CN101868777A - 根据取决于位置的电荷确定触摸位置的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及通过使用取决于位置的电荷确定设备(例如触摸敏感设备)的表面上的触摸位置的系统和方法。在这种方法中，在设备的感测表面上确定触摸工具的位置。该方法包括在设备的表面上产生信号以在触摸工具上产生取决于位置的电荷；以及测量取决于位置的电荷，以指示感测表面上的坐标，以用于建立触摸工具的位置。

Description

根据取决于位置的电荷确定触摸位置的系统和方法
技术领域
本发明涉及用于确定手指或触摸工具的触摸位置的系统和方法。
背景技术
有许多方法可在触摸敏感设备表面上感测手指或有线触笔或自由触笔的触摸位置，通常将触摸敏感设备置于电子显示器的表面上方或将其用作自立式触摸片或关闭显示器触摸板。感测方法包括使用电阻性表面层的电阻和电容感测，以及例如声波和电感电磁感测技术。
最近，此类触摸敏感设备以跨越各种行业的形式得到广泛的分布，包括(但不限于)娱乐(例如游戏)和各种与演示有关的行业(例如商业应用和教育应用)。
发明内容
本发明的多个方面涉及根据取决于位置的电荷用于确定手指或触摸工具的触摸位置的系统和方法。
根据一个方面，本发明涉及用于确定触摸工具在设备感测表面上的位置的方法。该方法包括在设备表面上生成信号以在触摸工具上产生取决于位置的电荷；以及测量取决于位置的电荷以在感测表面上指示用于建立触摸工具位置的坐标。
根据另一个方面，本发明涉及用于确定触摸工具在设备感测表面上的位置的设备。该设备包括：信号驱动电路，其连接到设备表面，以在表面上生成用于在触摸工具上产生取决于位置的电荷的信号；和电荷测量电路，其连接到设备表面，以测量用于指示出感测表面上用于建立触摸工具位置的坐标的取决于位置的电荷。
根据又一个方面，本发明涉及用于确定触摸工具在设备感测表面上的位置的设备，该设备包括：信号发生电路，其用于在与设备感测表面上的区域接合的触摸工具上产生取决于位置的电荷；和信号处理电路，其用于响应取决于位置的电荷以在设备感测表面上定位该区域。
在不同的实例中，本公开教导了无源梯度和有源梯度处理的用途、调节无源梯度传感器的参数以优化用于准确确定触摸工具位置的梯度大小以及多种触摸显示器和触摸工具。
上述本发明的内容并非意图描述本发明的每一个图示实施例或每种实施方式。以下给出更具体的附图和具体实施方式来举例说明这些实施例。
附图说明
考虑到本发明的具体实施方式并结合附图，可以更全面地理解本发明，其中：
图1示出根据本发明的一个实施例的用于确定触摸位置的电路布置；
图2示出可用于解释图1的操作的定时示意图；
图3示出同样根据本发明的一个实施例的用于确定触摸位置的另一个电路布置，其中电路被构造用于驱动感测表面上的信号；
图3A示出可用于解释图中3操作的定时示意图；
图4示出同样根据本发明的一个实施例的用于确定表面上的接触位置的另一个电路布置，其中电路被构造用于同时检测触摸位置和触笔位置；
图5示出可用于解释图4的构造的测量波形；
图6示出可用于解释图4的构造的测量波形；
图7示出同样根据本发明的一个实施例的用于确定表面上的接触位置的另一个电路布置；
图8示出同样根据本发明的一个实施例的用于确定触摸位置的另一个电路布置；
图9示出在各种应用的信号频率下信号强度相对于在整个传感器上的对角距离的关系图；以及
图10示出同样根据本发明方面的用于确定传感器上的触摸位置的另一个电路布置，其中触摸位置被划分为独立的触摸感测段。
虽然本发明可修改为各种修改形式和替代形式，但其细节已通过举例的方式在附图中示出并且将会作详细描述。然而，应当理解，本发明不一定受所述具体实施例的限制。相反，本发明的目的在于覆盖所附权利要求书限定的本发明的精神和范围内的所有修改形式，等同形式和替代形式。
具体实施方式
据信，本发明适用于具有参与传达信息的接触敏感性表面的多种不同类型的系统和设备。已发现本发明的各种具体实施特别适用于定位已经接触的特定表面区域(或表面坐标)。虽然本发明并不受限于此类具体实施，但可通过使用上下文的各种实例的讨论来理解本发明的各种方面。
本发明涉及用于确定触摸工具(例如触笔或手指)在设备感测表面上的位置的系统和方法。在此类应用中，可使用信号发生电路在触摸工具上产生取决于位置的电荷，该触摸工具与设备感测表面上的区域接合。信号处理电路通过定位取决于位置的电荷指示的设备感测表面上的区域来响应取决于位置的电荷。在上下文中，某些实施例使得取决于位置的电荷分别对应于感测表面上的预期接合区域。在相关的具体实施例中，表面为接触式可变阻抗平面，当接触时，该平面使得信号发生电路和信号处理电路响应并处理取决于位置的电荷，从而确定接触的表面区域。
同样根据本发明，使用作为信号处理电路一部分的至少一个感测通道来自动确定表面接合(如接触或触摸)的位置。例如，本发明的一个具体实施例使用四个感测通道(如在表面的每一个角处使用一个)。本发明的其他具体实施例使用少于四个感测通道来确定二维触摸位置；并且一个此类实施例使用单个感测通道。
图1举例说明了使用有源梯度触摸检测的系统110。该系统110使用单个感测通道，经过积分电路(或积分器)129将触摸定位于电子阻抗(表面)层111上。为了产生电压梯度和在至少一个方向流动的电流，驱动电路116包括三态逻辑驱动器(112、113、114和115)以在四点(如其左上角UL、右上角UR、右下角LR和左下角LL)处驱动电阻层。驱动信号为二进制信号，如，其中逻辑高对应于Vref＝+Vcc，例如3-5伏，逻辑低对应于Gnd＝0伏。有效使用三态驱动器以将驱动电路和感测表面与地隔离，从而可测量共模电流并确定触摸点。
系统110通过在手指/人体121的电容122上产生电荷来工作，其中在触摸点处，电容器122上的电压与传感器111上的电压Vt在初始时成正比。通过合适地驱动四点并分析对应的取决于位置的电荷，可以(例如)X-Y笛卡尔坐标的形式确定接触接合位置。
对于具有可使用二维触摸位置辨别的触摸位置的传感器，可使用四次测量来进行定位计算。测量中的每一次使用所施加信号电平的不同组合。例如，凡是结构为方形或矩形(如传感器111)的，可在结构的角处施加信号电平。表1示出四个顺序信号组合，称为序列1。
表1：序列1
  测量   UL   UR   LL   LR   计算
  X+   0   +Vcc   0   +Vcc
  X-   +Vcc   0   +Vcc   0   X位置
  Y+   +Vcc   +Vcc   0   0
  Y-   0   0   +Vcc   +Vcc   Y位置
参照图1和表1，从三态驱动器112、113、114和115输入开始进行测量，三态驱动器由电压为表1所示的对应X+输出驱动电平组合的驱动器控制逻辑130驱动。四个三态驱动器的输出同时启用，从而将它们的输出电压施加到传感器111上。这样，在互连点UL、UR、LL和LR之间的传感器111的电阻平面上产生电压梯度。来自三态栅极的电流经过电阻平面111，同时流入触摸工具，例如示出的人体(或人)121。人体121经电容122(C122)自传感器111耦合到地123，其中电容被充电至电压Vt。电压Vt在触摸点处与传感器111上的电压成正比，并且是传感器上的电压梯度和被触摸的点与电压驱动点之间的距离的函数。在此通电期间，开关124处于开启状态，从而将积分器120与传感器111隔离。
三态驱动器随后关闭，因此传感器111和人体电容122(C122)被电隔离，并且C122上的电荷被保持用于测量。电容122通常由两个串联电容器代表，一个电容器自传感器表面111耦合到触摸工具(例如手指)，另一个电容器自触摸工具耦合到地123。
将传感器与驱动电压隔离后，关闭开关124并且将保持于人体电容122上的电荷经积分放大器120的求和点转移到积分电容器125。在其各种实施例中，使用离散函数并使用组合了积分和ADC函数的ADC来实施积分放大器120和/或模数转换(“ADC”)模块131；可(例如)使用单独的积分器和ADC或由∑δ型ADC所提供的组合函数来实现这一点。因此，将与Y触摸位置(顶部至底部)成正比的信号储存在积分电容器125上，从而导致积分器输出电压VINT。
电容122的充电和电荷向积分电容器125的转移可以重复多次，以积累足够的电荷以用于最佳测量(相对于图2进一步讨论)。然后通过模数转换电路131测量由积分器输出电压VINT所表示的积分器累积的总电荷，存储所得实测值用于处理器134进行后续位置计算。然后可将积分放大器120复位至初始状态。
图2示出一些相关的定时图，以举例说明相对于图1的传感器111的信号发生和处理。图2的第一条线示出通过三态驱动器112、113、114和115施加到感测表面111上的传感器驱动脉冲21的序列。如表1所示，这些脉冲是由所选的三态驱动器中的一些所施加的，而驱动器中的其他保持零输出电压(或就无源梯度而言，其他三态驱动器可以关闭)。图2示出六个脉冲，但施加到感测表面上的脉冲数量可以有差别以实现来自积分器120的所需电压输出或电压阈值或电压范围。
图2的第二条线示出触摸电容器122上的对应电荷。
图2的第三条线示出示例性测量序列，由此对充电周期和放电周期进行积分以得到随后测得的电压。或者，在具有可变数量的充电-放电循环的VINT的固定范围内可以进行测量；例如，可以对图1中的电容器125充电直至其电压达到预定的阈值电压。
在图2的实例中，充电周期包括(例如)从t0至t1和从t2至t3的时限，放电周期包括(例如)从t1至t2和从t3至t4的时限。在时间t12处，通过模数转换电路131测量积分器120输出处的电压(VInt)。在时间t13处，积分器120返回到初始状态。
根据一个实施例，该序列产生测量X+，这是用于计算位置的四个时间序列样品中的一个。随后，使用相同的充电/隔离/放电过程测量其他样品，使用表1所示的传感器驱动状态以得到位置计算所需的额外的值。
最大的脉冲速率(最小周期为t1-t0和t2-t1)由电荷脉冲21的充电速率和放电速率(时间常数)所限制。通常需要四至六个时间常数以实现良好的测量准确度。脉冲22的时间常数随着经过115和传感器111、触摸电容122以及寄生电容128的驱动器112的阻抗而变化。随着电容122和128之和(＝达到TCap)增大，转移到积分器129上的每个脉冲的电荷增多，并且达到给定输出电压VInt所需的测量脉冲数量减少。
可以通过使用算法将测量通道和其积分器129保持在所需的操作范围内，该算法根据所测得的之前序列的VInt电平，改变每一个序列中传感器驱动脉冲的数量以得到所需电平或范围的VInt。该算法处理的效果在于每个序列的脉冲数量随着TCap的大小相反地变化。
允许的充电时间Tc＝(t1-t0)和放电时间Td＝(t2-t1)应该足够长，以允许完全充电和放电。这可通过设定足够用于最大可能电容的Tc时间和Td时间而实现，或优选地，Tc和Td可随TCap的大小成正比变化。这可通过扩充算法来进行，使得驱动脉冲的宽度(Tc+Td)随每个序列脉冲数量相反地变化。此外，可以根据包括TCap的最小电平和最大电平、传感器阻抗以及驱动器阻抗的已知系统参数预先建立Tc和Td的最小值和最大值。或者，可以通过校准程序来建立Tc和Td。
驱动脉冲周期的宽度(Tc+Td)可以随脉冲数量相反地变化，因此传感器脉冲的实耗时间保持大约恒定。结果是可优化整体积分速率从而得到所需的数据速率和准确度，同时使功率最小化，并且数据速率随触摸电容的变化而保持恒定。该脉宽调制方法对所有有源梯度系统均可用，但可能对其中脉冲宽度与传感器阻抗相匹配的无源梯度系统无用。
以下计算法称为“算法1”，举例说明了该上述方法。
1.在使用之前预设参数，使得每一个积分周期(t12)结束时，VINT在VMIN与VMAX之间的中间范围中。可以通过计算或实验校正来实现这一点。预设的参数可能包括：
a.脉冲上升时间(t1-t0)
b.脉冲周期(t2-t0)
c.每一个积分周期中的脉冲数量(N)。
d.X＝每次调节的变化％
2.在使用期间，重复以下测量序列：
a.VINT＜VMIN？
i.是：将脉冲周期增加X％并将脉冲数量N减小X％，然后转到d。
ii.否：转到b。
b.VINT＞VMAX？
i.是：将脉冲周期减小X％并将脉冲数量N增加X％，然后转到d。
ii.否：转到c。
c.记录所测得的VINT。
d.将积分器129复位
e.使用新的脉冲周期和脉冲数量开始新的测量。
当四个测量(X+、X-、Y+、Y-)全部完成后，可在位置计算中使用这些测量值以确定触摸坐标。首先，从电流测量值中减去所有测量的基线(无触摸)电平以使用以下公式来确定触摸的笛卡尔坐标Xt和Yt以确定变化：
Xt＝(X+)/((X+)+(X))，(公式1)
Yt＝(Y+)/((Y+)+(Y))，(公式2)
所需结果用于辨识触摸位置的Xt和Yt，作为所关注维度中的屏幕总长度的比率。参见公式2中的垂直测量，例如，在触摸点Vt处，触摸电容122上的电压与传感器111上的电压在初始时成正比。电容122上的电荷转移到积分电容器125上后，所得电压VTint如以下公式(如公式14)所示。
要测量垂直位置，可以首先(在+Vcc施加到传感器顶部角并且底部角切换至地123的情况下)测量Y+。这会导致积分器输出VInt具有Y+值。可以在+Vcc施加到底部角的情况下进行第二测量，从而得到测量Y-。或者，可以在+Vcc施加到传感器全部4个角的情况下进行第三测量，从而得到TCap。如果在测量Y+和Y-期间整个传感器上的电压梯度是均一的，那么TCap＝(Y+)+(Y-)，并且同样TCap＝(X+)+(X-)。
系统所需的输出为d/D，其中D为所关注维度中的传感器的长度(就Y而言，为传感器高度)，d为距传感器边缘的触摸距离(就Y而言，为传感器的底部)。按照几何形状，以下关系式适用：
Y+＝Vcc*(d/D)                       (公式3)
Y-＝Vcc*(D-d)/D                     (公式4)
解出公式(3)和(4)，得到如下以Y+和Y-表示的d/D：
Vcc＝Y-*D/(D-d)                     (公式5)
Y+＝Y-*[D/(D-d)]*(d/D)              (公式6)
重新排列这些项得到以下关系式：
位置＝Y＝d/D＝Y+/((Y+)+(Y-))        (公式7)
此外，因为
TCap＝(Y+)+(Y-)                     (公式8)
可选的位置计算为：
位置＝Y＝d/D＝(Y+)/(TCap)        (公式9)
重要的是，由于触摸电容122与触摸手指的表面积和触摸者的体型及其他环境变量有关，位置计算产生与触摸电容122的大小无关的精确结果。下列公式示出，只要在测量Y+和Y-的集或X+和X-的集的过程中电容122基本上保持恒定，便可计算与电容122的大小无关的位置。
电容122(C122)上的电荷被转移到积分电容器125(C125)，C125上的所得电压与C125/C122的比率成正比，因此：
qt＝k C122Vt                     (公式10)
其中Vt为触摸点处的电压，q＝电容器上的电荷，k为常数。
qi＝k C125 VINT                  (公式11)
其中VTint＝对应于Vt的积分器输出。当电荷从手指100％转移到积分器时，qt＝qi，因此：
k Ct Vt＝k C125VInt              (公式12)
C122*Vt＝C125VInt                (公式13)
VTint＝Vt*(C125/C122)＝X+、X-、Y+或Y-，取决于所用的传感器驱动
                                 (公式14)
因此，如果：
位置＝d/D＝Y+/((Y+)+(Y-))。      (公式15)
则有：
位置＝VIntY+*(C122/C125)/(VIntY+*(C122/C125)+VIntY-*(C122/C125))
                                (公式16)
以及：
位置＝Y+/((Y+)+(Y-))            (公式17)
这样，公式中消除了C122，并且测量结果显示与触摸电容的大小无关。
如果在每一个X+与X-对和Y+与Y-对的采样过程中总触摸电容122大小保持恒定，以上位置计算公式将得出精确结果。然而，当测量X+时的触摸电容122与测量对应的X-时的触摸电容大小不同时，会导致X位置发生明显偏移。
以上讨论的电容测量值中的每一个将包括将传感器所有部件耦合到地的寄生电容，该电容在任何时候都存在于系统中，而不论是否触摸传感器。通过测量传感器上无触摸时所有参数(X+、X-、Y+、Y-)的基线，可以消除寄生电容的影响。从所有后续测量值中减去这些无触摸电容值，以消除恒定寄生电容的影响。本专利申请中有关电容测量的讨论假设已经从所有电容测量值中减去基线寄生电容。
X+＝(X+新-X+基线)               (公式18)
Y+＝(Y+新-Y+基线)               (公式19)
测量位置前应确定是否存在触摸，并且如果由于自动增益控制或脉冲宽度调制而进行任何调整(下文将对此进行讨论)，则应优选知道总触摸电容的大小。总电容(TCap)可由测量[(X+)+(X-)]或由测量[(Y+)+(Y-)]算出，或TCap可以通过采用如下所示的相同信号驱动所有传感器互连点而直接测出。因此，表1所示的四步测量序列可以修改为表2所示的三步测量序列。
表2：序列2
  测量   UL   UR   LL   LR
  TCap   +Vcc   +Vcc   +Vcc   +Vcc
  X+   0   +Vcc   0   +Vcc
  Y+   +Vcc   +Vcc   0   0
根据本发明的另一个实施例，通过驱动传感器的所有表面驱动点(如，就图1的实例而言为四个角)而不是驱动整个传感器上的电压梯度来测量TCap。该测量的结果为总电容(TCap)的直接测量值，对于单层传感器来说，该值等于[(X+)+(X-)]，也等于[(Y+)+(Y-)]。
在表3所示实例中，反复测量了TCap并在每一次测量后通过测试来确定是否存在触摸。因此，通过一项测量(TCap)而非两项测量(如上文所讨论的X+和X-或Y+和Y-)即可确定是否存在触摸以及触摸电容的大小。这样可相对较快地检测到触摸。
表3：序列3
  时间   测量   UL   UR   LL   LR   计算
  t1   TCap1   +Vcc   +Vcc   +Vcc   +Vcc   触摸＝否
  t2   TCap2   +Vcc   +Vcc   +Vcc   +Vcc   触摸＝否
  t3   TCap3   +Vcc   +Vcc   +Vcc   +Vcc   触摸＝是
  t4   X+   0   +Vcc   0   +Vcc   Xt4＝(X+)/(TCap3)
  t5   Y+   +Vcc   +Vcc   0   0   Yt5＝(Y+)/(TCap3)
  t6   TCap4   +Vcc   +Vcc   +Vcc   +Vcc   Yt6＝(Y+)/(TCap4)
  t7   X+   0   +Vcc   0   +Vcc   Xt7＝(X+)/(TCap4)
一旦利用上述方法检测到触地(在t3处)，就可交替进行TCap测量与X+和Y+测量，以利用公式20和21确定触摸位置。
Y＝(Y+)/(TCap)                (公式20)
X＝(X+)/(TCap)                (公式21)
在t3处进行初始触地检测之后，将X+测量与之前的TCap测量结合，可以计算t4处的X位置。在t5处，测量Y+并计算Yt5位置，从而得到第一X、Y位置。随后可在t6处测量TCap 4，然后计算更新的Yt6位置。接着可在t7处测量X+，然后计算更新的Xt7等。
在存在低频噪声的情况下，和/或触摸电容大小随时间变化时，样品X+、Y+和TCap之间的时差优选地最小化。这可以通过增加第二(和/或第三等)测量电路并在测量电路之间交替样品来实现。
如上所述，只有当每一个Xt或Yt计算公式中所用输入参数(TCap、X+、X-、Y+、Y-)是在相同触摸电容和相同噪声电平下测得时，上述位置计算公式才能得出精确结果。通过同时测量X+(或Y+)和TCap应当能够理想地实现这个结果，但作为另外一种选择，可以通过在顺序进行的参数测量值之间的内插法以数学方式模拟同时进行的测量过程进行近似计算。
例如，检测到触摸时，可将序列3(如上表3所提供的)与内插法结合使用来提高准确度。在这种情况下，内插法公式为：
Xt4＝(X+)/((2*TCap3+TCap4)/3)，    (公式22)
Yt5＝(Y+)/((TCap3+2*TCap4)/3)。    (公式23)
凡是准确度比数据率更重要的，可以采用替代序列4。序列4＝[TCap1；X+；TCap2；Y+；TCap3；X+；TCap4；Y+]，等，通过采用两个相邻的TCap测量将每一个X+或Y+加括号，使X+或Y+测量及其相关的TCap测量之间的时滞最小化。对于序列4的实例来说，可以使用下式计算坐标：
Xt＝(X+)/((TCap1+TCap2)/2)，则有    (公式24)
Yt＝(Y+)/((TCap2+TCap3)/2)，等      (公式25)
这种在TCap值前后进行的线性内插法会得到同时对X+测量值起作用的平均TCap。用于X/Y计算的该TCap内插值可消除触摸电容变化产生的大部分影响以及X或Y测量过程中某些低频噪声产生的影响。这根据的假设在于，触摸电容相对于TCap测量之间的时间以线性方式变化。
系统可在上述测量/计算模式当中选择，从而得到所有条件下的最佳测量值。例如，在无触摸过程中，测量序列[TCap；TCap；TCap]可以最低的功率和最快的触摸量测定速度检测触摸或触笔接近，如表3所示。在初始触地转变过程中，序列3(及公式20和21)可实现最快的初始位置测量(如，可在t5处计算X和Y)。当低频环境噪声和变化的电容(TCap)是因子时，序列3加上时间内插(公式22和23)可以在连续触摸和/或笔划移动过程中实现更高的准确度。当环境噪声和变化的TCap比较快的数据率更重要时，序列4可在连续触摸过程中实现最佳准确度。
利用多个测量电路，例如图3的系统160中所示，可进一步减小噪声和变化的触摸电容所产生的影响。系统160在结构和操作方面涉及图1的系统，并具有明显的差别。其中一个差别是图3的系统160被构造为通过被测量的参数而顺序运行。例如，系统160的测量通道1和2可交替使用，使得在通道1上测量一个TCap脉冲，然后在通道2上测量一个X+脉冲等。
与此结合，图3A示出三个TCap脉冲系列与三个X+(或X-)脉冲及所得积分器输出VInt1和VInt2交错的情形。这种交错采样会重叠TCap和X+信号测量的部分，使其有效地同时进行。速度低于X+和TCap的采样速度时，电容122的变化会显著减小。频率低于X+和TCap的采样速度的噪声也会减小。如果采用交错采样，时间内插(如上所述)就没那么重要。
图3的系统160也被构造为具有可选的测量通道3。可以使用该测量通道3，从而(例如)可在通道1上测量TCap脉冲，可在通道2上测量X+，可在通道3上测量Y+，因此依次测量TCap、X+和Y+的脉冲。这会导致笔划快速移动过程中X和Y维度测量伪同时(时间交错)进行，并且具有改善的低频噪声抗扰度和改善的准确度。
图4中的替代构造具有两类位置测量通道：单个触摸位置测量通道129和用于感测接触或靠近表面的触笔的位置的测量通道179。在本发明的某些具体实施例中，相同的传感器驱动信号可用于同时测量触摸和(有线)触笔位置。在上下文中，图4示出触摸和触笔位置测量系统170，该系统具有图1的只触摸系统110加上用于测量触笔电压的模块179和用于模数转换的模块133。因此，这些用于触摸位置和触笔位置的测量通道连接到计算触摸位置和触笔位置的位置计算处理器。
当将X+、X-、Y+和Y-信号施加到如本文所述用于检测触摸位置的传感器111时，触笔电压测量系统测量从传感器111耦合到触笔168的顶端169的电压。
参照图4的电路图，图5和图6示出在某些节点处的触笔波形定时相对于图2第1行所示和图5第1行再现的传感器驱动脉冲。图6第6行示出以更大的时标重新施加这些脉冲的情形。图5的第2行和第3行示出，在触笔168的顶端169处用高阻抗缓冲放大器166测量这些传感器驱动脉冲，并将这些传感器驱动脉冲转移到采样电路，该采样电路具有开关164、保持电容器165和缓冲放大器161，并具有用于分压反馈的电阻器162和163。第7行示出放大器166在与图6的第6行时标相同时的输出。图5的第4行表示在每一个传感器驱动脉冲达到其最大值后开关(如基于FET的电路)164闭合。图5的第5行示出采样电容器165(模块179)上的电压，在被处理和采样之前，采样电容器165处的采样脉冲保持峰值；图6的第8行和第9行示出在触笔模数转换器133各自的输入和输出处进行的处理。应当理解，可用类似于电路126的集成电路来替代电容器165采样电路。
以序列1(表1)或序列2(表2)的状态中的每一种驱动传感器111时，按照这种方式测量在触笔顶端处的电压。然后可以由以下公式计算触笔顶端的位置：
Xs＝(SX+)/((SX+)+(SX-))，        (触笔公式A)
Ys＝(SY+)/((SY+)+(SY-))。        (触笔公式B)
这些公式的推导遵循与触摸电容相同的逻辑。虽然触笔测量机理包括缓冲放大器156和采样电路154、151、155而不是积分器，但在触笔顶端位置处检测到的电压的测量类似于触摸位置处电容122上的电荷的测量。在最小寄生电容接地的情况下，优选触笔168和放大器166的输入阻抗较高。例如，虽然最低的可能电容是优选的，特别是凡是从传感器到触笔顶端的电容较小的，但10MΩ的电阻值和1pf的电容值是合格的。
或者，可以利用三样品序列测量实现触笔感测，其中传感器由表2或表3所示的信号驱动，并且进行对应于触摸测量X+、Y+和TCap的触笔测量SX+、SY+、SCap。然后可使用与计算触摸位置所用的相同公式计算触笔位置。
如同图3那样，作为交错构造的替代形式，可将通过通道中的每一个测得的参数在交替测量循环上交换，并且可将结果平均化以消除测量通道匹配的益处。
参照表4示出此替代方法。在第一测量(M#1)期间，通过通道1测量TCap，通过通道2测量X+，通过通道3测量Y+，从而计算X、Y的位置1。在下一测量(M#2)期间，通过通道1测量Y+，通过通道2测量TCap，通过通道3测量X+，从而计算X、Y的位置2。在下一测量(M#3)期间，通过通道1测量Y+，通过通道2测量TCap，通过通道3测量X+，从而计算X、Y的位置3。然后可将位置1、2和3平均在一起以得到不受通道1、2和3当中的差异影响的位置，可将触摸期间所有序列测量三重(或多重)平均化以消除通道失配的影响。还可使用初始触地位置P1和P2，前提条件是通道1、2和3当中的任何差异均具有合理的大小，例如匹配度在5％以内。
表4：交替并平均化图3系统中的通道
  测量   通道1   通道2   通道3   触摸结果
  M#1   TCap   X+   Y+   P1＝位置1＝计算X，Y(公式20和21)
  M#2   Y+   TCap   X+   P2＝计算X，Y，并与P1位置进行平均
  M#3   X+   Y+   TCap   P3＝计算X，Y，并与P1和P2位置进行平均
  M#4   TCap   X+   Y+   P4＝计算X，Y，并与P2和P3位置进行平均
  M#5   Y+   TCap   X+   P5＝计算X，Y，并与P3和P4位置进行平均
  M#6   X+   Y+   TCap   P6＝计算X，Y，并与P4和P5位置进行平均
图8为包括混合传感器805和梯度驱动电子器件的触摸位置装置800的示意图，该系统仅在一个方向(如X)产生梯度。使用两个电荷测量通道，通过计算通道1测得的电荷与通道2测得的电荷的比率来确定Y维度。
如共同待审的专利申请11/612,799中所述，混合传感器805具有两组楔形电极。顶部电极组连接到沿着电阻杆880分布的点上，电阻杆在UL点与UR点之间具有1KΩ至200KΩ的电阻。底部电极组连接到沿着电阻杆882分布的点上，电阻杆882在LL点与LR点之间具有等于杆880的电阻。如表5所示，三态驱动器812和815在隔离、高输出或低输出模式下同步操作。驱动器813和814也同步操作以在整个电阻杆880和882上水平产生梯度。操作类似于此前讨论的方法，借此将电压施加到传感器805的角上，然后将电压施加电路与传感器805同时电隔离，并且测量保留在传感器805上的电荷。在混合情况下，两种不同的电荷保留在传感器805上，因为上部电极和杆880与下部电极和杆882电隔离。在此实例中，可以使用两个电荷测量电路829和849，通过在驱动器812至815被隔离后立即关闭开关824和844来测量两个电荷电平。
示例性序列示于下表5中，其中运行了TCap和序列，并且通道1和2对沉积在传感器805顶部电极和底部电极上的电荷进行积分。通过积分器829和849测得的总电荷分别为QB和QT，电荷(自非触摸状态)的总变化分别为ΔQB和ΔQT。积分可以包括传感器805的一个或多个充电-放电循环，可以按固定次数的充电-放电循环进行积分，或可以在可变积分时间下以固定的VInt范围进行积分。在无触摸期间，建立电荷QT和QB的基准电平。在TCap或X+测量循环期间，ΔQT或ΔQB自基准电平的充分变化说明发生了触摸。在触摸状态期间，运行了TCap循环和/或X+循环，测量ΔQT和ΔQB，可使用以下公式计算X和Y：
TCap＝ΔQT+ΔQB            (公式26)
X＝(ΔQB+ΔQT)/TCap        (公式27)
Y＝ΔQT/ΔQB        (公式28)
表5：序列5
  时间   测量   UL   UR   LL   LR   计算
  t1   TCap1   +Vcc   +Vcc   +Vcc   +Vcc   触摸＝否；TCap1＜阈值
  t2   TCap2   +Vcc   +Vcc   +Vcc   +Vcc   触摸＝否；TCap2＜阈值
t3 TCap3 +Vcc +Vcc +Vcc +Vcc   触摸＝是；TCap3＞阈值Yt3＝ΔQT/ΔQB
t4 X+ 0 +Vcc 0 +Vcc   Xt4＝(ΔQB+ΔQT)/(TCap3)，Yt4＝ΔQT/ΔQB
t5 TCap5 +Vcc +Vcc +Vcc +Vcc   Xt5＝(ΔQB+ΔQT)/(TCap5)，Yt5＝ΔQT/ΔQB
t6 X+ 0 +Vcc 0 +Vcc   Xt6＝(ΔQB+ΔQT)/(TCap5)，Yt6＝ΔQT/ΔQB
序列5同时得到X和Y测量，这降低了由于环境噪声引起的误差。
因此，已经依据有源梯度对上述实施例进行了讨论，其中电极的所有角(或两端)被已知电压驱动以在整个传感器上产生梯度。还可通过无源方法在整个传感器上产生梯度。参照共同待审的专利申请11/612,799的传感器500(图5)描述了一种无源方法。对另一个实例而言，可以用AC电压驱动各向同性的4-线电阻性传感器的两个相邻角，并且可以将相对的两个角与任何电压源分离，使得它们“漂浮”。在这种情况下，由于整个传感器上的串联阻抗以及整个传感器表面上分布的接地寄生电容，以及触摸工具的电容和驱动电压的频率，未驱动角上的电压(以及因此在整个传感器上的梯度，如果有的话)将主要取决于电压衰减。如果与传感器相关的各种阻抗和驱动信号特征在所需范围内，那么可以在整个传感器上产生适用于触摸位置的梯度。无源梯度系统的优势在于它们可以需要较少和/或较低成本的电路以及较低成本的传感器。
作为有无源梯度系统的实例，可将图1的系统110根据本发明进行修改。系统110可用于通过同时激发仅两个相邻三态驱动器来产生无源梯度。例如，可以通过用Vcc输出激发驱动器113和114来产生左右梯度，而驱动器112和115处于高阻态。将驱动器113和114保持在“开启”状态下足够长的时间以升高传感器111对近Vcc的右边缘，而由于整个传感器上R-C上升延时，左边缘保持在明显较低的电平处。在限时脉冲施加到UL和LL上后，驱动器113和114被隔离，然后开关124关闭，传感器110上的电荷流入积分电容器125中。重复该过程直至电容器125具有足以将VInt提高到可测量电平的电荷。该无源梯度测量方法类似于此前参考系统110描述的有源梯度测量方法，不同的是仅在两个驱动器被同时激活和其他两个驱动器处于关闭状态(即电隔离)的情况下使用(下表6的)序列6，选择驱动器的“开启”时间使其与传感器110的R-C上升延时相匹配。
表6：序列6
  测量   UL   UR   LL   LR   计算
  X+   关闭   +Vcc   关闭   +Vcc
  X-   +Vcc   关闭   +Vcc   关闭   X位置
  Y+   +Vcc   +Vcc   关闭   关闭
  Y-   关闭   关闭   +Vcc   +Vcc   Y位置
用于无源梯度系统中时，传感器111优选地具有介于300KΩ至30KΩ/平方的表面电阻率，并且具有均匀分布在其整个表面上的寄生电容。
可参考图7实施无源梯度模式，该无源梯度模式基于具有本领域已知的电容测量信号驱动电路712-715(例如在3M的EXII或SMT3电容触摸控制器中的电路)的控制器710。这些电路通常同时向四个角UL、UR、LR和LL施加AC电压信号，并且测量在每一个角处流入传感器111中的电流。因此直接测量四个等效传感器角电容CUL、CUR、CLR和CLL。假设所施加的信号频率足以在传感器111的整个表面上产生(无源)梯度，那么CUL、CUR、CLR和CLL中的每一个具有(大致相等的)寄生电容128的部分，并且也具有触摸电容122的位置依赖性部分。
可添加开关S1-S4来修改已知的信号驱动电路712-715以进行梯度测量，在测量期间这些开关将非活动信号驱动电路与传感器111隔离。初始假设电路712-715中的至少一个(或两个相邻)成为有源电路并且通过关闭正确的开关S1-S4将有源电路连接到传感器111。其他电路为无源电路，并且通过打开的开关将它们与传感器111断开。在上下文中，驱动电路中的单个为有源电路，并且测量电路经过电容测量序列。通过传感器测量通道712测量电容(如CUL)。然后依次激活传感器测量通道713-715中其他三个信号驱动电路中的每一个并测量电容(如CUR、CLR和CLL)。触摸传感器表面将改变四个测得的电容，可以使用这些电容中ΔCUL、ΔCUR、ΔCLR和ΔCLL的相对变化计算触摸位置。可以使用公式21和22来确定粗略位置，然后使用已知的校正方法进行标定以使Xt、Yt匹配显示器上的位置。也可使用已知方法将基于之前校正数据的误差修正应用于测量系统中来修正非线性特性。
Xt＝(-ΔCUL-ΔCLL+ΔCUR+ΔCLR)/(ΔCUL+ΔCUR+ΔCLR+ΔCLL)    (公式29)
Yt＝(-ΔCUL+ΔCLL-ΔCUR+ΔCLR)/(ΔCUL+ΔCUR+ΔCLR+ΔCLL)    (公式30)
无源梯度取决于传感器表面的参数，包括寄生电容大小和分布、表面电阻、触摸电容以及工作频率。触摸的灵敏度(由于触摸而产生的增量电容的位置)取决于整个传感器表面上存在的梯度。形成有源梯度的衰减在很大程度上是由传感器薄层电阻(R)与寄生电容(C)之间的R-C衰减造成的。所施加信号的衰减使得由四个测量电路对触摸电容进行不同的测量，并且需要测量差值来计算触摸。例如，如果传感器表面为从UL至LR为具有大致0.0欧姆的铜片，那么当UL被其对应的信号驱动电路驱动时UL与LR之间将不会产生梯度。因此，用直接连接到LR的信号驱动电路测得因LR附近的触摸而产生的10pf电容变化为10pf，并且用连接到传感器表面相对角的相同信号驱动电路测得的值也为10pf。存在的触摸是可测量的，但如果测量值没有差异则不能计算触摸位置。参见公式29和30，如果ΔCUL＝ΔCUR＝ΔCLR＝ΔCLL＝0，则结果无效。在光谱的相对端，如果传感器的薄层电阻为100KΩ/平方、寄生电容为10,000pf，并且均匀分布在整个传感器表面上，那么由信号驱动电路在角UL上产生的典型200KHz信号将在整个传感器表面上的1/4距离内衰减至接近0。因此，由于过度衰减，接近传感器表面中间的触摸将在所有四个测量电路处显示可忽略不计的差异。然而，如果测量频率自200KHz下降的话，可发现将在上述整个100KΩ/平方的传感器表面上提供最佳梯度的频率。最佳的无源衰减导致在整个传感器的所有区域上产生最大的梯度差值。对于某些应用而言，优选梯度也为线性梯度。
图9示出信号强度随沿着图1的传感器111的UR至LL的直对角线的距离的变化。曲线901、902、903和904代表在测量X+或Y+脉冲期间在UR处测量的信号强度随沿着UR至对角LL的距离的变化。曲线904为理想情况，因为其为线性并且最大限度地变化，但这是难于实现的。曲线902不是线性的，但其在传感器长度上最大限度地变化，从而得到良好的测量分辨率(信号随距离增加变化)。对传感器111的阻抗级而言，如果测量频率过低，则曲线901代表可在UR处测得的不太理想的信号。低频率在整个传感器上导致较小的R-C衰减。信号903也是不理想的。对于传感器阻抗而言，如果控制器的工作频率过高，则可在UR处进行测量，从而导致在UR附近的传感器的一小部分上衰减过多，并且在传感器111的剩余(中间和左下)部分上形成低分辨率。
一些传感器阻抗参数随传感器设计及随其环境而有差别。例如，将传感器放置在接地底座附近或将金属挡板放置在传感器周边的上方将改变传感器的对地电容。如果传感器与其驱动信号匹配，则无源衰减达到足够水平，触摸性能可足够，并且可能仅需要已知的校正方法。如果传感器和信号不匹配，可调节一个或多个参数(例如施加信号的频率)以实现所需的衰减曲线。
本发明的另一个重要方面涉及用于特定传感器类型或传感器类型以及特定传感器安装配置的施加信号周期的调节方法。可按如下所述完成这些方法：
在调节过程中，在使用之前，
1.用具有第一预选择周期的施加信号以序列1(表1)操作控制器，
2.测量传感器驱动点(通常为UL角、UR角、LL角、LR角或线性触摸传感器[滑块]的两端)处的信号强度(VInt)，同时在所选位置(如每一个角向内10％)处顺序触摸传感器。
3.计算各种触摸点当中的信号强度比率(信号强度比率通常在传感器相对边缘或相对角附近的触摸点对之间)。
4.用具有第二预选择周期的施加电压操作控制器，并且重复步骤2和步骤3。
5.根据需要重复步骤4以调节施加信号的周期，使得信号强度比率足够大以得到所需分辨率。例如，UR角附近的触摸可优选地得到全量程的90％的X+测量，以及全量程信号的～10％的X-测量。
术语“周期”包括施加信号的基本频率和谐波频率的周期。周期的调节可以包括(例如)：
1.调节脉冲或正弦波的周期，
2.调节脉冲的工作循环和/或持续时间，
3.调节脉冲的上升斜率和下降斜率，
4.调节张驰振荡电路的电阻，
5.调节供给张驰振荡电路的电流。
除调节周期之外，还可以使用已知方法调节参数(例如源阻抗和/或自动增益控制(AGC))来得到最佳测量范围内的信号。
图10示出相当于前述系统800的系统910，不同的是图10包括额外的三态驱动器816和817，并且三态栅极926驱动传感器915上有六个点而不是四个点。传感器915分为两个区段，包括左半段和右半段。这是通过分别加入自812和815至UM和LM的两个额外的连接来完成的。可仅在左半段上或仅在右半段上(水平地)产生局部梯度，或可在整个表面上产生梯度。局部梯度通过将梯度用于表面的一小部分而提高了系统的有效分辨率。两个区段示于系统910中，但也可将传感器分为两个以上的区段。
需要两个测量通道以使用表7所示的驱动器状态来测量两区段的传感器915。
在另一个实施例中，用电阻器将UR和LR(和/或UL和LL)连接起来，使梯度垂直和水平交替，使得只使用一个测量电路。
表7：序列7
  测量   UL   UR   UM   LM   LL   LR   计算
  TCap   +Vcc   +Vcc   +Vcc   +Vcc   +Vcc   +Vcc   触地，Y位置
  X+所有   0   +Vcc   关   关   0   0   粗略的X位置
  X+右   0   +Vcc   0   0   0   +Vcc   触摸在右区段中时，X位置精确
  X-左   +Vcc   0   0   0   +Vcc   0   触摸在左区段中时，X位置精确
在又一个额外的实施例中，用于输入数据的有效位置受系统执行的软件应用程序限制，对此类位置的认识被用于确定传感器表面上的有效触摸点。例如，可在电路较少和/或信号处理较少的情况下，通过了解和/或控制有效位置来更快、更准确地确定有效触摸位置。假设例如系统执行的软件应用程序需要用户输入可选择的数字字母混合符号形式的URL，该符号可通过传感器表面下方所显示的键获得。由于这些位置处的传感器表面参数(为电阻的函数)是已知的，因此触摸位置系统可消除无效触摸或虚假触摸(由噪声形成)，如，在当前触摸不敏感的区域中，以及屏幕上同时发生的触摸之间的判优。在一些触摸系统中，可通过仅扫描有效触摸的一部分触摸屏来改善触摸坐标的数据速率和/或触摸检测的信噪比。例如，在图10所示的布置方式中，当已知有效触摸区域仅在右半段中时，仅测量图10的传感器915的一半。另外，凡是整个屏幕区域永不可触摸的，则需要较少的驱动电路。在电池消耗为显著问题的一些触摸位置系统中，如果为软件应用程序激活的驱动电路和/或测量通道较少，则会限制有效触摸。
所提供的上述各种实施例仅出于举例说明的目的，不应认为是对本发明的限制。基于上述讨论和举例说明，本领域的技术人员将易于认识到，可对本发明进行各种修改和更改，而不用严格遵守本文所示和所述的示例性实施例和应用。例如，对于上述那些具有基于可操作放大器的积分器和连接到其求和接点的开关的系统而言，可使用其他电容测量电路；此类测量电路包括以下中的一种或多种：接地的积分电容器、Cypress CapSenseTM电路(参见如“Mobile Cap touch electronics technologies.PPT”)、共同待审的专利申请11/612,790中所述的电路、3M公司的SMT3或EXII产品、或具有加入以隔离每一个通道(如图7所示)的串联开关的已知比率的电容控制器、美国专利No.6,466,036(Quantum)中所述的电路和其中每次只有一个通道激活的电容频率转换器(例如美国专利No.4,954,823中所述)。以上提及的每一个专利文件均以引用方式完全并入本文。
提供了关于二维表面上的测量位置的实例。明显的是，电路和方法也可应用于测量滚轮或一维“滑块”上的位置。
实例电路为简化电路，并且并非旨在限制替代的具体实施。例如，可以使用微控制器控制的P1O端口执行逻辑130控制的三态电路116。测量放大器120为对地参考，但在一些电路中可以优选替代参考，例如Vcc或Vcc/2参考。或者，可以周期性地改变测量基准电压和驱动电压，以在测量正向脉冲和负向脉冲之间交替。该技术可降低低频噪声的影响，如共同待审的专利申请11/612790中所述。
另外应当理解，虽然本发明的具体特征在一些附图中示出，而未在其他附图中示出，但这仅出于方便的目的，因为每一种特征均可与其他特征中的一种或多种结合，如本文教导内容所阐述的那样。此类修改和变化并不偏离本发明的真实精神和范围，其在以下权利要求书中所提及。

Claims (20)

1.一种用于确定设备的感测表面上的触摸工具的位置的设备，包括：
信号发生电路，其在接合所述设备的感测表面上区域的触摸工具上产生取决于位置的电荷；和
信号处理电路，其响应取决于位置的电荷以在所述设备的感测表面上定位所述区域。
2.根据权利要求1所述的设备，还包括开关电路以隔离所述电荷。
3.根据权利要求1所述的设备，还包括开关电路以隔离所述电荷，并且其中响应电压梯度产生取决于位置的电荷，所述电压梯度对应于所述设备的感测表面上的坐标。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述信号发生电路包括多个开关驱动器以产生取决于位置的电荷，所述多个开关驱动器中的每一个均可切换到高阻态以隔离所述电荷。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述信号处理电路使用至少一个积分器测量所述电荷，所述积分器被切换以隔离测量之间的所述电荷。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述信号处理电路使用至少一个积分器测量所述电荷，所述积分器被切换以隔离测量之间的所述电荷。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述信号处理电路使用积分器测量所述电荷，所述积分器被切换以隔离所述电荷，同时在触摸工具上产生取决于位置的电荷。
8.根据权利要求1所述的设备，还包括处理器，所述处理器被编程以执行应用程序，所述应用程序提供预定减少的表面部分以用于接合所述设备的感测表面上的区域，其中所述信号处理电路适于确定所述设备的感测表面上的所述区域的位置，所述区域的位置为测得的取决于位置的电荷和预定减少的表面部分的函数。
9.根据权利要求8所述的设备，其中所述信号发生电路由少于四个的开关电路构成，所述少于四个的开关电路用于将电荷耦合到所述表面上。
10.一种用于确定设备的感测表面上的触摸工具的位置的设备，包括：
信号驱动电路，其连接到所述设备的所述表面，以在所述表面上生成信号，以用于在所述触摸工具上产生取决于位置的电荷；和
电荷测量电路，其连接到所述设备的所述表面，以测量取决于位置的电荷，以用于显示所述感测表面上的坐标，所述坐标用于建立所述触摸工具的位置。
11.根据权利要求10所述的设备，其中在建立所述触摸工具的位置之前，使用时间内插法执行非同时测量并进行修改。
12.根据权利要求10所述的设备，其中所述电荷测量电路为电路的一部分，所述电路的一部分适于进行非同时测量以用于计算所述触摸工具的位置。
13.根据权利要求10所述的设备，其中所述电荷测量电路为电路的一部分，所述电路的一部分适于进行非同时测量以用于计算所述触摸工具的位置，并且其中在建立所述触摸工具的位置之前，使用时间内插法修改所述非同时测量以用于提高位置准确度。
14.根据权利要求10所述的设备，其中所述电荷测量电路为电路的一部分，所述电路的一部分适于进行至少两个测量通道的测量以用于计算所述触摸工具的位置。
15.根据权利要求14所述的设备，其中所述测量通道的测量为时间交替的以提高位置准确度。
16.根据权利要求14所述的设备，其中所述电荷测量电路为电路的一部分，所述电路的一部分适于进行至少两个测量通道的测量以用于计算所述触摸工具的位置，并且其中多次测量中的每一次的持续时间随序列中测量总数相反地变化，因此总测量时间随序列中所述测量次数的改变而保持恒定。
17.根据权利要求14所述的设备，其中所述电荷测量电路为电路的一部分，所述电路的一部分适于进行至少两个测量通道的测量以用于计算所述触摸工具的位置，并且其中多次测量中的每一次的所述持续时间随序列中测量总数相反地变化，从而所述总测量时间随序列中所述测量次数的改变而保持恒定。
18.根据权利要求14所述的设备，其中所述电荷测量电路为电路的一部分，所述电路的一部分适于进行至少两个测量通道的测量以用于计算所述触摸工具的位置，并且其中所述多个测量通道中的每一个测量不同的参数，并且由每一个通道测得的所述参数周期性变化。
19.根据权利要求14所述的设备，其中所述电荷测量电路为电路的一部分，所述电路的一部分适于进行至少两个测量通道的测量以用于计算所述触摸工具的位置，并且其中所述多个测量通道中的每一个测量不同的参数，并且将不同通道的参数测量平均在一起。
20.一种用于确定设备的感测表面上的触摸工具的位置的方法，包括以下步骤：
在所述设备的表面上产生信号，以在所述触摸工具上产生取决于位置的电荷；以及
测量取决于位置的电荷，以指示所述感测表面上的坐标，以用于建立所述触摸工具的位置。
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