CN104516549A - 触摸感测系统及其驱动方法 - Google Patents

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Abstract

触摸感测系统及其驱动方法。该触摸感测系统包括：笔，其包括嵌入在其中的谐振电路；XY电极，其包括X电极以及垂直于所述X电极的Y电极；天线，其包围所述XY电极；以及第一触摸驱动电路，其通过电耦合将谐振感应信号发送至所述笔，并通过所述天线接收来自所述笔的谐振信号。

Description

触摸感测系统及其驱动方法
技术领域
本公开的实施方式涉及能够感测笔和手指的触摸感测系统及其驱动方法。
背景技术
用户接口(UI)被配置为使得用户能够与各种电子装置交流，因此可容易且舒适地控制电子装置。用户接口的示例包括键区、键盘、鼠标、屏幕显示(OSD)以及具有红外通信功能或射频(RF)通信功能的遥控器。用户接口技术持续扩展以增加用户的灵敏度和处理便利性。近来已开发出包括触摸UI、语音识别UI、3D UI等的用户接口。
触摸UI已不可或缺地用在便携式信息电器中，并且已扩展至家用电器的使用。触摸UI感测对触摸屏进行触摸的手指或笔的位置并生成位置信息。
触摸屏分成感测导体(例如，手指)的触摸屏和感测笔的触摸屏。后一种笔触摸屏的示例公开于美国专利No.7,903,085(2011年3月8日)中(以下称作“现有技术的笔触摸感测装置”)。现有技术的笔触摸感测装置包括嵌入有谐振电路的特制笔、从该特制笔接收谐振信号的环状天线以及从环状天线的信号提取特制笔的位置信息和笔压力信息的模拟信号处理单元。
如图1所示，在现有技术的笔触摸感测装置中，用于感生(induce)笔PEN的谐振的方波信号通过天线ANT经由电磁谐振路径传播，并被发送至笔PEN。从笔PEN的谐振电路生成的谐振信号经由电磁谐振路径(即，电磁场)传播，并被天线ANT接收。笔PEN的谐振电路由于通过电磁场接收的方波信号而谐振，并在电磁场中将谐振信号发送给环状天线。因此，在现有技术的笔触摸感测装置中，笔PEN和天线ANT在电磁场中发送和接收谐振信号。
然而，现有技术的笔触摸感测装置具有以下缺点。
现有技术的笔触摸感测装置需要多个环状天线以及用于顺序地驱动环状天线的开关电路，以在XY坐标系中检测笔的触摸位置。环状天线必须按照矩阵形式以交叠形状实现，以在XY坐标系中识别触摸点。另外，由于必须给显示面板增加单独的天线层以在显示面板中实现环状天线，所以显示面板的厚度增加。由于必须增加将多个环状天线和模拟信号处理电路连接到显示面板的结构，所以线缆连接设备变得较大且复杂。因此，当显示面板中集成多个环状天线时，难以提供纤薄且简单的显示装置。
由于现有技术的笔触摸感测装置利用模拟比较器比较接收的笔的信号，所以仅可识别笔是否存在，难以精确地表示笔的触摸位置的坐标。由于现有技术的笔触摸感测装置中所使用的脉冲发生器限制了谐振信号的频率，所以难以改变谐振频率。由于现有技术的笔触摸感测装置中所使用的模拟信号处理单元根据周围环境(例如，温度和湿度)而表现不同的操作结果，所以其可靠性较低。
发明内容
在一个方面，一种触摸感测系统包括：笔，其包括嵌入其中的谐振电路；XY电极，其包括X电极以及垂直于所述X电极的Y电极；天线，其被配置为包围所述XY电极；以及第一触摸驱动电路，其被配置为通过电耦合将谐振感应信号发送至所述笔，并通过所述天线接收来自所述笔的谐振信号。
在另一方面，一种用于驱动触摸感测系统的方法，该触摸感测系统包括笔、XY电极和天线，所述笔包括嵌入其中的谐振电路，所述XY电极包括X电极以及垂直于所述X电极的Y电极，所述天线包围所述XY电极，其中，所述方法包括以下步骤：生成所述笔的谐振感应信号；通过电耦合将所述笔的所述谐振感应信号发送至所述笔；通过所述天线接收来自所述笔的谐振信号；以及分析所述天线接收的信号以估计所述笔的位置和笔压力。
附图说明
附图被包括以提供对本发明的进一步理解，并且被并入本申请并构成本申请的一部分，附图示出了本发明的实施方式并与说明书一起用于说明本发明的原理。附图中：
图1示出现有技术的笔触摸感测装置中的谐振信号的发送和接收；
图2示出根据本发明的示例性实施方式的触摸感测系统中的电场的发送和谐振信号的接收；
图3是根据本发明的示例性实施方式的触摸感测系统的框图；
图4至图6示出根据本发明的示例性实施方式的触摸屏和显示面板的各种组合；
图7是示出根据本发明的示例性实施方式的触摸屏中的XY电极和天线的平面图；
图8示出根据本发明的示例性实施方式的一帧周期；
图9是示出笔的触摸感测操作的波形图；
图10是示出手指的触摸感测操作的波形图；
图11是详细示出根据本发明的示例性实施方式的第一触摸驱动电路的电路图；
图12示出嵌入笔中的电感器，其中左部分的图示出了不存在笔压力时的情况，右部分的图示出了存在笔压力时的情况；
图13是示出第一触摸驱动电路的操作的波形图；
图14示出第一触摸驱动电路被集成到单片集成电路(IC)中的示例；
图15示出在发送和接收谐振信号的现有技术的方法中生成的笔尖的位置识别误差；
图16示出能够防止笔尖的位置识别误差的本发明的示例性实施方式的效果；
图17和图18示出估计笔的触摸输入坐标的原理；以及
图19和图20示出估计笔的笔压力的原理，其中图20中的上部分的图示出了压力较小时Tx驱动轴处的反正切值的结果，图20中的下部分的图示出了压力较大时Tx驱动轴处的反正切值的结果。
具体实施方式
现在将详细参照本发明的实施方式，其示例示出于附图中。只要可能，贯穿附图将使用相同的标号来指代相同或相似的部件。将注意的是，如果确定已知技术会误导本发明的实施方式，则将省略对已知技术的详细描述。
如图2所示，根据本发明的示例性实施方式的触摸感测系统包括多个XY电极X/Y、天线ANT和笔PEN。XY电极X/Y被分成X电极组和Y电极组。X电极组包括多个X电极。Y电极组包括垂直于X电极的多个Y电极(二者间夹有电介质)。XY电极X/Y基本上具有与现有电容式触摸屏中的电极相同的结构。因此，本发明的实施方式可将XY电极X/Y实现为用于现有手指触摸感测操作的触摸屏的电极。
XY电极X/Y与显示输入图像的显示面板的像素阵列交叠。因此，XY电极X/Y可由具有高透射率的材料(例如，铟锡氧化物(ITO))形成。XY电极X/Y通过电容Csx与笔PEN电容耦合。电容Cx是XY电极X/Y与笔PEN之间形成的电容。在XY电极X/Y与笔PEN之间通过电容Cx生成电耦合。XY电极X/Y通过电容Csx将电场的谐振感应信号发送给笔PEN。
笔PEN包括谐振电路。笔PEN的谐振电路响应于通过寄生电容Csx接收的谐振感应信号而谐振，并生成谐振信号。来自笔PEN的谐振信号在电磁场中被发送给天线ANT。
天线ANT接收来自笔PEN的谐振信号。天线ANT可被实现为包围XY电极X/Y的单个环状天线。根据本发明的实施方式的触摸感测系统通过XY电极X/Y基于电容Csx的变化来感测手指的触摸输入，并且利用XY电极X/Y和天线ANT来感测笔PEN的触摸输入。
根据本发明的实施方式的触摸感测系统可与各种类型的显示装置耦合。例如，显示装置可基于诸如液晶显示器(LCD)、场发射显示器(FED)、等离子体显示面板(PDP)、有机发光显示器和电泳显示器(EPD)的平板显示器来实现。在以下描述中，将使用液晶显示器作为平板显示器的示例来描述本发明的实施方式。也可使用其它平板显示器。
如图3至图6所示，根据本发明的实施方式的显示装置包括显示面板DIS、显示驱动电路、触摸屏TSP、触摸屏驱动电路等。
显示面板DIS包括形成在上基板GLS1和下基板GLS2之间的液晶层。显示面板DIS的像素阵列包括形成在由数据线D1至Dm和选通线(或扫描线)G1至Gn(其中m和n是正整数)限定的像素区域中的像素。各个像素包括形成在数据线D1至Dm与选通线G1至Gn的交叉处的薄膜晶体管(TFT)、被充电为数据电压的像素电极、连接到像素电极并保持液晶单元的电压的存储电容器等。
黑色基底、滤色器等形成在显示面板DIS的上基板GLS1上。显示面板DIS的下基板GLS2可按照COT(滤色器在TFT上)结构来配置。在这种情况下，黑色基底和滤色器可形成在显示面板DIS的下基板GLS2上。被供应有公共电压Vcom的公共电极可形成在显示面板DIS的上基板GLS1或下基板GLS2上。偏振板分别附接到显示面板DIS的上基板GLS1和下基板GLS2。用于设定液晶的预倾角的配向层分别形成在显示面板DIS的上基板GLS1和下基板GLS2中的接触液晶的内表面上。柱状间隔物形成在显示面板DIS的上基板GLS1和下基板GLS2之间以保持液晶单元的单元间隙恒定。
背光单元可被设置在显示面板DIS的后表面上。例如，背光单元可被实现为边光型背光单元和直下型背光单元中的一个，并将光照射到显示面板DIS上。显示面板DIS可按照包括扭曲向列(TN)模式、垂直配向(VA)模式、面内切换(IPS)模式、边缘场开关(FFS)模式等的任何已知模式来实现。
显示驱动电路包括数据驱动电路12、扫描驱动电路14和定时控制器20。显示驱动电路将输入图像的视频数据电压施加到显示面板DIS的像素。数据驱动电路12将从定时控制器20接收的输入图像的数字视频数据RGB转换为正负模拟伽马补偿电压并输出数据电压。然后，数据驱动电路12将数据电压供应给数据线D1至Dm。扫描驱动电路14将与数据电压同步的选通脉冲(或扫描脉冲)顺序地供应给选通线G1至Gn，并选择显示面板DIS的施加有数据电压的线。
定时控制器20从主机系统40接收诸如垂直同步信号Vsync、水平同步信号Hsync、数据使能信号DE和主时钟MCLK的定时信号。定时控制器20产生数据定时控制信号和扫描定时控制信号以利用定时信号分别控制数据驱动电路12和扫描驱动电路14的操作定时。数据定时控制信号包括源采样时钟SSC、源输出使能信号SOE、极性控制信号POL等。扫描定时控制信号包括选通起始脉冲GSP、选通移位时钟GSC、选通输出使能信号GOE等。
定时控制器20将输入图像的帧率(frame rate)乘以“N”，以获得(帧率×N)Hz的频率，其中N是等于或大于2的正整数。因此，定时控制器20可基于(帧率×N)Hz的频率控制显示驱动电路和触摸屏驱动电路中的每一个的操作频率。输入图像的帧率在美国国家电视标准委员会(NTSC)方案中为60Hz(一帧周期＝16.67msec)，在相位交替行(PAL)方案中为50Hz(一帧周期＝20msec)。
如图2和图7所示，触摸屏TSP包括XY电极X1至Xi和Y1至Yj以及天线ANT。触摸传感器Cts形成在XY电极X1至Xi和Y1至Yj的交叉处，触摸传感器Cts的电荷量根据是否存在导体(例如，手指)而变化。XY电极X1至Xi和Y1至Yj可被实现为感测手指的触摸输入的现有电容式触摸屏中使用的电极。因此，根据本发明的实施方式的触摸屏TSP可简单地通过在现有电容式触摸屏的边缘另外安装天线ANT来实现。
如图4所示，触摸屏TSP的XY电极X1至Xi和Y1至Yj以及天线ANT可附接在显示面板DIS的上偏振板POL1上。另选地，如图5所示，触摸屏TSP的XY电极X1至Xi和Y1至Yj以及天线ANT可形成在显示面板DIS的上偏振板POL1和上基板GLS1之间。另选地，如图6所示，在嵌入(in-cell)类型中，触摸屏TSP的XY电极X1至Xi和Y1至Yj以及天线ANT可与显示面板DIS的像素阵列一起被嵌入在显示面板DIS的下基板GLS2中。在图4至图6中，“PIX”表示液晶单元的像素电极，“POL2”表示显示面板DIS的下偏振板。触摸屏TSP的XY电极X1至Xi和Y1至Yj以及天线ANT可形成在同一平面或不同的平面上。
触摸屏驱动电路包括第一触摸驱动电路30和第二触摸驱动电路32。
第一触摸驱动电路30将谐振感应信号顺序地供应给XY电极X1至Xi和Y1至Yj，并通过天线ANT接收来自笔PEN的谐振信号。第一触摸驱动电路30将通过天线ANT接收的来自笔PEN的谐振信号转换为数字数据，并检测谐振信号的振幅和相位。第一触摸驱动电路30将所检测到的谐振信号的振幅与预定基准值进行比较，并判定笔PEN的触摸位置信息XY。另外，第一触摸驱动电路30计算所检测到的谐振信号的相位，并判定笔PEN的笔压力。通过第一触摸驱动电路30生成的笔PEN的触摸位置信息XY和笔压力信息被发送给主机系统40。
第二触摸驱动电路32基于触摸操作前后触摸传感器Cts的电容的变化来感测手指的触摸位置。所述电容可分成自电容和互电容。第二触摸驱动电路32将刺激信号顺序地供应给X电极或者XY电极X1至Xi和Y1至Yj，与刺激信号同步地检测触摸操作前后触摸传感器Cts的电容变化，并且将所述电容变化转换为数字数据。第二触摸驱动电路32将该数字数据与预定基准值进行比较，并确定手指的触摸位置信息XY。通过第二触摸驱动电路32生成的手指的触摸位置信息XY被发送给主机系统40。刺激信号可被生成为各种形状(例如，脉冲和三角波)的AC信号。第二触摸驱动电路32可被实现为感测手指触摸输入的现有电容式触摸屏中使用的触摸驱动电路。
例如，主机系统40可被实现为电视系统、机顶盒、导航系统、DVD播放器、蓝光播放器、个人计算机(PC)、家庭影院系统和电话系统中的一个，并接收输入图像。主机系统40从第一触摸驱动电路30接收笔PEN的触摸位置信息XY和笔压力信息，并从第二触摸驱动电路32接收手指的触摸位置信息XY。
主机系统40包括嵌入有缩放器的芯片系统(SoC)，并将输入图像的数字视频数据RGB转换为适合于显示在显示面板DIS上的数据格式。主机系统40将输入图像的数字视频数据RGB以及定时信号Vsync、Hsync、DE和MCLK发送给定时控制器20。另外，主机系统40运行与从第一触摸驱动电路30和第二触摸驱动电路32接收的笔PEN的触摸位置信息XY和笔压力信息以及手指的触摸位置信息XY关联的应用。
图7是示出根据本发明的实施方式的触摸屏中的XY电极和天线的平面图。
如图7所示，XY电极包括沿着x轴平行布置的X电极X1至X6以及沿着y轴平行布置并且垂直于X电极X1至X6的Y电极Y1至Y6。天线ANT可被实现为包围XY电极X1至X6和Y1至Y6的单个天线。所述单个天线可形成在显示图像的像素阵列之外的边框区域中，使得像素的孔径比不会减小。
图8示出根据本发明的实施方式的一帧周期。
当如图6所示触摸屏TSP被嵌入在显示面板DIS的像素阵列中时，在像素阵列与触摸屏TSP之间产生电耦合，该电耦合可能对像素阵列和触摸屏TSP产生不利影响。因此，如图8中的(A)所示，当触摸屏TSP被嵌入在显示面板DIS的像素阵列中时，一帧周期可被时分成显示周期Tdis、第一触摸感测周期Tpen和第二触摸感测周期Tfinger。
当触摸屏TSP被嵌入在显示面板DIS的像素阵列中时，触摸屏TSP的XY电极可用作向像素供应公共电压Vcom的公共电极。在这种情况下，在显示周期Tdis期间将公共电压Vcom供应给XY电极，在第一触摸感测周期Tpen和第二触摸感测周期Tfinger期间将刺激信号或谐振感应信号供应给XY电极。
当触摸屏TSP被嵌入在作为显示装置的有机发光显示器的显示面板DIS的像素阵列中时，可在显示周期Tdis期间将包括高电势电源电压VDD、低电势电源电压VSS、基准电压等的像素电源电压供应给触摸屏TSP的XY电极。
在显示周期Tdis期间，显示驱动电路被驱动并将输入图像的数字视频数据施加到显示面板DIS的像素。在第一触摸感测周期Tpen期间，第一触摸驱动电路30被驱动并感测笔在触摸屏TSP上的触摸位置和笔压力。在第二触摸感测周期Tfinger期间，第二触摸驱动电路32被驱动并感测导体(例如，手指)在触摸屏TSP上的触摸位置。
当如图4和图5所示触摸屏TSP形成在与显示面板DIS的像素阵列分离的上基板GLS1上时，像素阵列与触摸屏TSP之间几乎没有电耦合。因此，如图8中的(B)所示，当触摸屏TSP与显示面板DIS的像素阵列分离时，一帧周期可被指派为显示周期Tdis。另外，一帧周期可分成第一触摸感测周期Tpen和第二触摸感测周期Tfinger。在这种情况下，显示周期Tdis可与第一触摸感测周期Tpen和第二触摸感测周期Tfinger交叠。
图9是示出笔的触摸感测操作的波形图。
如图9所示，第一触摸驱动电路30在第一触摸感测周期Tpen中操作并将谐振感应信号顺序地供应给XY电极Y1至Yj和X1至Xi，从而感生笔PEN的谐振。嵌入在笔PEN中的谐振电路响应于通过电容Csx作为电场输入的谐振感应信号而谐振，并生成谐振信号。天线ANT在电磁场中接收来自笔PEN的谐振信号。第一触摸驱动电路30将通过天线ANT接收的模拟谐振信号转换为数字数据并计算数字数据中的谐振信号的振幅和相位，从而感测笔PEN的位置和笔压力。
图10是示出手指的触摸感测操作的波形图。
如图10所示，第二触摸驱动电路32在第二触摸感测周期Tfinger中操作。在互电容中，第二触摸驱动电路32将刺激信号顺序地供应给Y电极Y1至Yj并与刺激信号同步地通过X电极X1至Xi接收触摸传感器Cts的电荷。当触摸传感器Cts被手指触摸时，第二触摸驱动电路32基于触摸操作前后触摸传感器Cts的电荷量的变化来感测触摸输入。因此，在第二触摸感测周期Tfinger期间，属于Y电极组的Y电极Y1至Yj用作将刺激信号供应给触摸传感器Cts的Tx通道电极，属于X电极组的X电极X1至Xi用作从触摸传感器Cts接收电荷的Rx通道电极。
在自电容中，第二触摸驱动电路32将刺激信号顺序地供应给X电极X1至Xi和Y电极Y1至Yj。在自电容中，第二触摸驱动电路32基于触摸操作前后刺激信号的下降沿时间或上升沿时间的变化来通过X电极X1至Xi和Y电极Y1至Yj感测触摸输入。因此，在第二触摸感测周期Tfinger期间，X电极X1至Xi和Y电极Y1至Yj分别用作Tx通道电极和Rx通道电极。
图11是详细示出第一触摸驱动电路30的电路图。图12示出嵌入在笔中的电感器。图13是示出第一触摸驱动电路30的操作的波形图。
如图11至图13所示，第一触摸驱动电路30包括模拟信号处理单元100和数字信号处理单元200。
笔PEN包括LC并联谐振电路，其中电感器L和电容器C并联连接。在图11中，连接到笔PEN的“Ch”表示当人持握笔PEN时生成的寄生电容。当通过电容Csx施加到笔PEN的谐振感应信号的频率等于LC并联谐振电路的谐振频率时，笔PEN生成谐振信号。因此，笔PEN不需要连接到LC并联谐振电路的单独的电源。施加到笔PEN的谐振感应信号在数字信号处理单元200中生成。谐振感应信号可在数字信号处理单元200中按照包括方波信号、正弦波信号等的各种类型来生成。来自笔PEN的谐振信号被天线ANT接收。
笔PEN的LC并联谐振电路中的电感根据笔压力而变化。为此，电感器L如图12所示实现。绕在铁氧体磁芯FC上的线圈L11和绕在引导芯(guide core)GC上的线圈L12彼此串联连接。弹簧SPR安装在铁氧体磁芯FC和引导芯GC之间。根据式“L＝μSN2/l”，电感与磁导率μ、线圈的横截面积S以及匝数N的平方成正比，并且与线圈的长度(l)成反比。因此，当笔PEN被压在触摸屏TSP上并产生笔PEN的笔压力时，铁氧体磁芯FC和引导芯GC之间的距离随着弹簧SPR被压缩而减小。换言之，当产生笔压力时，磁导率μ增大，线圈的长度(l)减小。因此，电感L增大。当LC并联谐振电路中的电感L增大时，谐振频率减小。本发明的实施方式可利用当产生笔压力时变化的谐振频率来判定笔压力。
在图11和图13中，(A)示出通过电容Csx施加到笔PEN的电场的方波谐振感应信号的示例。(A’)是当天线ANT接收到来自笔PEN的响应于方波谐振感应信号(A)的谐振信号时，在天线ANT中测量到的模拟信号。来自笔PEN的谐振信号可由表示。谐振频率ω可根据笔PEN的笔压力而变化。
模拟信号处理单元100对通过天线ANT接收的模拟谐振信号进行放大并提取来自笔PEN的谐振信号的频带，从而输出数字谐振信号。为此，模拟信号处理单元100包括放大器110、带通滤波器(BPF)112和模数转换器(ADC)114。
放大器110按照其增益对天线信号进行放大并将天线信号发送给BPF 112。在图11和图13中，(B)是被放大器110放大的天线信号。BPF 112截断除LC并联谐振电路的谐振频率之外的频带并从天线信号去除噪声，从而提取谐振信号。ADC 114将从BPF 112输入的谐振信号量化并输出数字谐振信号。在图11和图13中，(C)是从ADC114输出的数字谐振信号，可由表示，其中S(t)是谐振信号的振幅，ω是谐振频率，是相位。
当从模拟信号处理单元100输入的数字信号中的谐振信号由复数表示时，数字信号处理单元200从该复数提取实部和虚部，并基于所述实部和虚部计算谐振信号的振幅。数字信号处理单元200将谐振信号的振幅与预定基准值进行比较，并判定是否在触摸屏TSP上感测到笔PEN。此时，数字信号处理单元200基于被施加有谐振信号的XY电极的位置来计算笔PEN的坐标。同时，数字信号处理单元200从数字谐振信号提取谐振信号的实部和虚部，基于所述实部和虚部计算谐振信号的相位，并且基于谐振信号的相位判定笔PEN的笔压力。为此，数字信号处理单元200包括Tx驱动器230、数字解调器250、位置信息生成器218和笔压力信息生成器220。
如图9所示，Tx驱动器230顺序地向XY电极X1至Xi和Y1至Yj供应频率等于笔PEN的谐振频率的方波信号作为谐振感应信号。当基于位置信息生成器218的输出(I)判定笔PEN被设置在触摸屏TSP上时，可基于被施加有谐振感应信号的XY电极X1至Xi和Y1至Yj的坐标信息来计算笔PEN的坐标信息。
数字解调器250从数字谐振信号提取谐振信号的实部和虚部，将从实部和虚部中的每一个去除高频噪声的结果相加n次(其中n是等于或大于2的正整数)。数字解调器250将相加结果供应给位置信息生成器218和笔压力信息生成器220。为此，数字解调器250包括第一振荡器206和第二振荡器208、第一乘法器202和第二乘法器204、第一低通滤波器(LPF)210和第二LPF 212以及第一积分器214和第二积分器216。
第一振荡器206将频率和相位与谐振信号相同的振荡信号(D)输入给第一乘法器202，以提取谐振信号的实部。在图11和图13中，当(C)由表示时，(D)可由sin(wt)表示。
第一乘法器202从所接收到的谐振信号检测实部的包络。第一乘法器202将所接收到的谐振信号(C)与来自第一振荡器206的振荡信号(D)相乘，以输出结果(E)。在图11和图13中，当(C)由表示，(D)由sin(wt)表示时，第一乘法器202的输出(E)可由表示。第一LPF 210从第一乘法器202的输出(E)去除高频噪声，并将DC分量供应给第一积分器214。在图11和图13中，当(E)由表示时，第一LPF 210的输出(F)可由表示。
第一积分器214将从第一LPF 210接收的实部(同相，I)的数据相加n次，并将相加结果供应给位置信息生成器218和笔压力信息生成器220。在图11和图13中，如果第一积分器214将数据(I)相加1024次，则(G)可由表示。位置信息生成器218计算从第一积分器214和第二积分器216输入的数据的均方根(RMS)值，并将计算结果作为笔PEN的位置信息PL输出。RMS值通过来计算，其中Isum是由第一积分器214累计的谐振信号的实部(同相)，Qsum是由第二积分器216累计的谐振信号的虚部(正交，Q)。在图11和图13中，(I)是从位置信息生成器218输出的笔PEN的位置信息PL的数据。当笔PEN的位置信息PL等于或大于预定基准值时，判定笔PEN触摸了触摸屏TSP。
第二振荡器208将频率与谐振信号相同并且相位相对于谐振信号延迟90°的振荡信号输入至第二乘法器204，以提取谐振信号的虚部。在图11和图13中，当(C)由表示时，第二振荡器208的输出可由cos(wt)表示。第二乘法器204从所接收到的谐振信号检测虚部的包络。第二乘法器204将所接收到的谐振信号(C)与来自第二振荡器208的振荡信号相乘，以得到输出(K),第二LPF 212从第二乘法器204的输出(K)去除高频噪声，并将DC分量供应给第二积分器216。第二LPF 212的输出可由表示。
第二积分器216将从第二LPF 212接收的虚部(正交，Q)的数据相加n次，并将相加结果供应给位置信息生成器218和笔压力信息生成器220。在图11和图13中，如果第二积分器216将虚部数据(I)相加1024次，则(H)可由表示。笔压力信息生成器220基于从第一积分器214和第二积分器216输入的数据计算反正切值，并将计算结果作为笔PEN的笔压力信息PP输出。反正切值如进行计算。笔压力信息PP用于判定笔PEN的笔压力。
第一振荡器206和第二振荡器208可被实现为数字脉冲发生器，例如，能够改变输出频率的数控振荡器(NCO)。Tx驱动器230通过与第一振荡器206和第二振荡器208相同的原理来生成谐振感应信号，并且可被实现为数控振荡器(NCO)。因此，根据本发明的实施方式的触摸感测系统可容易地改变笔PEN的谐振频率。
图14示出第一触摸驱动电路30被集成到单片集成电路(IC)中的示例。
如图14所示，第一触摸驱动电路30可被实现为单片IC，该单片IC包括模拟信号处理单元100、数字信号处理单元200、微处理器单元(MPU)300、接口电路310和存储器320。
数字信号处理单元200还包括存储器2。存储器2临时存储先前数据以在积分器214和216中累计数据，并且还临时存储从位置信息生成器218和笔压力信息生成器220生成的数据。
微处理器单元300基于从存储器2接收的笔PEN的位置信息PL和笔压力信息PP来计算笔PEN的输入位置的坐标和笔压力，并将它们存储在存储器320中。微处理器单元300对笔PEN的输入位置的坐标信息进行插值，以按照显示面板DIS的分辨率来改变触摸屏TSP的分辨率。微处理器单元300可执行用于去除噪声和改进触摸识别性能的另外的算法。接口电路310通过标准接口将笔PEN的输入位置的坐标信息XY和笔压力信息发送给主机系统40。
本发明的实施方式不使用XY电极作为天线。所有导体在被施加AC电流时各自形成自电感，并且可辐射电磁场。然而，由于根据本发明的实施方式的XY电极在按照与现有技术的手指触摸电极相同的方式用作天线时具有非常低的天线效率，所以XY电极不用作天线。由于XY电极由具有高电阻的材料(例如ITO)形成，所以XY电极的天线效率低。
在偶极天线中，能够发送和接收的信号的频率可根据偶极天线的长度而变化。当信号的波长、传输速度和频率分别为λ、c和f时，给出式“λ＝c/f”。根据上式，当天线接收的信号的频率减小时，所接收到的信号的波长增加。因此，考虑到形成在触摸屏TSP内部的XY电极的长度和形状，XY电极不用作笔的谐振频率接收天线。在根据本发明的实施方式的触摸感测系统中，XY电极不用作天线，而是通过电场中的电耦合来将谐振感应信号发送给笔PEN。
如果像现有技术中一样使用通过天线在电磁场中发送和接收谐振信号的方法，则可能在检测笔的位置时产生误差。现有技术制造位于笔的末端的笔尖作为非导体，并且在笔尖附近安装绕在铁氧体磁芯上的线。如图15所示，当笔倾斜时，笔的电感器影响由于笔的这种结构而未触摸笔的天线通道。因此，难以精确地检测笔尖的位置。另一方面，如图16所示，当使用根据本发明的实施方式的XY电极时，通过存在于XY电极与笔之间的电容Csx将电场的谐振感应信号发送至笔。因此，本发明的实施方式可防止现有技术中产生的笔尖的位置识别误差。
图17和图18示出估计笔的触摸输入坐标的原理。在图17中，“TX”表示图7和图9所示的Y电极，“RX”表示图7和图9所示的X电极。更具体地讲，图17示出当谐振感应信号被顺序地供应给总共(32×18)个XY电极TX0至TX31和RX0至RX17时获得的天线接收信号的局部波形。当笔未靠近触摸屏时，按照与Y电极TX12的感测周期中的天线信号相同的方式，谐振信号的幅度(即，振幅)被测量为较小值。另一方面，当笔触摸或靠近触摸屏时，按照与X电极RX6的感测周期中的天线信号相同的方式，谐振信号的幅度被测量为较大值。因此，根据本发明的实施方式的触摸感测系统在XY电极(或TX和RX电极)的各个通道处通过天线接收谐振信号，计算RMS值，并计算XY电极的各个通道处的谐振信号的幅度。触摸感测系统将谐振信号的幅度与预定基准值进行比较，并且当谐振信号的幅度大于预定基准值时判定笔被设置在触摸屏上。图18是指示各个通道中测量的RMS值的曲线图。更具体地讲，图18示出笔触摸Y电极TX10(或Y10)和X电极RX6(或X6)的交叉处的示例。触摸感测系统可通过Y电极TX10(或Y10)和X电极RX6(或X6)的交叉处的坐标来精确地计算笔的坐标。
图19和图20示出估计笔的笔压力的原理。在图19和图20中，反正切值是天线接收的信号与振荡器206和208的输出之间的相位差的计算结果。在图19和图17中，x轴是时间，y轴是接收的信号的波形振幅。当在触摸屏上笔的压力较低时，通过天线信号与振荡器206和208的输出之间的相位差的采样和累计(或相加)而获得的计算结果被给出为较大值。另一方面，当在触摸屏上笔的压力较高时，谐振幅度增大，天线信号与振荡器206和208的输出之间的相位差的累计结果收敛于零。因此，根据本发明的实施方式的触摸感测系统基于反正切值计算谐振信号的幅度，并估计笔压力。振荡器206和208的频率必须基于天线的谐振信号的频率来设定。振荡器206和208的输出波形可以是正弦波或方波。这是因为由天线接收的结果波形根据笔的性能而变化。例如，当笔的性能较佳，并且天线的接收终端处的放大器的性能较佳时，接收方波天线信号(由于Tx驱动器230的方波输出而饱和)。另一方面，当笔的性能或者天线的放大器的性能劣化时，接收接近正弦波的天线信号，因为天线信号不饱和。
如上所述，实施方式将用于感生笔的谐振的AC信号施加到现有手指触摸电极，通过电耦合将AC信号发送给笔，并通过天线接收谐振信号。结果，由于实施方式没有在显示面板的基板上形成触摸感测系统的多个环状天线，所以实施方式可简化显示面板的基板的结构并且可使显示面板纤薄。
只有确保天线之间的距离时，环状天线才用作天线。另一方面，现有手指触摸电极以导电棒的形状形成。因此，在相同的区域中，手指触摸电极的数量可多于环状天线的数量。结果，实施方式可精密地划分能够识别笔的触摸输入的感测点。
由于实施方式处理数字谐振信号，所以实施方式不需要模拟比较器。
由于实施方式确定是否存在笔并且还分析笔的振幅和相位，所以实施方式可呈现笔的详细坐标。
实施方式不使用工作频率有限的现有技术的波形发生器，而是使用对工作频率的变化没有限制的数字脉冲发生器。因此，实施方式有利于笔的谐振频率的改变。
由于实施方式在接收来自笔的谐振信号的电路中使模拟电路最小化，所以实施方式受周围环境的影响小于现有技术。
由于实施方式将接收来自笔的谐振信号的大多数电路实现为数字信号处理电路，所以触摸驱动电路可被实现为单片IC。
由于实施方式将微处理器嵌入在触摸驱动电路中，所以实施方式可改变触摸驱动电路的工作特性，并且可容易地实现触摸驱动电路的性能改进算法。
尽管已参照多个示意性实施例描述了实施方式，但是应该理解，本领域技术人员可以想到许多其它修改形式和实施方式，这些修改形式和实施方式均将落入本公开的原理的范围内。更具体地讲，可对本公开、附图和所附权利要求书的范围内的主题组合布置方式的组成部分和/或布置方式进行各种变化和修改。除了组成部分和/或布置方式方面的变化和修改之外，对于本领域技术人员而言，另选使用也将是明显的。
本申请要求2013年9月26日提交的韩国专利申请No.10-2013-00114372的优先权，针对所有目的，通过引用将其全部内容并入本文，如同在此充分阐述一样。

Claims (15)

1.一种触摸感测系统，该触摸感测系统包括：
笔，该笔包括嵌入在该笔中的谐振电路；
XY电极，所述XY电极包括X电极以及垂直于所述X电极的Y电极；
天线，该天线包围所述XY电极；以及
第一触摸驱动电路，该第一触摸驱动电路被配置为通过电耦合将谐振感应信号发送至所述笔，并通过所述天线接收来自所述笔的谐振信号。
2.根据权利要求1所述的触摸感测系统，该触摸感测系统还包括第二触摸驱动电路，该第二触摸驱动电路被配置为将刺激信号供应给所述Y电极，并与所述刺激信号同步地通过所述X电极接收电荷。
3.根据权利要求1所述的触摸感测系统，该触摸感测系统还包括第二触摸驱动电路，该第二触摸驱动电路被配置为将刺激信号供应给所述X电极和所述Y电极，并与所述刺激信号同步地通过所述X电极和所述Y电极接收电荷。
4.根据权利要求1所述的触摸感测系统，其中，所述天线包括包围所述XY电极的单个天线。
5.根据权利要求4所述的触摸感测系统，其中，所述第一触摸驱动电路包括：
模拟信号处理单元，该模拟信号处理单元被配置为将通过所述天线接收的模拟谐振信号放大，提取来自所述笔的所述谐振信号的频带，并输出数字谐振信号；
Tx驱动器，该Tx驱动器被配置为生成所述谐振感应信号并将所述谐振感应信号顺序地供应给所述XY电极；
数字解调器，该数字解调器被配置为从所述数字谐振信号提取实部和虚部并输出将所述实部和所述虚部中的每一个累计n次的结果，其中n是等于或大于2的正整数；
位置信息生成器，该位置信息生成器被配置为计算从所述数字解调器输入的数据的均方根RMS值；以及
笔压力信息生成器，该笔压力信息生成器被配置为计算从所述数字解调器输入的所述数据的反正切值。
6.根据权利要求5所述的触摸感测系统，其中，所述模拟信号处理单元包括：
放大器，该放大器被配置为将通过所述天线接收的所述模拟谐振信号放大；
带通滤波器，该带通滤波器被配置为从所述放大器的输出截断除所述笔的谐振频率之外的频带；以及
模数转换器，该模数转换器被配置为将所述带通滤波器的输出转换为所述数字谐振信号。
7.根据权利要求6所述的触摸感测系统，其中，所述数字解调器包括：
第一振荡器，该第一振荡器被配置为输出频率和相位与通过所述天线接收的所述笔的所述谐振信号相同的第一振荡信号；
第一乘法器，该第一乘法器被配置为将所述第一振荡信号与通过所述天线接收的来自所述笔的所述谐振信号相乘，并输出相乘结果；
第一低通滤波器，该第一低通滤波器被配置为从所述第一乘法器的输出去除高频噪声；
第一积分器，该第一积分器被配置为将从所述第一低通滤波器输入的数据相加n次，并输出相加结果；
第二振荡器，该第二振荡器被配置为输出频率与通过所述天线接收的来自所述笔的所述谐振信号相同并且相位相对于所述谐振信号延迟了90°的第二振荡信号；
第二乘法器，该第二乘法器被配置为将所述第二振荡信号与通过所述天线接收的来自所述笔的所述谐振信号相乘，并输出相乘结果；
第二低通滤波器，该第二低通滤波器被配置为从所述第二乘法器的输出去除高频噪声；以及
第二积分器，该第二积分器被配置为将从所述第二低通滤波器输入的数据相加n次，并输出相加结果。
8.根据权利要求1所述的触摸感测系统，其中，所述第一触摸驱动电路还包括微处理器和存储器。
9.根据权利要求1所述的触摸感测系统，其中，所述笔独立于单独的电源进行工作。
10.根据权利要求9所述的触摸感测系统，其中，所述笔的所述谐振电路包括电感器和电容器，
其中，所述电感器包括绕在铁氧体磁芯上的第一线圈、绕在引导芯上的第二线圈以及设置在所述铁氧体磁芯与所述引导芯之间的弹簧，
其中，所述第一线圈和所述第二线圈彼此串联连接。
11.一种用于驱动触摸感测系统的方法，所述触摸感测系统包括笔、XY电极和天线，所述笔包括嵌入在所述笔中的谐振电路，所述XY电极包括X电极以及垂直于所述X电极的Y电极，所述天线包围所述XY电极，所述方法包括以下步骤：
生成所述笔的谐振感应信号；
通过电耦合将所述谐振感应信号发送至所述笔；
通过所述天线接收来自所述笔的谐振信号；以及
分析所述天线接收的信号，以估计所述笔的位置和笔压力。
12.根据权利要求11所述的方法，该方法还包括以下步骤：
将刺激信号供应给所述Y电极；以及
分析与所述刺激信号同步地通过所述X电极接收的信号，以估计手指的位置。
13.根据权利要求11所述的方法，该方法还包括以下步骤：
将刺激信号供应给所述X电极和所述Y电极；以及
分析与所述刺激信号同步地通过所述X电极和所述Y电极接收的信号，以估计手指的位置。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，分析所述天线接收的信号以估计所述笔的位置和笔压力的步骤包括以下步骤：
将通过所述天线接收的模拟谐振信号放大，提取来自所述笔的所述谐振信号的频带，并将所述模拟谐振信号转换为数字谐振信号；
从所述数字谐振信号提取来自所述笔的所述谐振信号的实部和虚部，并生成将所述实部和所述虚部中的每一个累计n次的结果，其中n是等于或大于2的正整数；
计算所述累计结果的均方根RMS值；以及
计算所述累计结果的反正切值。
15.一种用户接口，该用户接口包括：
显示器；
触摸感测系统，该触摸感测系统包括：
笔，该笔包括嵌入在该笔中的谐振电路；
XY电极，所述XY电极包括X电极以及垂直于所述X电极的Y电极；
天线，该天线包围所述XY电极；以及
第一触摸驱动电路，该第一触摸驱动电路被配置为通过电耦合将谐振感应信号发送至所述笔，并通过所述天线接收来自所述笔的谐振信号；以及
处理器和存储器，该处理器和该存储器被配置为分析所述天线接收的信号，以估计所述笔在所述显示器上的位置和笔压力。
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