CN102272705A - 触摸屏控制器 - Google Patents

Abstract

描述了一种用于触摸屏传感器的控制器。该控制器包括用于产生第一电压信号的电压发生器和用于输出第一电压信号使得第一电压在第一方向(例如X方向)被施加到传感器的电阻层两端的至少一个输出。该控制器还包括用于接收第二电压信号的输入，该第二电压信号表示在传感器被触摸时，由传感器的测量电极测量的电阻层在触摸位置的电压。处理器使用在第一测量周期中接收的第二电压信号确定触摸位置在第一方向上的坐标(例如X坐标)。具体地，该坐标是通过确定第一电压信号在第二电压信号中的衰减而确定的。产生第一电压信号使得施加在电阻层两端的第一电压在第一测量周期中是时变电压，具有至少一个已知特征。在一个实施例中，电压在两个方向(例如X方向和Y方向)上同时被施加到电阻层的两端，允许处理器同时确定X坐标和Y坐标。

Description

触摸屏控制器

技术领域

本发明涉及用于触摸屏传感器的控制器，并且具体地，但不排它地涉及一种用于触摸屏设备中的电阻式触摸屏传感器的控制器。

背景技术

典型的触摸屏装置包括触摸传感器、控制器和显示器。触摸屏传感器是面板形式的用户界面装置，当用手指或指示笔触摸它时，产生控制器能够由此确定触摸位置的信号。传感器由透明材料制造，且可安装到显示器上，使得可通过传感器面板看到显示器的输出。该配置允许在用户和装置的图形界面之间比传统的输入装置更直接的交互。例如，用户可通过直接触摸显示器上的对象来选择图形界面中的对象。装置的应用程序可使用由传感器和控制器生成的位置信息来确定哪个物体被触摸。诸如移动电话、掌上电脑和类似装置的许多手持装置包括触摸屏。其它一些装置可包括触摸传感器和控制器，但具有单独的显示装置。例如，便携式计算机通常包括不与显示器一体的触控板。

触摸屏技术通常有两种类型-电容式和电阻式。对于电阻式触摸屏存在各种设计，包括通常已知为4线、5线、7线和9线式的类型。

触摸屏设备的一个问题是噪声的存在，这可能引起触摸点测量的不准确，并导致分辨率损失。噪声可以各种不同形式出现，诸如白噪声，其中功率密度谱在特定的带宽上是均匀的，或音调噪声，其以一个或多个突出的频率为特征。例如，当5线触摸屏传感器形成控制器中的高阻抗A/D转换器的输入时，传感器可用作天线，并且可例如从LCD显示器的背光源或从外部EMI/RFI源选择噪声信号。

触摸屏设备的另一问题是触摸传感器的用户和提供坐标信息的控制器之间的等待时间。为了获得具有用户不会明显察觉的延迟的反馈，需要低于20ms-30ms的等待时间。使用已知技术，触摸点的坐标的确定需要有两个单独的测量，一个是在X坐标上，另一个是在Y坐标上。这在系统中引入另外的等待时间。该问题在使用多个测量值的平均值来确定触摸点的坐标的情况下会加重，这是由于与单对坐标测量相关的等待时间被加倍。

发明内容

根据第一方面，本发明提供一种用于触摸屏传感器的控制器，所述控制器包括：用于产生第一电压信号的电压发生器；至少一个输出，用于输出所述第一电压信号使得第一电压在第一方向上被施加到传感器的电阻层两端；用于接收第二电压信号的输入，该第二电压信号表示当所述传感器被触摸时由所述传感器的测量电极测量的电阻层在触摸位置的电压；处理器，其使用在第一测量周期中接收的第二电压信号确定触摸位置在第一方向上的坐标，该坐标是通过确定第一电压信号在第二电压信号中的衰减来确定的；所述第一电压信号被产生为使得施加到电阻层两端的第一电压在所述第一测量周期中是时变电压，具有至少一个已知特征。

根据第二方面，本发明提供一种用于控制触摸屏传感器的方法，该方法包括步骤：产生第一电压信号；输出所述第一电压信号，使得第一电压在第一方向上被施加到传感器的电阻层的两端；接收第二电压信号，该第二电压信号表示当所述传感器被触摸时由所述传感器的测量电极测量的电阻层在触摸位置的电压；使用在第一测量周期中接收的第二电压信号来确定触摸位置在第一方向上的坐标，该坐标是通过确定第一电压信号在第二电压信号中的衰减来确定的；所述第一电压信号被生成使得施加到电阻层两端的第一电压在第一测量周期中是时变电压，具有至少一个已知特征。

附图说明

现在参照附图，仅通过示例描述本发明的实施例，附图中：

图1图解说明4线触摸屏配置的原理；

图2a图解说明图1中显示的触摸屏不被触摸时所形成的电路；

图2b图解说明图1中显示的触摸屏在被触摸时所形成的电路；

图2c图解说明由图2b所示的电路形成的分压器电路；

图2d图解说明用于测量图1中所示的触摸屏的触摸点的X坐标的电路；

图3图解说明5线触摸屏配置的原理；和

图4图解说明根据本发明的一个实施例的触摸屏配置。

具体实施方式

图1和图2图解说明4线电阻式触摸屏配置的基本原理。触摸屏1包括由两个相对的矩形板3、4通过小的间隙隔开所形成的传感器2。两个板可以通过例如由弹性材料形成的非导电间隔件(未显示)的阵列隔开。两个板3、4有时被分别称作X板和Y板的原因在下文会更加清楚。各个板3、4的相对表面分别被一层均匀的电阻性材料，诸如氧化铟锡(ITO)涂覆。例如，图1中所示的顶板3的底侧和底板4的上侧以此方式被涂覆。由此形成的电阻层分别具有均匀的表面电阻，并典型地在每个板的两端产生介于10欧和1000欧之间的电阻。

沿一个板3的两个相对边形成由一层导电材料制成的一对触点或电极5、6。沿另一个板4的两个相对边类似地形成又一对电极7、8。电极被配置成使得一个板中的电极垂直于另一个板的电极。在X-板上形成的电极有时被称作X+和X-电极，在Y-板上形成的电极有时被称作Y+和Y-电极。四个电极5、6、7和8电连接到控制器9的四个相应的输入/输出。

如果触摸屏配置1包括显示装置(未显示)，则形成板3、4的衬底和电阻层由透明材料制成。传感器2然后可安装在诸如LCD或平板显示器之类的显示器的屏幕上，使得可通过传感器2看到显示器的视觉输出。如果该配置不包括显示器，则不要求传感器2是透明的。

在使用中触摸的板是由柔性和弹料材料制成的，诸如塑料。当传感器2被手指或指示笔用足够大的力触摸时，被触摸的板充分形变，使得在触摸点上与另一个板形成接触。板的这种触摸允许如下文进一步描述的确定传感器被触摸的位置。

传感器被触摸的位置在下文中被称作触摸点T。在下面的例子中，触摸点的X和Y坐标在由图1中所示的轴线指示的方向上定义，在板的一个拐角处具有原点，在图1中由“O”指示。借助对坐标的此定义，图1中所示的顶板3是X-板，底板4是Y-板。电极5和6分别是X-电极和X+电极，而电极4和8分别是Y-电极和Y+电极。应理解，可以用其它方式来定义坐标。

在每个板3、4上形成的电阻层可以电学方式被建模为连接板的两个电极的电阻器(或等效为两个或更多个串联连接的电阻器)。图2a图解说明在传感器不被触摸时，由两个板3、4形成的电路，因此此时电阻层相互之间没有电接触。如图示的，X-板3的电阻涂层可被建模为连接X-电极5和X+电极6的第一串联电阻器20a、20b，并具有总电阻R_X。类似地，Y-板4的电阻涂层可被建模为连接Y-电极7和Y+电极8的第二串联电阻器21a、21b，并具有总电阻R_Y。电阻值R_X和R_Y取决于在X-板3和Y-板4上形成的电阻材料的各个层的总电阻。由于板3、4此时不接触，在两个串联的电阻器R_X 20a、20b和R_Y 21a、21b之间没有电连接。

图2b图解说明当传感器2在坐标为(X，Y)的触摸点T被触摸时形成的电路。在板的电阻器模型中，这导致两个串联的电阻器R_X和R_Y之间在触摸点T的电连接。在此情况下，X-板3的电阻层可被建模为连接X-板电极5、6的串联的两个电阻器R_X-22a，R_X+22b。电阻器R_X+22b连接在X+电极6和触摸点T之间，电阻器R_X-22a连接在触摸点T和X-电极5之间。类似地，Y-板4的电阻层可被建模为连接Y-板电极7、8的串联的两个电阻器R_Y-23a和R_Y+23b。电阻器R_Y+23b连接在Y+电极8和触摸点T之间，电阻器R_Y-23a连接在触摸点T和Y-电极7之间。R_X-22a、R_X+22b、R_Y-23a和R_Y+23b的值取决于触摸点T的坐标。但是，X-板3和Y-板4的总电阻保持与之前的相同，使得R_X-+R_X+＝R_X和R_Y-+R_Y+＝R_Y保持不变。

电阻R_X-22a、R_X+22b、R_Y-23a和R_Y+23b是通过出现在各个电极X-5，X+6，Y-7和Y+8和触摸点T之间的电阻材料部分产生的。电阻材料的更大宽度产生更大电阻。而且，由于电阻层包括均匀的电阻层，所以电阻材料的一部分的电阻与其宽度成比例(即R∝W)。从图2b可看出，与R_X-22a对应的电阻材料部分的宽度W_X-是X-电极5和触摸点T之间的距离。该距离/宽度与触摸点的X坐标成比例(即W_X-∝X)。因此，可看出，电阻值R_X-22a与触摸点T的X坐标成比例(即由于R_X-∝W_X-，且W_X-∝X，则R_X-∝X)。类似地，与R_Y-23a对应的电阻材料部分的宽度是Y-电极7和触摸点之间的距离。该距离/宽度与触摸点的Y坐标成比例。因此，可看出，电阻值R_Y-23a与触摸点T的Y坐标成比例(R_Y-∝Y)。比例常数取决于对于坐标和电阻的单位选择。

再次参照图2b，当电压被施加到一个板例如X-板3的电极两端时，形成分压器电路。在此例子中，所施加的电压以2V的恒定DC信号形式提供，不过可以使用其它的电压值。图2c图解说明在恒定电压V_REF被施加到X-板3的电极5、6两端的情况下等效的分压器电路。具体地，X+电极6连接到正的恒定参考电压V_REF，X-电极5连接到地。板3、4之间在触摸点T的电连接用来将所施加电压V_REF分开，产生在触摸点T测量的分压V_XMEAS。由于在此阶段，没有电压被施加到这些电极两端，所以可通过Y-电极7或Y+电极8来测量电压V_XMEAS。所测电压V_XMEAS根据分压器电路原理，由以下公式给出。

$V_{\mathrm{XMEAS}}=V_{\mathrm{REF}}\frac{R_{X-}}{R_{X+}+R_{X-}}\∝X$

由于V_REF以及求和R_X++R_X-＝R_X是常数，且R_X-与X坐标成比例，则此表达式表明所测电压V_XMEAS也与X坐标成比例。考虑此关系式的另一方式如下。由于X-板3上的电阻层是均匀的电阻层，则在X-板3上的一点测量的电压在X方向上从X-电极5(处于地电压)向X+电极6(为电压V_REF)线性增加。在触摸点T测量的电压(参照地)V_XMEAS因此与X-电极5和触摸点T之间的距离成比例。而且，从X-电极5到触摸点T之间的距离与触摸点的X坐标成比例。这意味着V_XMEAS与触摸点的X坐标成比例，或相反地，X坐标与所测电压V_MEAS成比例。

比例常数取决于X坐标和电压测量的单位选择。在一个配置中，比例常数选择为使在所测电压V_XMEAS等于V_REF时，X坐标等于X_MAX。X_MAX表示X坐标的最大值，并对应于X+电极所位于的传感器的边缘的X坐标。利用这些定义，触摸点T的X坐标由电压比V_WXMEAS/V_REF与X_MAX的乘积给出。

类似地，在去掉X-板电极5、6两端的电压后，如果Y+电极8连接到正的恒定参考电压V_REF，Y-电极7连接到地，则在触摸点T测量的电压V_YMEAS由以下公式给出。

$V_{\mathrm{YMEAS}}=V_{\mathrm{REF}}\frac{R_{Y+}}{R_{Y+}+R_{Y-}}\∝Y$

在此情况下，电压V_YMEAS可使用X+电极6或X-电极5来测量，这是由于在此阶段，没有电压被施加到这些电极的两端。出于与以上给出的相同原因，所测电压V_YMEAS与触摸点的Y坐标成比例。如果比例常数被选择成在所测电压V_YMEAS等于V_ERF时，Y坐标等于Y_MAX，则触摸点T的Y坐标由电压比(V_YMEAS/V_REF)与Y_MAX的乘积给出。Y_MAX表示Y坐标的最大值，并与Y+电极所位于的传感器的边缘的Y坐标对应。

X和Y坐标可被归一化为适当的，以确保坐标值落在期望范围内。例如，如果传感器在X和Y方向的分辨率分别等于RES_X和RES_Y，则X_MAX和Y_MAX的值可分别设置成2^RESX和2^RESY。具有8×8分辨率的传感器因此会输出范围在0-256的整数的坐标值。

5线电阻式触摸屏在图3中图解说明。与图1中所示的4线配置类似，5线配置31包括具有两个板33、34的传感器32和控制器39。一个板34的表面涂有诸如ITO的电阻材料，以形成均匀的电阻层，另一板33的相对表面涂有诸如金属层的导电层。例如，图3中所示的顶板33的底侧包括导电层，而底板34的上侧包括电阻层。如果传感器32要安装在显示器上，则一个板的电阻层、另一板的导电层和板衬底是透明的。

包括电阻层的板(在下文称作电阻板)34包括4个电极：UR 35，LR36，LL 37和UL 38，每个电极形成于电阻板34的各个拐角。在此例子中，电极35、36、37、38以绕电阻板34的拐角顺时针或逆时针(取决于观察点)移动的顺序UR 35、LR36、LL 37和UL 38排列。另一板33的导电层(下文称作导电板)用作第5电极，有时称作接触刷电极W。4个电极UR 35、LR36、LL 37和UL 38都连接到控制器39的相应输出。接触刷电极W连接到控制器39的输入。

5线配置31的工作原理在许多方面类似于4线配置1的工作原理。使用中，通过适当地偏压4个电极UR 35、LR36、LL 37和UL 38，电压在X或Y方向上被施加到电阻层的两端。在此例子中，触摸点的X和Y坐标在由图3中所示的轴线指示的方向上定义，在板的一个拐角具有原点，在图3中由“O”指示。为了测量X坐标，通过将电极UR 35和LR 36(位于板的一个边上)连接到正参考电压V_REF，并将电极LL 37和UL 38(位于板的另一边上)连接到地，可在X方向上施加电压。在此步骤中，UR 35和LR36电极一起执行与4线配置1中X+电极6相似的功能，而LL 37和UL 38电极一起执行与X-电极5相似的功能。接触刷电极W执行与4线配置1中的Y+电极8或Y-电极7相似的测量功能。

通过以上述方式偏压电极35、36、37、38，在X方向上在电阻板34两端产生线性电压增加。当导电板33被触摸时，接触刷电极与电阻板34上形成的电阻层在触摸点T电接触。如同4线配置1，这产生分压器电路，其中所施加电压被接触刷电极分开。由接触刷电极测量的分压V_WXMEAS与触摸点T的X坐标成比例。X坐标由电压比V_WXMEAS/V_REF与X_MAX的乘积给出。

一旦已经确定X坐标，则通过在Y方向偏压电阻层来确定Y坐标。例如，通过将电极UL38和UR35(位于板的一个边上)连接到正参考电压V_REF，并将电极LL37和LR36(位于板的另一边上)连接到地，在Y方向上施加电压。在此步骤中，UL 38和UR35电极一起执行与4线配置1中Y+电极8相似的功能，而LL 37和LR 36电极一起执行与Y-电极7相似的功能。接触刷电极W执行与4线配置1中的X+电极6或X-电极5相似的测量功能。因此在电阻板34两端在Y方向上产生线性电压增加，当传感器32被触摸时，其被接触刷电极分压。由接触刷电极测量的分压V_WYMEAS与触摸点T的Y坐标成比例。Y坐标由电压比V_WYMEAS/V_REF与Y_MAX的乘积给出。

传感器的其它配置也是可行的。例如，7线和9线触摸屏传感器包括上述4线和5线配置的变型。

电压的施加和测量是通过控制器9、39执行的。例如，图2d图解说明4线配置1中传感器2和控制器9的电路配置，以执行用于确定X坐标的电压施加和测量。

在上述的触摸屏设备中，X和Y坐标的测量是连续进行的。例如，在4线配置1中，电压被施加到一个板的电极两端，以测量其中的一个坐标，然后电压被施加到另一板的电极的两端，以测量另一坐标。在5线配置31中，电压在一个方向上被施加到电阻板34的两端，以测量其中的一个坐标，然后电压在另一方向上被施加到电阻板34的两端，以测量另一坐标。对于每个所需的位置测量重复此过程。典型的触摸屏装置每秒产生介于100对到1000对之间的坐标测量值。

一旦已经确定触摸点的坐标，还可以确定触摸压力。当传感器被触摸时，在传感器的板之间的触摸点产生电阻，一旦已知触摸点的坐标，可以计算该接触电阻，因此计算触摸压力。

在一些触摸屏设计中，可能需要执行校准过程，例如包括用户触摸触摸屏上的一系列预定义位置。通过测量所产生的输出，并与期望值进行比较，控制器9、39能够计算偏移量和其它补偿值以校正使用中的各种误差。

图4图解说明可降低噪声影响并且可同时进行X和Y坐标的测量的系统。简单讲，施加到触摸屏传感器41的电极的电压信号的形式为更容易将信号与噪声相区分。这允许所施加信号的功率被降低，从而降低功耗，同时保持传感器准确度和分辨率。在一个实施例中，使用正弦或余弦电压作为输入信号。在另一实施例中，输入信号是扩频编码序列。有利地，两个输入信号可同时施加到触摸屏传感器，从而允许同时测量X和Y坐标。这降低了系统的等待时间。通过使用这种形式的信号，其使控制器区分所测输出信号中存在的不同的输入信号分量，则使同时施加两个信号成为可能。

例如，对于两个输入信号可以使用不同频率或不同扩频编码的正弦电压。

图4中所示的系统41包括5线触摸屏传感器42和控制器49。应理解，本发明的实施例可应用于包括4线传感器的其它设计的触摸屏传感器。图4中所示的触摸屏传感器42与图3中所示的传感器32构造相同或相似。在此例子中，触摸点的X和Y坐标在由图4中所示的轴线指示的方向上被定义，在板的一个拐角具有原点，在图4中由“O”指示。触摸屏传感器42的4个电极UR 45、LR46、LL47和UL48(在下文中称作输入电极)连接到控制器49的4个输出。接触刷电极连接到控制器49的输入。如下文更加详细描述的，控制器49被设置成生成并施加电压信号到输入电极45、46、47、48，并在接触刷电极测量所产生的输出电压。通过此测量，控制器49被设置成导出触摸点坐标信息。施加到输入电极45、46、47、48的参考电压在下文中被称作导频信号，是一个已知信号。

在下文描述的例子中，包括不同频率的余弦电压信号的两个导频信号被同时施加到输入电极45、46、47、48。应理解，在替代实施例中可以使用其它形式的导频信号。例如，下文谈到余弦信号也包括正弦信号，反之亦然。而且，尽管通过同时施加两个导频信号，实现降低等待时间的优点，但不管导频信号是被同时还是顺序施加，都可实现明显的功耗降低。

导频信号的生成和应用是通过控制器49执行的。在所描述的实施例中，控制器49使用振荡器51、相位累加器53和正弦发生器55并通过使用直接数字合成(DDS)来生成余弦波形。振荡器51给相位累加器53提供频率f1的时钟信号52。相位累加器53包括每次接收时钟信号52时递增一特定量的计数器，在达到最大值时其回到0。计数值因此以稳定速率递增，周期性回到0，并为由控制器49生成的余弦波形提供相位参数。

计数值作为输入54被提供给余弦发生器55，余弦发生器55计算并输出作为输入54的余弦函数的值56。例如，在一个实施例中，余弦发生器55利用y＝Acos(n*2π/N)生成输出值56，其中n是输入计数值54，N是最大计数值，A是决定余弦的幅值的常数。余弦函数可使用任何适当技术，诸如坐标旋转数字计算机(CORDIC)算法来计算。计数值n被归一化因子2π/N相乘，以确保在计数值在0到N的范围内递增时，余弦函数的辐角落在范围0到2π之间。由此生成的余弦波形具有与相位累加计数器的回卷(wrap-around)频率匹配的频率。生成的余弦的频率可通过改变提供给相位累加器53的时钟信号54的频率(f₁)、相位累加计数器的最大值(N)和/或在接收每个时钟信号52时计数器递增的量而变化。

当计数值增加时，余弦发生器55的输出56包括表示从0到2π之间相位逐渐增大的余弦波形的值的一系列数字值。这些值被输入到数-模转换器(DAC)57，数-模转换器(DAC)57将数字值转换成形式为P₁＝V_REFcos(ω₁t)、具有频率ω₁和幅值V_REF的模拟电压信号58。该电压信号58形成第一导频信号P₁。从DAC 57输出的模拟导频信号58被提供给开关59，开关59被设置成将导频信号P₁发送到与传感器42的适当输入电极连接的控制器输出。接收第一导频信号P₁的特定电极在下文更加详细地描述。

从图4中可看出，控制器49的各个组件，诸如余弦发生器55、开关59和曲线拟合器65(在下文更加详细地描述)被控制逻辑61输出的控制信号60控制。

控制器49还被设置成除了第二余弦的频率ω₂与第一余弦的频率ω₁不同以外，以与上述相同的方式生成第二余弦电压信号P₂＝V_REFcos(ω₂t)。该电压信号形成第二导频信号P₂。为了生成第二导频信号P₂，控制器49包括具有频率f₂的第二振荡器(未显示)和第二相位累加器(未显示)。在此实施例中，余弦发生器55用来计算第一和第二导频信号的余弦值。第二导频信号P₂提供给开关59，开关59将信号发送到连接到传感器42的适当的输入电极的控制器输出。

将导频信号P₁和P₂施加到输入电极45、46、47、48是通过控制器49以下面方式执行的。选择一个电极来使其连接到地。第一导频信号P₁或第二导频信号P₂中的一个从接地电极开始围绕电阻板44以顺时针方向施加到下一电极。第一导频信号P₁或第二导频信号P₂中的另一个从接地电极开始围绕电阻板44以逆时针方向施加到下一电极。例如，参照图4，LL电极47连接到地，第一导频信号P₁被施加到UL电极48，第二导频信号P₂被施加到LR电极46。通常，哪个电极连接到地并不重要。但是，施加到电极的信号的相对量级被控制。利用这些输入电压，在剩下的输入电极UR45处所产生的电压等于两个导频信号的和P₁+P₂。接触刷电极用来采集在触摸点T所测的电压的样本，以便导出坐标信息。

由于电阻层形成均匀层，所以在层的表面两端的电压在X方向和Y方向上线性变化。因此，在坐标为(X，Y)的点测量的电压V_MEAS的表达式在坐标参数X和Y上都是线性的。通过强加每个输入电极45、46、47、48的电压是以上给出的那些电压的边界条件，电压V_WMEAS通过以下表达式给出。

$V_{\mathrm{MEAS}}\left(t\right)=\frac{X}{X_{\mathrm{MAX}}}{V}_{\mathrm{UL}}+\frac{Y}{Y_{\mathrm{MAX}}}{V}_{\mathrm{LR}}$

$=\frac{X}{X_{\mathrm{MAX}}}{P}_1\left(t\right)+\frac{Y}{Y_{\mathrm{MAX}}}{P}_2\left(t\right)$

$=\frac{X}{X_{\mathrm{MAX}}}{V}_{\mathrm{REF}}\cos \left({\mathrm{\ω}}_{1}t\right)+\frac{Y}{Y_{\mathrm{MAX}}}{V}_{\mathrm{REF}}\cos \left({\mathrm{\ω}}_{2}t\right)$

$=A_1{P}_1\left(t\right)+A_2{P}_2\left(t\right)$

在此表达式中，X_MAX是X坐标的最大值，Y_MAX是Y坐标的最大值。V_UL是施加到UL电极48的电压，V_LR是施加到LR电极46的电压。由于所施加电压V_UL和V_LR是时变量，所以所测电压V_MEAS也是时变量。

当传感器被触摸时，被触摸的板变形，进而与另一板接触。具体地，接触刷电极将会在坐标为(X，Y)的触摸点T与电阻层电接触。在触摸点T由接触刷电极所测的电压V_MEAS由上述表达式给出。可以看出，所测信号V_MEAS等于输入导频信号P₁和P₂被相应的因子A₁＝X/X_MAX和A₂＝Y/Y_MAX衰减后的和，上述因子线性取决于触摸点T的相应的X和Y坐标。因此，如果可以确定所测信号V_MEAS中存在的两个导频信号分量P₁和P₂的衰减程度，则可以计算触摸点T的坐标。接触刷电极连接到控制器49的输入，控制器49能够分析所测信号V_MEAS，并能够执行所需计算以确定触摸点T的坐标(X，Y)。

确定导频信号分量的衰减的一种方式是将理论曲线拟合到所测的输出信号V_MEAS。理论曲线是一个基于已知输入导频信号P₁和P₂期望的曲线。期望输出为以下形式。

V_EXPT(t)＝A₁P₁(t)+A₂P₂(t)

导频信号P₁和P₂已知，而衰减因子A₁和A₂未知，需要被确定。可通过选择使所测输出信号V_MEAS(t)最佳地拟合理论曲线V_EXPT(t)的值来得到值A₁和A₂。得到这些值的一种方式是对所测电压V_MEAS采样，并选择衰减因子A₁和A₂，使得样本和理论曲线的相应值之差被最小化。

所测电压信号V_MEAS以时间间隔采样，以生成在时刻t₁，t₂，...，t_m采样的m个样本的序列y₁，y₂，...，y_m。为了生成样本，在接触刷电极处测量的模拟电压信号提供给控制器49的开关59，它将线62上的信号发送到模-数转换器(ADC)63。ADC 63输出表示样本的数字值的序列64。

然后选择衰减因子A₁和A₂的值，使得由以下表达式给出的值Δ被最小化。

$\mathrm{\Δ}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{(y_i-V_{\mathrm{EXPT}}\left(t_i\right))}^2$ 等式1

将此特定例子中用于V_EXPT(t)的表达式代入等式1，得出Δ的以下表达式。

$\mathrm{\Δ}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}(y_i-A_1{V}_{\mathrm{REF}}\cos \left({\mathrm{\ω}}_1{t}_i\right)-A_2{V}_{\mathrm{REF}}\cos \left({\mathrm{\ω}}_2{t}_i\right))$

可以使用任何适当的曲线拟合过程，其中的一个在下文更加详细地描述。由于A₁＝X/X_MAX，A₂＝Y/Y_MAX，一旦已经确定衰减因子A₁和A₂，则X和Y坐标分别由X＝A₁X_MAX和Y＝A₂Y_MAX给出。

对于每次坐标测量重复上述过程，使得获得新的采样集，并对每次坐标测量执行曲线拟合过程。如图4中所示的，曲线拟合过程是由曲线拟合器65执行的，其接收来自ADC 63的样本64，并提供包括计算出的坐标(X，Y)的输出66。曲线拟合器65的输出提供给误差检测和校正块67。该块67被设置成检测并校正计算出的坐标值中的任何误差，例如校正在上面提到的校正过程中确定的误差。误差检测和校正块67的输出68包括校正的坐标值，这些值是控制器49的输出，并且可以提供给需要它们的任何组件，诸如处理器(未显示)。

应理解，导频信号P₁和P₂不需要同时施加，而是可以按顺序施加，尽管这会导致等待时间增加。如果导频信号不同时施加，则导频信号P₁和P₂不需要不同。例如，两个导频信号可具有相同的频率。而且，已经关于5线电阻式触摸屏描述了上述过程。导频信号还可以与触摸屏的其它设计相关地使用。例如，在4线设计的情况下，除了导频信号P₁和P₂而不是恒定DC电压信号被施加到电极之外，可执行与上述关于图1的过程类似的过程。

例如，为了在4线配置1中确定X坐标，第一导频信号P₁或第二导频信号P₂被施加到X+电极6，而X-电极5连接到地。在此步骤中，电压不施加到Y+电极8和Y-电极7两端。如果使用第一导频信号P₁，则由Y+电极8和Y-电极7测量的坐标为(X，Y)的触摸点T的期望电压由以下表达式给出。

$V_{\mathrm{XEXPT}}\left(t\right)=\frac{X}{X_{\mathrm{MAX}}}{P}_1\left(t\right)=\frac{X}{X_{\mathrm{MAX}}}{V}_{\mathrm{REF}}\cos \left({\mathrm{\ω}}_{1}t\right)=A_1{P}_1\left(t\right)$

第一导频信号P₁通过因子A₁＝X/X_MAX衰减，该因子线性取决于触摸点T的X坐标。第二导频信号P₂在此步骤中不施加，所以不对所测输出信号有影响。衰减因子A₁可通过选择使所测信号最佳拟合期望理论输出的值来确定。一旦确定衰减因子A₁，则使用X＝A₁X_MAX计算X坐标。

接着，为了确定Y坐标，第一导频信号P₁或第二导频信号P₂被施加到Y+电极8，而Y-电极7连接到地。在此步骤中，电压不施加到X+电极6和X-电极5两端。如果使用第二导频信号P₂，则由X+电极6和X-电极5测量的坐标为(X，Y)的触摸点T的期望电压由以下表达式给出。

$V_{\mathrm{YEXPT}}\left(t\right)=\frac{Y}{Y_{\mathrm{MAX}}}{P}_2\left(t\right)=\frac{Y}{Y_{\mathrm{MAX}}}{V}_{\mathrm{REF}}\cos \left({\mathrm{\ω}}_{2}t\right)=A_2{P}_2\left(t\right)$

第二导频信号P₂由因子A₂＝Y/Y_MAX衰减，其线性地取决于触摸点T的Y坐标。第一导频信号P₁在此步骤中不被施加，所以不对所测输出信号有影响。衰减因子A₂可通过选择使所测信号最佳拟合期望理论输出的值来确定。一旦确定衰减因子A₂，则使用Y＝A₂Y_MAX计算Y坐标。

如在之前的例子中，衰减因子A₁和A₂被选择以最小化由上述等式1给出的值Δ，其中根据正被计算的坐标，V_EXPT(t)是V_XEXPT(t)或V_YEXPT(t)。

在上述的过程中确定衰减因子A₁和A₂时出现一个问题。触摸屏传感器具有有限带宽，通常在50kHz的区域内，这造成在输入信号和输出信号之间有非0的相移出现。如果传感器的期望分辨率低且带宽相对高，则可忽略相移，而不明显影响准确度。但是，如果期望分辨率高，或者带宽相对低，则需要考虑相移以获得准确的坐标信息。

通过将输出信号分解成相位相差90度的两个分量，可考虑以上提到的相移。这些不同相位分量的衰减因子被单独确定，然后每个导频信号的总体衰减因子可从这些值中计算出来。例如，期望信号的表达式V_EXPT(t)中具有余弦形式

的任何单个的项可使用以下三角恒等式分成正弦分量和余弦分量，其中

是未知相位因子。

$a=\sqrt{b^2+c^2}$

可以看出以此方式分解输出信号有效地去掉了未知相位因子

例如，在5线配置的情况下，具有ω₁和ω₂频率的正弦导频信号P₁和P₂被同时施加，期望输出信号V_EXPT(t)为以下形式。

与各个导频信号P₁和P₂关联的相移和未知，可能是不同的。在此表达式中的每个余弦项可使用上述的三角恒等式被分成相位相差90度的分量。这产生用于期望输出信号的以下等效表达式。

V_EXPT(t)＝V_REF[A₁₁cos(ω₁t)-A₁₂sin(ω₁t)+A₂₁cos(ω₂t)-A₂₂sin(ω₂t)]

其中衰减因子A₁₁、A₁₂、A₂₁和A₂₂满足以下关系式。

$A_1=\sqrt{A_{11}^2+A_{12}^2}$ $A_2=\sqrt{A_{21}^2+A_{22}^2}$

以上描述的曲线拟合步骤然后可以应用于此用于V_EXPT(t)的表达式，以得到A₁₁、A₁₂、A₂₁和A₂₂的值，使得所测量的输出最接近地匹配期望输出。具体地，A₁₁、A₁₂、A₂₁和A₂₂的值被选择成最小化由以上的等式1给出的值Δ。然后可以从得到的A₁₁、A₁₂、A₂₁和A₂₂的值，计算衰减因子A₁和A₂的值，这又可用来计算X和Y坐标值。

除了相移

之外，常数C可加入到期望输出信号V_EXPT(t)的表达式中。可以进行此操作来模拟与信号的DC分量对应的输出信号的偏移量。通过加入此常量，获得对输出信号的良好估计。这又可以监控误差信号(其可称作余数)，对误差信号增长的检测可用来指示错误行为。在此情况下，期望输出的表达式如下：

V_EXPT(t)＝V_REF[A₁₁cos(ω₁t)-A₁₂sin(ω₁t)+A₂₁cos(ω₂t)-A₂₂sin(ω₂t)]+C

待被最小化的值Δ是通过将此表达式代入上面的等式1给出的。

在一个实施例中，触摸屏控制器以三相位操作模式操作。第一相位用来检测触摸是否进行，相位2和相位3执行触摸点的X和Y坐标的测量。如果同时测量坐标，则相位2和相位3可合并成单个坐标测量相位。可以使用专用触摸感测电路来执行第一相位中的触摸检测，该触摸感测电路检测触摸，但不确定实际的坐标信息。在触摸检测相位之后，如果检测到触摸，则控制器前进到随后的坐标测量相位，以确定触摸点的X和Y坐标。在确定坐标之后，控制器返回触摸检测相位，该过程重复。如果失去触摸，则控制器可决定停留在触摸检测相位。由于大多数的操作典型地出现在触摸检测相位，所以最优化该相位以具有尽可能低的功耗可能是有利的，或者优选完全去掉触摸检测相位可能是有利的。

在本发明的一些实施例中，输入导频信号和输出信号之间的相位差可用来判定是否进行触摸。例如，在典型的触摸屏配置中，通过面板从其输入到在控制器中的ADC的输入之间存在小的泄露。该泄露通过电容馈线前向路径发生，这导致当传感器不被触摸时，泄露的分量与输入信号相差90度相位。然而，当传感器被触摸时，相位差明显降低，例如小于10度。此差允许检测到触摸。由于在坐标测量过程中可得到输入信号和输出信号之间的相位，可在坐标测量相位过程中来进行触摸检测。这允许在专用触摸检测相位中所花的时间量降低。在一些实施例中，可能根本不需要执行触摸检测的专用电路，专用触摸检测相位可完全去掉。

在一个实施例中，可使用任何适当技术例如使用专用的触摸检测电路来在第一相位建立触摸检测。如果在此相位中检测到触摸，则在一个或多个进一步的坐标测量相位中进行坐标测量。在坐标测量过程中，可以得出输入信号和输出信号之间的相位差。这又允许控制器判定在坐标测量结束时触摸是否仍在进行。这意味着由于已经对触摸是否仍在进行作出判定，所以不需要返回到触摸检测相位。这允许更加连续的操作和降低的等待时间。在一个实施例中，可通过使用坐标测量相位作为触摸检测相位，来完全消除触摸检测相位。这可去掉专用触摸检测电路。

现在描述确定衰减参数值的一种方式。在此例子中，定义以下矩阵。

$M=\left|\begin{array}{ccccc}\cos \left({\mathrm{\ω}}_1{t}_1\right)& -\sin \left({\mathrm{\ω}}_1{t}_1\right)& \cos \left({\mathrm{\ω}}_2{t}_1\right)& -\sin \left({\mathrm{\ω}}_2{t}_1\right)& 1\\ \cos \left({\mathrm{\ω}}_1{t}_2\right)& -\sin \left({\mathrm{\ω}}_1{t}_2\right)& \cos \left({\mathrm{\ω}}_2{t}_2\right)& -\sin \left({\mathrm{\ω}}_2{t}_2\right)& 1\\ .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .\\ \cos \left({\mathrm{\ω}}_1{t}_m\right)& -\sin \left({\mathrm{\ω}}_1{t}_m\right)& \cos \left({\mathrm{\ω}}_2{t}_m\right)& -\sin \left({\mathrm{\ω}}_2{t}_m\right)& 1\end{array}\right|$

$Y=\left|\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2\\ .\\ .\\ y_m\end{array}\right|$ 和 $X=\left|\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{REF}}{A}_{11}\\ V_{\mathrm{REF}}{A}_{12}\\ V_{\mathrm{REF}}{A}_{21}\\ V_{\mathrm{REF}}{A}_{22}\\ C\end{array}\right|$

在矩阵符号表示中，要被最小化的值Δ通过以下等式给出，可通过代入验证。

Δ＝(Y-MX)^T(Y-MX)

符号T是矩阵转置算子。此值在Δ等于0时被最小化。将上述表达式设置为等于0，并求解X，产生以下表达式，可通过代入验证。

X＝(M^TM)^-1(M^TY)

符号-1是矩阵逆算子。这样计算出的X的前4个元素给出A₁₁、A₁₂、A₂₁和A₂₂的值，每个被V_REF乘，X的最后一个元素给出常数C的值。衰减参数A₁和A₂通过以下表达式给出。

$A_1=\sqrt{A_{11}^2+A_{12}^2}$

$A_2=\sqrt{A_{21}^2+A_{22}^2}$

最后，X和Y坐标分别由X＝A₁X_MAX和Y＝A₂Y_MAX给出。

对被测电压信号进行采样的频率可以选择为对于特定应用是适当的。例如，在一些应用中，可能需要将每秒得到的坐标测量值的数目、以及每个坐标测量值采样的样本数目设置为特定值。如果需要每秒1000对坐标，则每1毫秒进行一次坐标测量。如果对于每个坐标测量值，采样2⁶＝64个样本，则连续样本之间的时间是1ms/64≈64μs。对于一个坐标测量值采集样本所需的时间在下文被称作采样时间或采样周期。连续样本之间的时间在下文被称作采样间隔。采样时间因此等于每个坐标测量值所采的样本的数目乘以采样间隔。应理解，可以对采样时间、采样间隔和每个坐标测量值所采的样本数目使用任何适当值，这些值并不局限于给出的特定例子。不需要在输出电压信号的任何特定的相位进行采样。例如，不要求样本与输出信号的波峰和/或波谷一致。

如以上提到的，触摸屏传感器的一个问题是噪声的存在。有几种方式可降低噪声影响。例如，触摸屏传感器对噪声的抵抗力可通过增大施加到板的电阻层的电阻而提高。然而，增大层的电阻典型地导致降低透明度，这可通过这些层使显示器的能见度模糊。

补偿噪声影响的另一方式是用相对大的DC偏置电压使触摸屏偏压。然而，这导致功耗增大。例如，当用2伏偏压具有介于100欧和1000欧之间的典型阻抗的触摸屏时，功耗将会介于40mW和4mW之间。

解决噪声问题的另一方式是在触摸屏输入和地之间添加例如从0.01μF增加的电容器。电容器用作低通滤波器，改善了触摸屏的性能。然而，这导致成本增加。此外，电容器在驱动器打开时可增加触摸屏的稳定时间，导致操作慢，等待时间增加。

而降低噪声影响的又一种方式是对单一触摸事件进行多次坐标测量，并对这些测量值取平均以产生最终测量值。然而，此技术明显增加了系统的等待时间，具体是由于相对微弱地取决于对所采的样本数目灵敏的传感器。

在本发明的实施例中，导频信号的选择帮助控制器更清楚地区分信号与噪声，允许输入信号的功率被明显地进一步降低，而不损失分辨率。触摸屏装置的功耗典型地由传感器控制。例如，典型的传感器的功耗是约20mW，而典型的控制器的功耗是约1mW，产生总功耗约21mW。使用本发明，输入信号的功率可以比现有系统的功率低20-26dB，同时保持相同的分辨率。在此情况下，传感器的功耗可以从20mW降低到1-2mW，这表示总功耗可以从21mW降低到2-3mW，相当于降低了85-90％。

导频信号的频率可以被适当地选择，例如以获得噪声的更好衰减。在一些情况下，选择特定组合的频率可能是有利的。例如，音调噪声的一个共同来源源于移动电话，其通常产生具有频率约214Hz的噪声。优选的是，噪声信号波长的整数在采样时间期间出现。还优选的是，一个或两个导频信号的波长的整数在采样时间期间出现。换言之，采样时间优选是比噪声信号和/或一个或两个导频信号的波长的倒数更大的整数因子。通过设定一个或多个导频信号频率、采样时间和对每个坐标测量值进行的采样次数以获得一个或多个这些条件，可实现噪声的更好衰减。

在上述的例子中，导频信号的形式是具有不同频率的两个余弦信号。然而，也可以使用可替代形式的输入信号。例如，对于一个或两个导频信号可使用正弦信号。而且，一个或两个导频信号的形式可以是两个或更多个正弦和/或余弦的和，以便提高对音调噪声的免疫性。当导频信号中有一个是正弦，另一个导频信号是余弦时，并且两个导频信号被同时施加时，由于正弦函数和余弦函数的正交性，它们不需要具有不同的频率。在又一个例子中，两个输入信号包括扩频编码序列。在此例子中，导频信号可分别包括分别是+1或-1的值的序列。此形式的两个导频信号的和将会包括分别是0、+2或-2的值的序列。

通常，所施加信号是非常量或具有已知的至少一个典型特征(除幅度之外)的时变信号。例如，在正弦或余弦导频信号的情况下，典型特征是该信号的频率，而在扩频编码序列的情况下，该特征是已知代码。这样，相比常量信号，该信号更容易与噪声区分。而且，当导频信号与输出信号结合时，输出信号中的各个分量可彼此区分，以允许导频信号被同时施加。

当正弦或余弦形式的两个导频信号被同时施加时，优选导频信号的频率的比率形式为a/b，这里a和b是大小相对小的整数。例如，导频信号的频率的比率可以是3/2或2/1。在这种情况下，导频信号是正交函数，以允许通过对输出信号进行傅立叶变换，找到与两个导频信号相关的衰减因子。例如，如果输出信号(由衰减的导频信号之和形成)与输入的导频信号中的一个(例如P₁)相乘，然后积分，则由另一个导频信号(在这种情况下是P₂)引起的对输出信号的作用由于导频信号的正交性而被去除。这使得输出信号中只有来自另一导频信号(P₁)的作用，因此更容易确定此分量的衰减。

以上提到的一些或所有参数的值取决于特定应用可以是动态可变化的，可提前从任何适当的值的集合中选择，或者可以在系统中固定。

通过同时施加导频信号，同时测量X和Y坐标是可行的。最大工作频率可以增加一倍，工作等待时间可以降低一半。而且，由于不需要如传统设计那样交替地开关各个输入信号，因此可避免由于开关瞬态现象带来的问题。由于可避免快速充电影响，因此还可降低功耗。

本发明的实施例具有良好的抗噪性，这意味着降低了位置测量误差。对音调噪声有高抗性，但还可获得一定的抗白噪声的特性。位置误差的降低允许即使在功耗降低时也保持装置的分辨率。而且，由于降低的噪声影响，电阻层可以具有较低电阻，从而允许增加层的透明度。

本发明的实施例可应用于很多种触摸感测设备，包括之前给出的例子。上述与触摸屏设备相关的技术同样可应用于触摸感测设备，在该设备中显示器不与传感器一体。本发明的实施例还可应用于很多种电阻式触摸屏设计，包括但不限于4线或5线变形。

本发明的实施例可提供一种触摸感测设备，其中等待时间和功耗可被最小化，同时保持传感器准确度和分辨率。而且，不需要改变现有的触摸传感器设计就可以实施本发明的实施例。只需要对控制器进行相对小的改变。

上述实施例的各个变型对本领域技术人员来说是容易想到的。本发明不限于这些特定的例子。

Claims (15)

1.一种用于触摸屏传感器(42)的控制器(49)，所述控制器(49)包括：

用于产生第一电压信号的电压发生器(55，57)；

至少一个输出，用于输出所述第一电压信号，使得第一电压在第一方向上施加到所述传感器的电阻层的两端；

用于接收第二电压信号的输入，该第二电压信号表示当所述传感器(42)被触摸时由所述传感器(42)的测量电极测量的所述电阻层在触摸位置的电压；

处理器(65)，其用于使用在第一测量周期过程中接收的第二电压信号确定所述触摸位置在第一方向上的坐标，该坐标是通过确定所述第一电压信号在所述第二电压信号中的衰减来确定的；

所述第一电压信号被产生为使得施加到所述电阻层两端的第一电压在所述第一测量周期中是时变电压，具有至少一个已知特征。

2.根据权利要求1所述的控制器，其中所述第一电压信号包括正弦或余弦电压信号。

3.根据权利要求1所述的控制器，其中所述第一电压信号包括扩频编码序列。

4.根据权利要求1、2或3所述的控制器，其中所述电压发生器(55，57)被设置成生成第三电压信号，并输出所述第三电压信号，使得所述第三电压在第二方向上施加到所述电阻层的两端，所述输入被设置成接收第四电压信号，该第四电压信号表示在所述传感器被触摸时由所述传感器的测量电极测量的所述电阻层在触摸位置T上的电压；其中所述处理器(65)被设置成使用在第二测量周期中接收的第四电压信号确定所述触摸点在所述第二方向上的坐标，该坐标是通过确定所述第三电压信号在所述第四电压信号中的衰减来确定的。

5.根据权利要求4所述的控制器，其中所述第一电压信号和第三电压信号依次或同时施加到所述电阻层的两端。

6.根据权利要求5所述的控制器，其中所述第一电压信号和第三电压信号是具有不同频率的正弦或余弦信号。

7.根据权利要求6所述的控制器，其中所述第一电压信号和第三电压信号的频率的比率是a/b，其中a和b是整数。

8.根据从属于权利要求3的权利要求5所述的控制器，其中所述第一电压信号和第三电压信号是不同的扩频编码序列。

9.根据前述权利要求中任一项所述的控制器，其中所述处理器(65)被设置成通过选择一个或多个衰减因子的值使得所述第二电压信号和所述第四电压信号最接近地匹配预期信号来确定所述第一电压信号和所述第三电压信号的衰减，该预期信号基于包括所述衰减因子和所施加的电压信号的预期信号模型。

10.根据权利要求9所述的控制器，其中所述预期信号模型包括表示所施加信号和所接收信号之间相位差的相位因子。

11.根据权利要求9或10所述的控制器，其中所述预期信号模型包括表示直流分量的常量。

12.根据前述权利要求中任一项所述的控制器，其中所述第一测量周期或第二测量周期的持续时间等于所述第一电压信号和所述第三电压信号中的一个或多个的波长的倒数的整数倍。

13.根据前述权利要求中任一项所述的控制器，其中所述第一测量周期或第二测量周期的持续时间等于音调噪声信号的波长的倒数的整数倍。

14.根据前述权利要求中任一项所述的控制器，其中所述传感器是4线或5线传感器。

15.一种用于控制触摸屏传感器(42)的方法，该方法包括步骤：

产生第一电压信号；

输出所述第一电压信号，使得所述第一电压以第一方向上施加到所述传感器(42)的电阻层的两端；

接收第二电压信号，该第二电压信号表示当所述传感器(42)被触摸时由所述传感器(42)的测量电极测量的电阻层在触摸位置的电压；

使用在第一测量周期中接收的所述第二电压信号确定所述触摸位置在第一方向上的坐标，该坐标是通过确定所述第一电压信号在所述第二电压信号中的衰减来确定的；

所述第一电压信号被产生为使得施加到所述电阻层两端的所述第一电压在所述第一测量周期中是时变电压，具有至少一个已知特征。

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