CN104049822A

CN104049822A - 一种触摸屏控制电路的检测系统

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Publication number: CN104049822A
Application number: CN201410273191.9A
Authority: CN
Inventors: 余佳; 朱欢
Original assignee: SHENZHEN BETTERLIFT ELECTRONIC TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: SHENZHEN BETTERLIFT ELECTRONIC TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2014-06-18
Filing date: 2014-06-18
Publication date: 2014-09-17
Anticipated expiration: 2034-06-18
Also published as: CN104049822B

Abstract

本发明涉及电容式触摸屏控制芯片领域，提出了一种触摸屏控制电路的检测系统，利用电容充电、电荷共享、电荷相减和电荷转移四部分，其中电荷充电阶段由差分运放以及与运放的反相输入端相连的电容和开关组成，电荷共享则是通过内部的检测电容检测外部的电荷变化；电荷相减则实现失调电荷的抵消；电荷转移是将电荷转换成电压并被内部的模数转换器所量化。本发明采用的检测系统可以检测到扫描通道对地之间的电容容值的变化，该检测系统实现简单，适用范围广，占用芯片面积少，成本低，具有更好抗噪声性能。

Description

一种触摸屏控制电路的检测系统

技术领域

本发明属于触摸屏控制领域，尤其涉及一种电容式触摸屏控制电路的检测系统。

背景技术

世界上第一个触摸传感器由美国人SamHurst发明，这被视为现代触摸屏技术研发的开端。2007年iphone手机的推出，成为触控行业发展的一个里程碑。触摸屏技术已经成为最简单、最快捷、最人性化的一种人机交互方式。目前，市场上出现的触摸屏技术主要有以下四种：电阻式触摸屏、电容式触摸屏，红外式触摸屏、表面声波式触摸屏。其中电容式触摸屏又分为表面是电容屏和透射式电容屏，由于透射式电容屏透光率高、无磨损、寿命长、性能稳定，所以透射式电容屏技术已经成为目前市场上主流的触摸屏技术。

从目前市场上主流的电容检测技术来看，他们很多都是只能检测横向电极与纵向电极交叉的地方所形成的电容容值的变化，但是无法检测到横向电极与纵向电极分别与地之间形成的电容容值的变化，即电极与地之间的电容容值的变化无法检测到。

但是目前市场上主流的透射式电容屏触控技术大多采用的是互电容检测原理，互电容具有同时支持多点的优势，但成本相对较高。而自电容通常只支持两点加手势，成本相对互电容具有很大的优势，主要用于中低端市场。而目前自电容的检测方式，检测方式复杂，动态范围小，抗噪声能力低。

发明内容

本发明提供一种触摸屏控制电路的检测系统，旨在解决自电容的检测方式中检测复杂、动态范围小、抗噪声能力低的问题。

本发明是这样实现的，一种触摸屏控制电路的检测系统，该检测系统包括屏体电容CT、模拟电路及数字电路，所述屏体电容CT一端连接所述模拟电路输入端，所述模拟电路输出端连接所述数字电路输入端，所述模拟电路包括电荷检测单元及模数转换单元，所述电荷检测单元输出端连接所述模数转换单元输入端，所述数字电路包括滤波单元、处理器单元及端口单元，所述处理器单元输出端连接所述滤波单元输入端，所述滤波单元输出端连接端口单元输入端，所述电荷检测单元，用于对触摸屏中的检测通道与地之间的电容容值变化完成对触摸屏控制电路的检测；所述屏体电容CT另一端接地。

本发明的进一步技术方案是：所述电荷检测单元包括开关SW1、开关SW2、开关SW3、开关SW4、开关SW5、开关SW6、开关SW7、开关SW8、开关SW9、开关SW10、开关SW11、开关SW12、开关SW13、开关SW14、开关SW15、补偿电容CC、失调抵消电容CM、检测电容CS、电容CA、反馈电容CF及放大器A1，所述开关SW1一端分别连接所述开关SW2、开关SW4及开关SW5的一端，所述开关SW1的另一端接VDD，所述开关SW3与所述补偿电容CC并联后的一端连接所述开关SW4的另一端，所述开关SW3与所述补偿电容CC并联后的另一端接地，所述开关SW5的另一端分别连接所述开关SW15、开关SW7、开关SW9、开关SW12、开关SW11、开关SW10、检测电容CS的一端及检测电容CS的另一端，所述检测电容CS的另一端还分别连接所述开关SW10及开关SW11的一端，所述开关SW15的另一端连接所述开关SW6的一端，所述开关SW6的一端还连接所述失调抵消电容CM的一端，所述失调抵消电容CM的另一端分别连接所述开关SW7的另一端及开关SW8的一端，所述开关SW8的另一端接地，所述开关SW10的另一端接Vref，所述开关SW11、开关SW12、开关SW8的另一端接地，所述开关SW9的另一端连接所述开关SW13与所述电容CA并联后的一端，所述开关SW13与所述电容CA并联后的另一端分别连接所述放大器A1的负输入端及所述开关SW14与所述反馈电容CF并联后的一端，所述放大器A1的正输入端接Vref，所述开关SW14与所述反馈电容CF并联后与所述放大器A1的输入端至输出端并联。

本发明的进一步技术方案是：所述电荷检测单元包括电容充电阶段、电荷共享阶段、电荷相减阶段及电荷转移阶段；

所述电容充电阶段，该阶段用于在设定时间内对相应的电容充电至需要的电压，其相应电容包括屏体电容CT、补偿电容CC及失调抵消电容CM；

所述电荷共享阶段，该阶段用于通过屏体电容CT和补偿电容CC的电荷被检测电容CS共享，部分电荷转移到检测电容CS上来检测屏体电容CT的电荷；

所述电荷相减阶段，该阶段用于检测电容CS上的电荷被失调抵消电容CM减掉增加信号的动态范围；

所述电荷转移阶段，该阶段用于将转移到反馈电容CF的电荷信号进行积累，产生电压信号。

本发明的进一步技术方案是：所述电荷充电阶段中所述开关SW1、开关SW4、开关SW6、开关SW8、开关SW11、开关SW12、开关SW13、开关SW14均闭合，其他开关均断开构成充电电路完成屏体电容CT、补偿电容CC及失调抵消电容CM充电。

本发明的进一步技术方案是：所述电荷共享阶段中所述开关SW4、开关SW5、开关SW6、开关SW8、开关SW11、开关SW13、开关SW14均闭合，其余开关均断开构成电荷共享电路来完成屏体电容CT和补偿电容CC上的电荷被检测电容CS共享，部分电荷转移到检测电容CS上来测量屏体电容CT的电荷。

本发明的进一步技术方案是：所述电荷相减阶段中所述开关SW2、开关SW3、开关SW7、开关SW11、开关SW15均闭合，其余开关均断开构成电荷相减电路完成检测电容CS上的电荷被失调抵消电容CM减掉增加信号的动态范围。

本发明的进一步技术方案是：所述电荷转移阶段中所述开关SW7、开关SW9、开关SW10、开关SW15均闭合，其余开关均断开构成电荷转移电路完成检测电容CS和失调抵消电容CM上的电荷被转移到反馈电容CF进行积累产生电压信号。

本发明的进一步技术方案是：所述电荷检测单元中的开关均采用的C-MOS管或N-MOS管或P-MOS管。

本发明的进一步技术方案是：所述电荷检测单元中开关信号的时间长度可按需要调整。

本发明的进一步技术方案是：所述处理器单元采用的80c51单片机或Cortex-M0单片机或Cortex-M3单片机。

本发明的有益效果是：采用电荷检测原理，对自电容检测相对其他检测方式具有检测简单，动态范围大的特点，而且采用多次取平均和周期可调节的方式，大大的增强抗噪声能力。该检测系统实现简单，适用范围广，占用芯片面积少，成本低，效率高。采用开关控制的方式实现电路结构简单，并且由于只需要几个开关就可以实现信号的转换，所以占用的芯片面积很小。由于电路中包含失调电荷减法模块，使得输入信号的范围大幅度增加，这样可以增加屏体的兼容性，可以让更多的屏体可以使用该电路。利用该电路采用多次采样取平均的方法可以大大的增强系统的抗噪声能力。

附图说明

图1是本发明实施例提供的触摸屏控制电路的检测系统结构图；

图2是本发明实施例提供的电荷检测单元电路原理图；

图3是本发明实施例提供的电容充电阶段示意图；

图4是本发明实施例提供的电容充电阶段等效电路图；

图5是本发明实施例提供的电荷共享阶段示意图；

图6是本发明实施例提供的电荷共享阶段等效电路图；

图7是本发明实施例提供的电荷相减阶段示意图；

图8是本发明实施例提供的电荷相减阶段等效电路图；

图9是本发明实施例提供的电荷转移阶段示意图；

图10是本发明实施例提供的电荷转移阶段等效电路图；

图11是本发明实施例提供的电荷检测单元的采样时序图。

具体实施方式

附图标记：10-模拟电路 20-数字电路 101-电荷检测单元 102-数模转换单元 201-滤波单元 202-处理器单元 203-端口单元

如图1-11所示，本发明提供的触摸屏控制电路的检测系统，该检测系统包括屏体电容CT、模拟电路10及数字电路20，所述屏体电容CT一端连接所述模拟电路10输入端，所述模拟电路10输出端连接所述数字电路20输入端，所述模拟电路10包括电荷检测单元101及模数转换单元102，所述电荷检测单元101输出端连接所述模数转换单元102输入端，所述数字电路20包括滤波单元201、处理器单元202及端口单元203，所述处理器单元202输出端连接所述滤波单元201输入端，所述滤波单元201输出端连接端口单元203输入端，所述电荷检测单元101，用于检测触摸屏中的检测通道与地之间的电容容值变化完成对触摸屏控制电路的检测；所述屏体电容CT另一端接地。采用电荷检测原理，对自电容检测相对其他检测方式具有检测简单，动态范围大的特点，而且采用多次取平均和周期可调节的方式，大大的增强抗噪声能力。该检测系统实现简单，适用范围广，占用芯片面积少，成本低，效率高。

所述电荷检测单元包括开关SW1、开关SW2、开关SW3、开关SW4、开关SW5、开关SW6、开关SW7、开关SW8、开关SW9、开关SW10、开关SW11、开关SW12、开关SW13、开关SW14、开关SW15、补偿电容CC、失调抵消电容CM、检测电容CS、电容CA、反馈电容CF及放大器A1，所述开关SW1一端分别连接所述开关SW2、开关SW4及开关SW5的一端，所述开关SW1的另一端接VDD，所述开关SW3与所述补偿电容CC并联后的一端连接所述开关SW4的另一端，所述开关SW3与所述补偿电容CC并联后的另一端接地，所述开关SW5的另一端分别连接所述开关SW15、开关SW7、开关SW9、开关SW12、开关SW11、开关SW10、检测电容CS的一端及检测电容CS的另一端，所述检测电容CS的另一端还分别连接所述开关SW10及开关SW11的一端，所述开关SW15的另一端连接所述开关SW6的一端，所述开关SW6的一端还连接所述失调抵消电容CM的一端，所述失调抵消电容CM的另一端分别连接所述开关SW7的另一端及开关SW8的一端，所述开关SW8的另一端接地，所述开关SW10的另一端接Vref，所述开关SW11、开关SW12、开关SW8的另一端接地，所述开关SW9的另一端连接所述开关SW13与所述电容CA并联后的一端，所述开关SW13与所述电容CA并联后的另一端分别连接所述放大器A1的负输入端及所述开关SW14与所述反馈电容CF并联后的一端，所述放大器A1的正输入端接Vref，所述开关SW14与所述反馈电容CF并联后与所述放大器A1的输入端至输出端并联。

所述电荷检测单元包括电容充电阶段、电荷共享阶段、电荷相减阶段及电荷转移阶段；

所述电荷充电阶段中所述开关SW1、开关SW4、开关SW6、开关SW8、开关SW11、开关SW12、开关SW13、开关SW14均闭合，其他开关均断开构成充电电路完成屏体电容CT、补偿电容CC及失调抵消电容CM充电。在该阶段，相应的电容将在设定时间内被充电至需要的电压，其中相应的电容包括屏体电容CT、补偿电容CC和失调抵消电容CM。在该阶段中，屏体电容CT和补偿电容CC被充电至目标电压VDD，其他电容上的电荷被完全放掉。在该阶段，开关SW1闭合，SW4闭合，SW6闭合，SW8闭合，SW11闭合，SW12闭合，SW13闭合，SW14闭合。其他开关都断开。充电完成后，屏体电容CT、补偿电容CC和失调抵消电容CM上面存储的额电荷量分别为QCT、QCC和QCM，其中，

\begin{matrix} Q_{C_{T}} = C_{T} \cdot VDD \\ Q_{C_{C}} = C_{C} \cdot VDD \\ Q_{C_{M}} = C_{M} \cdot VDD \end{matrix} .

其电容充电阶段的示意图如如图3、图4所示。

所述电荷共享阶段中所述开关SW4、开关SW5、开关SW6、开关SW8、开关SW11、开关SW13、开关SW14均闭合，其余开关均断开构成电荷共享电路来完成屏体电容CT和补偿电容CC上的电荷被检测电容CS共享，部分电荷转移到检测电容CS上来测量屏体电容CT的电荷。在芯片内部由一个检测电容CS，该检测电容CS大小可以调节，其用于检测外部屏体上面的电荷。在该阶段，开关SW4闭合，SW5闭合，SW6闭合，SW8闭合，SW11闭合，SW13闭合，SW14闭合，其他开关都断开。屏体电容CT和补偿电容CC上的电荷被检测电容CS共享，部分电容将转移到检测电容CS上。其电荷共享阶段示意图如图5、图6所示。而根据电荷守恒原理，可得检测电容CS上面的电荷量为：

所述电荷相减阶段中所述开关SW2、开关SW3、开关SW7、开关SW11、开关SW15均闭合，其余开关均断开构成电荷相减电路完成检测电容CS上的电荷被失调抵消电容CM减掉增加信号的动态范围。在该阶段，开关开关SW2闭合、开关SW3闭合、开关SW7闭合、开关SW11闭合、开关SW15闭合，其他所有开关都断开。其中电容CM是失调抵消电容，它有助于增加信号的动态范围。其电荷相减阶段的示意图如图7、图8所示。在该阶段中，检测电容CS上的电荷被失调抵消电容CM上的电荷减掉，此时检测电容CS和失调抵消电容CM上剩余的电荷为：

ΔQ = [C_{S} \cdot \frac{(C_{T} + C_{C})}{(C_{T} + C_{C} + C_{S})} - C_{M}] \cdot VDD .

所述电荷转移阶段中所述开关SW7、开关SW9、开关SW10、开关SW15均闭合，其余开关均断开构成电荷转移电路完成检测电容CS和失调抵消电容CM上的电荷被转移到反馈电容CF进行积累产生电压信号。在该阶段，开关SW7闭合、开关SW9闭合、开关SW10闭合、开关SW15闭合，其他所有开关都断开。在该阶段，检测电容CS和失调抵消电容CM上的电荷被转移到反馈电容CF。电容CF是跨接在电荷放大器的两端，是放大器的反馈电容，它可以将电荷信号进行积累，产生电压信号。电荷转移阶段的示意图如图9、图10所示。该阶段完成后，输出电压为：

{ΔV}_{OUT} = - \frac{1}{C_{F}} \cdot [\frac{C_{S} \cdot (C_{T} + C_{C})}{(C_{T} + C_{C} + C_{S})} - C_{M}] \cdot VDD .

在上述四个阶段完成转换后，即将电荷信号转换成电压信号，电压信号被模数转换单元量化处理，然后通过数字电路的处理，输出结果将被端口单元送出给触摸屏的主处理器。

所述模数转换单元采用的是模数转换器。数模转换器可以采用集成的方式实现，也可以采用分离的ADC实现，如ADS8320、MAX186等。

所述端口单元采用的是12C接口或SPI接口或UART接口。

所述电荷检测单元中的开关均采用的C-MOS管或N-MOS管或P-MOS管。

所述电荷检测单元中开关信号的时间长度可按需要调整。

所述处理器单元采用的80c51单片机或Cortex-M0单片机或Cortex-M3单片机。

所述滤波单元采用采用FIR、IIR等滤波器。

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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种触摸屏控制电路的检测系统，其特征在于，该检测系统包括屏体电容CT、模拟电路及数字电路，所述屏体电容CT一端连接所述模拟电路输入端，所述模拟电路输出端连接所述数字电路输入端，所述模拟电路包括电荷检测单元及模数转换单元，所述电荷检测单元输出端连接所述模数转换单元输入端，所述数字电路包括滤波单元、处理器单元及端口单元，所述处理器单元输出端连接所述滤波单元输入端，所述滤波单元输出端连接端口单元输入端,所述电荷检测单元，用于对触摸屏中的检测通道与地之间的电容容值变化完成对触摸屏控制电路的检测；所述屏体电容CT另一端接地。

2.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述电荷检测单元包括开关SW1、开关SW2、开关SW3、开关SW4、开关SW5、开关SW6、开关SW7、开关SW8、开关SW9、开关SW10、开关SW11、开关SW12、开关SW13、开关SW14、开关SW15、补偿电容CC、失调抵消电容CM、检测电容CS、电容CA、反馈电容CF及放大器A1，所述开关SW1一端分别连接所述开关SW2、开关SW4及开关SW5的一端，所述开关SW1的另一端接VDD，所述开关SW3与所述补偿电容CC并联后的一端连接所述开关SW4的另一端，所述开关SW3与所述补偿电容CC并联后的另一端接地，所述开关SW5的另一端分别连接所述开关SW15、开关SW7、开关SW9、开关SW12、开关SW11、开关SW10、检测电容CS的一端及检测电容CS的另一端，所述检测电容CS的另一端还分别连接所述开关SW10及开关SW11的一端，所述开关SW15的另一端连接所述开关SW6的一端，所述开关SW6的一端还连接所述失调抵消电容CM的一端，所述失调抵消电容CM的另一端分别连接所述开关SW7的另一端及开关SW8的一端，所述开关SW8的另一端接地，所述开关SW10的另一端接Vref，所述开关SW11、开关SW12、开关SW8的另一端接地，所述开关SW9的另一端连接所述开关SW13与所述电容CA并联后的一端，所述开关SW13与所述电容CA并联后的另一端分别连接所述放大器A1的负输入端及所述开关SW14与所述反馈电容CF并联后的一端，所述放大器A1的正输入端接Vref,所述开关SW14与所述反馈电容CF并联后与所述放大器A1的输入端至输出端并联。

3.根据权利要求2所述的检测系统，其特征在于，所述电荷检测单元包括电容充电阶段、电荷共享阶段、电荷相减阶段及电荷转移阶段；

4.根据权利要求3所述的检测系统，其特征在于，所述电荷充电阶段中所述开关SW1、开关SW4、开关SW6、开关SW8、开关SW11、开关SW12、开关SW13、开关SW14均闭合，其他开关均断开构成充电电路完成屏体电容CT、补偿电容CC及失调抵消电容CM充电。

5.根据权利要求4所述的检测系统，其特征在于，所述电荷共享阶段中所述开关SW4、开关SW5、开关SW6、开关SW8、开关SW11、开关SW13、开关SW14均闭合，其余开关均断开构成电荷共享电路来完成屏体电容CT和补偿电容CC上的电荷被检测电容CS共享，部分电荷转移到检测电容CS上来测量屏体电容CT的电荷。

6.根据权利要求5所述的检测系统，其特征在于，所述电荷相减阶段中所述开关SW2、开关SW3、开关SW7、开关SW11、开关SW15均闭合，其余开关均断开构成电荷相减电路完成检测电容CS上的电荷被失调抵消电容CM减掉增加信号的动态范围。

7.根据权利要求6所述的检测系统，其特征在于，所述电荷转移阶段中所述开关SW7、开关SW9、开关SW10、开关SW15均闭合，其余开关均断开构成电荷转移电路完成检测电容CS和失调抵消电容CM上的电荷被转移到反馈电容CF进行积累产生电压信号。

8.根据权利要求2-7任一项所述的检测系统，其特征在于，所述电荷检测单元中的开关均采用的C-MOS管或N-MOS管或P-MOS管。

9.根据权利要求8所述的检测系统，其特征在于，所述电荷检测单元中开关信号的时间长度可按需要调整。

10.根据权利要求9所述的检测系统，其特征在于，所述处理器单元采用的80c51单片机或Cortex-M0 单片机或Cortex-M3单片机。