CN101958090A

CN101958090A - 触摸检测电路以及触摸检测方法

Info

Publication number: CN101958090A
Application number: CN2009100553475A
Authority: CN
Inventors: 陈悦; 邱承彬
Original assignee: Shanghai Tianma Microelectronics Co Ltd
Current assignee: Shanghai Tianma Microelectronics Co Ltd
Priority date: 2009-07-21
Filing date: 2009-07-21
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2029-07-21
Also published as: CN101958090B

Abstract

一种触摸检测电路以及触摸检测方法，其中所述检测方法包括：向触摸节点等效电路的驱动端输入周期变化且连续的驱动电压，使得检测端形成跟随驱动电压变化的检测电压；所述检测电压的变化幅度恒定，变化周期与驱动电压相同且与节点互电容大小相关联；根据所述驱动电压或者检测电压的变化周期，检测触摸点位置。与现有技术相比，本发明中检测电压的电压值变化率与互电容时刻相关，使得所述变化周期不会因为电路中噪声毛刺对互电容的瞬时影响而明显改变，具有更强的抗干扰能力。

Description

触摸检测电路以及触摸检测方法

技术领域

本发明涉及液晶显示装置，尤其涉及用于液晶触摸屏的触摸检测电路以及触摸检测方法。

背景技术

近年来，信息通讯领域的迅速发展，提高了各种类型的显示设备的需求。液晶触摸屏作为显示输出设备同时也拓展出了输入的功能，通过触摸检测电路将用户的触摸信号转化为电信号。互电容感应技术是一种典型的触摸检测方式，可以实现对多点触摸的检测，并且具有良好的抗噪声干扰的能力。其基本原理如图1所示，将触摸屏分为若干行电极11以及若干列电极12，且行电极11与列电极12位于不同的两层，两者之间构成了许多节点13，所述节点13都可以等效为一个节点互电容Csig，而Cstray为列电极12与地之间的等效电容。当有用户用手指触摸时，由于手指电场的影响，会使得触摸屏上触摸点处附近的节点互电容Csig发生变化。只需要在每个行电极11上外加驱动电压，然后在每个列电极12上检测所有的节点互电容Csig的变化，便可以准确检测所述触摸点的位置。

基于上述互电容感应技术，美国专利US20080165134提出了一种触摸检测电路，用于检测液晶屏上触摸点位置。其电路原理图如图2所示，触摸屏上的节点可以视为由节点互电容Csig以及列电极与地之间的等效电容Cstray所组成的等效电路101。在所述触摸节点等效电路101中，所述节点互电容Csig的一端为行电极作为驱动端，另一端为列电极作为检测端，所述列电极与地之间的等效电容Cstray也可以视为检测端与地之间的寄生电容。结合图3所示，驱动电压产生单元102所产生的驱动电压Vstim通过触摸节点等效电路101，从驱动端到达检测端一侧的检测电路100，形成检测电压Vin；所述检测电路100主要包括比较器106、灌电流源104a、拉电流源104b以及状态控制器108；所述检测电压Vin通过比较器106与基准电压Vref进行比较，将比较的结果Vcomp传送给状态控制器108，状态控制器108根据比较结果Vcomp选择灌电流源104a或者拉电流源104b工作，所述灌电流源104a以及拉电流源104b均与检测端连接，对检测电压Vin进行充电或者放电，且充放电的速率保持恒定。

结合如图3所示的具体检测时序，对该美国专利提及的触摸检测电路做进一步介绍。假设灌电流源104a以及拉电流源104b(以下统称为电流源单元)的电流均为I，驱动电压Vstim为图3所示方波。

首先，排除电流源单元的影响，检测电压Vin与驱动电压Vstim存在如下关系：Vin＝[Csig/(Csig+Cstray)]*Vstim。由于Vstim在高低电平之间波动，Vin也将随之震荡变化。通过比较器106比较Vin以及基准电压Vref的大小，并将比较结果Vcomp输入状态控制器108。当Vin＞Vref时，比较器输出电压Vcomp为正，状态控制器108控制拉电流源104b工作，而灌电流源104a不工作，使得检测电压Vin放电，直至与Vref相等；当Vin＜Vref时，比较器输出电压Vcomp为负，状态控制器108控制灌电流源104a工作，而拉电流源104b不工作，使得检测电压Vin充电，直至与Vref相等；当Vin＝Vref时，所述电流源单元均不工作。这样检测电压Vin、比较器输出电压Vcomp、以及电流源单元的开关状态电压Esource、Esink如图3所示。

检测电压Vin在充放电时的电压值变化率ΔVin/ΔT＝I/Cstray为定值，而充放电时间ΔT＝ΔVin*Cstray/I与ΔVin成正比(ΔVin＝|Vin-Vref|)。结合Vin与Vstim的关系式Vin＝[Csig/(Csig+Cstray)]*Vstim，容易推出充放电时间ΔT与节点互电容Csig成正比。也即手指触摸触摸屏时，改变触摸点附近节点互电容Csig的大小，将直接导致检测电压Vin的充放电时间ΔT的变化，因此仅需要通过给定计数器110一个时钟信号CLK，使用所述计数器110检测电流源单元的充放电时间ΔT’，与正常状态下的充放电时间ΔT比较，即可检测相应节点上是否为触摸点。

在上述检测电路中，检测电压Vin的充放电时的电压值变化率也即图3中Vin在ΔT时间内上升或者下降的斜率是一个固定的值，仅与列电极12与地之间的等效电容Cstray有关，而使手指触摸影响到充放电时间ΔT的根本原因是节点互电容Csig变化导致ΔVin发生了改变。因此在所述检测电路中，而在ΔT时间内检测电压Vin的上升与下降的斜率是不与手指触摸相关的，对于手指触摸的检测仅仅是瞬时完成的，易于受到电路中短噪声和毛刺的干扰，而无法对这些噪声进行平均处理。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种触摸检测电路以及触摸检测方法，具有较强的抗干扰能力。

本发明提供的一种触摸检测电路，其特征在于，包括：电流源单元、驱动单元、比较单元以及状态控制器；

所述电流源单元作为驱动单元的检测驱动电源，包括灌电流源、拉电流源；

所述驱动单元向触摸节点等效电路的驱动端提供驱动电压，并通过触摸节点等效电路在检测端产生检测电压；

所述比较单元将检测电压分别与上限基准电压以及下限基准电压进行比较，并将比较结果输入状态控制器；

所述状态控制器根据比较单元输入的检测结果，控制电流源单元的工作，具体包括：当检测电压大于上限基准电压时，状态控制器控制拉电流源工作，使得驱动单元提供的驱动电压值下降；当检测电压小于下限基准电压时，状态控制器控制灌电流源工作，使得驱动单元提供的驱动电压值上升。

所述触摸检测电路还包括检测单元，所述检测单元与电流源单元连接，用于检测灌电流源或者拉电流源的工作时间，即所述驱动电压值上升或者下降的时间。

作为可选方案，所述灌电流源的灌电流以及拉电流源的拉电流均保持恒定。

作为可选方案，所述比较单元包括上限比较器以及下限比较器，所述上限比较器以及下限比较器均为运放比较器，且处于开环放大状态。

本发明提供了一种触摸检测方法，用于检测触摸屏上的触摸点，包括：

向触摸节点等效电路的驱动端输入周期变化且连续的驱动电压，使得检测端形成跟随驱动电压变化的检测电压；

所述检测电压的变化幅度恒定，变化周期与驱动电压相同且与节点互电容大小相关联；

根据所述驱动电压或者检测电压的变化周期，检测触摸点位置。

作为可选方案，所述驱动电压为三角波、正弦波或者余弦波。

作为可选方案，将触摸屏上所有节点相应的驱动电压或者检测电压的变化周期按阵列进行存储，并与节点无触摸时的变化周期相比较，检测触摸点在触摸屏上的位置。作为另一个可选方案，将触摸屏上所有节点相应的驱动电压或者检测电压的变化周期转换成节点互电容的值，根据所述节点互电容值的变化，检测触摸点在触摸屏上的位置。

作为可选方案，所述触摸检测方法具体包括：

设置检测电压的上限基准电压以及下限基准电压；当检测电压值上升至上限基准电压时，降低驱动电压值使得检测电压值下降；当检测电压值下降至下限基准电压时，升高驱动电压值使得检测电压值上升；

所述检测电压值上升或下降时的电压值变化率与节点的互电容大小相关联；

记录所述驱动电压值上升或下降时间，并与节点无触摸时驱动电压值上升或下降时间相比较，判定相应节点是否为触摸点位置。

作为可选方案，当某一触摸节点等效电路的驱动端上，驱动电压值上升或下降时间变长，则该节点为触摸点位置。

与现有技术相比，本发明所述的触摸检测电路，将电流源单元作为检测驱动电源，驱动单元提供的驱动电压使得检测端电压周期变化，并对检测电压的设置上下限值作为驱动电压值上升或下降状态跳转触发条件。驱动电压周期变化时，检测电压的变化幅度保持恒定，而电压值变化率则与互电容时刻相关，使得变化周期不会因为电路中噪声毛刺对互电容的瞬时影响而明显改变，避免了鬼点的产生，具有更强的抗干扰能力。

附图说明

图1是现有互电容感应技术的原理图；

图2是现有的触摸检测电路原理图；

图3是现有的触摸检测电路的检测时序图；

图4是本发明所述触摸检测方法流程示意图；

图5是本发明所述触摸检测电路原理图；

图6是本发明所述触摸检测电路的检测时序图；

图7是本发明所述触摸检测方法的原理示意图。

具体实施方式

在互电容感应技术中，对互电容直接相关的某个变量值进行检测，达到检测触摸点的目的，本发明为了避免电路中噪声毛刺的干扰，将触摸节点等效电路中检测端的电压变化幅度恒定，而电压值变化率与节点互电容相关联，记录电压的变化周期，进一步检测触摸点位置。

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

图4是本发明所述触摸检测方法的具体实施方式流程图。

执行步骤S1，向触摸节点等效电路的驱动端输入周期变化且连续的驱动电压，使得检测端形成跟随驱动电压变化的检测电压。所述驱动电压可以为三角波、正弦波、余弦波等，作为优选方案，驱动电压为三角波。

执行步骤S2，设置检测电压的上限基准电压以及下限基准电压，并实时将检测电压的值与上限基准电压或下限基准电压相比较；

当检测电压值上升至上限基准电压时，执行步骤S3，降低驱动电压值使得检测电压值下降，并记录所述下降过程的时间。

当检测电压值下降至下限基准电压时，执行步骤S4，升高驱动电压值使得检测电压值上升，并记录所述上升过程的时间。

作为优选方案，驱动电压为三角波，因此降低或升高驱动电压时，驱动电压的变化曲线为直线，且电压值变化率保持恒定。

由于检测电压跟随驱动电压变化，因此两者上升或下降过程保持同步，变化周期相同，波形也为三角波，但检测电压由于上下限基准电压的限制，其电压变化幅度是恒定的，因此所述变化周期的长短取决于检测电压在上升或者下降过程中的电压值变化率，而该电压值变化率与节点互电容的值相关，即触摸时导致节点互电容的变化将直接影响所述驱动电压以及检测电压的变化周期的长短。

执行步骤S5，检测所有节点的触摸节点等效电路中相应驱动电压的变化周期，根据所述变化周期检测触摸点的位置。

作为可选方案，仅记录所述变化周期中电压值上升过程的时间或者下降过程的时间，也可以检测触摸点位置。

图5是本发明一个具体的触摸检测电路原理图。所述触摸检测电路具体包括：电流源单元201、驱动单元202、比较单元203以及状态控制器204还包括检测单元205；

所述电流源单元201作为驱动单元202的检测驱动电源，包括灌电流源201a、拉电流源201b，且灌电流以及拉电流均保持恒定，为简化说明，在本实施例中灌电流源201a的灌电流与拉电流源201b的拉电流相等均为I。

驱动单元202向触摸节点等效电路101的驱动端提供驱动电压V1，并通过触摸节点等效电路101在检测端产生检测电压V2，所述检测电压V2跟随驱动电压V1变化而变化；所述驱动单元202与地之间的寄生电容C1也可视为驱动端与地之间的寄生电容；所述触摸节点等效电路101包括节点互电容C3以及寄生电容C2，其中节点互电容C3的一端连接驱动端，另一端连接检测端，寄生电容C2为检测端与地之间的寄生电容。

所述比较单元203将检测电压V2的值分别与上限基准电压以及下限基准电压进行比较，并将比较结果输入状态控制器204，包括上限比较器203a以及下限比较器203b；可选的，所述上限比较器203a以及下限比较器203b均为运放比较器，且处于开环放大状态，检测端作为上限比较器203a的正相输入端以及下限比较器203b的反向输入端；而上限比较器203a的反相输入端电压置为上限基准电压Vref+，下限比较器203b的正相输入端电压置为下限基准电压Vref-；所述上限比较器203a与下限比较器203b的输出端均与状态控制器204连接，输出电压分别为Vcomp1以及Vcomp2。由于上限比较器203a与下限比较器203b均处于开环放大状态，因此各输入端可视为虚断，输出端截止饱和，输出电压Vcomp1以及Vcomp2的值仅与相应比较器的输入端电压的比较结果相关。本实施例中，当正相输入端的电压值较大时，所述比较器的输出电压为高电平。

所述状态控制器204根据比较单元203输入的比较结果，控制电流源单元201的工作，具体包括：当检测电压V2上升至上限基准电压Vref+时，状态控制器204控制拉电流源201b工作，向驱动单元202输入拉电流，降低驱动电压V1的值；当检测电压V2下降至下限基准电压Vref-时，状态控制器204控制灌电流源201a工作，向驱动单元202输入灌电流，升高驱动电压V2的值。

所述检测单元205包括计数器215a、计数器215b以及微处理器225，所述计数器215a、计数器215b分别与灌电流源201a、拉电流源201b连接，用于记录灌电流源201a或者拉电流源201b的工作时间，也即驱动电压的值上升或者下降过程的时间，并将结果输入微处理器225中处理。本实施例中，向计数器215a以及计数器215b输入时钟信号CLK，根据灌电流源201a或者拉电流源201b的工作状态，对时钟信号CLK进行计数，从而准确记录所述电流源工作状态跳转的时间。

图6是基于上述触摸检测电路的检测时序图，下面结合图5以及图6对本发明所述触摸检测电路的工作原理做进一步介绍。

由于图5中，上限比较器203a与下限比较器203b均处于开环状态，因此其共同的输入端即触摸节点等效电路101的检测端可以视为虚断。检测电压V2与驱动电压V1存在以下关系式：

V_{2} = \frac{C_{3}}{C_{2} + C_{3}} V_{1};

其中节点互电容C3上的电荷Q₃＝C₃(V₁-V₂)；检测端寄生电容C2上的电荷Q₂＝C₂V₂；驱动端寄生电容C1上的电荷Q₁＝C₁V₁；

当采用电流源单元201作为驱动单元202的检测驱动电源时，由于灌电流与拉电流相等均为I，则存在以下关系式：

I = \frac{{dQ}_{1} + {dQ}_{3}}{dt} = \frac{C_{1} {dV}_{1} + C_{3} ({dV}_{1} - {dV}_{2})}{dt} = \frac{(C_{1} + C 3) {dV}_{1} - C_{3} {dV}_{2}}{dt}

= \frac{(C_{1} + C 3) {dV}_{1} - \frac{{C_{3}}^{2}}{C_{2} + C_{3}} {dV}_{1}}{dt} = \frac{C_{1} C_{2} + C_{1} C_{3} + C_{2} C_{3}}{C_{2} + C_{3}} \frac{{dV}_{1}}{dt};

而电流源单元201为直流电源，因此驱动电压值变化率

以及检测电压值变化率均为常数，则驱动电压V1以及检测电压V2的值在上升或者下降过程中的变化曲线为直线，波形均为三角波。

且

\{\begin{matrix} \frac{{dV}_{1}}{dt} = \frac{C_{2} + C_{3}}{C_{1} C_{2} + C_{1} C_{3} + C_{2} C_{3}} I \\ \frac{{dV}_{2}}{dt} = \frac{C_{3}}{C_{1} C_{2} + C_{1} C_{3} + C_{2} C_{3}} I \end{matrix};

在触摸屏节点等效电路中，一般节点互电容C3远小于检测端与地的寄生电容C2，因此当节点互电容C3发生变化时，只有检测电压值变化率

会发生明显变化，且与C3成反比，而驱动电压值变化率

的变化可以忽略不计。

根据图6所示工作时序，结合图5对所述触摸检测电路的具体工作原理进行描述。

若节点为非触摸点，首先向驱动端提供三角波的驱动电压V1，并通过触摸节点等效电路101在检测端形成检测电压V2，所述检测电压V2跟随驱动电压V1变化而变化，因此检测电压V2的变化周期与驱动电压V1相同，波形也为三角波，因此仅需要记录驱动电压V1或者检测电压V2的变化周期即可。本实施例中，以检测驱动电压V1的变化周期为例，所述变化周期包括驱动电压V1的值上升过程的时间以及下降过程的时间。

假设某一时刻驱动电压V1的波形处于上升沿，驱动电压V1的值上升，检测电压V2的值也随之上升，直至上限基准电压Vref+，并有超过的趋势，此时比较单元203中，上限比较器203a的输出电压Vcomp1的电平将发生跳转，由低电平跳转为高电平，而触发状态控制器204改变输出状态；所述触发状态控制器204的输出状态改变为：输出电压Vcontrol2为高电平而Vcontrol1为低电平；拉电流源201b工作而灌电流源201a关闭，向驱动单元202输入拉电流；驱动电压V1的值按照电压值变化率

下降，带动检测电压V2的值按照电压值变化率

下降，上限比较器203a的输出电压Vcomp1又回复低电平。

当检测电压V2的值下降至下限基准电压Vref-，此时比较单元203中，上限比较器203a的输出电压Vcomp1始终保持低电平，而下限比较器203b的输出电压Vcomp2将发生跳转，也由低电平跳转为高电平，触发状态控制器204改变输出状态；输出电压Vcontrol1变为高电平而Vcontrol2变为低电平，使得灌电流源201a工作而拉电流源201b关闭，向驱动单元202输入灌电流；驱动电压V1的值按照电压值变化率

上升，带动检测电压V2的值按照电压值变化率上升，下限比较器203b的输出电压Vcomp2回复低电平。随着检测电压V2的值再次上升至上限基准电压Vref+，状态控制器204的输出状态改变，控制拉电流源201b工作，灌电流源201a关闭，向驱动单元202输入拉电流。如此反复，使得驱动单元202处于交替输入灌电流以及拉电流的状态，驱动电压V1以及检测电压V2的值也随之交替的直线上升或者下降，周期变化形成稳定的三角波形。

检测单元205中，计数器215a、计数器215b分别对时钟信号CLK进行计数，记录灌电流源201a以及拉电流源201b的工作时间，也即驱动电压V1的值在上升或下降过程的时间，由于本实施例中，灌电流以及拉电流相等均为I，所以在所述驱动电压V1的变化周期内，电压值上升与下降的时间也相等，假设为一个恒定值T1，则驱动电压V1正常的变化周期为2T1。

若节点为触摸点位置时，手指电场改变节点互电容C3，假设触摸时导致节点互电容C3变大；根据前述关系式，可知驱动电压V1的电压值变化率

的变化忽略不计，可视为保持不变；而检测电压V2的电压值变化率明显变小。由于检测电压V2的上下限电压值是预先设定，并作为电流源单元201的工作状态跳转的触发条件，即检测电压V2的值总是在Vref-与Vref+之间的摆动，只有在上限基准电压Vref+或者下限基准电压Vref-处才能通过状态控制器204改变电流源单元201的工作状态，控制驱动电压V1的值上升或者下降。当检测电压V2的电压值变化率

明显变小后，检测电压V2的值从Vref-至Vref+的上升过程的时间或者从Vref+至Vref-的下降过程的时间，也即驱动电压V1的值上升或者下降状态翻转所需要的时间将延长，假设均为T2，驱动电压V1的变化周期为2T2。

需要指出的是，仅需要根据计数器215a、计数器215b对时钟信号CLK计数，获得所述驱动电压V1的值上升时间或者下降时间，并输入微处理器225中进行处理，与节点为非触摸点时驱动电压V1的上升时间或者下降时间T1进行比较，便可检测该节点是否为触摸点的位置，而无须记录驱动电压V1的整个变化周期。

由于检测电压V2的电压值变化率与节点互电容C3成反比，且两者之间是时刻相关联的，因此电路中的短噪声或者毛刺，造成节点互电容C3的瞬间变化，并不会对驱动电压V1的变化周期产生显著的影响。而人为触摸时，由于触摸时间远大于触摸检测电路中驱动电压V1的变化周期，节电互电容C3的长时间改变将造成所述变化周期明显延长。因此本发明所提供的触摸检测电路可以灵敏准确的检测触摸点，同时又能够避免因为电路中噪声毛刺对节点互电容的瞬时影响，具有较强抗干扰能力。

进一步如图7所示，检测电路301得到触摸屏300上所有节点13相应的驱动电压值V1的上升或者下降时间，然后还可以根据前述推导中所述电压值的上升或者下降时间与节点互电容Csig的关系，将所述变化周期转换为各节点互电容的值Csig1、Csig2、Csig3......；将所述节点互电容的值通过锁存器302存储至系统存储器阵列303中；系统处理器304只需要根据存储器阵列303中哪个节点互电容发生了变化，便可检测出触摸点在触摸屏上的位置。

以上实施例，仅以记录驱动电压V1的变化周期进行触摸检测为例，由于检测电压V2跟随驱动电压V1变化而变化，两者变化周期相同，因此还可以记录检测电压V2的变化周期进行触摸检测，本领域技术人员应当可以容易推知具体的电路以及工作时序，不再赘述。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims

1.一种触摸检测电路，其特征在于，包括：电流源单元、驱动单元、比较单元以及状态控制器；

2.如权利要求1所述的触摸检测电路，其特征在于，所述触摸检测电路还包括检测单元，所述检测单元与电流源单元连接，用于检测灌电流源或者拉电流源的工作时间，即所述驱动电压值上升或者下降的时间。

3.如权利要求1所述的触摸检测电路，其特征在于，所述灌电流源的灌电流以及拉电流源的拉电流均保持恒定。

4.如权利要求1所述的触摸检测电路，其特征在于，所述比较单元包括上限比较器以及下限比较器，所述上限比较器以及下限比较器均为运放比较器，且处于开环放大状态。

5.一种触摸检测方法，用于检测触摸屏上的触摸点，其特征在于，包括：

6.如权利要求5所述的触摸检测方法，其特征在于，所述驱动电压为三角波、正弦波或者余弦波。

7.如权利要求5所述的触摸检测方法，其特征在于，将触摸屏上所有节点相应的驱动电压或者检测电压的变化周期按阵列进行存储，并与节点无触摸时的变化周期相比较，检测触摸点在触摸屏上的位置。

8.如权利要求5所述的触摸检测方法，其特征在于，将触摸屏上所有节点相应的驱动电压或者检测电压的变化周期转换成节点互电容的值，根据所述节点互电容值的变化，检测触摸点在触摸屏上的位置。

9.如权利要求5所述的触摸检测方法，其特征在于，包括：

10.如权利要求9所述的触摸检测方法，其特征在于，当某一触摸节点等效电路的驱动端上，驱动电压值上升或下降时间变长，则该节点为触摸点位置。