CN103902129B - 电容屏多点触摸压力检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电容屏多点触摸压力检测方法，包括下述步骤：a).感知用户触摸行为和触摸点坐标，以获得触摸点数和触摸位置；b).通过薄膜压力传感器采样获取触摸屏的左上角、右上角、左下角和右下角的压力值；c).根据收到的各个薄膜压力传感器的压力测量值、触摸点数和触摸点具体位置，进行各个触摸点的触控压力的计算。本发明通过集成多个低功耗薄膜压力传感器与多点式电容触摸屏，在正常触摸条件下，可以通过多个压力传感器的压力值检测，获得多个触摸点对应的压力值，实现基于压力感知的（X，Y，F）表示的三维坐标系统。

Description

电容屏多点触摸压力检测方法

技术领域

本发明涉及人机交互领域，涉及一种触摸屏多点触摸压力的检测方法，尤其是一种通过压力传感器与多点式电容触摸屏有机结合，支持多点触控压力感知的检测方法。

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。目前市场广泛应用的触摸屏有电容式触摸屏和电阻式触摸屏，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。

目前的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)的触摸压力感知。

发明内容

本发明的目的是针对当前触摸屏只能提供二维坐标系统的不足，提出的在多点式电容触摸屏下方增加薄膜压力传感器，实现对垂直于触摸屏表面的触控压力的准确感知，将当前触摸的二维感知空间扩展三维感知空间，即由(X,Y)表示的二维坐标系统扩展为(X，Y，F)表示的三维坐标系统，其中F表示触摸压力值。本发明采用的技术方案是：

一种电容屏多点触摸压力检测方法，包括下述步骤：

a).感知用户触摸行为和触摸点坐标，以获得触摸点数和触摸位置；

b).通过薄膜压力传感器采样获取触摸屏的左上角、右上角、左下角和右下角的压力值，以上四角的(x，y)坐标为已知条件，分别记为：

左上角(x_LT，y_LT，F_LT)；

右上角(x_RT，y_RT，F_RT)；

左下角(x_LB，y_LB，F_LB)；

右下角(x_RB，y_RB，F_RB)；

X_LT:表示触摸屏左上角的x轴坐标；

Y_LT：表示触摸屏左上角的y轴坐标；

F_LT：表示触摸屏左上角的压力值；

X_RT:表示触摸屏右上角的x轴坐标；

Y_RT：表示触摸屏右上角的y轴坐标；

F_RT：表示触摸屏右上角的压力值；

X_LB:表示触摸屏左下角的x轴坐标；

Y_LB：表示触摸屏左下角的y轴坐标；

F_LB：表示触摸屏左下角的压力值；

X_RB:表示触摸屏右下角的x轴坐标；

Y_RB：表示触摸屏右下角的y轴坐标；

F_RB：表示触摸屏右下角的压力值；

c).根据收到的各个薄膜压力传感器的压力测量值、触摸点数和触摸点具体位置，进行各个触摸点的触控压力的计算；

薄膜压力传感器的布设位置及压力值分别为(x_LT，y_LT，F_LT)、(x_RT，y_RT，F_RT)、(x_LB，y_LB，F_LB)、(x_RB，y_RB，F_RB)；

对于n个触摸点，对应触摸点位置分别为(x₀,y₀)、(x₁，y₁)…(x_n-1，y_n-1)，待计算的对应触摸点压力分别为F₀、F₁…F_n-1；根据压力与位置关系和空间任意力系平衡的充要条件，即所有各力在三个坐标轴中每一个轴上的投影的代数和等于零，以及这些力对于每一个坐标轴的矩的代数和也等于零，上述充要条件表示为式1-1；

F_x：表示力在x轴上投影；

F_y：表示力在y轴上投影；

F_z：表示力在z轴上投影；

M_x：表示力对x轴上力矩；

M_y：表示力对y轴上力矩；

M_z：表示力对z轴上力矩；

对式1-1进行如下式1-2、式1-3、式1-4、式1-5展开：

触摸屏所受各力在三个坐标轴中每一个轴上的投影的代数和等于零，如式1-2；

触摸屏所受各力对于X坐标轴的矩的代数和等于零，如式1-3；

触摸屏所受各力对于Y坐标轴的矩的代数和等于零，如式1-4；

触摸屏所受各力对于垂直方向的矩的代数和等于零，如下式1-5

n：表示触摸点的个数；

F_i，F_j表示第i或j个触摸点的触摸压力值；

x_i：表示第i个触摸点的x轴坐标；

y_i：表示第i个触摸点的y轴坐标；

x_j：表示第j个触摸点的x轴坐标；

y_j：表示第j个触摸点的y轴坐标；

由式1-2、式1-3、式1-4、式1-5的等号左边产生A矩阵；

由式1-2、式1-3、式1-4、式1-5的等号右边产生B矩阵；

由未知量(X₀,Y₀,F₀)，(X₁,Y₁,F₁)…(X_n-1,Y_n-1,F_n-1)形成解空间向量U：用最小二乘法和初等变换的方法解线性方程，如式1-9所示：

A^T·A·U＝A^T·B 式1-9

A^T：表示A矩阵的转置矩阵；

由式1-9通过最小二乘法，获得各触摸点的压力值F₀、F₁…F_n-1。

具体地，当触摸点为两点时，

A矩阵如式1-6所示：

B矩阵如式1-7所示：

解空间向量U如式1-8所示：

X₀：表示第0个触摸点的x轴坐标；

Y₀：表示第0个触摸点的y轴坐标；

F₀：表示第0个触摸点的压力值；

X₁：表示第1个触摸点的x轴坐标；

Y₁：表示第1个触摸点的y轴坐标；

F₁：表示第1个触摸点的压力值。

本发明的优点：通过集成多个低功耗薄膜压力传感器与多点式电容触摸屏，在正常触摸条件下，可以通过多个压力传感器的压力值检测，获得多个触摸点对应的压力值，实现基于压力感知的(X，Y，F)表示的三维坐标系统。

附图说明

图1为本发明的结构组成示意图。

图2为本发明的流程图。

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。

图1是本发明实施例的基于压力传感器的三维多点式电容触摸屏组成框图。如图1所示，该电容触摸屏由多点式电容触摸屏体、电容触摸屏控制芯片、置于电容触摸屏屏体下方的薄膜压力传感器、压力传感器接口芯片和主控芯片组成。

多点式电容触摸屏体是与用户直接交互的实体，外表面通常为抗刮擦玻璃，通过在屏体平面的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，形成互电容矩阵，实现对人体触摸引起的电容变化进行检测。

电容触摸屏控制芯片负责提供电容触摸屏体的驱动信号，处理电容变化探测信号，转换成触摸点数和触摸位置信息，传送给主控芯片。具体来说，电容触摸屏控制芯片与触摸屏屏体内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感应线对应的编号，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通常内嵌门限检测、噪声信号滤波和空间插值算法。

薄膜压力传感器置于电容触摸屏体的下方，具有较高的压力探测精度和较低的功耗，用于感知用户轻触屏体时的压力。具体地，薄膜压力传感器布设在触摸屏体的下表面和设备主机之间，即电容触摸屏体之下，用于感知用户触摸屏体产生的触控压力。薄膜压力传感器厚度薄，面积很小，通常布设在电容触摸屏体的四角(位于屏幕可见显示区外)，不会显著增加触摸屏的总体厚度和边缘宽度。薄膜压力传感器的布设数量可以为4个，布设于触摸屏的左上角、右上角、左下角和右下角。

压力传感器接口芯片完成多个薄膜压力传感器探测值的数字化，并通过数字接口与主控芯片相连。具体地，压力传感器接口芯片通过导线与薄膜压力传感器相连，完成多个薄膜压力传感器的压力测量值采样，并通过数字接口将多个传感器测量的压力值传送给主控芯片。

主控芯片是个人移动通信设备和综合信息终端等设备的CPU，负责对压力传感器接口芯片和电容触摸屏控制芯片发送的数据进行简单融合处理，得到触摸点数、各点触摸位置和对应的触控压力。具体地，主控芯片根据左上角、右上角、左下角和右下角的压力值计算出当前各触摸点的压力值。

图2给出了本发明具体实施例的工作流程图，具体实现步骤如下：

1.设备启动

设备启动后，薄膜压力传感器和压力传感器接口芯片处于休眠状态，电容触摸屏控制芯片处于值守状态，等待用户的触摸行为。

2.电容触摸屏对触控行为的探测

当用户触摸屏体时，处于值守状态的触摸屏感知用户触摸行为和触摸点的(x，y)坐标，以获得触摸点数和触摸位置；处于值守状态的薄膜压力传感器由休眠状态转换至工作状态。

3.压力传感器对触控压力的检测

当触摸屏感知到用户的触摸动作和触摸点的(x，y)坐标，处于值守状态的薄膜压力传感器由休眠状态转换至工作状态，同时采样触摸屏的左上角、右上角、左下角和右下角的压力值，以上四角的(x，y)坐标为已知条件，分别记为：

左上角(x_LT，y_LT，F_LT)；

右上角(x_RT，y_RT，F_RT)；

左下角(x_LB，y_LB，F_LB)；

右下角(x_RB，y_RB，F_RB)；

X_LT:表示触摸屏左上角的x轴坐标；

Y_LT：表示触摸屏左上角的y轴坐标；

F_LT：表示触摸屏左上角的压力值；

X_RT:表示触摸屏右上角的x轴坐标；

Y_RT：表示触摸屏右上角的y轴坐标；

F_RT：表示触摸屏右上角的压力值；

X_LB:表示触摸屏左下角的x轴坐标；

Y_LB：表示触摸屏左下角的y轴坐标；

F_LB：表示触摸屏左下角的压力值；

X_RB:表示触摸屏右下角的x轴坐标；

Y_RB：表示触摸屏右下角的y轴坐标；

F_RB：表示触摸屏右下角的压力值；

4.各触摸点的触控压力的计算

主控芯片根据收到的各个薄膜压力传感器的压力测量值、电容触摸屏控制芯片获得的触摸点数和触摸点具体位置，进行各个触摸点的触控压力的计算；

已知4个薄膜压力传感器的布设位置及压力值分别为 (x_LT，y_LT，F_LT)、(x_RT，y_RT，F_RT)、(x_LB，y_LB，F_LB)、(x_RB，y_RB，F_RB)；

计算方式如下：

对于n个触摸点，对应触摸点位置分别为(x₀,y₀)、(x₁，y₁)…(x_n-1，y_n-1)，待计算的对应触摸点压力分别为F₀、F₁…F_n-1；根据压力触控技术中的压力与位置关系和空间任意力系平衡的充要条件，即所有各力在三个坐标轴中每一个轴上的投影的代数和等于零，以及这些力对于每一个坐标轴的矩的代数和也等于零，上述充要条件表示为式1-1；

F_x：表示力在x轴上投影；

F_y：表示力在y轴上投影；

F_z：表示力在z轴上投影；

M_x：表示力对x轴上力矩；

M_y：表示力对y轴上力矩；

M_z：表示力对z轴上力矩；

对式1-1进行如下式1-2、式1-3、式1-4、式1-5展开：

触摸屏所受各力在三个坐标轴中每一个轴上的投影的代数和等于零，如式1-2；

触摸屏所受各力对于X坐标轴的矩的代数和等于零，如式1-3；

触摸屏所受各力对于Y坐标轴的矩的代数和等于零，如式1-4；

触摸屏所受各力对于垂直方向的矩的代数和等于零，如下式1-5

n：表示触摸点的个数；

F_i，F_j表示第i或j个触摸点的触摸压力值；

x_i：表示第i个触摸点的x轴坐标；

y_i：表示第i个触摸点的y轴坐标；

x_j：表示第j个触摸点的x轴坐标；

y_j：表示第j个触摸点的y轴坐标；

假设触摸点为如图1中所示的两点，具体计算步骤按如下进行。

(1)由式1-2、式1-3、式1-4、式1-5的等号左边产生A矩阵，如式1-6所示；

(2)由式1-2、式1-3、式1-4、式1-5的等号右边产生B矩阵，如式1-7所示；

(3)在两点触摸条件下，未知量为(X₀,Y₀,F₀)，(X₁,Y₁,F₁)，形成解空间向量U，如式1-8所示：

X₀：表示第0个触摸点的x轴坐标；

Y₀：表示第0个触摸点的y轴坐标；

F₀：表示第0个触摸点的压力值；

X₁：表示第1个触摸点的x轴坐标；

Y₁：表示第1个触摸点的y轴坐标；

F₁：表示第1个触摸点的压力值。

(4)用最小二乘法和初等变换的方法解线性方程，如式1-9所示：

A^T·A·U＝A^T·B 式1-9

A^T：表示A矩阵的转置矩阵；

由式1-9通过最小二乘法，获得各触摸点的压力值F₀和F₁。

主控芯片完成当前时刻的触摸点数、触控位置和触控压力检测后，根据压力传感器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对触摸点数和触摸点对应位置进行继续检测。

Claims (4)

1.一种电容屏多点触摸压力检测方法，其特征在于，包括下述步骤：

a).感知用户触摸行为和触摸点坐标，以获得触摸点数和触摸位置；

b).通过薄膜压力传感器采样获取触摸屏的左上角、右上角、左下角和右下角的压力值，以上四角的(x，y)坐标为已知条件，分别记为：

左上角(x_LT，y_LT，F_LT)；

右上角(x_RT，y_RT，F_RT)；

左下角(x_LB，y_LB，F_LB)；

右下角(x_RB，y_RB，F_RB)；

x_LT:表示触摸屏左上角的x轴坐标；

y_LT：表示触摸屏左上角的y轴坐标；

F_LT：表示触摸屏左上角的压力值；

x_RT:表示触摸屏右上角的x轴坐标；

y_RT：表示触摸屏右上角的y轴坐标；

F_RT：表示触摸屏右上角的压力值；

x_LB:表示触摸屏左下角的x轴坐标；

y_LB：表示触摸屏左下角的y轴坐标；

F_LB：表示触摸屏左下角的压力值；

x_RB:表示触摸屏右下角的x轴坐标；

y_RB：表示触摸屏右下角的y轴坐标；

F_RB：表示触摸屏右下角的压力值；

c).根据收到的各个薄膜压力传感器的压力测量值、触摸点数和触摸点具体位置，进行各个触摸点的触控压力的计算；

薄膜压力传感器的布设位置及压力值分别为(x_LT，y_LT，F_LT)、(x_RT，y_RT，F_RT)、(x_LB，y_LB，F_LB)、(x_RB，y_RB，F_RB)；

对于n个触摸点，对应触摸点位置分别为(x₀,y₀)、(x₁，y₁)…(x_n-1，y_n-1)，待计算的对应触摸点压力分别为F₀、F₁…F_n-1；根据压力与位置关系和空间任意力系平衡的充要条件，即所有各力在三个坐标轴中每一个轴上的投影的代数和等于零，以及这些力对于每一个坐标轴的矩的代数和也等于零，上述充要条件表示为式1-1；

F_x：表示力在x轴上投影；

F_y：表示力在y轴上投影；

F_z：表示力在z轴上投影；

M_x：表示力对x轴上力矩；

M_y：表示力对y轴上力矩；

M_z：表示力对z轴上力矩；

对式1-1进行如下式1-2、式1-3、式1-4、式1-5展开：

触摸屏所受各力在三个坐标轴中每一个轴上的投影的代数和等于零，如式1-2；

触摸屏所受各力对于X坐标轴的矩的代数和等于零，如式1-3；

触摸屏所受各力对于Y坐标轴的矩的代数和等于零，如式1-4；

触摸屏所受各力对于垂直方向的矩的代数和等于零，如下式1-5

n：表示触摸点的个数；

F_i，F_j表示第i或j个触摸点的触摸压力值；

x_i：表示第i个触摸点的x轴坐标；

y_i：表示第i个触摸点的y轴坐标；

x_j：表示第j个触摸点的x轴坐标；

y_j：表示第j个触摸点的y轴坐标；

由式1-2、式1-3、式1-4、式1-5的等号左边产生A矩阵；

由式1-2、式1-3、式1-4、式1-5的等号右边产生B矩阵；

由未知量(X₀,Y₀,F₀)，(X₁,Y₁,F₁)…(X_n-1,Y_n-1,F_n-1)形成解空间向量U：

用最小二乘法和初等变换的方法解线性方程，如式1-9所示：

A^T·A·U＝A^T·B 式1-9

A^T：表示A矩阵的转置矩阵；

由式1-9通过最小二乘法，获得各触摸点的压力值F₀、F₁…F_n-1。

2.如权利要求1所述的电容屏多点触摸压力检测方法，其特征在于：当触摸点为两点时，

A矩阵如式1-6所示：

B矩阵如式1-7所示：

解空间向量U如式1-8所示：

X₀：表示第0个触摸点的x轴坐标；

Y₀：表示第0个触摸点的y轴坐标；

F₀：表示第0个触摸点的压力值；

X₁：表示第1个触摸点的x轴坐标；

Y₁：表示第1个触摸点的y轴坐标；

F₁：表示第1个触摸点的压力值。

3.如权利要求1或2所述的电容屏多点触摸压力检测方法，其特征在于：

薄膜压力传感器为四个，分别设置于电容触摸屏体的下方四角。

4.如权利要求1或2所述的电容屏多点触摸压力检测方法，其特征在于：

当主控芯片完成当前时刻的触摸点数、触控位置和触控压力检测后，若用户触控行为已结束，则将电容触摸屏控制芯片转换为休眠状态；若用户触控行为仍在持续，则由电容触摸屏控制芯片对触摸点数和触摸点对应位置进行继续检测。