检波电路的信号输入端连接，检波电路的信号输出端与微控制器上的模数转换接口连接，微控制器通过接口电路与外部进行通信，微控制器输出信号控制扫描信号发生电路输出扫描信号，微控制器输出信号控制通道选择电路，微控制器输出信号控制前置放大器及主放大器的放大增益，微控制器控制模数转换器进行转换。

2、一种如权利要求1所述的声波接触板系统的多次扫描控制方法，其特征是：所述的该方法包括：控制板内的扫描信号发生电路按nF频率产生扫描信号，模数转换器对每次接收到的检波信号进行S/n次模数转换，每次模数转换的时间间隔为nT，将模数转换后的数据重新合成为频率为F且模数转换次数为S的完整扫描数据。

3、根据权利要求2所述的声波接触板系统的多次扫描控制方法，其特征是：所述的时间间隔nT为模数转换器的每转换一次需要的最低时间。

4、根据权利要求2所述的声波接触板系统的多次扫描控制方法，其特征是：所述的模数转换后的数据暂存在微控制器内置的存储器中，或与微处理器连接的外置存储器中。

5、根据权利要求2所述的声波接触板系统的多次扫描控制方法，其特征是：所述的模数转换后的数据按模数转换的时间点相对第一次初始转换的时间点位置升序作为顺序存储。

6、根据权利要求2所述的声波接触板系统的多次扫描控制方法，其特征是：所述的扫描信号发生电路受微控制器控制产生扫描信号。

7、根据权利要求6所述的声波接触板系统的多次扫描控制方法，其特征是：所述的扫描信号发生电路由微控制器直接产生扫描所需的包含载波的短脉冲信号。

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