CN103019449B - 基于压力传感器的三维多点式触摸屏 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于压力传感器的三维多点式触摸屏，其包括电容触摸屏体及电容触摸屏控制芯片；电容触摸屏体的背面设置薄膜压力传感器，所述薄膜压力传感器通过压力传感器接口芯片与主控芯片连接，主控芯片与电容触摸屏控制芯片连接；压力传感器接口芯片将薄膜压力传感器检测的触摸压力值传输至主控芯片内，电容触摸屏控制芯片将得到对电容触摸屏体触摸的触摸点数及位置信息传输至主控芯片，主控芯片根据压力传感器接口芯片及电容触摸屏控制芯片的输入信息，得到对电容触摸屏体触摸操作的触摸点数、触摸位置及对应的触摸压力。本发明结构简单紧凑，提高触摸检测精度，实现三维多点式触摸操作检测，安全可靠。

Description

基于压力传感器的三维多点式触摸屏

技术领域

本发明涉及一种触摸屏，尤其是一种基于压力传感器的三维多点式触摸屏，具体地说是通过压力传感器与多点式电容触摸屏有机结合实现支持三维多点触控的触摸屏，属于人机交互的技术领域。

背景技术

触摸屏因具有易操作性、直观性和灵活性等优点，已成为个人移动通信设备和综合信息终端如平板电脑和智能手机、超级笔记本电脑的主要人机交互手段。触摸屏根据不同的触控原理可分为电阻触摸屏、电容触摸屏、红外触摸屏和表面声波（SAW）触摸屏等四种主要类型。其中电容触摸屏具有多点触控的功能，反应时间快、使用寿命长和光透过率较高，用户使用体验优越，同时随着工艺的逐步成熟，良品率得到显著提高，电容屏价格日益降低，目前已成为中小尺寸信息终端触控交互采用的主要技术。

电容触摸屏存在易受环境干扰的缺点，对于戴着手套和手指带水进行触控的情况或者在下雨、下雪等天气的室外使用时，难以准确捕获发生的触控行为。同时电容触摸屏存在由于灵敏度较高导致手指悬空在触摸屏上方时引起触摸误操作的问题。此外，电容触摸屏仅感知屏体所在平面（X，Y轴二维空间）的触摸位置，难以支持垂直于屏体平面（Z轴）的触摸参数感知。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种基于压力传感器的三维多点式触摸屏，其结构简单紧凑，提高触摸检测精度，实现三维多点式触摸操作检测，安全可靠。

按照本发明提供的技术方案，所述基于压力传感器的三维多点式触摸屏，包括电容触摸屏体及用于检测对所述电容触摸屏体触控操作的电容触摸屏控制芯片；所述电容触摸屏体的背面设置若干用于检测作用于电容触摸屏体触摸压力的薄膜压力传感器，所述薄膜压力传感器通过压力传感器接口芯片与主控芯片连接，主控芯片与电容触摸屏控制芯片连接；

压力传感器接口芯片将薄膜压力传感器检测的触摸压力值传输至主控芯片内，电容触摸屏控制芯片将得到对电容触摸屏体触摸的触摸点数及位置信息传输至主控芯片，主控芯片根据压力传感器接口芯片及电容触摸屏控制芯片的输入信息，得到对电容触摸屏体触摸操作的触摸点数、触摸位置及对应的触摸压力。

所述电容触摸屏体的背面设置至少两个薄膜压力传感器，所述薄膜压力压力传感器位于电容触摸屏体的端角。

在压力传感器接口芯片将检测的触摸压力传输至主控芯片前，主控芯片使得电容触摸屏控制芯片进入低功耗状态；主控芯片接收压力传感器接口芯片传输的触摸压力后，主控芯片使得电容触摸屏控制芯片进入工作状态，并通过电容触摸屏控制芯片检测触摸操作的触摸点数及触摸位置。

所述主控芯片通过压力传感器接口芯片使得位于端角对角线上的两个薄膜压力传感器处于工作状态，并使得电容触摸屏体背面的其余薄膜压力传感器进入低功耗状态。

本发明的优点：通过在多点式电容触摸屏体的背面集成多个低功耗薄膜压力传感器，基于薄膜压力传感器检测的压力感知滤除由于电容触摸屏体过于灵敏导致的手指悬空误操作，避免出现手指按压而由于环境恶劣无法捕获触摸行为的情况。在正常触摸条件下，可以通过多个薄膜压力传感器的压力值检测，获得多个触摸点对应的压力值，实现基于压力的三维界面控制和人机交互，结构简单紧凑，提高触摸检测精度，安全可靠。

附图说明

图1为本发明的结构框图。

图2为本发明的工作流程图。

附图标记说明：1-电容触摸屏体、2-薄膜压力传感器、3-触摸屏可视显示区域、4-电容触摸屏控制芯片、5-主控芯片及6-压力传感器接口芯片。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示：为了克服现有电容触摸屏体1存在触摸误操作、容易受使用环境和使用条件干扰等方面的缺点，本发明包括电容触摸屏体1及用于检测对所述电容触摸屏体1触控操作的电容触摸屏控制芯片4；所述电容触摸屏体1的背面设置若干用于检测作用于电容触摸屏体4触摸压力的薄膜压力传感器2，所述薄膜压力传感器2通过压力传感器接口芯片6与主控芯片5连接，主控芯片5与电容触摸屏控制芯片4连接；

压力传感器接口芯片6将薄膜压力传感器2检测的触摸压力值传输至主控芯片5内，电容触摸屏控制芯片4将得到对电容触摸屏体1触摸的触摸点数及位置信息传输至主控芯片5，主控芯片5根据压力传感器接口芯片6及电容触摸屏控制芯片4的输入信息，得到对电容触摸屏体1触摸操作的触摸点数、触摸位置及对应的触摸压力。

具体地，电容触摸屏体1可以采用传统多点式电容触摸屏，电容触摸屏体1是与用户直接交互的实体，外表面通常为抗刮擦玻璃，通过在电容触摸屏体1平面的X轴和Y轴分别设置由透明导电材料制成的多条信号驱动线和信号检测线，形成交互电容矩阵，实现对人体触摸引起的电容变化进行检测。

所述电容触摸屏控制芯片4与电容触摸屏体1内X、Y轴的多条信号驱动线和信号检测线相连，根据发生电容变化的信号驱动线和信号检测线对应的编号，实现多个触控点的检测和定位。为了实现高精度的定位和降低环境噪声对电容变化检测信号的影响，电容触摸屏控制芯片4通常内嵌门限检测、噪声信号滤波和空间插值算法等本技术领域常用的技术手段，此处不再一一列举。

所述薄膜压力传感器2布设在电容触摸屏体1的下表面和设备主机之间，即电容触摸屏体1的背面，用于感知用户触摸电容触摸屏体1产生的触控压力。薄膜压力传感器2的厚度薄，面积很小，通常布设在电容触摸屏体1的四角（位于屏幕可见显示区域3外），不会显著增加电容触摸屏体1的总体厚度和边缘宽度。薄膜压力传感器2的布设数量至少为2个，可以为2、3或4等个，布设数量的增加利于提高对电容屏幕触屏体1触控操作检测的可靠性，同时提高多个点触控压力的辨识计算能力。本发明具体实施例中，示出了分布于电容触摸屏体1四个端角处的4个薄膜压力传感器2；当设置的薄膜压力传感器2数量多于电容触摸屏体1的端角数量时，可以将薄膜压力传感器2设置在电容触摸屏体1的端边或侧边上，薄膜压力传感器2设置的位置不会影响对触摸压力操作的检测精度，薄膜压力传感器2可以采用现有的薄膜压力传感器结构。

所述压力传感器接口芯片6通过导线与薄膜压力传感器2相连，完成多个薄膜压力传感器2的压力测量值采样，并通过数字接口将多个薄膜压力传感器2测量的压力值传送给主控芯片5。

所述主控芯片5是个人移动通信设备和综合信息终端等设备的CPU，根据压力传感器接口芯片6发送的压力值判断是否发生触控行为：发生触控行为时，启动电容触摸屏控制芯片4，获取触控点数和各点触控位置信息；无触控行为时，使电容触摸屏控制芯片4处于休眠状态，降低功耗。同时根据多个薄膜压力传感器2的压力值测量数据和触控点数、各点触控位置，通过数据融合处理，得到各点触摸位置对应的触控压力。

如图2所示：为本发明具体实施例的工作流程图，具体实现步骤如下：

步骤1）、设备启动

设备启动后，薄膜压力传感器2和压力传感器接口芯片6处于工作状态，电容触摸屏控制芯片4处于休眠状态，减少系统总体功耗。为进一步降低功耗，可令多个薄膜压力传感器2中位于对角线的2个传感器处于值守工作状态。通过压力传感器值守2和电容触摸屏控制芯片4休眠的方式，有效滤除了手指悬空引起的触控误操作。

步骤2）、压力传感器对触控行为的探测

当用户触摸电容触摸屏体1时，处于值守状态的薄膜压力传感器2通过测量的压力值变化检测到触控行为后，主控芯片5立即将电容触摸屏控制芯片4由休眠状态转换至工作状态。如果没有发生触摸行为，电容触摸屏控制芯片4仍处于休眠状态。

步骤3）、电容触摸屏体1对触控行为的检测

电容触摸屏控制芯片4进入工作状态后，对触控点数和触控点对应位置进行检测。如果没有检测到任何触控点，主控芯片5根据薄膜压力传感器2的触控行为检测结果执行对应的处理：当检测结果显示触控行为仍在持续，则提高电容触摸屏控制芯片4的检测灵敏度，避免出现人体按压屏体但由于环境恶劣而无法捕获触摸行为的情况；若触控行为已结束，则将电容触摸屏控制芯片4转换为休眠状态。

步骤4）、各触控点的触控压力计算

主控芯片5根据收到的各个薄膜压力传感器2的压力测量值、电容触摸屏控制芯片4获得的触控点数和触控点具体位置，进行各个触控点压力的计算。

以电容触摸屏体1的背面设置四个薄膜压力传感器2为例，来说明本发明实施例的具体计算过程。设四个薄膜压力传感器2的布设位置分别为（0,0）、（L，0）、（0,B）、（L，B），对应压力测量值分别为P1、P2、P3、P4；其中，以四个薄膜压力传感器2中的一个定位基点，参数L表示相邻两个薄膜压力传感器2的长度，参数B表示相邻两个薄膜压力传感器2的高度。触控点数为三个，对应触控点位置分别为（x1,y1）、（x2,y2）、（x3,y3），所述参数坐标为以电容触摸屏体1的X轴、Y轴的坐标系得到的坐标值。待计算的对应触控点压力分别为p1、p2、p3。根据压力触控技术中的压力与位置关系可得到如下等式：

$p1\×\frac{\sqrt{{x1}^2+{y1}^2}}{T1}+p2\×\frac{\sqrt{{x2}^2+{y2}^2}}{T2}+p3\×\frac{\sqrt{{x3}^2+y{3}^2}}{T3}=P1$

$p1\×\frac{\sqrt{{(L-x1)}^2+{y1}^2}}{T1}+p2\×\frac{\sqrt{{(L-x2)}^2+{y2}^2}}{T2}+p3\×\frac{\sqrt{{(L-x3)}^2+{y3}^2}}{T3}=P2---\left(1\right)$

$p1\×\frac{\sqrt{{x1}^2+{(B-y1)}^2}}{T1}+p2\×\frac{\sqrt{{x2}^2+{(B-y2)}^2}}{T2}+p3\×\frac{\sqrt{{x3}^2+{(B-y3)}^2}}{T3}=P3$

$p1\×\frac{\sqrt{{(L-x1)}^2+{(B-y1)}^2}}{T1}+p2\×\frac{\sqrt{{(L-x2)}^2+{(B-y2)}^2}}{T2}+p3\×\frac{\sqrt{{(L-x3)}^2+{(B-y3)}^2}}{T3}=P4$

式中T1、T2、T3为已知量，分别为：

$T1=\sqrt{{x1}^2+{y1}^2}+\sqrt{{(L-x1)}^2+{y1}^2}+\sqrt{{x1}^2+{(B-y1)}^2}+\sqrt{{(L-x1)}^2+{(B-y1)}^2}$

$T2=\sqrt{{x2}^2+{y2}^2}+\sqrt{{(L-x2)}^2+{y2}^2}+\sqrt{{x2}^2+{(B-y2)}^2}+\sqrt{{(L-x2)}^2+{(B-y2)}^2}---\left(2\right)$

$T3=\sqrt{{x3}^2+{y3}^2}+\sqrt{{(L-x3)}^2+{y3}^2}+\sqrt{{x3}^2+{(B-y3)}^2}+\sqrt{{(L-x3)}^2+{(B-y3)}^2}$

由式（1）通过最小二次方差矩阵求逆的方法，对于四个薄膜压力传感器2可以得到任何小于等于4个触控点的触控压力值。

主控芯片5根据各个触控点的位置和压力信息执行对应的操作，实现了对三维界面的三维控制和交互。

主控芯片5完成当前时刻的触控点数、触控位置和触控压力检测后，根据薄膜压力传感器2对触控行为的探测结果执行相应的处理流程：若用户触控行为已结束，则将电容触摸屏控制芯片4转换为休眠状态；若用户触控行为仍在持续，则由电容触摸屏控制芯片4对触控点数和触控点对应位置进行继续检测。

本发明通过在多点式电容触摸屏体1的背面集成多个低功耗薄膜压力传感器2，基于薄膜压力传感器2检测的压力感知滤除由于电容触摸屏体1过于灵敏导致的手指悬空误操作，避免出现手指按压而由于环境恶劣无法捕获触摸行为的情况。在正常触摸条件下，可以通过多个薄膜压力传感器2的压力值检测，获得多个触摸点对应的压力值，实现基于压力的三维界面控制和人机交互。

Claims (1)

1.一种基于压力传感器的三维多点式触摸屏，包括电容触摸屏体（1）及用于检测对所述电容触摸屏体（1）触控操作的电容触摸屏控制芯片（4）；其特征是：所述电容触摸屏体（1）的背面设置若干用于检测作用于电容触摸屏体（4）触摸压力的薄膜压力传感器（2），所述薄膜压力传感器（2）通过压力传感器接口芯片（6）与主控芯片（5）连接，主控芯片（5）与电容触摸屏控制芯片（4）连接；

压力传感器接口芯片（6）将薄膜压力传感器（2）检测的触摸压力值传输至主控芯片（5）内，电容触摸屏控制芯片（4）将得到对电容触摸屏体（1）触摸的触摸点数及位置信息传输至主控芯片（5），主控芯片（5）根据压力传感器接口芯片（6）及电容触摸屏控制芯片（4）的输入信息，得到对电容触摸屏体（1）触摸操作的触摸点数、触摸位置及对应的触摸压力；

所述电容触摸屏体（1）的背面设置至少两个薄膜压力传感器（2），所述薄膜压力传感器（2）位于电容触摸屏体（1）的端角；

在压力传感器接口芯片（6）将检测的触摸压力传输至主控芯片（5）前，主控芯片（5）使得电容触摸屏控制芯片（4）进入低功耗状态；主控芯片（5）接收压力传感器接口芯片（6）传输的触摸压力后，主控芯片（5）使得电容触摸屏控制芯片（4）进入工作状态，并通过电容触摸屏控制芯片（4）检测触摸操作的触摸点数及触摸位置；

所述主控芯片（5）通过压力传感器接口芯片（6）使得位于端角对角线上的两个薄膜压力传感器（2）处于工作状态，并使得电容触摸屏体（1）背面的其余薄膜压力传感器（2）进入低功耗状态。