CN105975109A - 主动电容笔及其姿态检测方法、电容式触控屏与触控系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种主动电容笔及其姿态检测方法、电容式触控屏与触控系统。所述主动电容笔包括：第一电极、第二电极、第三电极以及控制电路，所述控制电路控制所述第一电极、所述第二电极以及第三电极与所述电容式触控屏之间的通信；其中，所述控制电路根据所述第一电极和第二电极同时分别接收到的来自所述电容式触控屏的信号，确定主动电容笔的倾角，并且所述第一电极和第三电极在所述控制电路的控制下分别向所述电容式触控屏发送信号，第一电极和第三电极发送来的信号能够被所述电容式触控屏用来确定该主动电容笔的方位角。本发明能够获取主动电容笔的方位角和倾角，结构和电路简单，定位精度高，提高了姿态检测的通用性。

Description

主动电容笔及其姿态检测方法、电容式触控屏与触控系统

技术领域

本发明涉及电容触控技术，尤其涉及一种主动电容笔及主动电容笔的姿态检测方法，以及与主动电容笔通信的电容式触控屏及触控系统。

背景技术

电容式触控技术已成为目前主流的触控技术，而主动电容笔作为与电容式触控屏配套使用的电容笔，其内配置有电源及相应的控制电路，可以主动发送信号，与只能接收信号的被动电容笔相比，具有笔尖细、定位精度高、可交互等优点，并且相比手指书写更加符合人们使用笔这种输入工具的使用习惯。

在使用主动电容笔书写的过程中，可以检测主动电容笔的姿态，即其与触控屏接触表面之间的方位角和倾角，根据检测得到的姿态信息确定并调整主动电容笔的位置信息，例如，根据倾角信息修正笔尖的位置、改变笔尖输入轨迹的粗细进而改变主动电容笔的输入特性等等，从而使主动电容笔的书写效果更加接近于真实的书写笔。

目前，检测主动电容笔姿态常用的方法是在主动电容笔中增加惯性测量单元(Inertial measurement unit，简称IMU)，例如陀螺仪、加速度计等。这种方式可以检测出倾角，但由于主动电容笔绕轴旋转角度的不固定，无法判断所述主动电容笔的方位角，即笔相对于触控屏表面的倾角的朝向。而且增加IMU器件会导致功耗及成本的增加。

此外，存在通过设置多个感应器件来感知不同方向信号强度来判断所述主动电容笔的姿态的技术。然而该类技术的缺点是，需要采用环绕在一起的多个感应器件，并且每个感应器件都连接到相应的控制电路，结构和电路都比较复杂。同时，利用笔尖周围的多个朝向不同的感应器件来发送信号，以此模拟手指的感应方式，定位精度较低。

发明内容

本发明在考虑现有技术存在的缺陷的基础上，提供一种主动电容笔及其姿态检测方法、电容触控屏以及触控系统，其检测精度高，且进一步地，该姿态检测方法可针对不同厂家生产的主动电容笔在电容式触控屏上通用，即，该主动电容笔及其姿态检测方法具有检测精度和通用性均提高了的有益效果。

根据本发明第一方面，提供一种与电容式触控屏交互通信的主动电容笔，包括：第一电极，用于向所述电容式触控屏发送信号，或接收来自所述电容式触控屏发射的信号；第二电极，用于接收来自所述电容式触控屏发射的信号；第三电极，用于向所述电容式触控屏发送信号；以及控制电路，用于控制所述第一电极、所述第二电极以及第三电极与所述电容式触控屏之间的通信；其中，所述控制电路根据所述第一电极和第二电极同时分别接收到的来自所述电容式触控屏的信号，确定主动电容笔的倾角，并且所述第一电极和第三电极在所述控制电路的控制下分别向所述电容式触控屏发送信号，第一电极和第三电极发送来的信号能够被所述电容式触控屏用来确定该主动电容笔的方位角。

进一步地，所述控制电路根据预先存储的所述第一电极接收的来自所述电容式触控屏的信号和所述第二电极接收的来自所述电容式触控屏的信号之间的相对值与所述主动电容笔的倾角的映射关系，以确定所述主动电容笔的倾角。

进一步地，所述电容式触控屏根据分别由所述第一电极和第三电极发送的信号来确定所述第一电极和第三电极在所述电容式触控屏上的坐标位置，从而确定所述方位角。

进一步地，所述控制电路通过控制切换开关切换所述第一电极、所述第三电极与所述电容式触控屏之间的通信。

进一步地，所述切换开关用以接通所述第一电极或第三电极，或同时断开第一电极和第三电极。

进一步地，所述第一电极为所述主动电容笔的笔尖，所述第二电极和第三电极为环绕所述笔尖设置的圆环或线圈。

根据本发明的第二方面，提供一种用于与上述任一主动电容笔通信的电容式触控屏，包括：发送及接收模块，用于向所述主动电容笔发送信息及接收来自主动电容笔发送的信息；以及控制模块，用于根据分别来自所述第一电极和第三电极的信息获得所述主动电容笔的方位角，并且用于控制所述发送及接收模块向所述主动电容笔发送信息及接收来自主动电容笔发送的信息，从而所述第一电极和第二电极同时接收来自发送及接收模块发送的信号，使得所述主动电容笔能够计算所述倾角。

进一步地，所述控制模块根据分别来自所述第一电极和所述第三电极发送的信号确定第一电极和第三电极在所述电容式触控屏上的坐标位置，以确定所述方位角。

根据本发明的第三方面，提供一种触控系统，包括：上述任一所述的主动电容笔和任一所述的电容式触控屏。

根据本发明的第四方面，提供一种利用主动电容笔与电容式触控屏之间的交互通信检测主动电容笔姿态的方法，所述主动电容笔包括第一电极、第二电极、第三电极和控制电路，该方法包括：由所述控制电路控制所述第一电极和第二电极同时分别接收所述电容式触控屏发送的信号；由所述控制电路根据所述第一电极和第二电极同时分别接收到的来自所述电容式触控屏的信号来确定主动电容笔的倾角；以及，由所述控制电路控制所述第一电极和第三电极分别向所述电容式触控屏发送信号，由所述电容式触控屏根据所发送的信号获得所述主动电容笔的方位角。

进一步地，所述控制电路根据预先存储的所述第一电极接收的来自所述电容式触控屏的信号和所述第二电极接收的来自电容式触控屏的信号之间的相对值与所述主动电容笔的倾角的映射关系，以获得所述主动电容笔的倾角。

进一步地，所述电容式触控屏根据分别来自所述第一电极和所述第三电极发送的信号确定第一电极和第三电极在触控屏上的坐标位置，以确定所述方位角。

进一步地，所述电容式触控屏包括发送及接收模块和控制模块；所述控制模块用于控制该发送及接收模块向所述主动电容笔的所述第一电极和所述第二电极发送信号并控制该发送及接收模块接收来自第一电极和第三电极发送来的信号；以及所述控制模块用于根据第一电极和第三电极所发送来的信号获得所述主动电容笔的方位角。

根据本发明的上述方案可知，本发明能够获取主动电容笔的方位角和倾角，不需要增加惯性测量单元，主动电容笔的结构和电路都比较简单，利用主动电容笔本身的第一电极或第二电极作为发送电极来发送位置信息，定位精度高，且在计算主动电容笔的方位角时，与主动电容笔的相邻两电极之间的距离无关，因此不同厂家生产的主动电容笔在电容式触控屏上的方位角和倾角是固定的，提高了主动电容笔的通用性。

以下结合本发明的附图及具体实施方式对本发明的方案进一步说明，本发明的有益效果将进一步明确。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1示出了根据本发明主动电容笔的结构示意图。

图2示出了根据本发明的主动电容笔倾斜输入时产生的电容耦合示意图。

图3(a)为在由电容笔和触控表面构成的三维空间中电容笔与触控表面所形成的倾角和方位角的示意图；图3(b)为倾角在二维平面内的示意图；以及图3(c)为方位角在XY平面内的示意图。

图4示出了根据本发明一优选实施方式的主动电容笔的结构框图。

图5示出了根据本发明一优选实施例的主动电容笔的具体结构框图。

图6示出了根据本发明一优选实施例的主动电容笔姿态检测流程的时序图。

图7(a)—图7(e)示出了主动电容笔的不同位置及姿态时电容式触控屏的电极上的电压；其中，图7(a)-7(b)示出了主动电容笔位于某个电极的中间位置时的情形；图7(c)—图7(e)示出了主动电容笔位于两电极之间的情形。

图8示出了根据本发明一优选实施例的主动电容笔姿态检测方法的流程图。

图9示出了根据本发明一优选实施例的与主动电容笔通信的电容式触控屏的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供的主动电容笔，能够与电容式触控屏进行通信。所述主动电容笔包括第一电极、第二电极、第三电极和控制器。其中，第一电极用于向电容式触控屏发送信号或接收来自电容式触控屏发送的信号，第二电极用于接收来自电容式触控屏发送的信号，以及第三电极用于向电容式触控屏发送信号。控制器用于控制所述第一电极、所述第二电极以及第三电极与电容式触控屏之间的通信。所述控制器能够根据所述第一电极和第二电极在同一时间分别接收到的来自电容式触控屏的信号来确定主动电容笔的倾角。并且，所述第一电极和第三电极能够在所述控制器的控制下分别向电容式触控屏发送信号，从而电容式触控屏能根据第一电极和第三电极发送的信号确定该主动电容笔的方位角。进一步，所述电容笔还可以包括切换开关，用于实现第一电极与电容式触控屏之间发送和接收信号的切换控制。

在本发明的一实施例中，第一电极可以为主动电容笔的笔尖，第二电极和第三电极可以分别为距离笔尖预设距离且环绕主动电容笔设置的圆环，如图1所示的主动电容笔S中，包括笔尖1、第一圆环2和第二圆环2’。第二电极可以是所述第一圆环2，也可以是第二圆环2’，则此时第三电极为第二圆环2’或第一圆环2。

此外，根据本发明的一些具体实施例，前述环绕主动电容笔设置的圆环也可为线圈形式，只要其能够实现与电容式触控屏之间的信息的发送和接收即可。

以下将以第一电极为主动电容笔的笔尖，第二电极为主动电容笔的第一圆环，以及第三电极为主动电容笔的第二圆环为例对本发明方案予以详述。需要指出的是，本发明显然不限于此，所述领域的技术人员可以根据具体情况设置上述各电极。

图1示出了根据本发明主动电容笔S的结构示意图。如图1所示，所述主动电容笔包括笔尖1、位于笔尖1上方距离笔尖1预设距离的构成主动电容笔本体的一部分的第一圆环2、以预定距离设置在第一圆环2的上方并构成主动电容笔的本体的一部分的第二圆环2’，以及构成主动电容笔本体的另一部分的笔外壳3、切换开关(未图示)以及控制器4。标记“5”指代电容式触控屏(未示出)的触控表面。笔尖1的材料为导电材料，例如导电塑料，例如TPU(Thermoplastic polyurethanes，热塑性聚氨酯弹性体橡胶)、POM(Polyformaldehyde，聚甲醛)等。第一圆环2和第二圆环2’的材料也为导电材料，例如为导电金属材料。但第一圆环2、第二圆环2’、笔尖1、及笔外壳3之间相互保持绝缘。具体来说，第一圆环2距离笔尖1一定距离，以环形结构围绕主动电容笔设置，相邻环形结构中间设置有绝缘层，从而实现笔尖1与圆环2的电绝缘。第二圆环2’与第一圆环2保持一定距离，并保持绝缘。同时，第一圆环2和第二圆环2’与笔外壳3之间设置绝缘材料，以实现两圆环与笔外壳3的电绝缘。笔外壳3(如图1)的材料优选导电材料，如导电塑料，从而在使用时与人手可以电连接，形成接地回路。

主动电容笔通常利用笔尖1以电容耦合的方式向电容式触控屏发送信号，并能接受来自电容式触控屏发送来的信号。同时，利用第一圆环2以电容耦合的方式接收来自电容式触控屏的信号，以及利用第二圆环2’以电容耦合的方式向电容式触控屏发送信号。进而实现主动电容笔与电容式触控屏的交互通信。笔尖1通常为一根有限长度的细棒。由于笔尖1的设计限制，其与电容式触控屏的电极之间的耦合电容较小，并且随着笔尖1与电极之间的距离加大而显著下降，从而有助于获知笔尖1的位置。但是，当主动电容笔由垂直变为倾斜于电容式触控屏时，由于笔尖1相对较为细小，所以笔尖1与相邻近感应电极之间的耦合电容并无明显变化，从而难于据此获知主动电容笔的倾角及方位角。

图2示出了当主动电容笔在电容式触控屏上倾斜输入时产生的电容耦合示意图。如图2所示，以笔尖1和第一圆环2与电容式触控屏的感应电极之间产生的电容为例进行说明。相对于笔尖1所在的感应电极6，感应电极7为一相邻感应电极。电容C1为笔尖1与感应电极7之间的耦合电容，电容C2为第一圆环2与感应电极7之间的耦合电容。由于第一圆环2的表面积远大于笔尖1，所以耦合电容C2远大于耦合电容C1。因此，如果用圆环(第一圆环2或第二圆环2’)来发送导向信号，则容易检测多个相邻电极的信号强度，从而可以获知主动电容笔的方位角。

有鉴于此，本发明实施例提供的主动电容笔中，利用第一圆环2作为接收电极，接收电容式触控屏发送的请求笔尖1和第二圆环2’的位置信息的命令，利用笔尖1作为发送电极向电容式触控屏发送可以用于计算笔尖1的位置的反馈信号来检测笔尖1和第二圆环2’的在触控屏上的坐标位置。电容式触控屏能够根据计算出的笔尖1的坐标位置信息和第二圆环2’的坐标位置信息来计算主动电容笔的方位角。并利用笔尖1和第一圆环2分别同时接收到的来自电容式触控屏的信号计算所述主动电容笔的倾角，下文将具体进行描述。

在说明本发明的主动电容笔的倾角及方位角的检测方案之前，先结合图3(a)、3(b)以及3(c)说明本发明中所述主动电容笔的倾角和方位角的定义。本发明所述“方位角”是指主动电容笔倾斜的方向即主动电容笔相对于触控屏倾斜的方向，“方位角”也是主动电容笔的朝向，为主动电容笔在电容式触控屏表面上的投影相对于电容式触控屏表面坐标轴的方向。本发明所述“倾角”是指所述主动电容笔与电容式触控屏表面的垂线的夹角。

图3(a)-(c)示出了在坐标系中所述主动电容笔与电容式触控屏表面之间的相对位置关系，用于说明所述方位角及倾角。其中，图3(a)为在由主动电容笔和电容式触控屏表面构成的三维空间中主动电容笔与电容式触控表面所形成的倾角和方位角的示意图；图3(b)为倾角在二维平面内的示意图；以及图3(c)为方位角在XY平面内的示意图。如图3(a)所示，设电容式触控表面为XY平面，当主动电容笔S相对于电容式触控屏的触控表面5倾斜时，在触控表面5上的投影与X轴的夹角，即方位角表示为θ，主动电容笔S与触控表面5的垂线的夹角，即倾角表示为Φ。

以下结合图4、图5对本发明的主动电容的倾角及方位角检测方案进行详细说明。图4示出了根据本发明一优选实施方式的主动电容笔的工作原理的结构框图。如图4所示，所述主动电容笔包括上述笔尖1、第一圆环2和第二圆环2’，以及控制电路8。其中，第一圆环2接收电容式触控屏发送的请求获取笔尖的位置信息指令，控制电路8解析该请求获取笔尖1的位置信息指令后，由笔尖1作为发送电极向电容式触控屏发出用于获得笔尖1的位置的信息。之后，第一圆环2接收电容式触控屏发送的请求获取第二圆环2’的位置信息指令，控制电路8解析该请求获取该第二圆环2’的位置信息指令后，控制电路8接通第二圆环2’，由第二圆环2’作为发送电极向电容式触控屏发出用于获得第二圆环2’的位置的信息。据此，电容式触控屏根据上述用于获得笔尖1的位置的信息和用于获得第二圆环2’的位置的信息获得主动电容笔的方位角。

电容式触控屏向主动电容笔发送信息，控制电路8将笔尖1和第一圆环2同时接通，使两者同时作为接收电极，以分别同时接收来自电容式触控屏的信息，利用笔尖1和第一圆环2分别同时接收到的来自电容式触控屏的信号，控制电路8获得所述主动电容笔的倾角。并且，优选的，控制电路8进一步控制电路接通笔尖1，由笔尖1作为发送电极向电容式触控屏发送所获得的倾角信息。

图5示出了根据本发明一优选实施例的主动电容笔及控制电路8的具体结构框图。如图5所示，主动电容笔包括：笔尖1、第一圆环2、第二圆环2’、以及控制电路8。该控制电路8进一步包括：切换开关SW、控制器4、第一处理电路11、第二处理电路12和发送增益电路等。切换开关SW切换到笔尖1时，笔尖1作为发送电极向电容式触控屏发送信号；切换到第二圆环2’时，第二圆环2’用作发送电极向电容式触控屏发送信号。第一处理电路11优选包括顺次相连的放大及滤波电路、积分电路、ADC电路以及一端与放大及滤波电连接的解码电路。第二处理电路12优选包括顺次相连的放大及滤波电路、积分电路和ADC电路。

在本实施例中，第一处理电路11用以对第一圆环2接收到的来自电容式触控屏的指令、信息等进行相应的信号处理，并将处理后的信号发送给控制器4进行解析，第二处理电路12用以对笔尖1接收到的来自电容式触控屏的信息进行相应的处理，并将处理后的信号发送至控制器4进行解析，其中，放大及滤波电路用于对电容式触控屏发送的指令、信息等进行放大并滤波，以降低电容式触控屏中电源、显示器等周围环境噪声对主动电容笔的影响，解码电路用于对电容式触控屏发送来的信号进行解码，其可以合成在控制器中作为控制器的一部分，也可以作为独立存在的电路设置在主动电容笔中，发送增益电路用于对笔尖1或第二圆环2’向电容式触控屏发送的信号进行放大。

此外，所述主动电容笔优选包括压力传感器(如图5所示)，用于检测主动电容笔承受的压力，并转换为压力感应信号，从而根据该压力感应信号进一步控制书写笔迹的粗细、色彩的浓淡等。

在本实施例中切换开关SW用以接通笔尖1或第二圆环2’，控制器4控制切换开关SW的断开和接通。具体来说，切换开关SW在控制器4检测到电容式触控屏发送的用于获得笔尖的位置信息的指令时切换接通笔尖，并在控制器4检测到电容式触控屏发送的用于获得第二圆环2’的位置信息的指令时切换接通第二圆环2’。也就是说，切换开关SW根据电容式触控屏发送的请求获取笔尖1或圆环2的位置信息指令接通相应的笔尖1或第二圆环2’。

下面，将结合图6对本发明实施例提供的检测主动电容笔的姿态的时序进行描述。在图6中，SWITCH表示切换开关SW上施加的电平信号，切换信号SWITCH为高电平表示切换开关SW接笔尖1，此时笔尖1作为发送电极，切换信号SWITCH为低电平表示切换开关SW接第二圆环2’，此时第二圆环2’作为发送电极，切换信号SWITCH为方格阴影表示切换开关SW断开，此时笔尖1和第二圆环2’均不向电容式触控屏发送信号。TP表示电容式触控屏上的发送或接收到的信号，MCU表示主动电容笔的控制器4发送或接收到的信号，CONE’表示第二圆环2’发送的信号，CONE表示第一圆环2接收到的信号，TIP表示笔尖1上发送或接收到的信号，其中，向左倾斜线“/”表示电容式触控屏向主动电容笔发送信号，向右倾斜线“\”表示主动电容笔向电容式触控屏发送信号。

首先，电容式触控屏中的触控控制器通过触控传感器向主动电容笔发送请求获取笔尖的位置信息的指令TP1，此指令TP1通过第一圆环2被主动电容笔接收。

接下来，控制器解析请求获取笔尖的位置信息的指令TP1，并在时刻T1通过笔尖1发出响应信号ACK，此时，切换开关SW在控制器检测到主动电容笔接收到笔尖1的位置信息指令时，切换接通笔尖1，通过笔尖1向电容式触控屏发送第一导向信息，电容式触控屏利用该第一导向信息,计算笔尖1的位置信息。此外，笔尖1还可以同时向电容式触控屏发送压力感应数据。图6中，笔尖1向电容式触控屏连续发出两个数据包PK1和PK2。其中，第一导向信息(Pilot信息)是由主动电容笔向电容式触控屏发出的响应信号，为一个固定波形，以电容耦合方式发送到电容式触控屏时，会引起电容式触控屏的电极上电压的变化。根据该电压的变化，电容式触控屏计算笔尖1的位置，下文将具体描述。

然后，电容式触控屏向主动电容笔发送请求获取第二圆环2’的位置信息的指令TP2，此指令TP2通过第一圆环2被主动电容笔接收。

接下来，控制器4解析该指令TP2，当控制器解析出该指令TP2为请求获取第二圆环2’的位置信息指令时，控制切换开关SW上施加的切换信号SWITCH由高电平变为低电平，即控制器控制切换开关SW接通第二圆环2’，此时由第二圆环2’作为发送电极向电容式触控屏发出响应信号ACK。

之后，电容式触控屏接收来自第二圆环2’的响应信号ACK，并继而，通过第二圆环2’向电容式触控屏发出第二导向信息(图中未示出，可参照第一导向信息)，电容式触控屏利用该第二导向信息计算第二圆环2’的位置信息。在本步骤中，控制器在解析指令TP2后控制第二圆环2’作为发送电极向电容式触控屏发出响应信号和第二导向信息。第二导向信息使电容式触控屏上的电极的电压发生变化，根据该电压变化可以计算第二圆环2’的在电容式触控屏上的坐标位置。进而，结合步骤S2中笔尖1的位置信息，电容式触控屏可计算得到主动电容笔的方位角。下文将具体描述。

接下来，经过，例如一个时隙后，电容式触控屏向主动电容笔发送请求获取主动电容笔的倾角信息的指令。控制器在检测到该指令TP3时，控制切换开关SW断开，此时，同时作为接收电极的笔尖1和第一圆环2在同一时刻分别接收该请求获取主动电容笔的倾角信息指令TP3。经第一处理电路11和第二处理电路12处理后传送到控制器4。控制器4根据笔尖1和圆环2接收到的两路电信号，以及主动电容笔中预先存储的该两路电信号与主动电容笔的倾角的映射关系获得主动电容笔的倾角，对此，下文将进行详细描述。

之后，经过，例如一个时隙后，主动电容笔通过笔尖1向电容式触控屏发出倾角信息。

通过上述过程，电容式触控屏即可获得主动电容笔的方位角和倾角，从而能够确定主动电容笔的姿态，进而电容式触控屏利用该方位角数据及倾角数据对主动电容笔的书写笔迹进行修正等。

在本实施例中，以上对所述时序图的描述，各步骤的先后顺序仅仅是示例性的，本发明并不限于次。具体地，在本发明的不同实施例中，各步骤可根据实际情况来调整先后顺序。例如：可以先向电容式触控屏发送用于获得第二圆环2’的位置的信息，再向电容式触控屏发送用于获得笔尖1的位置的信息。也可以先控制笔尖1和第一圆环2先接收来自电容式触控屏的进行倾角计算的信息或指令，获得倾角后，再进行所述方位角的计算等等。并且，各步骤之间的所述“经过一个时隙”等也仅是示例性的，各步骤的执行时间间隔可以根据需要设置。进一步地，上述指令的发送也是示例性的，所述主动电容笔可以在电容式触控屏发出请求命令后，顺序进行所述方位角和倾角的检测而不需要每一个步骤都根据电容式触控屏的指令进行。

以下对具体的方位角及倾角计算方法进行详细说明。

首先结合基于前面电容耦合的分析，可以认为由于倾斜的影响，第一圆环2和第二圆环2’对电容式触控屏中相邻电极的电容值改变会大于笔尖1对电容式触控屏中相邻电极的电容值改变。

图7(a)-7(e)示出了主动电容笔在不同位置及姿态时电容式触控屏的电极上的电压；其中，图7(a)-7(b)示出了主动电容笔位于某个电极的中间位置时的情形；图7(c)-7(e)示出了主动电容笔位于两电极之间的情形。

如图7(a)-7(b)所示，图中示出了电容式触控屏中三个相邻的电极E0、E1和E2，为了简单起见，先假定主动电容笔位于电极E1的中间位置，电极E1左右相邻电极为E0、E2。图7(a)为主动电容笔垂直于电容式触控屏的触控表面的情形，图7(b)为主动电容笔与电容式触控屏的触控表面成某个倾角的情形，但主动电容笔仍然处于电极E1中间。

“TIP”为笔尖1作为发送电极时的检测电压。主动电容笔垂直于电容式触控屏的触控表面且笔尖1作为发送电极时，三个电极E0、E1和E2上的检测电压分别为V0、V1、V2，主动电容笔倾斜于电容式触控屏的触控表面且笔尖1作为发送电极时，电容式触控屏的三个电极上E0、E1和E2的检测电压分别为VT0、VT1、VT2。

“CONE’”为第二圆环2’作为发送电极时的检测电压，主动电容笔垂直于电容式触控屏的触控表面且第二圆环2’作为发送电极时，电容式触控屏的三个电极上的检测电压分别为V0’、V1’、V2’；主动电容笔倾斜于电容式触控屏的触控表面且第二圆环2’作为发送电极时时，电容式触控屏的三个电极上的检测电压分别为VT0’、VT1’、VT2’。可以看出，由于倾斜，会导致主动电容笔与电极E2之间的耦合电容值增加，由于电容的阻抗正比于1/jωC，所以在电极E2上感应的检测电压会大于在电极E0上感应的检测电压。所以当主动电容笔倾斜时，在笔尖1和d第二圆环2’分别作为发送电极时在相邻电极E0和E2上的检测电压分别会出现电压差值Delta1和Delta2。由于圆环的面积相比笔尖要大，所以其作为发送电极时相邻电极E0和E2上检测电压的电压差值也较大，从图中可以看出Delta2>Delta1。在相邻电极上引起较大的电压差异，更有利于获取主动电容笔的倾角和方位角。在理想的设计中，可以使Delta1很小以至于忽略不计。

另一种情况，如图7(c)-7(e)所示，当主动电容笔的位置不处于电容式触控屏的某个电极之上，而是处于相邻两个电极之间，例如在电极E1和E2之间，这是种常见的情况。根据实际情况，也可以选取大于三个电极，例如5个电极来计算位置及倾角。在图7(c)-7(e)中仍以三个电极为例进行说明。可以看出，如果采用笔尖1作为发送电极来发送信号，主动电容笔倾斜造成对电容式触控屏中三个电极的检测电压的影响相对较小，而如果改为由第二圆环2’作为发送体来发送信号，则倾斜造成对电容式触控屏中三个电极的检测电压的影响则较大。

在步骤S2中，笔尖1向电容式触控屏发送用于计算笔尖的位置的信息，引起电容式触控屏上电极的电压的变化，并在步骤S5中，由第二圆环2’向电容式触控屏发送用于计算第二圆环的位置的信息，引起电容式触控屏上电极的电压的变化，电容式触控屏据此可分别计算笔尖1和第二圆环2’的在电容式触控屏上的坐标位置。

具体地，以电容式触控屏的触控平面所在的X轴的计算为例。当主动电容笔相对于电容式触控屏的触控表面倾斜时，取相邻两个电极的中心距离为L，电极E1的中心坐标为X_E1，则根据电极E1的中心坐标和电极E1与相邻两个电极的检测电压，可以计算出笔尖1在图3a所示的XY平面的X坐标为：

$X_{TIP}=X_{E_1}+\frac{L}{2}\·\frac{VT2-VT0}{2VT1-VT2-VT0}\mathrm{...}\left(1\right)$

类似的，第二圆环2’在XY平面的X坐标可利用电极E1的中心坐标和其作为发送电极时电极E1与相邻两个电极的检测电压来计算：

$X_{CONE}=X_{E_1}+\frac{L}{2}\·\frac{VT{2}^{\′}-VT{0}^{\′}}{2VT{1}^{\′}-VT{2}^{\′}-VT{0}^{\′}}\mathrm{...}\left(2\right),$

此外，需要指出的是，实际中计算笔尖和圆环的坐标位置有多种算法，例如根据出现感应电压的触控电极的图形，以上列出经验公式仅作为示例的，并不限制于本发明。

现有技术中采用下述公式(3)计算主动电容笔的倾角。具体地，如图3(b)所示，从第二圆环2’在X轴上的位置坐标处垂直于X轴方向向上延伸一虚线，该虚线与主动电容笔轴线相交于一点，该相交点距离笔尖1的长度为D，以该长度D为参数，则主动电容笔的倾角为：

$\mathrm{\Φ}=arcsin\sqrt{{\mathrm{\Δx}}^2+{\mathrm{\Δy}}^2}/D\mathrm{...}\left(3\right)$

其中，Δx，Δy分别为笔尖和第二圆环的X坐标差和Y坐标差。则可以看出，上述方法获得的主动电容笔的倾角与电容式触控屏的相邻电极之间的距离以及参数D有关，然而，在实际应用过程中，D的长度并非一个固定值，而是与电容式触控屏的倾角成某一函数关系。因此，对于特定的主动电容笔来说，上述计算主动电容笔的倾角的公式中相关参数是确定的，但是当不同厂家生产的主动电容笔与电容式触控屏配套使用时，利用上述方法计算得到的主动电容笔的倾角不同，从而影响对主动电容笔的轨迹修正。

为此，本发明提供一更优的实施例，分别获取主动电容笔的方位角和倾角，以克服上述现有技术中计算倾角所存在的缺陷。需要说明的是，本发明基于投射式电容式触控屏，Y轴的电极排列与X轴的排列基本上一致，仅方向不同。因此，根据前述方法获得笔尖1和第二圆环2’在电容式触控屏的触控表面所在的平面中X坐标的方法，可以变换到Y轴方向上计算，设笔尖1和第二圆环2’的Y轴坐标为Ytip和Ycone’，其具体表达式在此不再赘述。

根据本发明的实施例，电容式触控屏根据接收到的来自主动电容笔的笔尖位置和第二圆环2’的位置获取主动电容笔的方位角，具体为利用笔尖和第二圆环分别在X轴和Y轴上的坐标差计算主动电容笔的方位角，计算公式如下：

$\mathrm{\θ}=arctg\frac{\mathrm{\Δ}y}{\mathrm{\Δ}x}\mathrm{...}\left(4\right)$

其中，△x为笔尖1和第二圆环2’在X轴上的坐标差；△y为笔尖1和第二圆环2’在Y轴上的坐标差。

由此可以看出，该方位角与电容式触控屏中相邻电极的中心距离L以及参数D均无关，因此不同厂家生产的不同结构的主动电容笔均可根据该方法获得准确的主动电容笔的方位角。

进一步地，根据本发明的方案，为获取主动电容笔的倾角，电容式触控屏向主动电容笔发送请求主动电容笔的倾角信息的指令，控制器4控制切换开关SW断开，此时笔尖1和第一圆环2作为接收电极分别同时接收来自电容式触控屏发送的该指令，笔尖1和第一圆环2接收到两路电信号，该两路信号分别经过第一处理电路和第二处理电路进行处理后发送到控制器4。

参见图2，设笔尖1与电容式触控屏之间的电容为C1，第一圆环2与电容式触控屏之间的电容为C2。并设两路电信号送入控制器后的信号值大小分别为Vt和Vc，则显然，两路信号的信号值大小Vt和Vc分别与C1及C2相关。

由于笔尖和圆环被固定在主动电容笔的固定位置，如果以笔尖与电容式触控屏的接触点为原点，当主动电容笔被抬起时，主动电容笔与电容式触控屏之间形成的倾角Φ发生变化，则笔尖与电容式触控屏之间形成的电容C1，以及第一圆环2与电容式触控屏之间形成的电容C2，会经历成比例的变化。相应的，如果这时笔尖1和第一圆环2还是以电容耦合的方式同时接收来自电容式触控屏发送的同样的信号，前述两路信号的初始值Vt和Vc就会相应地改变为Vt'＝ft(Φ)*Vt和Vc'＝fc(Φ)*Vc。因此，Vt'/Vc'就会成为ft(Φ)*Vt/fc(Φ)*Vc，即Vt’/Vc’＝Kft/c(Φ)，其中，K＝Vt/Vc。在这个公式中，Vt和Vc均已知，所以Vt'/Vc'就仅随ft(Φ)/fc(Φ)＝ft/c(Φ)的变化而变化。这样，如果事先已知ft(Φ)和fc(Φ)，也即知道ft/c(Φ)，则当所述主动电容笔获得笔尖和第一圆环收到的相应的信号Vt'和Vc'时，就可以根据初始的Vt和Vc值，通过相应计算获得相应的倾角Φ。

优选地，上述计算也可以省略。当主动电容笔在生产出来后，笔尖及第一圆环的材质、形状、相隔的距离都已经固定，相应的初始的Vt和Vc值以及ft/c(Φ)应也均已固定。因此，当主动电容笔生产出来后，可以通过实验测得到主动电容笔的倾角Φ与Vt’和Vc’的比值之间的映射关系，并据此构建查找表。因此，在检测到笔尖和第一圆环所接收到的来自电容式触控屏的Vt’和Vc’后，根据预设的查找表，即可获得相应的倾角值。

下面结合图8说明根据本发明的利用主动电容笔和电容式触控屏之间的交互通信检测主动电容笔姿态的方法。其中，仍以第一电极为所述笔尖1，所述第二电极为所述第一圆环2和所述第三电极为所述第二圆环2’为例进行说明。然而，如上文所述，本发明并不限于此。

如图8所示，根据本发明的所述方法，包括：由所述主动电容笔的控制器控制第一电极和第二电极同时接收所述电容式触控屏发送的信号；由所述主动电容笔的控制器根据所述第一电极和第二电极同时分别接收到的来自所述电容式触控屏的信号来确定主动电容笔的倾角；并且由所述控制器控制所述第一电极和第三电极分别向所述电容式触控屏发送信号，由所述电容式触控屏根据所发送的信号确定所述主动电容笔的方位角。

S1：由所述主动电容笔的控制器控制第一电极和第二电极同时接收所述电容式触控屏发送的信号。

在该步骤中，电容式触控屏向主动电容笔发送请求获得所述主动电容笔的倾角的指令，当控制器4解析到该指令时，控制切换开关断开，笔尖1和所述第二圆环2作为接收电极，分别同时接收该指令。

S2：由所述主动电容笔的控制器根据所述第一电极和第二电极同时分别接收到的来自所述电容式触控屏的信号来确定主动电容笔的倾角。

经过主动电容笔中第一处理电路和第二处理电路的处理后获得两路电信号，并送入控制器中。控制器根据两路电信号获得主动电容笔的倾角。具体地，控制器根据主动电容笔中预先存储的两路电信号之间的相对值与倾角之间的映射关系获得主动电容笔的倾角，上文已进行了详细描述，在此不再赘述。

优选地，在获得所述倾角后，由笔尖1作为发送电极将所述倾角发送给电容式触控屏。电容式触控屏根据接收到的方位角和倾角确定主动电容笔的姿态，以进行书写笔迹的修正等。

S3：由所述控制器控制所述第一电极和第三电极分别向所述电容式触控屏发送信号，由所述电容式触控屏根据所发送的信号确定所述主动电容笔的方位角。

在该步骤中，电容式触控屏向主动电容笔发送请求获取主动电容笔笔尖的位置的指令，由第一圆环作为接收电极接收该请求获取主动电容笔笔尖的位置的指令。接收到该指令后，控制器4控制所述切换开关SW接通笔尖1，由笔尖1作为发送电极，发送用于获得所述笔尖的位置的信息。

进一步地，电容式触控屏向所述主动电容笔发送请求获取主动电容笔的第二圆环2’的位置的指令，由第一圆环2作为接收电极接收该请求获取主动电容笔第二圆环2’的位置的指令。接到该指令后，控制器控制切换开关接通第二圆环2’，并继而由第二圆环2’作为发送电极，发送用于获得笔尖的位置的信息。

之后，电容式触控屏根据电容式触控屏发送的用于获得笔尖的位置的信息和用于获得第二圆环2’的位置的信息获取主动电容笔的方位角，如上文所述。

需要说明的是，同对所述时序图的描述类似，上述各步骤的描述并非限定性的，在本发明的不同实施例中，各步骤可根据实际情况来调整先后顺序。例如：可以先请求获得方位角，即先执行步骤S3，再请求获得倾角，即执行步骤S1和S2等等。另外，各步骤中，所述指令的设置也是示例性的，可以根据需要设置方位角和倾角的检测启动方式。

此外，本发明还提供了一种与上述实施例中提供的主动电容笔通信的电容式触控屏，包括发送及接收模块31，32，用于向所述主动电容笔发送信息及接收来自主动电容笔的信息；控制模块33，用于根据分别来自所述第一电极和第二电极的信息获得所述主动电容笔的方位角；并且所述第一电极和第二电极同时接收来自发送及接收模块发送的信号，以使得主动电容笔能够计算所述倾角。以下结合图9进行具体描述。

图9示出了根据本发明一优选实施例的与主动电容笔通信的电容式触控屏的结构示意图，如图9所示，该电容式触控屏包括：发送模块31，用于向主动电容笔发送信息，例如请求获得笔尖1、第二圆环2’的位置的指令等。接收模块32，用于接收主动电容笔发送来的信号，例如通过笔尖1和第二圆环2’发送来的、用于计算所述方位角的信号等。以及控制模块33，用于根据笔尖1和第二圆环2’发送来的信息获得主动电容笔的方位角。对于具体的信息交互方式以及计算方法，上文均已经进行了详细描述，在此将不再赘述。

进一步地，本发明还提供了一种触控系统，包括上述任意实施例提供的主动电容笔和上述任意实施例提供的电容式触控屏。

本发明实施例提供的主动电容笔、检测主动电容笔姿态的方法、电容式触控屏以及触控系统，能够获取主动电容笔的方位角和倾角，不需要增加惯性测量单元，主动电容笔的结构和电路都比较简单，利用主动电容笔本身的第一电极、第二电极以及第三电极与电容式触控屏进行交互，定位精度高，且在计算主动电容笔的倾角和方位角时，与电容式触控屏相邻两电极之间的距离无关，因此不同笔厂家在触控屏上的方位角和倾角是固定的，针对通用需求，如USI(Universal Stylus Initiative)组织提出的不同厂家的主动电容笔在不同厂家的触控屏均能够正常使用，从而满足通用性的需求。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (13)

1.一种与电容式触控屏交互通信的主动电容笔，其特征在于，包括：

第一电极，用于向所述电容式触控屏发送信号，或接收来自所述电容式触控屏发射的信号；

第二电极，用于接收来自所述电容式触控屏发射的信号；

第三电极，用于向所述电容式触控屏发送信号；以及

控制电路，用于控制所述第一电极、所述第二电极以及第三电极与所述电容式触控屏之间的通信；

其中，所述控制电路根据所述第一电极和第二电极同时分别接收到的来自所述电容式触控屏的信号，确定主动电容笔的倾角，并且

所述第一电极和第三电极在所述控制电路的控制下分别向所述电容式触控屏发送信号，第一电极和第三电极发送来的信号能够被所述电容式触控屏用于确定该主动电容笔的方位角。

2.根据权利要求1所述的主动电容笔，其特征在于，其中

所述控制电路根据预先存储的所述第一电极接收的来自所述电容式触控屏的信号和所述第二电极接收的来自所述电容式触控屏的信号之间的相对值与所述主动电容笔的倾角的映射关系，以确定所述主动电容笔的倾角。

3.根据权利要求1或2所述的主动电容笔，其特征在于，其中,所述第一电极和第三电极发送的信号被所述电容式触控屏用于确定所述第一电极和第三电极在所述电容式触控屏上的坐标位置，从而确定所述方位角。

4.根据权利要求1所述的主动电容笔，其特征在于，其中,

所述控制电路通过切换开关切换所述第一电极、所述第三电极与所述电容式触控屏之间的通信。

5.根据权利要求4所述的主动电容笔，其特征在于，

所述切换开关用以接通所述第一电极或第三电极，或同时断开第一电极和第三电极。

6.根据权利要求1所述的主动电容笔，其特征在于，其中,

所述第一电极为所述主动电容笔的笔尖，所述第二电极和第三电极为环绕所述笔尖设置的圆环或线圈。

7.一种用于与权利要求1-6任一项所述的主动电容笔通信的电容式触控屏，其特征在于，包括：

发送及接收模块，用于向所述主动电容笔发送信息及接收来自主动电容笔发送的信息；以及

控制模块，用于根据分别来自所述第一电极和第三电极的信息获得所述主动电容笔的方位角，并且用于控制所述发送及接收模块向所述主动电容笔发送信息及接收来自主动电容笔发送的信息，从而所述第一电极和第二电极同时接收来自发送及接收模块发送的信号，使得所述主动电容笔能够计算所述倾角。

8.根据权利要求7所述的电容式触控屏，其特征在于，其中

所述控制模块根据分别来自所述第一电极和所述第三电极发送的信号确定第一电极和第三电极在所述电容式触控屏上的坐标位置，以确定所述方位角。

9.一种触控系统，其特征在于，包括：权利要求1-6任一项所述的主动电容笔和权利要求7-8任一项所述的电容式触控屏。

10.一种利用主动电容笔与电容式触控屏之间的交互通信检测主动电容笔姿态的方法，其特征在于，所述主动电容笔包括第一电极、第二电极、第三电极和控制电路，该方法包括：

由所述控制电路控制所述第一电极和第二电极同时分别接收所述电容式触控屏发送的信号；

由所述控制电路根据所述第一电极和第二电极同时分别接收到的来自所述电容式触控屏的信号来确定主动电容笔的倾角；以及，

由所述控制电路控制所述第一电极和第三电极分别向所述电容式触控屏发送信号，由所述电容式触控屏根据所发送的信号获得所述主动电容笔的方位角。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，其中,

所述控制电路根据预先存储的所述第一电极接收的来自所述电容式触控屏的信号和所述第二电极接收的来自电容式触控屏的信号之间的相对值与所述主动电容笔的倾角的映射关系，以获得所述主动电容笔的倾角。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，其中,

所述电容式触控屏根据分别来自所述第一电极和所述第三电极发送的信号确定第一电极和第三电极在触控屏上的坐标位置，以确定所述方位角。

13.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，其中，

所述电容式触控屏包括发送及接收模块和控制模块；

所述控制模块用于控制该发送及接收模块向所述主动电容笔的所述第一电极和所述第二电极发送信号并控制该发送及接收模块接收来自第一电极和第三电极发送来的信号；以及所述控制模块用于根据第一电极和第三电极所发送来的信号获得所述主动电容笔的方位角。