CN104731431B - 用于包括电容式触敏表面的可视化设备的电容式电子狗 - Google Patents

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Abstract

一种用于包括电容式触敏表面的可视化设备的电容式电子狗。本发明的大体领域属于电容式电子狗，与包括电容式触敏表面的可视化设备一起使用，电容式触敏表面包括导电行与列的矩阵(110)，在操作使用中，将电子狗布置在所述触敏表面上，电子狗以发送模式和接收模式操作。根据本发明的电子狗包括：‑用于以称为电子狗频率的特定频率发送周期性模拟信号的装置(230、240)；‑环形平面导电金属部件(210)，其连接到所述发送装置，所述部件旨在放置在所述触敏表面上；‑用于接收由所述导电金属部件输出的接收信号的装置(250、260)；‑用于分析所述数字化接收信号的装置(270、280、290)；‑用于存储所发送与分析的信号的装置；‑数字通信接口(295)。

Description

用于包括电容式触敏表面的可视化设备的电容式电子狗
技术领域
本发明的领域属于包括电容式触敏表面的可视化设备。更具体而言，本发明的技术领域属于实现了与这类可视化设备交换信息的设备。在本文的其余部分中，会将这些装置称为电子狗(dongle)。
背景技术
传统上，为了与可视化设备交换信息，存在两种可能的主要技术。第一种是在设备上布置电气连接，随后将交换外部设备或电子狗连接到所述设备。最常见的示例是USB(通用串行总线)密钥。第二种技术是使用无线电气连接。最著名的是WiFi(无线保真)连接。
但确实存在可视化设备完全排列的应用，而不浪费任何有用的表面。这显然包括航空仪表面板，其中，整个表面现专门用于可视化屏幕。在此情况下，不易于简单地布置电气连接技术。仍可以在可视化设备的背面增加连接器，所述可视化设备连接到布置在可视化设备的下面或侧面的其他连接器，但这些布置必然使得可视化和仪器面板的布局复杂化。无线连接的使用也需要增加硬件资源，这些连接会进一步受到无线电干扰，不太适合于航空用途。
发明内容
在许多应用中，可视化设备具有触敏表面。使用的一种技术是所谓的“投射”电容式检测。这个技术是产生由导电行和列组成的检测矩阵，布置导电行和列以便检测电容中的局部变化，电容中的局部变化是由用户的手指或只要导电的任何其他指示物体的接近而引起的。本发明的主题是使用用于检测电容中变化的装置来与可视化设备通信。实际上，在其真实本质上，引起电容中已知的变化的任何信号都可以由触敏表面来识别，只要该表面具有其识别所需的软件程序。因而，根据本发明的电子狗可以在无需任何进一步硬件修改的情况下，通过简单地将设备放置在这个触敏表面上，来与包括电容式触敏表面的可视化设备通信。确切而言，本发明的主题是一种电容式电子狗，其旨在与包括电容式触敏表面的可视化设备一起使用，电容式触敏表面包括导电行与列的矩阵，在操作使用中，将电子狗布置在所述电容式触敏表面上，电子狗以发送模式和接收模式操作，其特征在于其至少包括：
-用于发送周期性模拟信号的装置，以称为电子狗频率的至少一个特定频率发送所述信号；
-环形平面导电金属部件，其连接到所述发送装置，所述部件旨在放置在所述电容式触敏表面上；
-用于接收由所述导电金属部件输出的接收信号的装置；
-用于分析所述数字化接收信号的装置；
-用于存储发送的信号与分析的信号的装置；
-数字通信接口。
有利地，接收装置包括：
-称为“包络检测”的装置，用于检测在确定振幅和频率范围内的由触敏表面发送的信号，以便检测所述电容式触敏表面的存在，所述装置以被动模式操作，即没有由发送装置进行的信号传输；
-同步解调装置，以电子狗频率或多个频率操作，以便在接收模式中与所述触敏表面通信。
有利地，环的厚度与电容式触敏表面的矩阵的一个间距基本上相等。
有利地，电子狗包括吸盘设备，使得可以将电子狗保持在电容式触敏表面上的适当位置。
本发明还涉及一种可视化设备，包括电容式触敏表面，其能够如上限定地与电容式电子狗交换数据，以使得触敏表面包括：
-导电行与列的矩阵；
-用于在电子狗放置在所述触敏表面上时，识别确定的分布图的装置，所述分布图对应于由环形平面导电金属部件在矩阵的行和列上引起的电容中的变化；
-用于以特定电子狗频率进行发送和接收的装置。
有利地，可视化设备的屏幕包括由为电子狗的位置保留的特定符号标记的特定位置。
最后，本发明涉及一种如上限定地在电容式电子狗与可视化设备之间通信的方法，其特征在于，在将电子狗放置在电容式触敏表面上时，所述方法包括以下步骤：
步骤1：由触敏表面的识别装置识别电子狗的环形平面导电金属部件的确定的分布图；
步骤2：由称为“包络检测”的电子狗的检测装置识别在操作中由触敏表面发送的信号；
步骤3：触敏表面的电子狗操作模式的准备，发送装置转换到用于发送电子狗频率的模式，触敏表面的接收装置转换到用于接收电子狗频率的模式；
步骤4：在电子狗模式中操作，触敏表面与电子狗以电子狗频率交换信号。
有利地，以半双工模式执行步骤4，电子狗与触敏表面以相同的特定电子狗频率交替进行发送和接收。
有利地，以全双工模式执行步骤4，电子狗与触敏表面以不同的特定电子狗频率同时进行发送和接收。
有利地，在步骤4期间，触敏表面的发送和接收装置仅扫描布置在电子狗的环形平面导电金属部件下面的矩阵的导电行与列。
附图说明
在参考附图阅读了以下非限制性说明后，会更好地理解本发明，并且其他优点会变得显而易见，在附图中：
图1表示触敏矩阵板的总体方框图；
图2表示根据本发明的电子狗的方框图；
图3表示根据本发明的在触敏平板与电子狗之间的电容耦合；
图4表示放置在触敏平板上的电子狗的检测环的顶视图；
图5表示由触敏平板感知的电子狗的电容分布图；
图6表示具有吸盘的电子狗的剖面图。
具体实施方式
根据本发明的电子狗旨在与电容式触敏平板一起使用。示例性地，图1表示触敏矩阵板100的总体方框图及其相关电子器件。矩阵110由导电行与列组成，所述导电行与列通常由ITO(氧化铟锡)制成。通常地，这个触敏表面可以具有用于一个航空电子仪表面板屏幕的大约50列与大约30行。示例性地，在两行之间的间距在约7毫米数量级上。
电子部件120基本上包括：
-装置121和122，用于发送周期性信号，旨在向行与列供电；
-DAC(数模转换器)131和132，布置在发送装置的输出处；
-多路复用装置141和142，布置在DAC输出处，对矩阵的不同行与不同列进行连续寻址；
-ADC(模数转换器)151和152，布置在多路复用装置的输出处；
-同步解调器161和162，布置在ADC的输出处；
-用于寻址行和列的电子器件170；
-装置180，用于从同步解调器输出的信号的数字处理，使得可以确定在矩阵的行与列中引起的电容中的变化。每一个解调器都使得可以传输处理的信号的振幅与相位；
-输入-输出接口190。
可以以多种形式来实现电子部件的生产。它可以包括传统组件或ASIC(专用集成电路)组件，其为用于所谓的“前端”模拟部件的模拟型或混合型，所述“前端”模拟部件执行电压引入、电流测量、多路复用和模数转换功能。它可以包括用于数字处理的FPGA(现场可编程门阵列)类型的组件，或者包括微控制器，其集成到FPGA或与此相反。
ADC的数量越高，轻触检测速度就越高，并且等待时间越短。图1中表示的方框图包括专用于行的ADC 131和DAC 151，和专用于列的ADC 132和DAC 152。
示例性地，可以将两个不同频率用于行轻触检测，并且将两个另外的不同频率用于列轻触检测。为了不同频率彼此不干扰，将它们选择为“正交的”，这表示用于不同同步解调器的集成时间相同，该集成时间是每一个周期的准确倍数。该布置使得可以同时扫描行与列，而在信号之间不存在任何干扰。
可以在“自电容”模式和/或“互电容”模式中实现轻触检测。第一模式是读取矩阵的按键阵列的行与列。第二模式是读取矩阵的行与列的阵列的每一个交叉点。第一模式使得可以迅速搜索触敏表面，并定位轻触可能的坐标。第二模式使得可以分辨实际轻触与“伪”轻触。
根据本发明的触敏表面还包括：
-装置，用于在将电子狗放置在所述触敏表面上时，识别对应于由环形平面导电金属部件在矩阵的行与列上引起的电容的变化的确定的分布图；
-装置，用于以特定电子狗频率或多个频率进行发送和接收。
如上所述，根据本发明的电容式电子狗旨在与包括电容式触敏表面的可视化设备一起使用。电子狗的功能是使用触敏平板的信号发送和接收特性来发送和接收数字数据。在操作使用时，将电子狗布置在电容式触敏表面上。
总体上，电容式电子狗包括：
-装置，用于发送周期性模拟信号，以称为电子狗频率的至少一个特定频率发送所述信号，所述电子狗频率与触敏平板的频率兼容；
-环形平面导电金属部件，其连接到所述发送装置，所述部件旨在放置在所述电容式触敏表面上，并确保数据的传输与接收；
-装置，用于接收由所述导电金属部件输出的接收到的信号；
-装置，用于分析所述数字化的接收到的信号；
-装置，用于存储发送的信号和分析的信号；
-数字通信接口。
示例性地，在图2中表示了根据本发明的电容式电子狗200。它包括电容环210和集成电子组件220。
电子组件包括与触敏平板类似的装置。它们是：
-电压发生器230；
-DAC 240；
-模拟传输-接收子组件250，其能够在导电环210上产生并接收正弦电压。在图2的图示中，在接收模式中，由电阻251测量由触敏表面的发生器输出的电容电流，其数量级典型地为1KΩ；
-ADC 260；
-同步解调器电路270；
-包络检测器280，其使得可以与其频率无关地检测由触敏平板输出的电气信号的存在；
-装置290，用于由同步解调器输出的信号的数字处理，其使得可以确定在矩阵的行与列中引起的电容中的变化。每一个解调器都使得可以传递所处理的信号的振幅与相位；
-输入-输出接口295。
模拟电路250或“地”的参考电位链接到与操作者的手接触的外部导电部件，以借助“地”获得必要的共模反馈。到电子狗的供电可以由电池或蓄电池来完成，否则，在连接线缆连接到笔记本电脑或电子平板的情况下就由后者来完成。这个电源在图2中没有呈现。
通过由电缆或者由类型的无线连接的连接，电子狗可以自主进行与触敏屏的数据交换，或者用作简单接口，所述是Bluetooth Special Interest Group的商标，其将电子狗连接到平板或笔记本电脑。
电子狗可以具有不同类型的按键或按钮，以实施诸如通电的不同操作。
图3表示存在于电子狗与触敏表面的行和列之间的接触表面的不同电容。每一行111都具有电容113，每一列112都具有电容114。每一行与列交叉点都具有互电容115。在电子狗与触敏表面之间的耦合具有电容300。电子狗的机械设计考虑了在导电环附近的金属质量的存在，其方式为由触敏表面觉察的电容中的成组变化不受接近环的导电部件的过多扰动。在这个环与接触操作者的手的电子狗的电子部件之间的连接电感一定不能过高。电子狗的等效电容252的值可以相对较高，即与总行电容112或列电容113在相同的数量级。
在将电子狗应用于可视化屏幕时，触敏表面的电子部件检测位于电子狗的金属环下面的行与列上的电容中的变化。该组变化表示电子狗的导电表面的几何形状。必须以在触敏表面的正常使用中的成组的电容变化是显著的，并且易于借助与操作者的手指轻触相比较来辨别的方式选择这个形状。为了便于识别，优选地将电容电子狗无任何特定取向地放置在屏幕上的任何位置。此外，电子狗的接触部件是环形的，因而使得电子狗的取向不相关。
图4表示为虚线的触敏表面110的一些行112和为白色的触敏表面110的一些列111。图4中的触敏平板的行与列具有所谓的“钻石”结构。在这个图4中以黑色表示环形电子狗的导电面210。在环的两个半径之间的差必须与触敏平板的矩阵的一个间距基本上相等。术语间距理解为表示分隔两个连续行或列的距离。外部直径必须足够大，在保留合理尺寸的同时，可以依据任何标记来分辨电容效应，使得环保留可接受的尺寸。良好的折衷是内环具有等于约两个间距的半径，外环具有等于3个间距的半径，即，对于一个7毫米的间距来说，电子狗环的外半径约为20毫米。
在图5中以理论上的方式表示了在触敏表面的行上检测的由电子狗的放置引起的电容中的变化ΔC。获得了分布图P，包括两个峰值PP，其由围绕中心槽CP的环的内直径间隔开。这个分布图在矩阵的列上相同。当然，这个分布图随着电子狗在触敏表面上的有效位置变化而略有改变。
对于发送模式或接收模式中的大容量文件的传输，传输周期可以相对较长。但可视化屏幕通常是垂直的或者接近垂直的。在此情况下，可以为电子狗配备吸盘，其使得可以将电子狗固定到触敏平板。因而，用户在传输期间不必按住电子狗。这个解决方案在图6中示出，其表示电子狗200的剖面图。后者包括吸盘201，其由弹簧活塞202致动。而且，借助这个吸盘将电子狗保持在相同位置，不必再不断地检测并跟踪电子狗的位置。在此情况下，振幅信息可以用于传输，其中增加了每个符号的所传输的比特的数量，并改进了传输比特率。
在根据本发明的电容式电子狗与包括触敏表面的可视化设备之间通信的方法包括以下步骤：
步骤1：由触敏表面的识别装置识别电子狗的环形平面导电金属部件的确定的分布图；
步骤2：由电子狗的称为“包络检测”的检测装置识别在操作中由触敏表面发送的信号；
步骤3：触敏表面的电子狗操作模式的准备，发送装置转换到用于发送电子狗频率的模式，触敏表面的接收装置转换到用于接收电子狗频率的模式；
步骤4：在电子狗模式中操作，触敏表面与电子狗以电子狗频率交换信号。
在步骤1中，触敏表面处于正常操作轻触检测模式中。电容式电子狗的识别仅通过电子狗的电容环的形状的识别来完成。在这个阶段中，电子狗处于备用位置，在通电时初始化。它不产生任何信号，并且其同步解调器不工作。但其包络检测功能保持休眠模式。这使得其可以借助在相关频率范围内信号的振幅的检测来检测与触敏表面的接触，这是同步解调器无法完成的，因为它们不知道所讨论的频率的准确值。
的确，同一个仪表面板的不同屏幕以不同频率工作，以使得触敏表面彼此不干扰。因此，电子狗首先地忽视了通过它位于其上的触敏平板使用的频率。
触敏表面检测行与列自电容变化的分布图。这个分布图具有图5所示的类型。通过检测分布图的其相对距离已知的两个极大值或者峰值的最大振幅与中心槽的振幅的比来简单地完成检测。可以使用更先进的识别装置。当这个第一步骤完成时，获知了电子狗的位置坐标。在变型中，系统可以显示特定符号，其表示电子狗的“足迹”，并提示操作者将电子狗放置在其上面。因而，完全获知了电子狗的位置。
并行地，在第二步骤中，电子狗的包络检测器检测在适合的频率范围内的可接受振幅的信号的存在，使得可以检测工作的触敏平板的存在。电子狗启动其同步解调器，处于备用状态以从触敏平板接收消息。
在第三步骤中，触敏表面转换到电子狗操作模式。触敏表面在特定电子狗频率上配置其发生器的载波频率，其对发生器与可视化屏幕是已知的。优选地，将电子狗的频率选择为不用于轻触检测的频率。在图1的示例中，触敏表面以四个频率发生器工作，四个特定频率专用于电子狗，以便优化可用硬件资源的使用。通过设计使这些频率对电子狗已知。
平板随后向电子狗发送识别的第一消息。处于备用模式中，并已经检测到与触敏表面接触的电位的电子狗，将检测由触敏表面发送的消息，并在消息结束后将等待特定时间量的终止。
在第四步骤中，实施数据的传输。电子狗实际上已经接收了由触敏表面发送的初始化消息，并等待了在其结束后经过的时间量。
电子狗随后进入“主”模式，用于半双工传输。在此模式中，电子狗与触敏表面以相同的特定电子狗频率交替进行发送和接收。在经过了该时间量后，触敏表面也进入“从”模式，同时其等待电子狗指示的通信。
在对于被考虑的传输需要是最适合的，并且最好地利用了可用硬件资源的意义上来说，半双工模式有利的。但是通信的所谓的全双工模式是完全可实现的。在此模式中，电子狗与触敏表面在不同特定电子狗频率上同时发送和接收。在此情况下，可以将一个频率或多个频率分配给通信的一个方向，其余的分配给另一个方向。触敏平板由行与列组成，其还可以将行与相应的发送装置专门用于发送模式，将列与相应的接收装置专门用于接收模式。
当然，如果电子狗在给定时间量中没有接收消息并回复，只要仍明确地检测到电子狗的存在，触敏表面就周期性地重新发出新的初始化消息。
设置在主模式中的电子狗向触敏表面传递成功获取消息，其指示建立了通信，并且电子狗在处理它。
示例性地，通信协议类似于传统半双工传输的通信协议，例如在RS-232或RS-485介质上通常传输的协议。
在电子狗模式中的这个阶段期间，对于半双工通信，触敏表面的电子部件不断地扫描与由电子狗覆盖的表面相对应的区域。当触敏表面发送时，它测量在如此覆盖的行与列上读取的电容。当电子狗发送时，其通过测量接收的信号以类似的方式动作。
电容和接收信号分布图的演变使得可以检测电子狗的当前坐标中的任何变化。因而不断地确认电子狗的存在，并且不断地刷新其准确坐标。这使得可以不断地跟踪电子狗的位置中的变化，其为操作者提供了良好的使用灵活性，后者能够略微移动。由于仅扫描了对应于电子狗的最小表面，因此优化了分配给数据的通信的时间。
实际上，对于简化的硬件实施方案，系统地扫描整个触敏表面就足够了。但是，在测量远离电子狗的行与列时，传输的信号会变得过于微弱，以至于不能建立成功的通信。在这些时刻，不传输数据，于是降低了平均有用比特率。
在几个正弦载波上实施数据的传输。由于由触敏表面的导电行与列的线性电阻所引起的衰减，优选地，这些载波的频率保持在通常用于轻触检测的频率的下端。可能的最大频率取决于触敏表面的特性及其尺寸。典型地，这个最大频率具有几百千赫兹的值。
传输的符号的周期略高于同步检测的集成时间，其倒数对应于正交频率的间隔。对于50μs的时间周期，每个符号获得的比特率是20kHz。
峰值传输比特率对应于每个符号的比特率乘以每个符号的比特的数量、乘以载波的数量的乘积。
由于使用的大量载波和每个符号编码的大量比特，OFDM(正交频分复用)型的传输允许相对较高的比特率。
在系统具有用于产生并解调四个载波频率的装置的情况下，QPSK(四相移键控)或DQPSK(差分四相移键控)型的调制所提供的是每个符号两比特。峰值比特率于是具有160Kbaud的值，该比特率足以用于对应于RS-232或ARINC-429标准的传输。为了使比特率加倍，还可以设想使用QPSK调制的两倍的相位值。
相位的调制仅提供了在传输期间简化编码和保留用于跟踪电子狗在屏幕上的移动的振幅信息的优点。
在将电子狗放置在屏幕上的确定位置的情况下，符号编码可以使用振幅。优选地，选择信号由于行与列的电阻特性的衰减最低的屏幕位置。

Claims (10)

1.一种电容式电子狗(200)，旨在与包括电容式触敏表面(100)的可视化设备一起使用，电容式触敏表面包括导电行与列的矩阵(110)，在操作使用中，将电子狗布置在所述电容式触敏表面上，电子狗以发送模式和接收模式操作，其特征在于其至少包括：
-用于发送周期性模拟信号的装置(230、240、250)，以称为电子狗频率的至少一个特定频率发送所述信号；
-环形平面导电金属部件(210)，其连接到发送装置，所述部件旨在放置在所述电容式触敏表面上，在触敏表面的行上检测的由电子狗的放置引起的电容中的变化具有对称的分布图，所述分布图包括由围绕中心槽的环的内直径间隔开的两个峰值，其中所述分布图在触敏表面的导电列上相同；
-用于接收由所述导电金属部件输出的接收信号的装置(260、270)；
-用于分析数字化接收信号的装置(280、290)；
-用于存储发送的信号与分析的信号的装置；
-数字通信接口(295)。
2.根据权利要求1所述的电容式电子狗，其特征在于接收装置包括：
-称为“包络检测”的装置(280)，用于检测在确定振幅和频率范围内的由触敏表面发送的信号，以便检测所述电容式触敏表面的存在，所述装置以被动模式操作，即没有由发送装置进行的信号传输；
-同步解调装置(270)，以电子狗频率或多个频率操作，以便在接收模式中与所述触敏表面通信。
3.根据前述权利要求之一所述的电容式电子狗，其特征在于环(210)的厚度与电容式触敏表面的矩阵的一个间距相等。
4.根据权利要求1所述的电容式电子狗，其特征在于电子狗(200)包括吸盘设备(201、202)，使得可以将电子狗保持在电容式触敏表面上的适当位置。
5.一种可视化设备，包括电容式触敏表面(100)，其能够与根据权利要求1至4其中之一所述的电容式电子狗交换数据，所述触敏表面包括导电行(111)与列(112)的矩阵(110)，其特征在于电容式触敏表面包括：
-用于在电子狗放置在所述触敏表面上时，识别确定的分布图的装置，所述分布图对应于由环形平面导电金属部件在矩阵的行和列上引起的电容中的变化；
-用于以特定电子狗频率进行发送和接收的装置，
其中，在触敏表面的行上检测的由电子狗的放置引起的电容中的变化具有对称的分布图，所述分布图包括由围绕中心槽的环的内直径间隔开的两个峰值，其中所述分布图在触敏表面的导电列上相同。
6.根据权利要求5所述的可视化设备，其特征在于可视化设备的屏幕包括由为电子狗的位置保留的特定符号标记的特定位置。
7.一种通信的方法，所述通信在根据权利要求1-4之一所述的电容式电子狗与根据权利要求5和6所述的可视化设备之间进行，其特征在于，在将电子狗放置在电容式触敏表面上时，所述方法包括以下步骤：
步骤1：由触敏表面的识别装置识别电子狗的环形平面导电金属部件的确定的分布图；
步骤2：由称为“包络检测”的电子狗的检测装置识别在操作中由触敏表面发送的信号；
步骤3：触敏表面的电子狗操作模式的准备，发送装置转换到用于发送电子狗频率的模式，触敏表面的接收装置转换到用于接收电子狗频率的模式；
步骤4：在电子狗模式中操作，触敏表面与电子狗以电子狗频率交换信号，
其中，在触敏表面的行上检测的由电子狗的放置引起的电容中的变化具有对称的分布图，所述分布图包括由围绕中心槽的环的内直径间隔开的两个峰值，其中所述分布图在触敏表面的导电列上相同。
8.根据权利要求7所述的通信的方法，其特征在于以半双工模式执行步骤4，电子狗与触敏表面以相同的特定电子狗频率交替进行发送和接收。
9.根据权利要求7所述的通信的方法，其特征在于以全双工模式执行步骤4，电子狗与触敏表面以不同的特定电子狗频率同时进行发送和接收。
10.根据权利要求7至9之一所述的通信的方法，其特征在于在步骤4期间，触敏表面的发送和接收装置仅扫描布置在电子狗的环形平面导电金属部件下面的矩阵的导电行与列。
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