CN104598090A - 一种触摸屏的多点触摸定位方法及触摸屏装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种投射电容触摸屏的多点触摸定位方法及投射电容触摸屏装置，所述定位方法包括：（1）压缩扫描触摸屏，预测所有的可能触点及基于预测触点确定若干个采样窗口；（2）对所有采样窗口的电容图像进行采样和处理，获得触摸信号。本方法提前对触摸屏进行快速扫描，并对可能存在触点信息的采样窗口区域进行估计，再利用窗口采样对包含有可能触点信息的采样窗口区域进行局部采样和处理，可以解决传统基于电容图像采集和处理方法实现的电容触摸屏装置因为效率低而导致的系统资源浪费问题，在不降低触摸屏装置性能的前提下，大幅度缩减多点电容触摸屏装置的成本和功耗，基于该方法实现的触摸屏装置，具有效率高，成本低，功耗低等优点。

Description

一种触摸屏的多点触摸定位方法及触摸屏装置

技术领域

本发明涉及触摸屏领域，特别是涉及了一种投射电容触摸屏的多点触摸定位方法及投射电容触摸屏装置。

背景技术

触摸屏(touch screen)是一种可接收触头等输入讯号的感应式信息输入装置，当手指接触了屏幕表面时，触摸屏可以识别触摸，并对触摸动作和手势进行识别。将触摸屏与显示屏(如LCD屏)上下叠加，形成一个紧凑的触摸输入，视觉反馈的人机交互系统，从而实现对系统GUI(图形用户接口)进行直观操作的目的。采用触摸屏作为输入设备的设备，体积小，操作直观，易于使用。投射电容触摸屏不仅具备触摸屏的一系列优点，而且具备多点触摸和复杂手势识别能力，这使得触摸屏的应用范围大幅度扩展，大大提升了用户的使用感受。投射电容触摸屏过去的几年在消费电子领域取得了巨大的成功，并且正在被广泛应用到工业控制、公共信息查询、医学、金融等各个领域。投射电容触摸屏是一种特殊的位置传感器，为了实现位置感应，需要将触点的位置信息映射到一个二维直角坐标系上，以获取二维坐标信息。触摸屏在设计时通过在水平方向和垂直方向分别设计若干条宽度相等的平行电极，从而模仿二维直角坐标系的x轴向和Y轴向的定标方法，将投射电容屏表面几何区域映射到一个按照触摸电极宽度为单位进行刻度划分的二维直角坐标装置中。

图1是一个传统的具有菱形电极的投射电容触摸屏的顶视图。左上角是该触摸屏投射坐标系的原点位置，标识为X1，X2，X3和Y1，Y2，Y3的电极分表代表X轴向和Y轴向的定标尺度和方向。具有投射二维直角坐标系的电容屏在制造时通常都会遇到X方向电极和Y方向电极垂直交叉的问题，为了保持两个方向电极的电气绝缘性，制造时一般会采用三明治结构的三层结构设计，X方向电极和Y方向电极会被制造在不同的导电层，并且中间会使用绝缘层隔开。为保持投射电容屏良好的透光特性，导电层电极材料一般采用ITO，而绝缘层一般使用玻璃。如图1所示的电容屏，存在两种类型的电容寄生效应，即导电ITO电极之间的寄生互电容效应和导电ITO电极的自电容效应。互电容是两个相互靠近的导体之间由于存在电场作用而存在的寄生电容效应，图1所示电容屏的X电极与Y电极仅使用一个很薄的绝缘层进行电气隔离，在电极交叉的位置彼此非常靠近，形成交叉电极相互间的寄生互电容。自电容效应是导电ITO电极相对于地的电容，任何存在于地球附近的导体都具有相对于地的自电容。ITO电极通常会被设计成特定形状(如图1的菱形)，以使得电场能够最大限度的向周围空间辐射，当手指或导体接近电极或电极交叉点时，导体间的空间辐射电场会受到影响，从而造成电极自电容或电极交叉点处寄生互电容的变化。

图2是具有M条横向电极和N条纵向电极的电容触摸屏面板的等效电路图。C_M代表任意两条电极交叉点处寄生互电容，M条横向电极和N条纵向电极共形成M*N个交叉点，且每个交叉点在二维坐标装置中有唯一的坐标。当手指靠近图2中的任何位置时，就会导致触摸点位置附近的数个电极交叉点处的寄生互电容值发生变化，且这种变化强度沿触摸手指中心向外扩展的数个电极交叉点满足高斯分布。

投射电容触摸屏装置经过专门的设计，能够顺序扫描图2所示触摸屏面板上的每一个电极交叉点，并精确测量每一个交叉点处的电容权重值，进而获取整个触摸屏面板的互电容图像(电容图像每个元素对应触摸屏上对应坐标处电极交叉点互电容量化值)。一般的电容屏装置，为了保证响应速度，要求的互电容图像帧扫描频率在20～200Hz之间。多点触摸屏装置按照设定的帧率不断采集整个触摸屏面板的互电容图像帧，并对图像进行处理，以确定是否触摸及触摸的数量及位置信息，具体可见引用文献1。

图3是引用文献2中描述的一个传统的多点触摸屏装置框图。在该装置中，X方向电极和Y方向电极被固定划分为驱动电极和感应电极。测量时顺序在每一个驱动电极施加驱动信号，N条感应电极与N个电荷放大器连接，电荷放大器用于将驱动信号变化时的电荷变化情况线性转换成电压波动，并使用ADC电路依次将每个电荷放大器输出电压波动转化成数字量。当M条驱动电极被顺序的驱动一次后，就完成了对触摸屏面板上N*M个电极交叉点的互电容测量，从而得到了整个触摸屏的N*M点阵互电容图像(单帧互电容图像)。装置中的主处理器用于对采集到的电容图像进行实时处理，检测触摸，计算触摸中心坐标等。

获取的电容图像数据，需要进行必要的背景噪声滤波，且对滤波后数据使用聚类算法进行触点识别。由于触摸屏在设计时，电极宽度一般在5mm～10mm之间，所以理论上仅可以实现5mm～10mm尺度的分辨精度，而显示装置的像素单元可能仅有几十微米宽度，为了将触摸坐标最终映射到显示装置的像素单元分辨精度水平，触摸屏装置一般都会使用基于量化权重值的插值算法，对测量坐标进行插值，以实现更高精度的坐标映射。通过前面的噪声滤波，聚类和插值等一系列运算，就可以实现精确的触摸点定位，具体可见引用文献3、4。

传统的投射电容多点触摸屏装置基于对触摸屏电容图像采集和处理的方法来实现多触点检测和触点中心坐标的计算。基于N*M点阵互电容图像采集和处理的传统电容触摸屏装置，理论上可以实现无限多数量的触点检测和坐标计算，但缺点是数据采集量和处理量较大，而且由于触摸点数量相对于电容图像元素数量具有稀疏性，即大量的采集和处理数据中均不包含对于触点检测和中心坐标计算有价值的信息，这些无价值的数据将会被装置采集、处理，确定无价值时丢弃，造成大量装置资源浪费(采集和处理无价值信息的装置资源消耗)。随着触摸屏尺寸的不断增大，触摸点数量相对于电容图像元素数量稀疏性不断提高，触摸屏装置的资源浪费会越来越严重，且效率不断下降。按照互电容图像采集和处理方法设计的电容触摸屏装置效率低，成本高，功耗高。

一般的，对于单用户触摸屏装置，设计时支持的总触点数目最多为10个(不超过人手指数目总和)；多用户触摸屏装置，一般交互应用时主要面向双人交互应用，故支持的总触点数目最多为20个；面向移动电子应用的触摸屏装置，基于单手操作习惯而设计，需要支持的总触点数目最多为5个。

以图1所示的N*M点阵触摸屏为例，如果采用传统方法实现多点检测，每一个电容图像帧需要采集N*M个交叉点的数据，且噪声滤波算法，聚类算法和插值算法运行时均需要处理N*M个图像元素。数据的采集量和处理量仅与电容屏的尺寸相关(与触摸点数目无关)，且电容屏尺寸越大，数据的采集量和处理量越大。假设N和M值增加一倍，数据的采集量和处理量就要增加4倍。为了不降低帧扫描频率，就需要提高触摸屏装置的信号采集和处理的速度。为了达到这个目的，就需要设计性能更加优异或并行度更高的信号采集电路；处理器的速度也必须大幅度提升，以提高数据处理速度；存储器容量也需要进一步增加，已满足大量数据处理的空间要求；同时也需要设计更加复杂和性能更好的信号处理软件，以实现大规模数据处理对性能的要求。以上的种种改进会大幅度提升触摸屏装置的成本和功耗。同时，触摸屏尺寸增大时，为了不降低帧扫描频率，增加大量的触摸屏装置资源用于提高采集和处理硬件的速度和设计更高性能的软件，大大提高了触摸屏装置成本，但增加的资源主要被消耗在采集和处理不包含有价值信息的无效图像数据上，造成了触摸屏装置资源的极大浪费，且效率大大降低。

引用文献：

1.G.Barret and R.Omote,“Projected-capacitive touch technology,”Inf.Display,vol.26,no.3,pp.16–21,Mar.2010.

2.Tong-Hun Hwang，Wen-Hai Cui，Ik-seok Yang，Oh-Kyong Kwon，“A HighlyArea-Efficient Controller for Capacitive Touch Screen Panel Systems”IEEE Transactions onConsumer Electronics，Volume:56,Issue:2,2010,page:1115-1122.

3.XiaolingWu,BangWonLee,ChulyongJoung；SeeunJang,“Touchware:A Software based Implementation for HighResolution Multi-touch Applications”,Computer and InformationTechnology(CIT),2010IEEE 10th International Conference on,2010,Page(s):1703–1710.

4.Baharav and R.Kakarala,“Capacitive touch sensing:signal and image processingalgorithms,”in Proc.SPIE Conf.on Computational imaging,San Francisco,CA,USA,Jan.2011.

发明内容

为了解决上述现有技术的不足，本发明提供了一种提前对触摸屏进行快速扫描，并对可能存在的触点信息的采样窗口区域进行估计，再利用窗口采样对包含有可能触点信息的采样窗口区域进行局部采样和处理的多点触摸定位方法，以实现触点识别和坐标计算的目的，本方法可以解决传统基于电容图像采集和处理方法实现的电容触摸屏装置因为效率低而导致的装置资源浪费问题，在不降低触摸屏装置性能的前提下，大幅度缩减多点电容触摸屏装置的成本和功耗，基于该方法实现的触摸屏装置，具有效率高，成本低，功耗低等优点。

本发明所要解决的技术问题通过以下技术方案予以实现：

一种触摸屏的多点触摸定位方法，所述定位方法包括：(1)压缩扫描触摸屏，预测所有的可能触点及基于预测的可能触点确定若干个采样窗口；(2)对采样窗口的电容图像进行采样和处理，获得触摸信号。

进一步地，所述触摸屏包括有一感应矩阵，所述感应矩阵具有相互交叉的X方向的M条电极线及Y方向的N条电极线，所述步骤(1)具体包括：

(1.1)分别压缩采样M条X方向电极和N条Y方向电极的所有交叉点的互电容信息，获得X方向和Y方向的触点压缩信息C_X和C_Y两个向量信号；

(1.2)消除C_X和C_Y向量的背景噪声，获得无背景噪声的采样电容向量C_X’和C_Y’，其中C_X’＝C_X-C_BX，C_Y’＝C_Y-C_BY；C_BX和C_BY为无触摸时，分别压缩采样M条X方向电极和N条Y方向电极的所有交叉点的互电容信息获得的X方向和Y方向的触点压缩信息；

(1.3)获取第一电容阈值，对采样电容向量C_X’和C_Y’进行聚类处理，获得聚类处理后的向量C_X”和C_Y”；

(1.4)对聚类处理后的向量C_X”和C_Y”进行归一化处理，并将1元素的相邻元素置1，由非零元素对应序号所标记的交叉区域确定为采样窗口。

进一步地，所述第一电容阈值为基于向量的平均能量和敏感度参数进行预设。

进一步地，步骤(2)具体为：

(2.1)对所有采样窗口区域内的各个电极交叉点互电容进行采样，获得窗口内若干互电容图像Cwin；

(2.2)消除Cwin的背景噪声，获得无背景噪声的电容图像Cwin’，其中Cwin’＝Cwin-CBwin，CBwin为在无触摸条件下，对应采样窗口区域的互电容图像；

(2.3)获取第二电容阈值，对所有电容图像Cwin’进行聚类处理，获得聚类处理后的电容图像Cwin”；

(2.4)对所有的聚类处理后的电容图像Cwin”进行中心坐标计算，获得多个触摸点。

进一步地，所述第二电容阈值为基于矩阵的平均能量和敏感度参数进行预设。

进一步地，对于聚类处理后的电容图像Cwin”，其数据元素值代表了触点周围各个电极交叉点处互电容变化量值，将该数据元素值作为权重考虑；所述步骤(2.4)具体包括：

(2.4.1)计算X和Y方向的权重数据：

Y0＝∑C_0,i，Y1＝∑C_1,i，Y2＝∑C_2,i，i＝1,2….N；

X0＝∑C_j,0，X1＝∑C_j,1，X2＝∑C_j,2，j＝1,2….M；

(2.4.2)计算中心坐标：

$X=\frac{\mathrm{\Σ}(i-1)*\mathrm{Xi}}{\mathrm{\ΣXi}},i=\mathrm{1,2}....N;$

$Y=\frac{\mathrm{\Σ}(j-1)*\mathrm{Yj}}{\mathrm{\ΣYj}},j=\mathrm{1,2}....M.$

本发明还提供了一种触摸屏装置，包括：

驱动电路，用于产生触点预测的正向激励脉冲和采样窗口电容测量时的互补驱动脉冲；

测量电路，用于实现差分电平衡和单极电平衡测量；

参考电压产生电路，用于提供参考电压；

时序控制单元，用于产生时序以控制开关、驱动电路及测量电路的协调工作；

开关电路，所述开关电路一端与触摸屏的电极线连接，另一端与驱动电路、测量电路及参考电压产生电路连接，所述开关电路用于将任一电极线定义为驱动电极或采样电极；

中央处理器，用于采样控制及信号处理，其分别与开关电路、驱动电路、测量电路、参考电压产生电路及时序控制单元连接。

进一步地，所述中央处理器包括微控制单元、存储器、电源电路及接口电路，所述微控制单元分别与存储器和接口电路连接。

进一步地，所述开关电路为多路选择器阵列，每一电极线对应一个所述多路选择器，每一所述多路选择器一端与相应的电极线连接，另一端通过感应线、驱动线及参考线与驱动电路、测量电路及参考电压产生电路连接，用于将参考电压、驱动电压及测量电路选择地连接到某一电极线。

更进一步地，所述测量电路包括一可编程电容阵列、一电压比较器和逐次逼近算法控制器；所述可编程电容阵列分别通过开关SW1、SW2、SW3和SW4与驱动电路、接地线、参考线和感应线连接；所述电压比较器包括第一输入端、第二输入端及输出端，所述第一输入端与感应线连接，所述第二输入端分别通过开关SW5、SW6与所述参考线、参考电压产生电路连接，所述输出端与逐次逼近算法控制器连接。

本发明具有如下有益效果：

本发明的方法基于压缩采样的触点预测和采样窗口计算以较低资源消耗实现采样区域预估计，该触摸屏装置仅需要花费较少量的资源就可以将绝大多数的无价值信息过滤掉，从而使有限的资源被集中在采样和处理前期预测的触摸点出现概率最大的区域；基于窗口互电容图像采样和处理的鬼点消除和触摸点中心坐标计算以减少信号采集和运算量，从而大大提高触摸屏装置效率，基于该方法实现的触摸屏装置，具有效率高，成本低，功耗低等一系列优点。

附图说明

图1为传统触摸屏的顶视图；

图2为传统触摸屏的等效电路图；

图3为传统触摸屏装置框图；

图4是传统触摸屏多点触摸定位方法的流程示意图；

图5是本发明多点触摸定位方法的流程示意图；

图6、7为本发明触摸屏的等效电路图；

图8为本发明预设第一电容阈值的方法示意图；

图9为本发明触摸屏装置框图；

图10为本发明触点预测时的测量电路原理图；

图11为本发明窗口采样时的测量电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。

触摸屏装置主要是用于检测触点和计算触点坐标的，触摸屏实际支持的触点数目是与应用相关的，而与触摸屏尺寸无直接关系。一般的，触摸屏装置支持的触点数目远远少于N*M点阵电容图像元素数目，采集到的N*M点阵电容图像数据中，与触点检测和坐标计算相关的点阵元素数据(有价值信息点)仅占据总数据量的极少一部分，大多数数据被采集和处理后，即以固定N*M点阵采样和处理的数据中，对每个图像元素处理几乎花费了相同的资源开销，但有价值图像元素仅占极小一部分，对无价值图像元素的采集和处理消耗了主要的资源，导致其效率低，成本高，功耗高，而且随着触摸屏尺寸不断增大，效率会越来越低，装置成本和功耗也会越来越大。本发明中，针对触点数量相对于电容屏电极交叉点数量具有稀疏性的特点，采用压缩采样一行或一列方向上所有电极交叉点互电容的办法，以极低的资源开销(M行+N列次采样，并对M行+N列个采样数据进行处理)，快速扫描整个触摸屏面板并估计可能触点位置和采样窗口；然后采用窗口采样的方法仅采样特定区域的互电容图像，以减少数据采样和处理的规模，通过该方法，可以使触摸屏装置能将有效资源集中在有价值区域的采样和数据处理上，避免了资源浪费，提高了触摸屏装置效率。

图4是传统多点触摸定位方法的流程示意图。传统方法是基于先采样后处理的方式实现，因此采样时，采样部件无法对采样信息的性质(信息是否有价值)加以判别，为了避免有效触点信息丢失，触摸屏上所有的交叉点互电容(有效信息点和无效信息点)必须要按照相同的精度采样，带来大量的无效采样和无效数据处理。无效采样和无效数据处理占据了传统电容屏装置绝大多数的资源消耗，这是由触点的稀疏性特征决定的。

图5是本发明多点触摸定位方法的流程示意图。基于触点稀疏的特点，本发明的方法是以极小的资源开销预先对信息的性质进行估计，然后基于估计结果，有目的的对有价值，或可能有价值的区域进行采样和处理，以提高触摸屏装置资源的使用效率。如图5所示，本发明采用行、列压缩采样来实现快速、低资源消耗的触点预测。传统方法是逐个采样触摸屏的M×N个交叉点互电容，从而得到整个触摸屏的M×N互电容图像，采样规模和数据处理规模达到M和N的乘数规模。本发明的行、列压缩采样法不是基于单个交叉点互电容采样的，而是基于一行或一列方向上所有交叉点互电容采样的，因此采样结果是一行或一列上所有信息的累加结果。例如，如图2所示面板，如果同时在Y0～YN的N条电极上施加驱动信号，在X1电极上进行信号测量，电极Y0～YN与X1电极的N个交叉点的互电容信息就会累加到X1电极，并被测量到；通过测量X1电极的信号，就可以检测Y0～YN与X1电极的N个交叉点中任一或多个交叉点是否有触摸信号。基于压缩采样的快速触点估计方法，获得预测触点并基于此进行区域扩展就能得到有效的采样窗口区域，该采样窗口区域为仅包含有效信息或可能存在有效信息的区域。触摸屏装置仅需要对采样窗口区域进行采样和数据处理，以实现触点识别和坐标计算的目的，进而获得真实的触点信息。

本发明还提供了一种支持上述定位方法的硬件装置，用于测量电容触摸屏上的触摸信号，所述触摸屏包括有一感应矩阵，所述感应矩阵具有相互交叉的X方向的M条电极线及Y方向的N条电极线，还包括开关电路、驱动电路、测量电路、参考电压产生电路、时序控制单元及中央处理器。所述中央处理器用于采样控制及信号处理，其分别与开关电路、驱动电路、测量电路、参考电压产生电路及时序控制单元连接。所述中央处理器包括微控制单元(MCU)、电源电路及存储器，所述MCU接收电容采样和测量电路的串行测量结果，并对其进行运算，以实现对采样窗口的电容采集和信号处理过程，所述存储器包括非易失性存储器(如flash等)和易失性存储器(如SRAM等)，非易失性存储器用于以固件方式存储采样控制和信号处理软件平台，以及所有需要预先存储的配置信息；易失性存储器作为数据处理时的缓存使用。所述电源电路提供整个触摸屏装置(也称系统)的电力。所述中央处理器还包括接口电路，该接口电路一般由通用外设接口组成，如SPI、UART、IIC、USB等通用接口，以支持各种系统外连。由于触点预测时需要对X方向和Y方向每条电极分别进行测量，且驱动电极可能存在同时驱动的情况，而对采样窗口采样阶段需要对任意有可能的窗口组合进行互电容成像，所以M条X方向电极和N条Y方向电极需要能被自由定义为驱动电极或采样电极，所述开关电路优选但不限定为模拟多路开关阵列(MUX array)，所述模拟多路开关阵列(也称多路开关选择器阵列)优选但不限定为亚德诺多路开关阵列，其可以使用软件程序控制，这就使得触摸屏面板上的任意电极可以被自由定义为驱动或感应功能；每一电极对应一个多路选择器，每一多路选择器一端与相应的电极(X或Y方向电极)连接，另一端通过感应线(SenseLine)、驱动线(Drive Line)和参考线(Reference Line)与驱动电路、测量电路及参考电压产生电路连接。所述驱动电路(Drive Unit)用于产生触点估计的正向激励脉冲，和窗口电容测量时的互补驱动脉冲。所述测量电路包含一个可编程电容阵列(PCA)，一个电压比较器(CMP)和逐次逼近算法控制器(successive approximation controller)，这三个部件构成了差分电平衡和单极电平衡测量的基本部件。所述参考电压产生电路(reference voltage generator)产生参考电压Vref，用于测量初始化，以保证测量电路处于合理的动态输入范围。所述时序控制单元(Timing controller)用于产生时序以控制各个部件的协调工作。

以下结合具体实施例对本发明的技术方案做具体说明：

以如图6、7所示的M条横向电极和N条纵向电极的电容触摸屏为例，假设触摸屏有两个触点A和B，具体的多点触摸定位方法如下：

(1)触点预测和确定采样窗口区域：假设面板上有A和B两个触点，使用压缩采样方法测量M条X方向电极和N条Y方向电极，可以得到图6中标识的C_X和C_Y两个向量信号，分别代表X方向和Y方向触点压缩信息，C_X和C_Y两个向量信号凸起部分代表有触摸信息的电极，将C_X和C_Y的凸起部分在二维平面组合，就能预测得到A和B，A’和B’四个可能的触点(预测触点)，其中A’和B’是鬼影区域，是虚假触点，产生的原因是压缩采样方法自身信息量不足所造成(仅能以电极为基本单位，进行信号识别)。基于预测触点(如图6的A和B,A’和B’)采用的差值算法进行区域扩展，获得有效的采样窗口区域，如图7的阴影区域(标识Window1和Window2)。

(1.1)行列压缩采样：先同时驱动M条横向电极X1,X2,…..X_M，并采样N条纵向电极Y1,Y2….Y_N的电容值，获取N条纵向电极的压缩采样电容向量C_Y＝[C_Y1,C_Y2,……C_YN-1,C_YN]；再同时驱动N条横向电极Y1,Y2,…..Y_N，并采样M条纵向电极X1,X2….X_M的电容值，获取M条横向电极的压缩采样电容向量C_X＝[C_X1,C_X2,……C_XM-1,C_XM]；

(1.2)背景噪声消除预处理：消除压缩采样电容向量C_X和C_Y的背景噪声，得到无背景噪声的采样电容向量C_X’和C_Y’，其中C_X’＝C_X-C_BX，C_Y’＝C_Y-C_BY，C_BX和C_BY为在无触摸条件下，采用压缩采样相同方法采样获得的M条横向电极和N条纵向电极的全局背景噪声向量；

(1.3)聚类处理与可能触点识别：

对无背景噪声的采样电容向量C_X’和C_Y’，获取第一电容阈值THR并进行聚类处理，获取可能的触点信息。以图6所示的触摸屏为例，触点A和B位于(X₁,Y₁)和(X₃,Y_N-1)，假设C_X’＝[13,43,11,54,9,6,5,…..7,0]，C_Y’＝[9,43,3,2,9,6,5,…..,7,34,11]，设置电容阈值THR＝20，将高于THR的向量元素保留，小于THR的向量元素置为0，则聚类处理后的向量变为C_X”＝[0,43,0,54,0,0,0,…..0,0]和C_Y”＝[0,43,0,0,0,0,0,…..,0,34,0]。C_X”与C_Y”的非0元素序号的任意组合构成可能触点的位置，如C_X”的非0元素序号为1和3，C_Y”的非0元素序号为1和N-1，则可能的触点位置为(1，1)，(1，N-1)，(3，1)，(3，N-1)。其中，(1，N-1)和(3，1)这两个可能触点(图6、7的A’和B’)是两个虚假触摸点(鬼点)，但由于压缩采样无法区分真实触摸点和虚假触摸点。

其中，所述第一电容阈值THR是基于向量的平均能量和敏感度参数进行预设THR值。

敏感度参数是预先存储在系统固件中的一个参数。确定敏感度参数，需要在系统调试阶段，对系统在最差应用环境下的大量测量数据进行统计分析，计算系统的噪声水平和信噪比参数等。假设调试人员已经通过分析确定了系统的噪声水平，系统所支持的最小触摸信号也已经确定，则系统的最小信噪比可以确定，敏感度参数可以按照如图8所示的方法确定，即噪声敏感度参数设置需要使THR近似位于系统支持的最小触摸信号和噪声上限的50％处。

假设向量C_X’＝[13,43,11,54,9,6,5,7,0]，有9个数据元素，以C_X’为例说明THR确定方法。

设置敏感度参数为5；

则向量C_X’的THR＝16.44+5≈21，预设第一电容阈值THR为20。

(1.4)采样窗口确定：

对聚类处理后的向量C_X”和C_Y”进行归一化处理，即将非零元素置1，得到归一化结果C_X1＝[0,1,0,1,0,0,0,…..0,0]和C_Y1＝[0,1,0,0,0,0,0,…..,0,1,0]，并将1元素相邻元素置1，得到C_X1’＝[1,1,1,1,1,0,0,…..0,0]和C_Y1’＝[1,1,1,0,0,0,0,…..,1,1,1],由非零元素对应序列号所标记的交叉区域为采样窗口。如图7所示，C_X1’＝[1,1,1,1,1,0,0,…..0,0]和C_Y1’＝[1,1,1,0,0,0,0,…..,1,1,1]所确定的采样窗口区域，是C_X1’的非0元素对应电极X₀,X₁,X₂,X₃,X₄与C_Y1’的非0元素对应电极Y₀,Y₁,Y₂,Y_N-2,Y_N-1,Y_N的交叉区域(即阴影区域)。

(2)窗口互电容图像采样和处理：本发明采用窗口采样来有目的的对仅包含有效信息或可能存在有效信息的区域进行采样和数据处理。仍以图6、7为例，基于压缩采样的快速触点估计已经确定有效信息存在于图7的Window1和Window2区域中，仅需要对Window1和Window2区域进行电容成像，并使用与传统方法近似的数据处理方法就能得到触点的信息。

(2.1)窗口采样：采样前面确定窗口区域的电容图像。例如图7所确定的采样window1和window2，对采样window1和window2范围内的各个电极交叉点互电容进行采样，以获取窗口内互电容图像Cwin1和Cwin2。

$\mathrm{Cwin}1=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{CM}}_{\mathrm{0,0}}& {\mathrm{CM}}_{\mathrm{0,1}}& {\mathrm{CM}}_{\mathrm{0,2}}\\ {\mathrm{CM}}_{\mathrm{1,0}}& {\mathrm{CM}}_{\mathrm{1,1}}& {\mathrm{CM}}_{\mathrm{1,2}}\\ {\mathrm{CM}}_{\mathrm{2,0}}& {\mathrm{CM}}_{\mathrm{2,1}}& {\mathrm{CM}}_{\mathrm{2,2}}\\ {\mathrm{CM}}_{\mathrm{3,0}}& {\mathrm{CM}}_{\mathrm{3,1}}& {\mathrm{CM}}_{\mathrm{3,2}}\\ {\mathrm{CM}}_{\mathrm{4,0}}& {\mathrm{CM}}_{\mathrm{4,1}}& {\mathrm{CM}}_{\mathrm{4,2}}\\ {\mathrm{CM}}_{\mathrm{5,0}}& {\mathrm{CM}}_{\mathrm{5,1}}& {\mathrm{CM}}_{\mathrm{5,2}}\end{array}\right]$    $\mathrm{Cwin}2=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{CM}}_{0,N-2}& {\mathrm{CM}}_{0,N-1}& {\mathrm{CM}}_{0,N}\\ {\mathrm{CM}}_{1,N-2}& {\mathrm{CM}}_{1,N-1}& {\mathrm{CM}}_{1,N}\\ {\mathrm{CM}}_{2,N-2}& {\mathrm{CM}}_{2,N-1}& {\mathrm{CM}}_{2,N}\\ {\mathrm{CM}}_{3,N-2}& {\mathrm{CM}}_{3,N-1}& {\mathrm{CM}}_{3,N}\\ {\mathrm{CM}}_{4,N-2}& {\mathrm{CM}}_{4,N-1}& {\mathrm{CM}}_{4,N}\\ {\mathrm{CM}}_{5,N-2}& {\mathrm{CM}}_{5,N-1}& {\mathrm{CM}}_{5,N}\end{array}\right]$

(2.2)消除窗口电容图像背景噪声：

消除窗口采样电容图像Cwin1和Cwin2的背景噪声，得到无背景噪声的电容图像Cwin1和Cwin2。其中Cwin1’＝Cwin1-CBwin1和Cwin2’＝Cwin2-CBwin2，CBwin1和CBwin2为在无触摸条件下，对应窗口区域的互电容图像。CBwin1和CBwin2可以从预先存储的整个电容触摸屏互电容图像数据阵列中，按照采样窗口位置截取。

(2.3)聚类处理与触点识别：

获取预设的第二电容阈值THR，将Cwin1’和Cwin2’中高于THR的数据元素保留，小于THR的向量元素置为0，可以获得凸显的触点聚类。THR设置需要合理，较大的THR会使触点聚类较小，有利于分辨多个触点边沿，但却会使坐标计算精度下降；较小的THR会使触点聚类较大，使坐标计算精度提高，但不利于分辨多个触点边沿。由于窗口电容图像是基于两两电极交叉点互电容局部采样获得的，基于聚类算法识别的触点中将不再包含虚假触摸点(鬼点)，如图7的A’和B’点。聚类处理将可以获得真实的触点信息，同时可以将窗口采样区内的多个真实触点分离开，并确定出它们的边界。

其中，所述第二电容阈值THR为基于电容图像矩阵的平均能量和敏感度参数选择预设THR值。第二电容阈值THR＝矩阵的平均能量+敏感度参数，设置敏感度参数方法与所述第一电容阈值THR方法相同。

假设窗口采样获得的window1的电容图像，经过背景噪声消除后为Cwin1’，设置THR＝20，聚类处理结果如下：

Cwin1”的结果显示，窗口采样图像中仅包含一个触点聚类，其由一个3行3列的数据阵列构成。

(2.4)基于权重几何中心的坐标计算：

对于聚类处理后所获得的各个触点聚类，其数据元素值实际上代表了触点周围各个电极交叉点处互电容变化量值，将这些数据元素值作为权重考虑，可以较准确的计算出手指的触摸中心坐标。

按照如下方法计算其中心：

(2.4.1)计算各行各列的权重数据：

Y0＝∑C_0,i,Y1＝∑C_1,i,Y2＝∑C_2,i，i＝1,2….N；

X0＝∑C_j,0,X1＝∑C_j,1,X2＝∑C_j,2，j＝1,2….M；

(2.4.2)计算坐标

$X=\frac{\mathrm{\Σ}(i-1)*\mathrm{Xi}}{\mathrm{\ΣXi}},i=\mathrm{1,2}....N;$

$Y=\frac{\mathrm{\Σ}(j-1)*\mathrm{Yj}}{\mathrm{\ΣYj}},j=\mathrm{1,2}....M;$

以Cwin1”确定的触点聚类CTwin1为例，

$\mathrm{CTwin}1=\left[\begin{array}{ccc}50& 76& 63\\ 71& 121& 93\\ 40& 76& 53\end{array}\right]$

各行各列的权重数据计算如下：

Y0＝50+76+63＝189

Y1＝71+121+93＝285

Y2＝40+76+53＝169

X0＝50+71+40＝161

X1＝76+121+76＝273

X2＝63+93+53＝209

坐标计算结果如下：

$X=\frac{0\×161+1\×273+2\×209}{161+273+209}=1.075$

$Y=\frac{0\×189+1\×285+2\×169}{189+285+169}=0.969$

基于聚类算法计算的触摸中心坐标如下：

参考图9，一种支持上述定位方法的触摸屏装置，所述触摸屏装置包括有一感应矩阵1、开关电路2、驱动电路3、测量电路、参考电压产生电路5、时序控制单元6及中央处理器(图未示出)，所述感应矩阵1具有相互交叉的X方向的M条电极线及Y方向的N条电极线，所述开关电路2包括若干多路选择器MUX，所述测量电路包括一可编程电容阵列41(PCA)，一电压比较器42(CMP)和逐次逼近算法控制器43。每一电极线(M条X方向和N条Y方向)对应一所述多路选择器MUX，所述多路选择器MUX一端与电极线连接，另一端分别与感应线(Sense Line)、驱动线(Drive Line)和参考线(Reference Line)连接；所述驱动线另一端与所述驱动电路3正驱动端的连接，所述驱动电路3的负驱动端通过开关SW1与所述PCA连接；所述PCA分别通过开关SW2、SW3和SW4与接地线、参考线和感应线连接；所述CMP包括第一输入端、第二输入端及输出端，所述第一输入端与感应线连接，所述第二输入端分别通过开关SW5、SW6与所述参考线、参考电压产生电路5连接，所述输出端与逐次逼近算法控制器43连接；所述参考电压产生电路5分别通过开关SW7、SW8与感应线和参考线连接；所述逐次逼近算法控制器43连接并控制PCA、开关SW3、SW4、SW7及SW8；所述时序控制单元6分别与所述驱动电路3和逐次逼近算法控制器43连接，以控制所述驱动电路3和逐次逼近算法控制器43的协调工作，所述时序控制单元6还连接并控制开关SW1、SW2、SW5及SW6。

触点估计时，由于需要一次压缩采样M或N个电极交叉点的信息，这使得测量电路的测量范围需要达到max(M,N)*CM，相比于采样窗口采样阶段的测量范围CM增加了max(M,N)倍，且随触摸屏尺寸变化。由于单指触摸的信号量可能仅有1pF左右，这就需要高精度，大测量范围的测量硬件支持，硬件成本较高。为了解决该问题，本发明人使用图10所示的差分电平衡测量机制，使用差分电平衡测量时，同时测量相邻电极的差异值，电极间的共模部分被抑制，从而使得测量电路的测量范围被限制在手指触摸产生的信号波动范围内(消除了本征基底信号的影响)，测量范围减小，提高测量精度时的成本较低。图9的开关SW2和SW5闭合，开关SW1和SW6断开，就可以将测量电路配置成图10所示结构。测量初始化时，使用所述参考电压产生电路5提供的参考电压Vref对感应线和参考线分别初始化，然后施加正向驱动信号，通过逐次逼近算法控制器43控制PCA不断补偿感应线或参考线之间的差别，实现感应线和参考线的电平衡，PCA补偿值就是电极量化值。

窗口采样时，使用如图11所示单极电平衡测量方法。图9的开关SW2和SW5断开，开关SW1和SW6闭合，就可以将测量电路配置成图11所示结构。初始化时，参考线固定接Vref，感应线被初始化为Vref；测量时，感应线连接测量互电容和PCA，并对测量互电容和PCA采用互补脉冲驱动，不断改变PCA的值(按照逐次逼近算法)，以使参考线和感应线达到电平衡，PCA的值即为电极交叉点互电容量化值。逐个测量窗口区每个交叉点互电容，以实现对整个采样窗口区互电容成像。

传统触摸屏定位方法的数据采集和处理规模是M*N量级；而本发明的数据采集和处理规模是M+N量级+触点数目N平方乘以K(大多数插值算法需要的K约等于9)。从规模量级的角度来看，本发明在数据采集和处理规模上要明显优于传统方法。

本发明的多点触摸定位方法是基于压缩采样的触点预测和采样窗口计算确定以较低资源消耗实现采样区域预估计；基于采样窗口互电容图像采样和处理的鬼点消除和触摸点中心坐标计算以减少信号采集和运算量，从而提高效率。

其中，基于压缩采样的触点预测和采样窗口计算确定包括：压缩采样一行或一列方向上所有电极交叉点互电容；基于X方向M次，Y方向N次，共N+M次压缩采样，快速扫描整个触摸屏感应区域；通过对N+M个压缩采样数据简单的处理，确定是否存在触点，及各个可能的触点位置，以及计算确定采样窗口区域。

采样窗口互电容图像采样和处理包括：基于所确定的采样窗口区域采集互电容图像，对窗口互电容图像进行滤波、聚类处理以消除鬼点，并将触点信息聚集，以实现触点的检测；对聚集的触点信息进行插值处理以计算触点中心，以获得真实的触点信息。

在采用本方法分析时，我们假设本发明具体的使用了实施例中的算法(实施例仅是一种实现方法，但本发明不局限于该算法)，测量对象是一个具有54条X方向电极和40条Y方向电极的15寸触摸屏面板。表1给出了传统方法在实现一帧电容图像采集和数据处理时的采样和计算量规模。表2给出了本发明方法在实现一帧电容图像采集和数据处理时的采样和计算量规模。表3是将表1和表2中同种运算合并后的统计结果。参照表3：2点触摸应用时，本发明的数据采集量仅相当于传统方法的6％，存储器访问量和加、减法操作仅相当于传统的7.7％，比较操作相当于传统方法的10.4％。5点触摸应用时，本发明的数据采集量仅相当于传统方法的14.8％，存储器访问量相当于传统的16.9％，加、减法操作仅相当于传统的18.5％，比较操作相当于传统方法的19.1％。10点触摸应用时，本发明的数据采集量仅相当于传统方法的46％，存储器访问量相当于传统的49.2％，加、减法操作仅相当于传统的50.5％，比较操作相当于传统方法的50.4％。

由表1～3可知，2点应用时本发明可以将基本操作数减少到传统方法的10％，5点应用时本发明可以将基本操作数减少到传统方法的20％，10点应用时本发明可以将基本操作数减少到传统方法的50％。

表1 传统方法的数据采集和计算规模

表2 本发明方法的数据采集和计算规模

表3 表1和表2数据采集和计算规模合并统计

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制，但凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种触摸屏的多点触摸定位方法，所述定位方法包括：(1)压缩扫描触摸屏，预测所有的可能触点及基于预测触点确定若干个采样窗口；(2)对所有采样窗口的电容图像进行采样和处理，获得触摸信号。

2.根据权利要求1所述的多点触摸定位方法，其特征在于，所述步骤(1)

包括：

(1.1)分别压缩采样M条X方向电极和N条Y方向电极的所有交叉点的互电容信息，获得X方向和Y方向的触点压缩信息C_X和C_Y两个向量信号；

(1.2)消除C_X和C_Y向量的背景噪声，获得无背景噪声的采样电容向量C_X’和C_Y’，其中C_X’＝C_X-C_BX，C_Y’＝C_Y-C_BY；C_BX和C_BY为无触摸时，分别压缩采样M条X方向电极和N条Y方向电极的所有交叉点的互电容信息获得的X方向和Y方向的触点压缩信息；

(1.3)获取第一电容阈值，对采样电容向量C_X’和C_Y’进行聚类处理，获得聚类处理后的向量C_X”和C_Y”；

(1.4)对聚类处理后的向量C_X”和C_Y”进行归一化处理，并将1元素的相邻元素置1，由非零元素对应序号所标记的交叉区域确定为采样窗口。

3.根据权利要求2所述的多点触摸定位方法，其特征在于，所述第一电容阈值为基于向量的平均能量和敏感度参数进行预设。

4.根据权利要求1所述的多点触摸定位方法，其特征在于，所述步骤(2)包括：

(2.1)对所有采样窗口区域内的各个电极交叉点互电容进行采样，获得窗口内若干互电容图像Cwin；

(2.2)消除Cwin的背景噪声，获得无背景噪声的电容图像Cwin’，其中Cwin’＝Cwin-CBwin，CBwin为在无触摸条件下，对应采样窗口区域的互电容图像；

(2.3)获取第二电容阈值，对所有电容图像Cwin’进行聚类处理，获得聚类处理后的电容图像Cwin”；

(2.4)对所有的聚类处理后的电容图像Cwin”进行中心坐标计算，获得多个触摸点信号。

5.根据权利要求4所述的多点触摸定位方法，其特征在于，所述第二电容阈值为基于矩阵的平均能量和敏感度参数进行预设。

6.根据权利要求4所述的多点触摸定位方法，其特征在于，所述步骤(2.4)包括：

(2.4.1)计算X和Y方向的权重数据：

Y0＝ΣC_0,i，Y1＝ΣC_1,i，Y2＝ΣC_2,i，i＝1,2....N；

X0＝ΣC_j,0，X1＝ΣC_j,1，X2＝ΣC_j,2，j＝1,2....M；

(2.4.2)计算中心坐标：

$X=\frac{\mathrm{\Σ}(i-1)*\mathrm{Xi}}{\mathrm{\ΣXi}},i=\mathrm{1,2},....N;$

$Y=\frac{\mathrm{\Σ}(j-1)*\mathrm{Yj}}{\mathrm{\ΣYj}},j=\mathrm{1,2},....M.$

7.一种触摸屏装置，其特征在于，包括：

驱动电路，用于产生触点预测的正向激励脉冲和采样窗口电容测量时的互补驱动脉冲；

测量电路，用于实现差分电平衡和单极电平衡测量；

参考电压产生电路，用于提供参考电压；

时序控制单元，用于产生时序以控制开关、驱动电路及测量电路的协调工作；

开关电路，所述开关电路一端与触摸屏的电极线连接，另一端与驱动电路、测量电路及参考电压产生电路连接，所述开关电路用于将任一电极线定义为驱动电极或采样电极；

中央处理器，用于采样控制及信号处理，其分别与开关电路、驱动电路、测量电路、参考电压产生电路及时序控制单元连接。

8.根据权利要求7所述的触摸屏装置，其特征在于，所述开关电路为多路选择器阵列，每一电极线对应一个所述多路选择器，每一所述多路选择器一端与相应的电极线连接，另一端通过感应线、驱动线及参考线与驱动电路、测量电路及参考电压产生电路连接，用于将参考电压、驱动电压及测量电路选择地连接到某一电极线。

9.根据权利要求7所述的触摸屏装置，其特征在于，所述测量电路包括一可编程电容阵列、一电压比较器和逐次逼近算法控制器；所述可编程电容阵列分别通过开关SW1、SW2、SW3和SW4与驱动电路、接地线、参考线和感应线连接；所述电压比较器包括第一输入端、第二输入端及输出端，所述第一输入端与感应线连接，所述第二输入端分别通过开关SW5、SW6与所述参考线、参考电压产生电路连接，所述输出端与逐次逼近算法控制器连接。

10.根据权利要求7所述的触摸屏装置，其特征在于，所述中央处理器包括微控制单元、存储器、电源电路及接口电路，所述微控制单元分别与存储器和接口电路连接。