CN102273076B - 电容式触摸感测与发光二极管驱动矩阵 - Google Patents

电容式触摸感测与发光二极管驱动矩阵 Download PDF

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Abstract

通过电容式触摸键传感器将脉冲施加到模/数转换器(ADC)的取样电容器。当所述电容式触摸键传感器与所述取样电容器之间大致不存在分路电容时，到达所述取样电容器的电压电荷将最大。然而，物体(例如，操作者的手指)在极接近所述电容式触摸键传感器时将形成分路到接地电容，其将应该是去往所述取样电容器的所述电荷中的一些电荷分流且借此减小所述取样电容器上的所述电压电荷。可用所述ADC容易地检测当激活(触摸)所述电容式触摸键传感器时充电电压的此改变。另外，发光二极管(LED)显示器可与所述电容式触摸键传感器集成在一起且以时分多路复用方式使用集成电路装置上的相同连接。

Description

电容式触摸感测与发光二极管驱动矩阵
相关申请案交叉参考
本申请案请求对林健意(Chien-Yi Lin)在2009年1月12日提出申请且标题为“电容式触摸键与发光二极管矩阵感测及驱动方法、系统及设备(Capacitive Touch Key andLight Emitting Diode Matrix Sensing and Drive Method，System and Apparatus)”的共同拥有美国临时专利申请案第61/143,845号的优先权，所述申请案出于所有目的以引用方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及感测电容式触摸键及驱动发光二极管(LED)。所述电容式触摸键与LED可布置成矩阵且用作用于许多不同类型的器具、电与电子装备等的信息显示器及控制面板。
背景技术
电容式触摸键感测电子器件的行业标准为并入到微芯片科技公司(MicrochipTechnology Inc.)制造的各种微控制器中的微芯片科技公司充电时间测量单元(CTMU)。参见“用于电容式触摸应用的微芯片CTMU(Microchip CTMU forCapacitive Touch Applications)，微芯片应用注解AN1250(2009)，其出于所有目的以引用方式并入本文中。使用所述电容式触摸键来检测手指或其它物体的存在，所述手指或其它物体在极接近触摸键(例如，用所述手指或物体触摸所述键)时增加所述触摸键的电容。所述CTMU需要恒定电流源，使用电力且占据宝贵的集成电路芯片面积。
所述CTMU通过用恒定电流源给有效电容充电且然后在某一时间周期之后测量其上的电压来感测触摸键的电容的改变。在所述某一时间周期期间给较大电容充电在其上产生比在相同恒定电流充电及所述某一时间周期下给较小电容充电低的电压。所述CTMU对控制矩阵中的电容式触摸键中的每一者上的相应电压进行取样且当检测到比未被触摸键上的正常电压低的电压时，所述CTMU及相关联软件检测所述键的致动。
然而，许多因素影响所述触摸键在未被触摸及/或被触摸时的电容，例如所述触摸键上的潮湿，例如湿气或水。当所述触摸键矩阵的仅某些触摸键上面具有潮湿时，其电容可不同到足以导致CTMU对具有由潮湿引发的较高电容的那些键的错误感测的程度。
在用于控制及显示的许多应用中，还需要与电容式触摸键中的每一者相关联的LED。然而，必须驱动LED且因此除触摸键所需要的那些连接外还需要额外连接。可能多路复用感测及驱动操作且因此针对LED及触摸键电路使用共用连接，但LED部分往往在两者被耦合在一起时使触摸键的操作降级。
现有技术电容式触摸传感器矩阵电路每一触摸键使用额外电容器及电阻器，且需要双斜率检测算法及计时器捕获来执行单个触摸检测。因此，需要电路复杂性及显著时间来检测触摸键电容改变。
发明内容
当使用共用连接(需要最小数目的集成电路装置连接(引脚))的电容式触摸键与LED显示器的时分多路复用时，需要的是对湿气/潮湿环境的更好免疫性、实施方案的低成本、较短的电容改变检测时间(触摸感测)及改善的操作。
根据本发明的具体实例性实施例，一种用于感测电容式触摸传感器的致动的系统包含：取样电容器；模/数转换器(ADC)，其耦合到所述取样电容器，所述ADC将所述取样电容器上的模拟电压转换为其数字表示；数字处理器，其耦合到所述ADC的数字输出；电容式触摸传感器，其耦合到所述取样电容器；脉冲产生器，其耦合到所述电容式触摸传感器，其中来自所述脉冲产生器且通过所述电容式触摸传感器的电压脉冲将所述取样电容器充电到与其电容比成比例的第一电压，其中当具有电容的物体极接近所述电容式触摸传感器时，从所述取样电容器分流通过所述电容式触摸传感器的所述电压脉冲中的一些电压脉冲，且借此在所述物体极接近所述电容式触摸传感器时将所述取样电容器充电到第二电压，其中所述第二电压小于所述第一电压。
根据本发明的另一具体实例性实施例，一种用于感测多个电容式触摸传感器中的一者或一者以上的致动的系统，所述系统包含：取样电容器；模/数转换器(ADC)，其耦合到所述取样电容器，所述ADC将所述取样电容器上的模拟电压转换为其数字表示；数字处理器，其耦合到所述ADC的数字输出；多路复用器，其具有耦合到所述取样电容器的输出；多个电容式触摸传感器，所述多个电容式触摸传感器中的每一者耦合到所述多路复用器的相应输入；脉冲产生器，其耦合到所述多个电容式触摸传感器中的选定者，其中来自所述脉冲产生器且通过所述多个电容式触摸传感器中的所述选定一者的电压脉冲将所述取样电容器充电到与其电容比成比例的第一电压，其中当具有电容的物体极接近所述多个电容式触摸传感器中的所述选定一者时，从所述多个电容式触摸传感器中的所述选定一者分流从其通过的所述电压脉冲中的一些电压脉冲，且借此在所述物体极接近所述多个电容式触摸传感器中的所述选定一者时将所述取样电容器充电到第二电压，其中所述第二电压小于所述第一电压。
根据本发明的又一具体实例性实施例，一种用于感测多个电容式触摸传感器中的任一者的致动的方法，所述方法包含以下步骤：将耦合到多个电容式触摸传感器的所有集成电路装置输入-输出(I/O)设定到逻辑低；将所述I/O中的一者设定到输入模式且将所有其它I/O设定到逻辑高输出；给耦合到处于所述输入模式的所述I/O的取样电容器充电；用模/数转换器(ADC)将在所述取样电容器上充电的模拟电压转换为数字表示；确定所述数字表示高于还是低于阈值，其中如果小于所述阈值则致动所述多个电容式触摸传感器中与处于所述输入模式的所述I/O相关联的的所述一者；及针对所述多个电容式触摸传感器中的每一者重复以上步骤。
附图说明
结合附图参照以下说明可更全面地理解本发明，附图中：
图1图解说明根据本发明的具体实例性实施例的电容式触摸传感器键致动检测与LED显示器电路的示意图；
图2图解说明根据本发明的具体实例性实施例的电容式触摸传感器键的平面及立面图的示意图；
图3图解说明根据本发明的另一具体实例性实施例的电容式触摸键与LED的矩阵的示意性框图；及
图4图解说明图3中所示的电容式触摸键与LED的矩阵的更详细示意图。
尽管本发明易于作出各种修改及替代形式，但在图式中是显示并在本文中详细描述其具体实例性实施例。然而，应理解，本文对具体实例性实施例的说明并非打算将本发明限定于本文所揭示的特定形式，而是相反，本发明打算涵盖所附权利要求书所界定的所有修改及等效形式。
具体实施方式
现在参照图式，其示意性地图解说明具体实例性实施例的细节。图式中，相同的元件将由相同的编号表示，且类似的元件将由带有不同小写字母后缀的相同编号表示。
参照图1，其描绘根据本发明的具体实例性实施例的电容式触摸传感器键致动检测与LED显示器电路的示意图。集成电路装置102包含模/数转换器(ADC)104、具有存储器(未显示)的数字处理器106、可为ADC 104的部分的取样电容器108以及开关110、112及114。开关110可为内部多路复用器等的部分。开关112及114可为输出驱动，例如图腾柱连接的CMOS、开集NMOS等。出于说明性目的显示单个电容式触摸传感器键118及LED显示器120。如本文中将描述，可将多个电容式触摸传感器键118及LED 120配置为控制与显示面板。集成电路装置102可为(例如)具有模拟及数字电路两者的混合信号微控制器。
来自开关114的脉冲124施加到电容式触摸传感器键118(电容器Ck)且所得电压脉冲穿过电容式触摸传感器键118的电容以给取样电容器108(电容器Ca)充电。取样电容器108上的电压电荷将为根据电容式触摸传感器键118与取样电容器108的电容比产生的电压分压。通过ADC 104测量取样电容器108上的所得电压电荷。
当手指致动(例如，物理接触、触摸等)电容式触摸传感器键118时，形成到接地的分路电容116(Cf)，其减小到达取样电容器108且由ADC 104测量的电压脉冲的振幅。当在取样电容器108上测量的电压电荷小于先前测量的电压电荷及/或基准参考电压电荷时，则假设手指或具有到接地或共用点的电容的其它物体已致动电容式触摸传感器键118。
图1中所示的实施例的优点为潮湿不大致影响此电容式触摸传感器键致动检测电路，因为潮湿可增加电容式触摸传感器键118的电容值Ck，因此产生取样电容器108上的较大电压电荷，其容易地由ADC 104测量。图1中所示的实施例降低成本且实现较快的检测时间，因为不需要额外电子组件。也可在单个低-到-高电压阶跃(例如，脉冲124的上升沿)内执行触摸检测，且因此不需要耗费时间的电流集成，而CTMU电容式触摸检测电路中却需要。
也可在不需要增加到集成电路装置102的连接(引脚)的情况下容易地实施对LED显示器120的控制。当需要接通LED显示器120时，闭合开关112及114两者。此完成使受电流限制电阻器122限制的电流流过LED显示器120的电路。也可使用电流受控制的电流源，因此消除对电流限制电阻器122的需要。因此，可以时分多路复用方式使用连接(引脚)126及128，以用于电容式触摸传感器键118的致动的检测及LED显示器120的控制两者。
参照图2，其描绘根据本发明的具体实例性实施例的电容式触摸传感器键的平面及立面图的示意图。电容式触摸传感器键118包含在绝缘衬底232的面上的电容器板230及234。电容器板230及234分别耦合到连接(引脚)128及126。当手指236极接近电容器板230及234时，手指236的内在电容(图1的电容器116)将使穿过电容式触摸传感器键118的电压电荷中的一些电压电荷分路到去往取样电容器108的路上。换句话说，手指分路电容器116分流所述电压电荷中的既定用于取样电容器108的一些电压电荷，借此减小由ADC 104测量的所得电压电荷。
参照图3及图4，根据本发明的具体实例性实施例，图3中描绘电容式触摸键与LED的矩阵的示意性框图，且图4中描绘图3中所示的电容式触摸键与LED的矩阵的更详细示意图。与集成电路装置102的开关矩阵338组合，可通过键118及LED 120中的每一者的感测及驱动操作的时分多路复用来在共用连接(相同装置引脚)上感测电容式触摸键118且驱动LED 120(显示于图4中)。图1到图4中所揭示的电路的优点为，当发送低-到-高阶跃信号(脉冲124)时，与串联连接的电容器122与LED 120的阻抗相比，电容式触摸键118(电容器Ck)的阻抗非常低(小)。因此，可在键致动检测时忽略电阻器122及LED 120的存在。开关矩阵338可为(举例来说但不限于)多路复用器。
在完成键致动检测操作之后，为接通LED 120，将连接到所述LED的列设定为高且将到所述LED的行连接设定为低。通过在时间上交替(时分多路复用)触摸感测与LED驱动操作，可利用到集成电路装置102的非常相同的连接(126及128)。因此，根据本发明的教示，3x 4矩阵面板将仅需要到集成电路装置102的七个(7)连接(例如，总线336)，4x 5矩阵将仅需要到集成电路装置102的九个(9)连接等，用于控制与显示面板的感测及LED显示器驱动两者。
举例来说：
1)将列C1到C3及行R1到R4设定到逻辑低，
2)将行R1到R4设定到启用ADC功能的输入模式，
3)将列C1到C3设定到逻辑高，
4)如果行Rx(x＝1、2、3或4)获得比其它行低的ADC输入电压值，那么行Rx被触摸，
5)将列C1到C3及行R1到R4设定到逻辑低，
6)将列C1到C3设定到启用ADC功能的输入模式，
7)将行R1到R4设定到逻辑高，及
8)如果列Cx(x＝1、2或3)获得比其它列低的ADC输入电压值，那么列Cx被触摸。
9)组合步骤4)与8)，其中具有较低ADC输入电压值的行Rx与列Cx的交点确定哪个键被触摸。
虽然已参照本发明的实例性实施例来描绘、描述及界定本发明的实施例，但此参照并不意味着限定本发明，且不应推断出存在此限定。所揭示的标的物能够在形式及功能上具有大量修改、更改及等效形式，所属领域的技术人员将会联想到这些修改、更改及等效形式并受益于本发明。所描绘及所描述的本发明的实施例仅作为实例，而并非是对发明明范围的穷尽性说明。

Claims (18)

1.一种用于感测电容式触摸传感器的致动并进行指示的系统，所述系统包含：
取样电容器，其具有第一端和第二端，所述第一端连接到接地；
模/数转换器，其连接到所述取样电容器的第二端，所述模/数转换器将所述取样电容器上的模拟电压转换为其数字表示；
数字处理器，其耦合到所述模/数转换器的数字输出；
电容式触摸传感器，其具有第一端和第二端，其中所述电容式触摸传感器的所述第一端直接连接到第一开关的第一端，所述第一开关的第二端直接耦合于所述取样电容器的第二端，且所述电容式触摸传感器的所述第一端还直接连接到第二开关的第一端，所述第二开关的第二端直接耦合于所述接地；
脉冲产生器，其耦合到所述电容式触摸传感器的第二端，
以及，
发光二极管，其与所述电容式触摸传感器并联耦合，且当所述第二开关闭合通过所述发光二极管的电流路径时，所述发光二极管由所述脉冲产生器接通；
其中来自所述脉冲产生器且通过所述电容式触摸传感器的单个电压脉冲将所述取样电容器充电到与其电容比成比例的第一电压，
其中当具有电容的物体极接近所述电容式触摸传感器时，从所述取样电容器分流通过所述电容式触摸传感器的所述电压脉冲中的一些电压脉冲，其中，在所述物体极接近所述电容式触摸传感器时将所述取样电容器充电到第二电压，其中所述第二电压小于所述第一电压，且
其中，所述电容式触摸传感器与所述发光二极管使用共用连接。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述物体为手指。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述脉冲产生器为来自所述数字处理器的输出驱动器。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述数字处理器在其存储器中存储来自所述模/数转换器的电压的数字表示，当存储于存储器中的电压的所述数字表示中的至少一者小于其它者时，产生指示所述电容式触摸传感器被致动的信号。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述取样电容器上的所述电压由所述模/数转换器取样且所述发光二极管在交替时间周期期间被接通。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述取样电容器、模/数转换器、脉冲产生器及数字装置制作于集成电路装置中。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述集成电路装置为混合信号微控制器。
8.根据权利要求1-5中任一项所述的系统，其中：
所述第一开关是多路复用器的一部分，其中，所述多路复用器具有耦合到所述取样电容器的输出；且
所述系统包括多个由电容式触摸传感器和相关联的发光二极管并联耦合形成的组合，所述多个电容式触摸传感器中的每一者耦合到所述多路复用器的相应输入；
其中，所述脉冲产生器耦合到所述多个电容式触摸传感器中的选定者。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述多个电容式触摸传感器和发光二极管的组合布置成C列连接和R行连接的矩阵。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述C列连接和R行连接各自与集成电路装置的开关矩阵耦合，且其中与所述集成电路装置的开关矩阵组合，可通过所述电容式触摸传感器及发光二极管中的每一者的感测及驱动操作的时分多路复用来在共用连接上感测所述电容式触摸传感器且驱动发光二极管。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述集成电路装置经编程以依次：
将所述行连接及所述列连接设定到逻辑低，并将所述行连接设定到输入模式，
将所述列连接设定到逻辑高，
确定行是否已被触摸以及哪一行被触摸，并存储所确定的行，
将所述列连接及所述行连接设定到逻辑低，并将所述列连接设定到输入模式，
将所述行连接设定到逻辑高，以及
确定列是否已被触摸以及哪一列被触摸，并存储所确定的列；以及
将所确定的行与所确定的列组合以确定哪个电容式触摸传感器已被触摸。
12.根据权利要求8所述的系统，其中，当多个开关中的相应一者闭合通过所述多个发光二极管中的每一者的电流路径时由所述脉冲产生器接通该发光二极管。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述取样电容器上的所述电压由所述模/数转换器取样且所述多个发光二极管在交替时间周期期间被接通。
14.根据权利要求12所述的系统，其中所述多个电容式触摸传感器与所述多个发光二极管中的相应者使用共用连接。
15.根据权利要求8所述的系统，其中所述取样电容器、模/数转换器、脉冲产生器、多路复用器及数字装置制作于集成电路装置中。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述集成电路装置为混合信号微控制器。
17.一种用于在系统中感测电容式触摸传感器的致动并进行指示的方法，所述系统包括：
取样电容器，其具有第一端和第二端，所述第一端连接到接地；
模/数转换器，其连接到所述取样电容器的第二端；
电容式触摸传感器，其具有第一端和第二端，其中所述电容式触摸传感器的所述第一端直接连接至第一开关的第一端，所述第一开关的第二端直接耦合于所述取样电容器的第二端，且所述电容式触摸传感器的所述第一端还直接连接至第二开关的第一端，所述第二开关的第二端直接耦合于所述接地；
发光二极管，其与所述电容式触摸传感器并联耦合；
其中，所述电容式触摸传感器和所述发光二极管使用共用连接；
其中所述方法包括：
产生单个电压脉冲，并通过所述电容式触摸传感器将所述取样电容器充电到与其电容比成比例的第一电压，其中当具有电容的物体接近所述电容式触摸传感器时，从所述取样电容器分流通过所述电容式触摸传感器的所述电压脉冲中的一些电压脉冲，其中，在所述物体接近所述电容式触摸传感器时将所述取样电容器充电到第二电压，其中所述第二电压小于所述第一电压；以及
闭合所述第二开关以闭合通过所述发光二极管的电流路径并接通所述发光二极管。
18.一种用于在系统中感测电容式触摸传感器的致动并进行指示的方法，所述系统包括：
取样电容器，其具有第一端和第二端，所述第一端连接到接地；
模/数转换器，其连接到所述取样电容器的第二端；
多路复用器；
布置成C列和R行矩阵的多个电容式触摸传感器，其中各个电容式触摸传感器具有第一端和第二端，其中所述电容式触摸传感器的所述第一端直接连接到第一开关的第一端，所述第一开关的第二端直接耦合到所述取样电容器的所述第二端，且所述电容式触摸传感器的所述第一端还直接连接到第二开关的第二端，所述第二开关的第二端直接耦合于所述接地；以及
多个发光二极管，其各自与所述电容式触摸传感器中的一个并联耦合；
其中，电容式触摸传感器和发光二极管的各个组合使用共用连接；
其中，所述方法包括：
将所述矩阵的所述行连接及所述列连接设定到逻辑低，并将所述行连接设定到输入模式，
将所述矩阵的所述列连接设定到逻辑高，
确定行是否已被触摸以及哪一行被触摸，并存储所确定的行，
将所述列连接及所述行连接设定到逻辑低，并将所述列连接设定到输入模式，
将所述行连接设定到逻辑高，以及
确定列是否已被触摸以及哪一列被触摸，并存储所确定的列；以及
将所确定的行与所确定列组合以确定哪个电容式触摸传感器已被触摸；
控制所述多路复用器、所述第二开关以及所述电容式触摸传感器的所述第二端上的电压以接通关联的发光二极管。
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