CN102495701B - 一种电容触摸屏的触摸检测方法和触摸检测装置 - Google Patents

一种电容触摸屏的触摸检测方法和触摸检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种电容触摸屏的触摸检测方法和触摸检测装置，用于检测在待测电容上发生的触摸，并能够节约硬件成本，提高系统的抗噪声性能。本发明实施例方法包括：发送端产生需要发送的波形信号并传送到待测电容；待测电容将发送端传送的波形信号转换成电荷，把电荷转移到检测电路，当有触摸发生时，待测电容的电容大小会发生变化，向检测电路转移的电荷的电量也会发生变化；检测电路接收待测电容转移的电荷，产生输出信号，对输出信号进行检测处理，以判断是否有触摸发生，在波形信号的边沿变化之前将检测电路的输出信号复位到参考电平，检测电路的相位时钟与发送端的相位时钟保持同步。

Description

一种电容触摸屏的触摸检测方法和触摸检测装置
技术领域
本发明涉及电容触摸屏技术领域，尤其涉及一种电容触摸屏的触摸检测方法和触摸检测装置。
背景技术
电容式触摸检测技术，就是通过待测电容的变化，从而判断触摸的发生与否。电容原本存在于任何两个绝缘的导体中，而人或者触摸物体充当第三个导体会改变原有电场，从而改变原有两个导体间的电容。
现有技术中存在一种触摸检测方法，是把电容当作电荷容器对其充电和放电，然后检测相关信号得出电容的大小。比如电容当作张弛振荡器(Relaxation Oscillator)的一个储能器件，用固定电流给电容充电，当电容的电压超过参考电压时，输出会翻转，然后控制开关闭合，对电荷放电，电荷放掉后，控制开关会打开，然后电容上的电压继续升高，周而复始，构成一个振荡器。这种电容触摸装置，通常暴露在环境中，特别是经常在一些复杂的电磁环境和电源环境中使用，非常容易受到干扰。采用张弛振荡器的办法待测电容，对于外部的干扰几乎没有任何抑制就进入系统之中，会造成触摸检测装置信噪比很低。
在技术的不断发展中，还存在一种采用三频连续扫描的触摸检测办法，每个频率单独进行调制解调，通过混频器解调，把信号转到直流来处理，多个频率间进行判断滤除噪声。这种方法基本解决了噪声干扰的问题，但三个频率同时扫描，会非常耗时且增加硬件成本，另外该方法对于一些成本较低，更适合厂商采用和未来超薄发展趋势的触摸屏而言，在进行触摸检测时会造成噪声累积，为了提高抗噪声饱和能力，在电荷放大器(charge amplifier)采用了较大的反馈电容，而较大的反馈电容会降低系统的信噪比。
发明内容
本发明实施例提供了一种电容触摸屏的触摸检测方法和触摸检测装置，用于检测在待测电容上发生的触摸，并能够节约硬件成本，提高系统的抗噪声性能。
本发明实施例提供的一种电容触摸屏的触摸检测方法，包括：
发送端产生需要发送的波形信号并传送到待测电容；
所述待测电容将所述发送端传送的波形信号转换成电荷，把所述电荷转移到检测电路，当有触摸发生时，所述待测电容的电容大小会发生变化，向所述检测电路转移的电荷的电量也会发生变化；
所述检测电路接收所述待测电容转移的电荷，产生输出信号，所述检测电路对所述输出信号进行检测处理，以判断是否有触摸发生，在所述波形信号的边沿变化之前将所述检测电路的输出信号复位到参考电平，所述检测电路的相位时钟与所述发送端的相位时钟保持同步。
优选的，所述检测电路在所述波形信号的边沿变化之前将所述检测电路的输出信号复位到参考电平包括：
所述检测电路以纳秒级高电平的脉冲波按照大于所述波形信号的频率的频率在所述波形信号的边沿变化之前将开关闭合然后打开。
优选的，所述检测电路对所述输出信号进行检测处理包括：
所述检测电路对所述输出信号进行高速采样和保持，然后进行加权和滤波，最后转换为数字信号，以判断是否有触摸发生。
优选的，所述加权和滤波具体包括：在连续域或数字域或抽样数据域对所述输出信号进行加窗处理。
优选的，所述波形信号包括：连续的方波、梯形波、正弦波、余弦波、三角波。
本发明实施例提供的一种触摸检测装置，包括：发送端、待测电容、检测电路，其中，
所述发送端，用于产生需要发送的波形信号并传送到待测电容；
所述待测电容，用于将所述发送端传送的波形信号转换成电荷，把所述电荷转移到检测电路，当有触摸发生时，所述待测电容的电容大小会发生变化，向所述检测电路转移的电荷的电量也会发生变化；
所述检测电路，用于接收所述待测电容转移的电荷，产生输出信号，所述检测电路对所述输出信号进行检测处理，以判断是否有触摸发生，在所述波形信号的边沿变化之前将所述检测电路的输出信号复位到参考电平，所述检测电路的相位时钟与所述发送端的相位时钟保持同步。
优选的，所述发送端包括：波形发生器和发射机，
所述波形发生器，用于产生需要发送的波形信号；
所述发射机，用于传送所述波形信号到所述待测电容。
优选的，所述检测电路包括：带清零装置和反馈电容的电荷放大器、过采样和保持电路、加权和滤波电路、模数转换器，其中，
所述带清零装置和反馈电容的电荷放大器，用于接收所述待测电容转移的电荷，产生输出信号，在所述波形信号的边沿变化之前将输出信号复位到参考电平；
所述过采样和保持电路，用于对输出信号进行高速采样和保持；
所述加权和滤波电路，用于在连续域或数字域或抽样数据域对所述输出信号进行加窗处理；
所述模数转换器，用于将所述输出信号转换为数字信号并输出，以判断是否有触摸发生。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：
在本发明实施例中，当波形信号边沿到来时会给待测电容充放电，同时这个电荷量会传送到检测电路，由于检测电路在波形信号的边沿变化之前将输出信号复位到参考电平，可以避免噪声信号的积累，减少输出信号的饱和，提高了系统的抗噪声性能，且由于本发明实施例提供的电容触摸屏的触摸检测方法不需要三个频率同时扫描，故可以缩短整个检测时间，且不需要增加硬件成本。本发明实施例提供的方法当有触摸发生时，待测电容值会发生变化，通过检测这个变化，判断是否有触摸发生，如果有触摸发生，则计算触摸坐标。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的电容触摸屏的触摸检测方法的一个实施例示意图；
图2为现有技术中的电荷放大器的示意图；
图3为本发明实施例提供的带清零装置和反馈电容的电荷放大器的示意图；
图4为本发明实施例提供的检测电路的组成示意图；
图5为本发明实施例提供的电容触摸屏的触摸检测方法和现有技术中的输出信号一个实施例中的仿真示意图；
图6为本发明实施例提供的电容触摸屏的触摸检测方法和现有技术中的输出信号另一个实施例中的仿真示意图；
图7为图6中A部的放大示意图；
图8为本发明实施例提供的触摸检测装置的一个实施例示意图；
图9为本发明实施例提供的触摸检测装置的另一个实施例示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种电容触摸屏的触摸检测方法和触摸检测装置，用于检测在待测电容上发生的触摸，并能够节约硬件成本，提高系统的抗噪声性能。
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供的电容触摸屏的触摸检测方法，如图1所示，包括：
101、发送端产生需要发送的波形信号并传送到待测电容。
在本发明实施例中，发送端的相位时钟与检测电路的相位时钟保持同步。本发明实施例中的发送端首先产生需要发送的波形信号并将该波形信号传送到待测电容。在实际应用中，发送端产生的波形信号具体可以包括：的方波、梯形波、正弦波、余弦波、三角波等，具体采用哪一种波形信号，此处不作限定。
本发明实施例中的发送端具体可以包括：波形发生器(英文全称为WaveForm Generator)和发射机(英文全称为Transmitter)。波形发生器可以产生需要发送的波形信号，该波形发生器的相位时钟需要和检测电路的相位时钟保持同步，发射机对从波形发生器发来的波形信号进行电平转换，电平转换、增加驱动和边沿控制。
102、待测电容将发送端传送的波形信号转换成电荷，把电荷转移到检测电路。
当有触摸发生时，待测电容的电容大小会发生变化，向检测电路转移的电荷的电量也会发生变化。
在本发明实施例中，不管有无触摸，都有电荷转移，当有触摸发生时，触摸屏上待测电容的电容大小会发生改变，则电荷转移量会发生变化，通过检测电路检测变化量就知道电容的变化量，从而由检测电路判断触摸发生和计算触摸坐标。
在本发明实施例中，当人的手指或其它物体触摸电容式触摸屏时，被触摸点的待测电容就会发生变化，从而该待测电容就会产生电荷并将该电荷传送给检测电路，其中，该待测电容集成在电容触摸屏上。
103、检测电路接收待测电容转移的电荷，产生输出信号，检测电路对输出信号进行检测处理，以判断是否有触摸发生，在波形信号的边沿变化之前将检测电路的输出信号复位到参考电平。
其中，检测电路的相位时钟与发送端的相位时钟保持同步。
在本发明实施例中，检测电路接收到待测电容传送的电荷之后会向电容触摸屏的触摸控制器输出输出信号，作为触摸信息由触摸控制器进行识别。
本发明实施例中的检测电路会对在波形信号的边沿变化之前将检测电路的输出信号复位到参考电平，可以避免噪声信号的积累，减少输出信号的饱和，提高了系统的抗噪声性能。
在实际应用中，检测电路在波形信号的边沿变化之前将检测电路的输出信号复位到参考电平，其一种可实现的具体方式可以包括：检测电路以纳秒级高电平的脉冲波按照大于该波形信号的频率的频率在该波形信号的边沿变化之前将开关闭合然后打开。
在实际应用中，检测电路对波形信号进行检测处理，其一种可实现的具体方式可以包括：检测电路对输出信号进行高速采样和保持，然后进行加权和滤波，最后转换为数字信号，以判断是否有触摸发生。
本发明实施例中的检测电路具体可以包括：带清零装置和反馈电容的电荷放大器(电荷放大器的英文全称为Charge Amplifier)、过采样和保持电路(英文全称为Over Sample & Hold Circuit)，加权和滤波电路(英文全称为Weighting & Filter)，模数转换器(英文缩写为∑-ΔADC，ADC全称为Analog-to-Digital Converter)。其中，电荷放大器可以接收待测电容传送的电荷并进行放大转换为电压信号，电荷放大器上并联的清零装置能够在波形信号的边沿变化之前将输出信号复位到参考电平。
本发明实施例提供的电荷放大器和现有技术中的电荷放大器是不同的。现有技术中的电荷放大器带有一个高通反馈电阻，现有的电荷放大器用于对待测电容传来的电荷转换成电压，供下一级处理，由于同时集成了高通反馈电阻，用于确定电路的直流工作点。但是，当有幅度较大的低频(例如数十Hz至数十KHz)耦合进行这个电荷放大器时，整个检测电路非常容易饱和，当检测电路饱和时，真正的信号会被淹没，从而无法检测出来。现有的检测电路，如图2所示，CT为待测电容，RF为高通电阻，CF为反馈电容，如果不考虑高通电阻，则现有的检测电路是一个电容式比例放大器，对输入信号按CT/CF的比例进行放大。当输入信号过大时，则输出信号会发生饱和。为了减少饱和，该检测电路中增加高通电阻RF，这个RF会把输出信号反馈到反相输入端，当输出信号偏离中心值时，则把这个输出信号反馈到放大器反相输入端，通过这样叠加，可以减少输出信号的幅度。这个高通电阻与前面CT形成一个高通电路，对于低频信号可以有较好抑制，而对于需要工作的信号，比如100KHz～300KHz，则通过合适的参数设计，可以无衰减通过。但是，这只是一阶高通滤波器，滤波效果非常差，并且，高通电阻是集成在芯片内部的，偏差值非常大，比如20％，而外部CT变化也比较大，例如从1pF～4pF，为了保证100KHz～300KHz信号能正常通过，通常带宽设计的比较大，比如20KHz～1MHz。这样，一方面该滤波器对低频信号抑制效果差，另一方面，通带的设置比实际需要大很多，则会很多干扰信号，比如10KHz～100KHz的干扰信号，基本都可以无衰减的通过。很多干扰就发生在10KHz～100KHz这个频段，并且幅度非常大，非常容易造成信号饱和。
而本发明实施例提供的带清零装置和反馈电容的电荷放大器，如图3所示，CT为待测电容，CF为反馈电容，发射机发送来的方波是周期性信号TX，清零装置的KZ是纳秒级高电平(即高电平为非常小例如100nS)的脉冲波。在每次TX方波的边沿变化前脉冲会到来一次，脉冲会把开关闭合并打开，在开关闭合时，输出信号会复位到参考电平。由于TX的频率较高，例如100KHz～300KHz，而KZ的复位频率为200KHz～600KHz。这样，数十KHz以下的信号，会被KZ信号消除，无法累积，避免了低频饱和。例如干扰信号幅度为30V、频率为10KHz的正弦波，TX的波形信号为200KHz，则Kz的脉冲信号为400KHz，即每2.5us会将输出信号复位到参考电平。假如电荷放大器的前向增益为0.1，电荷放大器的工作电压为2.8V。则如果不采用带清零装置的放大器，理论上输出的输出信号的幅度是3V，比电荷放大器的工作电压高出0.2V，显然电荷放大器会进入饱和状态。而对于本发明实施例中提供的带清零装置的放大器，每2.5us会复位一次输出信号，也就是说，电荷放大器的输出最多跟随输入2.5us，然后重新开始，其理论输出信号为VOUT1＝0.1*30sin(10K)＝3sin(10K*6.28)，其变化率最大为3*62.8K＝188.4K，则经过2.5us输出幅度最大变化为2.5u*188.4K＝471m.由此可见，只要每2.5us进行复位一次，则输出信号就不会进入饱和区。
本发明实施例中电荷放大器将电荷转换成电压信号，然后由过采样和保持电路进行采样，加权和滤波电路在连续域或数字域或抽样数据域对输出信号进行加窗处理，模数转换器将输出信号转换为数字信号并输出。本发明实施例中的过采样和保持电路、过采样和保持电路、加权和滤波电路可以做成一个模块，如图4所示，当然也可分别设计电路完成，此处不作限定。在图4中，当K1和K4闭合，K2和K3打开时，电路进行采样，电容CS存储电荷为CS*VI。当K1和K3打开，K2和K4闭合时，CS中存储的电荷转移到下一级电路中。由于TX信号为突发的脉冲序列，为了减少信号恢复旁瓣影响，可以给输出信号加窗。加窗本质上就是对输出信号乘以一个系数，或者说进行幅度调制。这个相乘可以在连续域进行，也可以在数字域进行，同样也可以在采样数据(英文全称为sample data)域进行。在电路上，CS具体可以由8个电容组成，如图4所示分别为CS1～CS8，并通过开关连接，选择不同数量的CSi，则相当于乘以不同的系数，例如仅仅选择一个CSi，则开关KS1i和KS2i闭合，相当于系数为1/8，选择5个CSi，则相当于系数为5/8，一个不选，系数为0，全部选择，系数为1。
为了详细说明本发明实施例提供的电容触摸屏的触摸检测方法相比于现有技术所能取得的效果，特进行了实例证明并进行仿真，如图5所示，输入信号Vin为0时，噪声信号Vnoise为幅度30V、频率为10KHz的正弦波，VC为复位信号的脉冲波，频率为400KHZ，高电平的宽度为300nS，现有技术中输出信号为Vout1，本发明实施例中输出信号为Vout2。如图6所示，输入信号Vin为幅度为5V、频率为200KHz的方波时，噪声信号Vnoise为幅度30V、频率为10KHz的正弦波，VC为复位信号的脉冲波，频率为400KHZ，高电平宽度为300nS，现有技术中输出信号为Vout1，本发明实施例中输出信号为Vout2，如图7所示，为图6中A部的局部示意图。通过图5、图6和图7的仿真图可知，本发明实施例提供的电容触摸屏的触摸检测方法其抗噪声性能要优于现有技术。
在本发明实施例中，当波形信号边沿到来时会给待测电容充放电，同时这个电荷量会传送到检测电路，由于检测电路在波形信号的边沿变化之前将输出信号复位到参考电平，可以避免噪声信号的积累，减少输出信号的饱和，提高了系统的抗噪声性能，且由于本发明实施例提供的电容触摸屏的触摸检测方法不需要三个频率同时扫描，故可以缩短整个检测时间，且不需要增加硬件成本。本发明实施例提供的方法当有触摸发生时，待测电容值会发生变化，通过检测这个变化，判断是否有触摸发生，如果有触摸发生，则计算触摸坐标。
以上实施例介绍了本发明实施例提供的电容触摸屏的触摸检测方法，接下来介绍本发明实施例提供的触摸检测装置，本发明实施例提供的触摸检测装置具体可以内置于电容触摸屏内，通过软件或硬件集成的方式来实现对触摸检测的处理。在本发明实施例中将介绍和上述方法实施例中介绍的方法相对应的装置，具体各单元的执行方法可参见上述方法实施例，在此仅描述相关单元的内容，具体说明如下，请参阅图8所示，触摸检测装置800，包括：发送端801、待测电容802、检测电路803，检测电路803的相位时钟与发送端801的相位时钟保持同步。其中，
发送端801，用于产生需要发送的波形信号并传送到待测电容801。
待测电容802，用于将发送端801传送的波形信号转换成电荷，把电荷转移到检测电路803，当有触摸发生时，待测电容802的电容大小会发生变化，向检测电路803转移的电荷的电量也会发生变化。
检测电路803，用于接收待测电容802转移的电荷，产生输出信号，对输出信号进行检测处理，以判断是否有触摸发生；在波形信号的边沿变化之前将检测电路的输出信号复位到参考电平。
如图9所示，为本发明实施例提供的触摸检测装置的一种组成结构示意图，发送端801的相位时钟与检测电路802的相位时钟保持同步。在实际应用中，对于发送端801而言，一种可实现的方式是，发送端801包括：波形发生器8011和发射机8012，其中，
波形发生器8011，用于产生需要发送的波形信号。
发射机8012，用于传送波形信号到待测电容。
如图9所示，为本发明实施例提供的触摸检测装置的一种组成结构示意图，在实际应用中，对于检测电路803而言，一种可实现的方式是，检测电路803包括：带清零装置和反馈电容的电荷放大器8031、过采样和保持电路8032、加权和滤波电路8033、模数转换器8034，其中，
带清零装置和反馈电容的电荷放大器8031，用于接收所述待测电容转移的电荷，产生输出信号，在波形信号的边沿变化之前将输出信号复位到参考电平。
过采样和保持电路8032，用于对输出信号进行高速采样和保持。
加权和滤波电路8033，用于在连续域或数字域或抽样数据域对输出信号进行加窗处理。
模数转换器8034，用于将输出信号转换为数字信号并输出，以判断是否有触摸发生。
需要说明的是，上述装置各模块/单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明方法实施例基于同一构思，其带来的技术效果与本发明方法实施例相同，具体内容可参见本发明如图1所示的方法实施例中的叙述，此处不再赘述。
在本发明实施例中，当波形信号边沿到来时会给待测电容充放电，同时这个电荷量会传送到检测电路，由于检测电路在波形信号的边沿变化之前将输出信号复位到参考电平，可以避免噪声信号的积累，减少输出信号的饱和，提高了系统的抗噪声性能，且由于本发明实施例提供的电容触摸屏的触摸检测方法不需要三个频率同时扫描，故可以缩短整个检测时间，且不需要增加硬件成本。本发明实施例提供的方法当有触摸发生时，待测电容值会发生变化，通过检测这个变化，判断是否有触摸发生，如果有触摸发生，则计算触摸坐标。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
以上对本发明所提供的一种电容触摸屏的触摸检测方法和触摸检测装置进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种电容触摸屏的触摸检测方法，其特征在于，包括：
发送端产生需要发送的波形信号并传送到待测电容；
所述待测电容将所述发送端传送的波形信号转换成电荷，把所述电荷转移到检测电路，当有触摸发生时，所述待测电容的电容大小会发生变化，向所述检测电路转移的电荷的电量也会发生变化；
所述检测电路接收所述待测电容转移的电荷，产生输出信号，所述检测电路对所述输出信号进行高速采样和保持，然后进行加权和滤波，最后转换为数字信号，以判断是否有触摸发生，所述检测电路包括开关，所述开关用于将所述检测电路的输出信号复位到参考电平，所述检测电路按照大于所述波形信号的频率的频率在所述波形信号的边沿变化之前将开关闭合然后打开，使得所述检测电路的输出信号在所述波形信号的边沿变化之前复位到参考电平，所述检测电路的相位时钟与所述发送端的相位时钟保持同步。
2.根据权利要求1所述的电容触摸屏的触摸检测方法，其特征在于，所述检测电路在所述波形信号的边沿变化之前将所述检测电路的输出信号复位到参考电平包括：
所述检测电路以纳秒级高电平的脉冲波按照大于所述波形信号的频率的频率在所述波形信号的边沿变化之前将开关闭合然后打开。
3.根据权利要求1所述的电容触摸屏的触摸检测方法，其特征在于，所述加权和滤波具体包括：
在连续域或数字域或抽样数据域对所述输出信号进行加窗处理。
4.根据权利要求1所述的电容触摸屏的触摸检测方法，其特征在于，所述波形信号包括：连续的方波、梯形波、正弦波、余弦波、三角波。
5.一种触摸检测装置，其特征在于，包括：发送端、待测电容、检测电路，其中，
所述发送端，用于产生需要发送的波形信号并传送到待测电容；
所述待测电容，用于将所述发送端传送的波形信号转换成电荷，把所述电荷转移到检测电路，当有触摸发生时，所述待测电容的电容大小会发生变化，向所述检测电路转移的电荷的电量也会发生变化；
所述检测电路，用于接收所述待测电容转移的电荷，产生输出信号，对所述输出信号进行检测处理，以判断是否有触摸发生；在所述波形信号的边沿变化之前将所述检测电路的输出信号复位到参考电平，所述检测电路的相位时钟与所述发送端的相位时钟保持同步，所述检测电路包括：带清零装置和反馈电容的电荷放大器、过采样和保持电路、加权和滤波电路、模数转换器，其中，所述带清零装置和反馈电容的电荷放大器，用于接收所述待测电容转移的电荷，产生输出信号，通过按照大于所述波形信号的频率的频率在所述波形信号的边沿变化之前将开关闭合然后打开，使得输出信号在所述波形信号的边沿变化之前复位到参考电平；所述过采样和保持电路，用于对输出信号进行高速采样和保持；所述加权和滤波电路，用于在连续域或数字域或抽样数据域对所述输出信号进行加窗处理；所述模数转换器，用于将所述输出信号转换为数字信号并输出，以判断是否有触摸发生。
6.根据权利要求5所述的触摸检测装置，其特征在于，所述发送端包括：波形发生器和发射机，
所述波形发生器，用于产生需要发送的波形信号；
所述发射机，用于传送所述波形信号到所述待测电容。
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