CN102495700B

CN102495700B - 声波触摸屏识别触摸点的方法

Info

Publication number: CN102495700B
Application number: CN201110407607.8A
Authority: CN
Inventors: 张定庆; 钟德超; 林立
Original assignee: CHENGDU GENERAL TOUCH TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: CHENGDU GENERAL TOUCH TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2011-12-09
Filing date: 2011-12-09
Publication date: 2015-08-26
Anticipated expiration: 2031-12-09
Also published as: CN102495700A

Abstract

本发明公开了一种表面声波触摸屏识别触摸点的方法，本发明基于回波定位原理，换能器发射的表面声波遇到反射体（或触摸体）发生反射，通过测量表面声波从换能器发射后，经触摸体反射，再反射回同一换能器所经过的时间，再根据声波的传播速度，计算得到触摸体与换能器之间的距离，从而对触摸体进行定位。根据触摸系统要求，可以配置不同数量的换能器，实现单个或/和多个触摸体的一维、二维坐标定位。

Description

声波触摸屏识别触摸点的方法

技术领域

本发明涉及一种声波触摸定位传感系统，尤其涉及一种声波触摸屏识别触摸点的方法。

背景技术

随着计算机技术的发展和普及，应用领域越来越广泛，对人机交互技术设备的需求越来越大，触摸屏作为典型的人机交互设备，需求日益扩大。常见的触摸屏有电阻屏、电容屏、红外屏、声波触摸屏等，而声波触摸屏具有稳定、透光率高，抗刮擦等突出优点，应用广泛。

普通声波屏由发射/接收换能器成对构成，声波信号从发射换能器发射后，由反射条纹反射、汇聚后由接收换能器接收，有用声波传播路径为单方向。为了定位触摸体的平面位置坐标，通常需要布置反射条纹和换能器。由于换能器分布于屏体的不同位置，且数量较多，连线多，给连接电缆的走线带来不便，影响产品加工制作和调试，不便于包装及集成应用。另一方面，换能器在屏体上会占用一定位置，给屏体尺寸的精简和结构优化带来困难，尤其是在和其他设备集成方面，对安装结构要求过多，很大程度上制约了声波触摸屏应用。

普通声波触摸屏通常只能识别单个触摸体的触摸，要实现双点或多点识别，需要增加反射条纹阵列，使屏体设计、加工难度大大增加，由于反射条纹阵列需要占据一定的屏体空间，结构尺寸相应加大，安装使用制约较大。也有在普通声波触摸屏的基础上通过软件方法判别双点位置坐标的，但由于普通声波触摸屏信号特征的局限性，通过软件方法识别双点位置坐标还存在一定的固有缺陷。

传统的表面声波、光学触摸技术，是通过检测触摸体在中断声波，光线（可见光或红外光）的传播，引起的相应得接收信号变化，实现触摸定位。

为了克服声波触摸屏在加工、使用方面的限制，基于三点定位原理，ELO公司发明了声脉冲触摸系统APR（acoustic pulse recognition）。APR 是以一种简单的声音辨识方式来测量玻璃上被接触点的位置, 其关键是在玻璃上每个位置触压时都会产生独特的声波。四个附在触摸屏边缘玻璃的微小压电换能器接收到压触的声波, 这个声波由控制器数字化并进行小波变换提取小波系数的信号处理, 然后与事先所记录下的玻璃上每个位置声波的列表相比较, 光标位置立即被更新到触摸位置。APR 的设计可忽略外来和四周噪音, 因为它们与事先记录的声波不吻合。

3M公司发明了扩散信号式/振波感应式触控技术dispersive signal touch technology (DST)，该技术通过分析用户在触摸屏幕表面所造成的弯曲波来确定触摸位置，这样就可以快速，准确，可靠的分析触摸位置。系统不会受到触摸屏表面污染物，划痕，或是屏幕上的静态对象的影响，以及支持手写笔和多用户能力。

这些触摸系统，不需加工条纹，仅仅需要在屏体周边设置一定数量的换能器，从而大大简化了屏体结构。但是，这些发明基于被动接收触摸产生的信号，信号的频率、发生时间、强弱等不确定性大，对处理器的处理能力要求较高。

在声纳设备、无损检测设备、医疗设备、雷达等设备上，普遍采用主动信号发射扫描被测区域，技术成熟，但受到电路复杂程度、成本等因素限制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有表面声波触摸屏存在的上述问题，提供一种声波触摸屏识别触摸点的方法，本发明基于回波定位原理，换能器发射的在屏体表面传播的声波遇到反射体（或触摸体）发生反射，通过测量声波从换能器发射后，经触摸体反射，再反射回换能器所经过的时间，再根据声波的传播速度，计算得到触摸体与换能器之间的距离，从而对触摸体进行定位，根据触摸系统要求，可以配置不同数量的换能器，实现单个或/和多个触摸体的一维、二维坐标定位。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种声波触摸屏识别触摸点的方法，其特征在于：触摸体的定位基于触摸体对声波的反射，通过测量分析触摸体引起的反射信号特征信息，对触摸体进行识别、定位。

所述触摸体的定位是基于触摸体对声波的反射，形成回波，通过回波定位原理，测量触摸体到换能器的距离，确定触摸体的位置。

所述换能器发射的声波沿触摸屏体表面传播，遇到触摸体后发生反射，通过测量声波从换能器发射后，经触摸体反射，再反射回换能器所经过的时间，根据声波的传播速度，计算得到触摸体与换能器之间的距离，从而对触摸体进行定位。

所述换能器既作接收换能器又作发射换能器，同一换能器在发射、接收状态之间切换，换能器发射扫描声波信号后，立即切换为接收状态。

所述换能器数量至少为一个，分布在有效触摸区以外的边或/和角上。

所述换能器数量至少为一个，分布在有效触摸区所在面的同一面或不同面。

所述识别、定位具体包括如下步骤：

a、换能器在驱动脉冲的作用下，向触摸屏体发射沿表面传播的声波信号，在没有触摸体触摸时，在触摸屏表面传播的声波信号不会被触摸体反射，此时换能器接收到的信号被控制器采样记录作为参照信号；

b、当有触摸体接触屏体表面时，换能器发射出的声波信号经触摸体反射后，返回换能器，被处于接收状态的换能器接收；

c、控制器判断、检测接收到的反射声波信号，并与纪录的参照信号比较，检测反射声波信号相对于发射脉冲的延迟时间；

d、根据检测到的反射声波脉冲信号的延迟时间，以及声波的传播速度，计算得到对应的触摸体与换能器之间的距离大小，从而确定触摸体的坐标位置。

所述b步骤中，触摸体与屏体形成传播特性变化的交界面，声波信号在该交界面会发生反射，部分声波信号经反射后被换能器接收。

所述换能器发射出的声波信号，经过时间t 后到达触摸体，经触摸体反射后，经过同样的时间t反射回处于接收状态的换能器，由于声波的传输速度V一定，所以触摸体到换能器的距离L为：L=V t。

所述换能器按不同方向发射声波信号对触摸区进行扫描，如果在指定的方向A有触摸，则会产生反射回波，通过接收反射回波，测量触摸引起的反射回波信号从发射，经触摸体的反射后，再返回到换能器所经过的传输时间，得到触摸体到换能器间的距离L，触摸体的方位就是此时对应的发射方向A。距离L和方位角A就代表了触摸体的极坐标，触摸体位置坐标X，Y为：X= L sin(A)，Y=L cos(A)。

所述换能器通过机械或电子方式向不同的方向发射表面声波脉冲信号对触摸有效区进行扫描，并检测返回的反射信号。

所述换能器为设置在屏体上的两个距离为L0的广角换能器，换能器发射声波信号，换能器的发射角覆盖触摸屏的对应有效触摸区，触摸体坐标位置X，Y为：X= ，Y=，其中，L0为两个换能器之间的距离，L1和L2为触摸体到两个换能器之间的距离。

所述广角换能器包括基座和粘接在基座上的压电片，所述压电片制成圆锥面，基座呈圆锥形或环形。

采用本发明的优点在于：

一、采用本发明可实现触摸屏不采用条纹，普通表面声波屏，在屏体正面或反面需要加工特定的条纹阵列，阵列的设计加工质量直接影响产品的特性；本发明不需加工特定的条纹阵列，可以简化生产工艺，减少加工环节，提高产品合格率，降低产品成本。

二、本发明采用主动发射表面声波，控制器控制换能器在确定的时刻，主动发射特定频率的表面声波，便于控制器以特定的选频电路，在特定的接收窗口时间，及时接收处理有用特征信号，提高抗干扰能力。

三、本发明中，发送、接收为同一换能器，采用同一换能器发射、接收表面声波，既减少换能器个数，又可以保证换能器安装的一致性，加工调试方便。

四、采用本发明后，产品更加灵活多样，由于换能器可以在屏体的周边、四个角、屏体正面、背面灵活布局，可以根据需要，采用不同数量的换能器、进行不同布局，一方面增加触摸检测的冗余度，增加可靠性，另一方面，实现多个触摸体的跟踪定位。

五、本发明可靠性更高，由于没有普通表面声波屏那样的精密条纹阵列，降低了触摸屏对防护的要求，产品更加可靠。

六、采用本发明后，触摸体材质要求更低，普通表面声波屏原则上需要触摸体为柔软致密材料才能引起触摸反映，而本发明是利用触摸体在屏体形成不连续界面，引起表面声波的反射，通过检测反射回波，从而检测触摸体得触摸，对材质选择性不高，即使硬质物体也能引起触摸响应，支持手写笔触摸。

七、本发明中，采用设置在屏体上的两个距离一定的广角换能器发射表面声波，换能器的发射角覆盖触摸屏的有效触摸区，使该区域任意方向上的触摸体引起的反射回波，都能部分或全部被对应的换能器接收。

附图说明

图1为本发明实施例1结构示意图

图2为本发明实施例2结构示意图

图3为本发明不同的触摸体产生多个回波的示意图

图4为本发明采用三个换能器的结构示意图

图5为本发明的广角换能器结构示意图

图6为图5的俯视结构示意图

图7为本发明的广角换能器又一结构示意图

图8为图7的俯视结构示意图

图中标记为：1为屏体，2为触摸体，2a 为第二触摸体，3为换能器，4为压电片，5为基座。

具体实施方式

实施例1

换能器发射出的声波脉冲信号，经过时间t后到达触摸体，经触摸体反射后，经过同样的时间t反射回已经处于接收状态的换能器，对于触摸屏屏体，由于表面声波脉冲信号的传输速度V一定，所以触摸体到换能器的距离L为：L=V t。

对于单一换能器，只能确定换能器与触摸体的距离，不能确定触摸体的平面位置，因此，需要确定触摸体的方位。

对于方向性强，发射角小的换能器，需要通过机械或电子方式对屏体触摸区域扫描，当扫描到指定角度A时，由于触摸体的反射，使发射信号反射回换能器，此时，就可以同时确定发射换能器到触摸体的距离L和触摸体所对应得方位角A，这样，L，A决定了触摸体在触摸区域的坐标。

触摸体位置坐标X，Y由下式确定：

X= L sin(A)，

Y=L cos(A)。

一种扫描方式是通过对单个换能器作周期性旋转运动，扫描屏体触摸区域，从而通过触摸体对应的扫描角度和距离确定触摸体的位置。由于换能器的发射角小，方向性强，扫描信号强度集中，灵敏度高。

另一种扫描方式，采用多个换能器组成换能器阵列，阵列中每个换能器指向一个特定的角度，通过电子开关在多个换能器之间切换，当切换到某一换能器时，有反射回波出现，则该换能器对应的方位角就是触摸体在触摸屏上的方位角。换能器的切换可以是依次切换，也可以采用一定的相位组合方式，进行相控扫描。

通过扫描方式，不管是电子或机械方式扫描，换能器的发射能量集中在一个方向，信号强度高。

实施例2

采用发射角大的换能器，同时向触摸区发射，触摸体在屏体的任意方位都能反射沿表面传播的声波，不需扫描，可以确定触摸体到换能器之间的距离，但是触摸体所在的方位无法确定，必须采用至少两个换能器，设置在触摸区以外的边或/和角上，为多个时，可以采用均匀等间隔方式分布，也可以任意分布，通过触摸体和换能器间的几何关系，确定触摸体的触摸位置。该方式发射角大，能量较分散，不需要信号的扫描发射，电路或结构简单可靠。

在不考虑触摸体大小的情况下，L0为设计时已知的距离，L1，L2是实际检测得到的距离，根据几何关系可知，触摸位置X，Y由下L1,L2和L0确定：

X=，

Y=。

如果由于触摸体大小引起的位置偏差过大，需要进行修正，修正的方法可以采用现有技术中的修正方法。

实例3

当触摸体不止一个时，不同的触摸体就会产生不止一个回波，如图3中的两个反射回波，为了识别同一触摸体的回波，可以采用多个换能器，如图4，增加检测的冗余度，或者同时识别多个触摸体。

设计时，换能器间的距离L0，Lx，Lxy是固定的，已知的，触摸体到换能器的距离L1，L2，L3，L1a，L2a，L3a由控制器检测得到，触摸体的位置坐标可以通过触摸体与换能器之间的几何位置关系，计算获得。为了简化计算量，也可以将坐标关系数据制成表格，通过查表方式获得。

如图，触摸体2的触摸位置X、Y可以分别由( L1，L2，L0)，（ L2，L3，Ly），（L1，L3，Lxy）三组数据，根据几何关系计算（具体公式与实施例2类似，不再重复），得到相同结果，形成多重定位。实践中，可以利用这三组结果进行相互验证，提高准确性。

同样，第二触摸体2a的触摸位置Xa、Ya可以分别由( L1a，L2a，L0)，（ L2a，L3a，Ly），（L1a，L3a，Lxy）三组数据，根据几何关系计算，得到相同结果，形成多重定位。实践中，可以利用这三组结果进行相互验证，提高准确性。

同时，不同的触摸体，各自与换能器间的距离的几何关系是唯一的，因而不会出现普通声波屏的坐标配对问题。

实例4

现有技术中，表面声波换能器是由压电片粘接在楔形块上组成，压电片和楔形块均是平直形，产生的表面声波方向性强，无法同时向有效触摸区发射表面声波。

采用图5 、图6的形式，将压电片4加工成圆锥面，基座5加工成圆环形，圆环的截面形状与普通楔形块的截面形状一致，就可以实现大角度发射表面声波换能器。

实际使用中，根据实际要求，可以采用环形换能器的部分圆弧段，或整个圆环。

将压电片4加工成圆锥面，基座5加工成圆锥形，圆锥是普通楔形块的截面形状绕底边中点旋转而成，如图7、图8。

实际使用中，根据实际要求，可以采用锥形换能器的部分锥体，或整个锥体。

实施例5

一种声波触摸屏识别触摸点的方法，触摸体的定位基于触摸体对声波的反射，通过测量分析触摸体引起的反射信号特征信息，对触摸体进行识别、定位。

进一步地，所述触摸体的定位是基于触摸体对声波的反射，形成回波，通过回波定位原理，测量触摸体到换能器的距离，确定触摸体的位置。

进一步地，所述换能器发射的声波沿触摸屏体表面传播，遇到触摸体后发生反射，通过测量声波从换能器发射后，经触摸体反射，再反射回换能器所经过的时间，根据声波的传播速度，计算得到触摸体与换能器之间的距离，从而对触摸体进行定位。

且所述换能器既作接收换能器又作发射换能器，同一换能器在发射、接收状态之间切换，换能器发射扫描声波信号后，立即切换为接收状态。

具体地讲，识别和定位具体包括如下步骤：

或者，所述换能器按不同方向发射声波信号对触摸区进行扫描，如果在指定的方向A有触摸，则会产生反射回波，通过接收反射回波，测量触摸引起的反射回波信号从发射，经触摸体的反射后，再返回到换能器所经过的传输时间，得到触摸体到换能器间的距离L，触摸体的方位就是此时对应的发射方向A。距离L和方位角A就代表了触摸体的极坐标，触摸体位置坐标X，Y为：X= L sin(A)，Y=L cos(A)。

所述换能器通过机械或电子方式向不同的方向发射沿表面传播的声波脉冲信号对触摸有效区进行扫描，并检测返回的反射信号。

或者所述换能器为设置在屏体上的两个距离为L0的广角换能器，换能器发射声波信号，换能器的发射角覆盖触摸屏的对应有效触摸区，触摸体坐标位置X，Y为：X=，Y=，其中，L0为两个换能器之间的距离，L1和L2为触摸体到两个换能器之间的距离。

Claims

1.一种声波触摸屏识别触摸点的方法，其特征在于：触摸体的定位基于触摸体对声波的反射，通过测量分析触摸体引起的反射信号特征信息，对触摸体进行识别、定位；触摸体的定位是基于触摸体对声波的反射，形成回波，通过回波定位原理，测量触摸体到换能器的距离，确定触摸体的位置；发射换能器发射的声波沿触摸屏体表面传播，遇到触摸体后发生反射，通过测量声波从换能器发射后，经触摸体反射，再反射回换能器所经过的时间，根据声波的传播速度，计算得到触摸体与换能器之间的距离，从而对触摸体进行定位；

所述识别、定位包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的声波触摸屏识别触摸点的方法，其特征在于：所述换能器既作接收换能器又作发射换能器，同一换能器在发射、接收状态之间切换，换能器发射扫描声波信号后，立即切换为接收状态。

3.根据权利要求2所述的声波触摸屏识别触摸点的方法，其特征在于：所述换能器数量至少为一个，分布在有效触摸区以外的边或/和角上。

4.根据权利要求2所述的声波触摸屏识别触摸点的方法，其特征在于：所述换能器数量至少为一个，分布在有效触摸区所在面的同一面或不同面。

5.根据权利要求1所述的声波触摸屏识别触摸点的方法，其特征在于：所述b步骤中，触摸体与屏体形成传播特性变化的交界面，声波信号在该交界面会发生反射，部分声波信号经反射后被换能器接收。

6.根据权利要求5所述的声波触摸屏识别触摸点的方法，其特征在于：所述换能器发射出的声波信号，经过时间t 后到达触摸体，经触摸体反射后，经过同样的时间t反射回处于接收状态的换能器，由于声波的传输速度V一定，所以触摸体到换能器的距离为：=V t。

7.根据权利要求6所述的声波触摸屏识别触摸点的方法，其特征在于：所述换能器按不同方向发射声波信号对触摸区进行扫描，如果在指定的方向A有触摸，则会产生反射回波，通过接收反射回波，测量触摸引起的反射回波信号从发射，经触摸体的反射后，再返回到换能器所经过的传输时间，得到触摸体到换能器间的距离，触摸体的方位就是此时对应的发射方向A，距离和方位角A就代表了触摸体的极坐标，触摸体位置坐标X，Y为：。

8.根据权利要求7所述的声波触摸屏识别触摸点的方法，其特征在于：所述换能器通过机械或电子方式向不同的方向发射声波脉冲信号对触摸有效区进行扫描，并检测返回的反射信号。

9.根据权利要求5所述的声波触摸屏识别触摸点的方法，其特征在于：所述换能器为设置在屏体上的两个距离为的广角换能器，换能器发射声波信号，换能器的发射角覆盖触摸屏的对应有效触摸区，触摸体坐标位置X，Y为：，，其中，为两个换能器之间的距离，和为触摸体到两个换能器之间的距离。

10.根据权利要求9所述的声波触摸屏识别触摸点的方法，其特征在于：所述广角换能器包括基座和粘接在基座上的压电片，所述压电片制成圆锥面，基座呈圆锥形或环形。