CN103116434B - 一种大尺寸互电容触摸装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大尺寸互电容触摸装置，包括感应平面、激励电极、接收电极、主控处理器、激励模组和接收模组；主控处理器通过激励控制总线连接一个激励模组，多个激励电极分别通过激励电极接口连接到激励模组；主控处理器通过接收控制总线和接收数据总线连接K个接收模组，多个接收电极分别通过接收电极接口连接到其中一个接收模组；每个接收模组包括一个接收智能单元和H个接收模拟单元，每个接收模拟单元分别通过接收电极接口与若干个接收电极相连。本发明具有很高的信噪比，进行一次触摸检测全局扫描的时间缩短到现有技术的K×H分之一，而且容易满足对控制、运算能力的要求，从而可以满足超大尺寸互电容多点触摸装置的要求。

Description

一种大尺寸互电容触摸装置

技术领域

本发明涉及触摸屏、电子白板等触摸设备领域，尤其涉及一种超大尺寸（可达60～100英寸）的互电容多点触摸装置。

背景技术

互电容触摸装置属于电容触摸装置的一种类型，电容触摸装置还有一种类型是自电容触摸装置。但，自电容触摸装置会产生“鬼点”，无法实现真正的多点触摸。

而现行互电容触摸装置方案中，互电容触摸装置通常为中小尺寸（一般在20英寸以下），电路上基本使用专用芯片(如Cypress，Atmel等)。现行方案不能实现大尺寸触摸装置的原因在于：

1、信噪比：目前在电容式触控中广泛应用的透明电极ITO镀膜，电阻率较高，如果屏幕过大，在电极的末端阻抗对信号的影响很大，信号衰减明显，信噪比低。

2、芯片引脚：触控芯片厂家支持的行、列引脚数不能满足大尺寸触摸装置的需求。

3、检测速度：由M行N列电极组成的电容触摸装置需要扫描M×N次，现行方案耗时过长，不能满足大尺寸触摸装置的需求。

4、运算能力：触控芯片运算能力不能满足大尺寸多点触摸装置的需求。

发明内容

为解决现有方案不能用于制造大尺寸电容触摸装置的问题，本发明的目的在于提供大尺寸互电容多点触摸装置。为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种大尺寸互电容触摸装置，包括感应平面、激励电极、接收电极、主控处理器、激励模组和接收模组；其中所述主控处理器通过激励控制总线连接一个激励模组，多个所述激励电极分别通过激励电极接口连接到所述激励模组；所述主控处理器通过接收控制总线和接收数据总线连接K个接收模组，多个所述接收电极分别通过接收电极接口连接到其中一个接收模组；

上述中，K≥1；

每个所述接收模组包括一个接收智能单元和H个接收模拟单元，每个所述接收模拟单元分别通过接收电极接口与若干个所述接收电极相连，并且按所述接收智能单元发出的控制信号进行工作，将接收电极上感应到的信号经过处理后送到接收智能单元进行模数转换，所述接收智能单元通过接收控制总线和接收数据总线连接到所述主控处理器；

上述中，H≥1。

优选的，所述接收智能单元包含一个嵌入式处理器和H（此H≥1，与所接接收模拟单元数目相等）路可同时工作的模数转换电路。

优选的，所述接收模拟单元由模拟开关阵列、放大电路、带通滤波器、绝对值电路、积分电路组成。

根据应用场合，所述感应平面可以为透明或不透明的材料。

所述激励电极和接收电极是用透明或不透明的导电材料制作在所述感应平面上的第一线条或第一图案。

优选的，所述感应平面设有用于屏蔽干扰的第二线条或第二图案，所述第二线条或第二图案采用与所述激励电极和接收电极相同的材料制造在所述感应平面上。

优选的，所述激励模组接收主控处理器的控制信号，通过激励电极接口将激励信号输出到某一个被选中的激励电极，所述激励信号为一组高压正弦波。优选的，所述激励信号正弦波频率为1～10MHz。优选的，所述激励信号正弦波幅度为5～15V。

所述大尺寸互电容触摸装置还包括固化在装置内的嵌入式软件。

为对嵌入式软件进行说明，设所述触摸装置共有M个激励电极、N个接收电极、K个接收模组，每个接收模组有H个接收模拟单元，每个接收模拟单元和1～I个接收电极相连，这里满足如下不等式：

N≤K×H×I

注意每个接收模拟单元连接的接收电极数目可以不相等，这里不予细述。通常情况下，每个接收模拟单元和I个接收电极相连，满足：N=K×H×I。

设上述M个激励电极编号为1～M，每个接收模拟单元连接的接收电极编号为1～I。注意每个接收电极编号对应K×H个接收电极，分别连接在不同的接收模拟单元上。

在嵌入式软件的调度下，主控处理器与激励模组和接收模组之间通过激励控制总线和接收控制总线传输控制信号，一起协同工作。

嵌入式软件内设置一个激励通道计数器和一个接收通道计数器，激励模组按激励通道计数器的数值选中对应编号的激励电极，接收模拟单元按接收通道计数器的数值开通相应模拟开关，选中对应编号的接收电极。

主要处理流程如下：

1）主控处理器发出帧同步信号，准备进行一轮扫描，激励通道计数器清0；

2）主控处理器发出行同步信号，激励通道计数器增1并选中对应的激励电极，接收通道计数器清0；

3）主控处理器发出列同步信号，接收通道计数器增1并选中对应的接收电极，所有接收模拟单元积分电路复位，泄放掉原先积累的电荷；

4）主控处理器发出启动信号，激励模组向选中的激励电极发射激励信号，所有接收模拟单元积分电路开始积分运算；

5）经过一定的时间延迟后，激励模组停止发射激励信号，所有接收模拟单元积分电路停止积分运算；

6）所有接收智能单元的所有模数转换（A/D）电路开始一次模数转换（A/D）；

7）模数转换(A/D)完成后，由接收智能单元的嵌入式处理器读取并保存转换结果；

8）判断接收通道计数器是否达到前述I值；

9）如果步骤（8）判断是，则转到步骤（10），如果判断为否，则返回步骤（3）；

10）判断激励通道计数器是否达到前述M值；

11)如果步骤（10）判断是，则转到步骤（12），如果判断为否，则返回步骤（2）；

12）所有接收模组同时进行计算分析，将本轮扫描采集到的所有通道模数转换（A/D）结果和预先扫描采样并保存的标准值进行对比，判断由该接收模组所连接的接收电极与激励电极组成的区域内是否有触摸，如果有触摸发生，则计算触摸点数与各触摸点的位置等信息；

13）主控处理器通过接收数据总线读取所有接收模组的分析计算结果，并综合所有结果进一步分析，如果有触摸发生，则进行相应触摸响应。

循环步骤（1）至步骤（13）可以实现多点触控和书写的效果。

本发明技术方案具有很高的信噪比，进行一次触摸检测全局扫描的时间缩短到现有技术的K×H分之一，而且容易满足对控制、运算能力的要求，从而可以满足超大尺寸（可达60～100英寸）互电容多点触摸装置的要求，实现大尺寸互电容触摸装置需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术自电容触摸装置的M+N个自电容分布图；

图2为现有技术自电容触摸装置两点触摸图；

图3为现有技术互电容触摸装置的M×N个互电容分布图；

图4为本发明的系统结构框图；

图5为本发明接收模组结构框图；

图6为实施例1的系统结构框图；

图7为实施例1接收电极接口结构图；

图8为实施例1激励模组的结构框图；

图9为实施例1接收模拟单元结构框图；

图10为实施例2激励模组的结构框图。

具体实施方式

为更好的了解本发明，在阐述本发明之前，对背景技术里的自电容触摸装置和互电容触摸装置再结合附图进行介绍，然后引出本发明。

自电容的原理如下：

参见图1，X轴与Y轴扫描电极与地或人体(人体虚拟接地)构成自电容，手指触摸时自电容容值发生改变。分别对M+N个扫描电极进行扫描，检测自电容，即可分析计算触摸状态。

当有两个点触摸时，X，Y方向分别能够产生两个信号变化，两个信号变化对应两组触摸状态，它们分别位于一个矩形的两个对角上，如果这两个状态中的一个是真实的两点触摸，那么另外的两个点就被称之为“鬼点”。参见图2，无法判断触摸位于两个黑点处，还是在两个白色点的位置。因此，自电容触摸装置无法实现真正的多点触摸。

互电容的原理如下：

参见图3，X轴接收电极与Y轴激励电极每个节点（空间重叠区域）够成一个互电容，手指触摸时互电容容值发生改变。分别对MxN个节点进行扫描，检测互电容，即可分析计算触摸状态。

无论有多少个触摸点，都不会产生鬼点，因此，互电容触摸装置特别适合多点触摸应用，例如APPLE公司的iPhone、iPAD等产品。

但现行互电容触摸装置通常为中小尺寸（一般在20英寸以下），电路上基本使用专用芯片（如Cypress，Atmel等），不能实现大尺寸触摸装置，发明人认为主要的原因在于在背景技术里提到的四点：1、信噪比；2、芯片引脚；3、检测速度；4、运算能力。

为解决此4个问题，发明人提出了解决此技术问题的本发明的技术方案：

如图4所示，一种大尺寸互电容触摸装置，包括感应平面1、激励电极2、接收电极3、主控处理器4、激励模组5和接收模组6；其中所述主控处理器4通过激励控制总线连接一个激励模组5，多个所述激励电极2分别通过激励电极接口连接到所述激励模组5；所述主控处理器4通过接收控制总线和接收数据总线连接K个接收模组6，多个所述接收电极3分别通过接收电极接口连接到其中一个接收模组6；

上述中，K≥1；

如图5所示，每个所述接收模组6包括一个接收智能单元12和H个接收模拟单元11，每个所述接收模拟单元11分别通过接收电极接口与若干个所述接收电极相连，并且按所述接收智能单元12发出的控制信号进行工作，将接收电极上感应到的信号经过处理后送到接收智能单元12进行模数转换，所述接收智能单元12通过接收控制总线和接收数据总线连接到所述主控处理器；

上述中，H≥1。

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图6所示，一种超大尺寸互电容触摸装置主要包括感应平面1、128个激励电极2、128个接收电极3、主控处理器4、激励模组5和接收模组6，尺寸可达70英寸以上。

上述中，感应平面为不透明的PET薄膜。

上述中，通过直接把银浆印刷在感应平面上的方法制造激励电极和接收电极，所述激励电极和接收电极为图案简单的粗直线条。

上述中，每个激励电极或接收电极与其它任意一个激励电极或接收电极电气上互不连通；每个激励电极和每个接收电极在空间上垂直交叉，其空间重叠的区域构成一个互电容的两极，128个激励电极和128个接收电极形成一组128×128的互电容阵列。

上述中，激励电极和接收电极分别制造在所述感应平面的正反两面。

上述中，每个激励电极与感应平面长轴方向平行，每个接收电极与感应平面短轴方向平行。

上述中，所有激励电极和接收电极在感应平面内呈均匀分布。

上述中，感应平面上同时用银浆印刷了用于屏蔽干扰的图案（图中未表示）。

上述接收电极接口如图7所示，可以将金属材料的触针7一端压铆接收电极3(印刷在感应平面1上)的末端，触针7另一端可以直接焊装在印刷线路板上连接接收模组6，激励电极接口的实现方法与此相同。

上述中，主控处理器由微控制器（MCU）和相关外围电路组成，通过激励控制总线连接一个激励模组，激励模组通过激励电极接口与128个激励电极相连；所述主控处理器通过接收控制总线和接收数据总线连接2个接收模组，每个接收模组分别通过接收电极接口连接64个接收电极。

上述中，激励模组可以接受主控处理器的控制信号，通过激励电平接口将激励信号输出到某一个被选中的激励电极。所述激励信号为一组频率为10Mhz幅度为9V的正弦波，每个激励信号持续6个正弦波周期。

如图8所示，所述激励模组5包含控制电路8、正弦波发生器9和模拟开关阵列10。所述控制电路8由复杂可编程逻辑器件（CPLD）和相关外围电路组成。控制电路8可以控制所述正弦波发生器9，用于产生要求的正弦波，也可以控制正弦波发生器9停止产生正弦波。所述模拟开关阵列10由128个模拟开关组成，所有模拟开关的一端并联在一起，连接到正弦波发生器9的输出端，所有模拟开关的另一端分别通过激励电平接口连接一个激励电极。控制电路8可以控制模拟开关阵列10接通任意一个模拟开关，当然也可以把所有模拟开关同时关断。

上述中，大尺寸互电容触摸装置的主控处理器通过接收控制总线和接收数据总线连接2个接收模组。每个接收模组包含一个接收智能单元和2个接收模拟单元。每个接收模拟单元分别通过接收电极接口与32个接收电极相连，并且可以按接收智能单元发出的控制信号进行工作，将接收电极上感应到的信号经过处理后送到接收智能单元进行模数转换（A/D）。接收智能单元通过接收控制总线和接收数据总线连接到前述主控处理器。如图9所示，所述接收模拟单元11由模拟开关阵列13、放大电路14、带通滤波器15、绝对值电路16、积分电路17组成。所述接收智能单元包含一个微控制器和2路可同时工作的模数转换（A/D）电路。

上述接收模拟单元11的各个电路模块的实现都有成熟技术，对于本领域普通技术人员来讲，不需要创造性劳动就可以实现，故不予细述。本案例放大电路由集成运放组成，所述带通滤波器选用有源滤波器。

上述中，激励控制总线、接收控制总线、接收数据总线采用并行总线和自定义串行总线的组合，对于本领域普通技术人员来讲，不需要创造性劳动就可以实现，故不予细述。

所述大尺寸互电容触摸装置还包括固化在装置内的嵌入式软件，触摸装置共有128个激励电极、128个接收电极、2个接收模组，每个接收模组有2个接收模拟单元，每个接收模拟单元和32个接收电极相连。

上述激励电极编号为1～128，每个接收模拟单元连接的接收电极编号为1～32。注意每个接收电极编号对应2×2个接收电极，分别连接在不同的接收模拟单元上。

在嵌入式软件的调度下，主控处理器与激励模组和接收模组之间通过激励控制总线和接收控制总线传输控制信号，一起协同工作。

嵌入式软件内设置一个激励通道计数器和一个接收通道计数器。激励模组按激励通道计数器的数值开通相应模拟开关，正弦波发生器和对应编号的激励电极接通，选中该激励电极。接收模拟单元按接收通道计数器的数值开通相应模拟开关，选中对应编号的接收电极。

主要处理流程如下：

1）主控处理器发出帧同步信号，准备进行一轮扫描，激励通道计数器清0；

2）主控处理器发出行同步信号，激励通道计数器增1并选中对应的激励电极，接收通道计数器清0；

3）主控处理器发出列同步信号，接收通道计数器增1并选中对应的接收电极，所有接收模拟单元积分电路复位，泄放掉原先积累的电荷；

4）主控处理器发出启动信号，激励模组向选中的激励电极发射激励信号，所有接收模拟单元积分电路开始积分运算；

5）经过一定的时间延迟后，激励模组停止发射激励信号，所有接收模拟单元积分电路停止积分运算；

6）所有接收智能单元的所有模数转换（A/D）电路开始一次模数转换（A/D）；

7）模数转换(A/D)完成后，由接收智能单元的嵌入式处理器读取并保存转换结果；

8）判断接收通道计数器是否达到32；

9）如果步骤（8）判断是，则转到步骤（10），如果判断为否，则返回步骤（3）；

10）判断激励通道计数器是否达到128；

11)如果步骤（10）判断是，则转到步骤（12），如果判断为否，则返回步骤（2）；

12）所有接收模组同时进行计算分析，将本轮扫描采集到的所有通道模数转换（A/D）结果和预先扫描采样并保存的标准值进行对比，判断由该接收模组所连接的接收电极与激励电极组成的区域内是否有触摸，如果有触摸发生，则计算触摸点数与各触摸点的位置等信息；

13）主控处理器通过接收数据总线读取所有接收模组的分析计算结果，并综合所有结果进一步分析，如果有触摸发生，则进行相应触摸响应。

循环步骤（1）至步骤（13）可以实现多点触控和书写的效果。

实施例2：

参照实施例1，一种超大尺寸互电容触摸装置主要包括感应平面、激励电极、接收电极、主控处理器、激励模组和接收模组。

与实施例1不同的是：如图10所示，所述激励模组5包括控制电路8、脉冲发生器19、多路分配器20、高压驱动阵列21和波形转换阵列22。所述控制电路8由复杂可编程逻辑器件（CPLD）和相关外围电路组成。脉冲发生器19用于产生频率为10Mhz幅度为3.3V的激励脉冲，控制电路8接受主控处理器的信号控制多路分配器将激励脉冲分配到某一个选中的通道，高压驱动阵列21将激励脉冲的电平从3.3V电平转换到9V电平，同时提升驱动负载的能力，波形转换阵列22将激励脉冲从包含高次谐波的方波整形成频率单一的正弦波激励信号，然后通过前述激励电平接口将激励信号输出到相连的激励电极。

与实施例1相比，实施例2的激励模组电路原理简单，电路元器件通用性强容易实现，但电路元器件数量较多。

通过实施例1与实施例2可以得出，本发明的技术方案通过如下四个方面，解决了上述背景技术里提到的四点问题：1、信噪比；2、芯片引脚；3、检测速度；4、运算能力。具体如下:

1、本发明技术方案具有很高的信噪比，可满足超大尺寸互电容多点触摸装置需求。为此，采取了下列措施：

（1）每个激励信号为一组高压正弦波，优选的，激励信号正弦波频率为1～10Mhz，优选的，激励信号正弦波幅度为5～15V；

（2）每个接收模拟单元包含放大电路、带通滤波器、绝对值电路和积分电路；

（3）优选的，采用与制造激励电极和接收电极相同的材料和工艺在前述感应平面上制造用于屏蔽干扰的线条或其它图案。

2、本技术方案不使用现有专用触控芯片，也就无芯片引脚的问题。

3、一个主控处理器连接K（K≥1）个接收模组，每个接收模组包含H（H≥1）个接收模拟单元和一个接收智能单元，而每个接收智能单元包含H（H≥1，与所接接收模拟单元数目相等）路可同时工作的模数转换（A/D）电路。因此，采用本发明技术方案的互电容多点触摸装置可以同时检测K×H个通道的接收电极的信号，也即是说可以同时测量K×H个互电容，进行一次触摸检测全局扫描的时间缩短到现有技术的K×H分之一，很容易满足超大尺寸互电容多点触摸装置的需求。

4、一个主控处理器连接K（K≥1）个接收模组，每个接收模组包含一个嵌入式处理器，一共有K个嵌入式处理器和一个主控处理器同时进行控制、运算处理，可以满足超大尺寸互电容多点触摸装置对控制、运算能力的要求。

另外，感应平面可以是玻璃或其它材料，根据应用场合，感应平面的材料可以透明或不透明。激励电极和接收电极是用导电材料制作在感应平面上的若干线条或其它图案，根据应用场合，所述导电材料可以透明或不透明。感应平面、激励电极和接收电极允许不透明时，成本将大大下降，同时，可以选用电阻率极低的材料来制造激励电极和接收电极以达到进一步提高信噪比的目的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种大尺寸互电容触摸装置，其特征在于：包括感应平面、激励电极、接收电极、主控处理器、激励模组和接收模组；其中所述主控处理器通过激励控制总线连接一个激励模组，多个所述激励电极分别通过激励电极接口连接到所述激励模组；所述主控处理器通过接收控制总线和接收数据总线连接K个接收模组，多个所述接收电极分别通过接收电极接口连接到其中一个接收模组；

上述中，K≥1；

每个所述接收模组包括一个接收智能单元和H个接收模拟单元，每个所述接收模拟单元分别通过接收电极接口与若干个所述接收电极相连，并且按所述接收智能单元发出的控制信号进行工作，将接收电极上感应到的信号经过处理后送到接收智能单元进行模数转换，所述接收智能单元通过接收控制总线和接收数据总线连接到所述主控处理器；

所述接收智能单元包含一个嵌入式处理器和H路可同时工作的模数转换电路；

上述中，H≥1。

2.如权利要求1所述的一种大尺寸互电容触摸装置，其特征在于：所述接收模拟单元由模拟开关阵列、放大电路、带通滤波器、绝对值电路、积分电路组成。

3.如权利要求1所述的一种大尺寸互电容触摸装置，其特征在于：所述感应平面为透明或不透明的材料。

4.如权利要求1所述的一种大尺寸互电容触摸装置，其特征在于：所述激励电极和接收电极是用透明或不透明的导电材料制作在所述感应平面上的第一线条或第一图案。

5.如权利要求4所述的一种大尺寸互电容触摸装置，其特征在于：所述感应平面设有用于屏蔽干扰的第二线条或第二图案，所述第二线条或第二图案采用与所述激励电极和接收电极相同的材料制造在所述感应平面上。

6.如权利要求1所述的一种大尺寸互电容触摸装置，其特征在于：所述激励模组接收主控处理器的控制信号，通过激励电极接口将激励信号输出到某一个被选中的激励电极，所述激励信号为一组高压正弦波。

7.如权利要求6所述的一种大尺寸互电容触摸装置，其特征在于：所述激励信号正弦波频率为1～10MHz。

8.如权利要求7所述的一种大尺寸互电容触摸装置，其特征在于：所述激励信号正弦波幅度为5～15V。

9.如权利要求1所述的一种大尺寸互电容触摸装置，其特征在于：所述大尺寸互电容触摸装置还包括固化在装置内的嵌入式软件，在嵌入式软件的调度下，所述主控处理器与激励模组和接收模组之间通过激励控制总线和接收控制总线传输控制信号。