CN103853407B

CN103853407B - 多频率的多点触控触觉装置及质心电容检测

Info

Publication number: CN103853407B
Application number: CN201310647982.9A
Authority: CN
Inventors: P·科尼; S·鲁兹
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2012-12-05
Filing date: 2013-12-04
Publication date: 2018-05-25
Anticipated expiration: 2033-12-04
Also published as: FR2998989A1; JP6203023B2; CA2835587C; KR20140072821A; TW201435700A; EP2741188B1; KR102201007B1; JP2014116005A; CA2835587A1; US20140191769A1; CN103853407A; EP2741188A1; FR2998989B1; US9453862B2; TWI612460B

Abstract

本发明提出一种多频率的多点触控触觉装置及质心电容检测。本发明的一般领域在于利用投射电容检测的触摸屏装置（1），包括矩阵触摸板（10），所述触摸板（10）包括多个导电行（11）和导电列（12），所述板连接至电子控制装置（20）。所述电子控制装置生成在两个不同的频率发射的两个周期发射电压。接收电压的分析使得可以确定在触摸板上两个同时按压的位置，包括当两个按压在靠近的行或列上完成时。按压的确定实质上通过计算接收电压的槽的质心来执行。

Description

多频率的多点触控触觉装置及质心电容检测

技术领域

本发明的领域为利用电容检测的触觉或者“触摸屏”表面，并且被更具体地为所谓的“多点触控”触觉表面，其允许检测两个同时的按压。该功能对于执行例如图像“放大”或旋转是非常重要的。本发明能够适用于各种用途，但其特别良好地适合于航空领域和飞机仪表盘的限制。

背景技术

所谓的“投射式”电容检测在于产生布置的检测矩阵，以便检测在通过用户的手指或任意其他的导电性指向物的靠近引入的电容中的局部变化。所谓的投射式电容技术分为两个主要变型，即：

-“自电容”检测，其在于读取矩阵的触键阵列的行，然后读取矩阵的触键阵列的列；

-所谓的“互电容”检测，在于读取矩阵的触键阵列的每个交叉点；

“互电容”技术要求读取整个板。因此，如果矩阵包括N行和M列，则必须进行N×M次采集，导致生产大尺寸、高分辨率以及具有低响应时间的板是有问题的。此外，待测量的电容在“互电容”下低于在“自电容”下获得的电容，因此导致用户使用手套是有问题的。

“自电容”检测的优点在于，对于以上的板，系统仅需要N+M次采集来执行矩阵的读取。图1A、图1B、图1C显示了该原理。在该图1A、图1B、图1C中，第一手指按压在列C_I和行L_J的第一交叉点的电平处，而第二手指按压在列C_K和行L_L的第二交叉点的电平处。行和列的输出电压V_OUT容易显示出在电平上可识别的下落。围绕每个电平下落的电压测量使得可以精确地识别调用的行和列。

然而，该后一种技术显示出一个缺点。其并不总是简单地将检测到的行和列归于实际上由用户的手指触摸的正确交叉点。可能的交叉点（但其不是实际上触摸的）通常被称为“残影”。为了应对该困难，一种技术在于在两个不同的采集频率处执行矩阵的扫描。该技术在公开于2012年6月的“SID2012文摘”中公布的公布“Eliminating Ghost Touches on aSelf-Capacitive Touch-Screen（消除在自电容触摸屏上的残影触摸）”中进行了描述。

为了正确地理解该技术，有必要使用电子模型来表示电容矩阵装置。存在一种简化的模型用于电气上描述包括由导电的行和列构成的电极的矩阵的电容触觉装置。其包括按压的表示，在按压处，操作者的手指通过将他的手指表面投射在板上与矩阵电容耦合。该表面覆盖了至少两个电极，第一行位（row-wise）和第二列位（column-wise）。因此认为操作者增加了在地面和至少相关的行或列之间的电容C_d。但该模型仍然是局部的，并且没有考虑测量的环境。

图3表示电容矩阵装置的更精细的模型。每行实际上通过模拟开关连接到测量和/或电源装置。这些开关提供了相对于地面的耦合电容C_m，并且显示出引起测量信号衰减的电阻R_m。

此外，每行包括ITO（铟锡氧化物）类型的透明材料，其显示出在电源的点和手指的接触点之间的一定的电阻，该电阻都是越高，手指离连接点就越远。如果R_t是触键以及其与邻近连接的电阻，则在列n上的按压和矩阵的边缘之间的电阻为n.R_t。

此外，行和列的阵列是互相耦合的。事实上，在轨迹的每个交叉处存在着电容C_p，每行切割成n列，并且此外，行或列与它们相邻的行或列耦合。在图3中，该耦合由电容C_lc表示。最后，还存在着触摸板、它的连接器布置以及构成装置的机械项之间的耦合电容，以及将行和列连接至电测量装置的各个轨迹之间的互耦。

因此，电容性触摸板的采集可能不会减少到采集由操作者投射的简单电容。这是在由相互连接的电阻器和电容器的关联构成的多极复杂硬件组件上的该投射带来的结果。

“双频自电容”装置利用了这种复杂性。如图3所示，在矩阵的周围不存在任何物体的情况下，每行L_i穿过注入电容C_i连接到AC电压电源，并且连接到读取缓冲器，读取缓冲器具有包括对地的杂散耦合电容C_m和输入电阻R_m的输入阻抗。该行L_i具有线性电阻并且该行与交叉的每列电容耦合。

当手指放置在行L_i的精确点上时，它将电容投射在考虑的行的部分上。根据现有技术的触觉装置仅测量该投射电容。这种简单的测量不可能确定在行上的按压位置，该信息并没有通过投射电容的值转换出来。

装置的核心不简单地考虑增加的电容，而是其对由整个行构成的复杂模型的影响。具体而言，如果考虑长度为l的行L_i电阻R_il，则在该行的端部和接触点之间存在着电阻R_ia。电阻R_ia小于R_il。该电阻值改变输出信号V_OUT。该信号V_OUT等于：

V_OUT=Z.V_IN其中V_IN：频率为F的周期性输入信号，以及Z：行的阻抗，其等于：

Z=A+Bj A项和B项为电容C_m、C_i和C_d以及电阻R_m和R_ia的函数。

模型的拓扑结构类似于一阶RC网络或与电容C_d相关联的电阻R_ia构成一阶低通滤波器。图4表示对于三个不同的按压位置，作为应用频率的函数的行的输出信号的变化，第一曲线C1是对于位于行的边缘处的按压，第二曲线C2是对于在行的中间的按压，第三曲线C3是对于在行的端部处的按压。图4的比例尺在两个轴上都是对数的。因此，如图4所见的，存在着频率F_MIN，使得无论按压位置如何，R_ia的变化引起V_OUT的最小变化。相反地，存在着频率F_MAX，使得R_ia的变化引起作为按压位置的函数的V_OUT的极大衰减。因此，在该频率F_MAX，通过测量该衰减，则易于确定电阻R_ia的值，并因此易于确定在该行上的接触点的位置。

该测量并不需要非常精确。然而其足以确定两个同时按压的实际位置。通过在两个不同频率处的双测量得知（甚至是近似地）按压的位置，在实际的按压对和残影按压对或者对应于其的“残影”之间的不确定性提升了。

然而仍然存在着一些配置，其可能造成用户手指的位置上的不确定性或者定位错误。这些配置的其中之一在两个手指触摸两个相邻的行或列时产生。该配置在图2A、图2B、图2C中显示。在该图中，第一手指按压在列C_I和行L_I的第一交叉点的电平处，而第二手指按压在列C_J和行L_I+1的第二交叉点的电平处。列的输出电压V_OUT显示出两个容易识别的峰值，使得可以确定列C_I和C_j已被按压。另一方面，行的输出电压V_OUT显示出凹切形式（notch-gated form），即使利用电压的质心计算，也不可能清楚地识别相关的行。

发明内容

根据本发明的触觉装置没有显示出这些缺点。其物理原理依赖于两个不同频率的发射电压的使用。已经证明了在行和列上的输出信号作为频率的函数具有不仅代表在行和列上存在按压还代表其在该行和该列的位置的不同阻抗。

该装置是完全的“双触摸”，其对读取噪声和外部电磁干扰是不敏感的，并且最后，其与电磁发射标准（例如那些在航空学中规定的电磁发射标准）是兼容的。此外，用户能够利用戴手套的手使用该触觉表面而具有相同的性能水平。

更精确地，本发明的主题是利用投射电容检测的触摸屏装置，包括矩阵触摸板，所述触摸板包括多个导电行和导电列，所述板连接至电子控制装置，对于每个导电行和对于每列生成发射电压，并且连接至由每个导电行和每列产生的接收电压的电子接收和分析装置，

电子控制装置，对于每个导电行和对于每列生成在被称为工作频率的第一频率发射的第一周期发射电压以及在被称为鉴别频率的第二频率发射的第二周期发射电压，所述第二频率不同于所述第一频率；

在不存在任何按压的情况下，所述工作频率的值低到足以引起在所述工作频率的接收电压非常小的变化，并且所述鉴别频率的值高到足以引起依赖于行和列的在所述鉴别频率的接收电压相当大的变化；

电子接收和分析装置（50），布置所述电子接收和分析装置（50）以便对于每行和对于每列确定：

-在所述工作频率的第一接收电压的值以及在所述鉴别频率的第二接收电压的值；

-如果作为预先确定的值的函数，两个接收电压的值代表在触摸板上的两个同时按压，并且代表这两个按压在相关的两行和两列上的位置；

其特征在于，在两个同时按压的情况下，所述第一按压位于第一行和第一列的第一交叉，而所述第二按压位于第二行和第二列的第二交叉，所述两个按压的位置通过以下执行：

第一分析装置，所述第一分析装置使得能够精确找到对于所述第一频率的接收电压的“槽”，以及对于对应于所述两个按压的电压变化的第二频率的接收电压的“槽”；

第二分析装置，所述第二分析装置使得能够计算电压“槽”的质心；

第三分析装置，所述第三分析装置使得能够在得知所述质心的基础上确定对应于所述第一按压的所述第一行和所述第一列，以及对应于所述第二按压的所述第二行和所述第二列。

有利地，当所述第一行邻近所述第二行时或者当所述第一列邻近所述第二列时，以这样的方式使得对应于两个靠近行或对应于两个靠近列的两个电压变化形成一个单个槽，所述两个按压的位置通过以下执行：

第一分析装置，所述第一分析装置使得能够精确找到对于所述第一频率的接收电压的“槽”，以及对于对应于在两个邻近行上或在两个邻近列上的所述两个按压的电压变化的第二频率的接收电压的“槽”；

第二分析装置，所述第二分析装置使得能够计算两个电压“槽”的质心；

第三分析装置，所述第三分析装置使得能够在得知所述两个质心的基础上确定对应于所述第一按压或对应于所述第二按压的所述第一邻近行和所述第二邻近行或所述第一邻近列和所述第二邻近列。

有利地，所述接收电压的电子接收和分析装置包括两个同步解调器，所述第一解调器工作在所述工作频率，所述第二解调器在鉴别频率。

有利地，所述电子接收和分析装置包括：

-在不存在任何按压的情况下，每行和每列在所述工作频率的接收电压的存储值的表格；

-比较装置，所述比较装置对于每行及对于每列建立接收电压的测量值与接收电压的存储值之间的差异，以便确定测量的差异是否代表在相关的行或列上的按压。

有利地，所述工作频率位于100kHz和500kHz之间，并且在于所述鉴别频率位于500kHz和5MHz之间。

附图说明

在阅读根据并借助于所附附图的非限定性说明时，本发明将得到更好的理解，并且其他的优点将变得清楚，在附图中：

图1A、图1B、图1C表示两个同时按压的电容检测的原理，已对其进行评论；

图2A、图2B、图2C表示在相邻的两行或两列上两个按压的电容检测的问题，已对其进行评论；

图3表示围绕触摸板的行和列之间的交叉的电容和电阻的电气图，已对其进行评论；

图4表示对于两个不同频率，作为在触觉装置中按压位置的函数的行或列的输出信号的变化，已对其进行评论；

图5表示根据本发明的投射电容触觉装置的原理图；

图6A、图6B、图6C、图6D、图6E表示在相邻的两行或两列上两个按压的检测和识别的原理。

具体实施方式

通过非限定性实例，图5表示根据本发明的具有利用投射电容检测的触摸板的装置1。其基本包括：

-触摸板10，触摸板10包括第一基板和第二基板，其中第一基板包括第一系列的互相平行导电行11，第二基板包括第二系列的互相平行的导电列12；

-对于操作触觉装置所必需的各个发射和接收信号的控制和分析装置20；

-具有可变频率的高频正弦波发生器30，其通过数模转换器“DAC”31、放大器32以及注入电容33，经由交流电压V_IN来供应触摸板。典型地，频率位于几百kHz与几MHz之间；

-多工器40。其将输入电压V_IN连续地施加在触摸板10的每列12上，并且之后施加在触摸板10的每行11上，并且将对应于施加的电压V_IN的每个输出电压V_OUT导向电子处理链50；

-电子处理链50，其包括缓冲存储器51、模数转换器或ADC52、连接至频率生成器30的同步解调器53以及电子滤波装置54。滤波的信号调度至分析装置20；

-发射-接收装置60或者代表“通用异步收发机”的“UART”，其确保通过分析装置20处理的信号重发到外部，外部通常是与触摸板耦合的观察装置并且其显示想要控制、修改或验证的信息。

该装置如下操作。在标准模式中，板的行和列由在第一工作频率F_MIN和在第二所谓的鉴别频率F_MAX的输入电压V_IN长期地且连续地扫描。该电压由装置30、31、32和33组成的电子组件生成。

在图5中的手指符号表示的按压期间，并且根据该按压的位置，在接触点和地之间产生了一定的电容，该电容主要由行和列的电阻连接到多工器40。

该电阻分量和电容分量将引起系统的总阻抗Z的变化，并且作用在如上所述的等于Z.V_IN（其中，Z=A+Bj）的输出信号V_OUT上。信号V_OUT在这之后由电子链50解调，以便通过同步解调器53从中提取有效值V_OUT=Z.V_IN（其中，Z=A+Bj和j=sin(2π.F.t)）。同步解调器使得可以通过作用为具有高品质因数的带通滤波器来过滤“EMI”类型的电磁干扰，从而避免了不加选择的无源滤波的使用。

至少执行两次测量，一次在工作频率F_MIN，并且一次在鉴别频率F_MAX。对于很大尺寸的板，可以使用若干鉴别频率F_MAX。有利地，通过两个同步解调器53来单独地调制和解调频率F_MIN和F_MAX，从而使得可以在单个测量中获得代表按压位置的电容C和电阻R的值。最后，从解调器53产生的经滤波的连续信号通过滤波装置54来滤波。

在没有手靠近的情况下，触觉控制器长期在频率F_MIN影响板的图像，并且通过滑动平均值从中推导出阻抗的静态表。从阻抗的瞬时值的表中减去该图像以形成差异的表，在该差异的基础上可以认为每个交叉点是它的状态。该方案在名为“Process for operatinga capacitive tactile keyboard（用于操作电容触觉键盘的方法）”的专利EP 0 567 364中进行了部分的描述。

两个不同测量频率的使用具有显著的优点。在非对准的多个按压的情况下，在频率F_MIN并且之后在频率F_MAX测量四倍的点。继频率变化之后的信号变化被用于确定残影按压的摒弃，并且四倍的点使得可以给出各个按压的坐标。

为了获得关于按压位置的更多细节，按压的定位通过以下执行：

第一分析装置，其使得可以精确找到对于工作频率的接收电压的“槽”以及对于鉴别频率的接收电压的“槽”，其中鉴别频率对应于按压的电压变化；

第二分析装置，其使得可以计算电压“槽”的质心；

第三分析装置，其使得可以在得知质心的基础上确定对应于各个按压的行和列。

举例来说，质心的确定以下面的方式来执行。确定接收电压V_OUT的最小值或“槽”。最小值对应于特定的行或列。在此之后，在该段中，为了简化，可选择地，仅仅行的接收电压的最小值是感兴趣的。当然，该方法对于列也是可用的。在对应于最小值的行L_MIN周围，对于位于该行L_MIN的两侧上的确定数目的行，计算所述这些行的质心，每行指定等于所述行的输出电压值的系数。该质心对应于按压点的位置。当然可以通过确定例如电压最小值周围的电压斜坡来使方案精炼。

质心方案使得可以提高按压位置的精确度。当其与在两个不同频率的测量耦合时，具有另一个优点。如图6A、图6B、图6C、图6D、图6E所示，事实上，在两个同时按压的情况下，当第一按压位于第一行和第一列的第一交叉，而第二按压位于第二行和第二列的第二交叉时，以及当第一行在第二行的邻近或当第一列在第二列的邻近时，以这样的方式使得对应于两个靠近的行或两个靠近的列的两个电压变化包括一个单个电压槽，可以精确地确定调用的行和列的位置。事实上，如图6A、图6B、图6C、图6D、图6E所见，在工作频率，对应于位于例如两个相邻的行L_I和L_I+1的两个按压的接收电压将给出单个电压槽而不能简单地确定调用的行。仅可以确定两个按压的质心。另一方面，在鉴别频率，对应于两个按压其中之一的电压槽被衰减。现在仅剩下单个电压槽，使得可以明确地确定对应于两个按压其中之一的第一行，例如L_I。之后可以容易地得知该第一按压的质心位置以及一起的两个按压的质心位置，以确定对应于第二按压的第二行L_I+1。

显然，在根据本发明的触觉装置中实施的电子装置是简单的，并且使得可以有效地解决投射电容检测的主要问题，即是说残影按压的检测、靠近按压的检测、外部电磁干扰的不灵敏性，这是由于同步检测和通过使用没有谐波的纯正弦波信号而不存在电子环境的干扰。

Claims

1.一种利用投射电容检测的触摸屏装置(1)，包括矩阵触摸板(10)，所述触摸板(10)包括多个导电行(11)和导电列(12)，所述触摸板连接至电子控制装置(20)，所述电子控制装置(20)对于每个导电行和对于每列生成发射电压(V_IN)，并且所述板连接至由每个导电行和每列产生的接收电压(V_OUT)的电子接收和分析装置(50)，

所述电子控制装置，对于每个导电行和对于每列生成在被称为工作频率的第一频率(F_MIN)发射的第一周期发射电压以及在被称为鉴别频率的第二频率(F_MAX)发射的第二周期发射电压，所述第二频率不同于所述第一频率：

布置所述电子接收和分析装置(50)以便对于每行和对于每列确定：

其特征在于，在两个同时按压的情况下，第一按压位于第一行和第一列的第一交叉，而第二按压位于第二行和第二列的第二交叉，所述两个按压的位置通过以下执行：

第一分析装置，所述第一分析装置使得能够精确找到对于所述第一频率的接收电压的最小值，以及对于对应于所述两个按压的电压变化的第二频率的接收电压的最小值；

第二分析装置，所述第二分析装置使得能够计算电压最小值的质心；

2.根据权利要求1所述的利用投射电容检测的触摸屏装置(1)，其特征在于，当所述第一行邻近所述第二行时或者当所述第一列邻近所述第二列时，以这样的方式使得对应于两个靠近行或对应于两个靠近列的电压变化形成一个单个最小值，所述两个按压的位置通过以下执行：

所述第一分析装置使得能够精确找到对于所述第一频率的接收电压的最小值，以及对于对应于在两个邻近行上或在两个邻近列上的所述两个按压的电压变化的第二频率的接收电压的最小值；

所述第二分析装置使得能够计算两个电压最小值的质心；

所述第三分析装置使得能够在得知两个质心的基础上确定对应于第一按压或对应于第二按压的第一邻近行和第二邻近行或第一邻近列和第二邻近列。

3.根据前述权利要求中的一项所述的利用投射电容检测的触摸屏装置(1)，其特征在于，接收电压的电子接收和分析装置包括两个同步解调器(53)，第一解调器工作在所述工作频率，第二解调器在所述鉴别频率。

4.根据权利要求1所述的利用投射电容检测的触摸屏装置(1)，其特征在于，所述电子接收和分析装置包括：

5.根据权利要求1所述的利用投射电容检测的触摸屏装置(1)，其特征在于，所述工作频率位于100kHz和500kHz之间，并且在于所述鉴别频率位于500kHz和5MHz之间。