CN106484178A - 触控笔、触摸感测系统以及触摸感测系统的驱动方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种触控笔、触摸感测系统以及触摸感测系统的驱动方法。本发明的有源触控笔生成与从触摸屏接收的触摸屏驱动信号同步的笔驱动信号并且将笔驱动信号输出至触摸屏。有源触控笔包括用于感测在触摸触摸屏时的压力以生成书写压力信息的压力感测单元和用于响应于书写压力信息的信号电平来调制笔驱动信号的信号处理器，并且有源触控笔输出经调制的信号作为反映书写压力信息的笔驱动信号。

Description

触控笔、触摸感测系统以及触摸感测系统的驱动方法
技术领域
本发明涉及触摸感测系统，并且更具体地涉及能够通过有源触控笔实现触摸输入的触摸感测系统及其驱动方法。
背景技术
用户接口(UI)是一种使得人(用户)能够容易地控制电子设备的装置。这样的用户接口的典型示例包括小键盘、键盘、鼠标、屏幕显示(OSD)、具有红外通信或射频(RF)通信功能的远程控制器等。已经对用户接口技术进行开发以改善用户灵敏度和操作便捷性。近来，用户接口已经演进为触摸UI、语音识别UI、3D UI等。
触摸UI主要由便携式信息装置采用。触摸UI被实现为使得在显示设备的屏幕上配置触摸屏。这样的触摸屏可以实现为电容式触摸屏。具有电容触摸传感器的触摸屏通过感测根据触摸屏驱动信号的输入的电容变化(即，在用户的手指或导电材料触摸(或靠近)触摸传感器时触摸传感器的电荷变化)来感测触摸输入。
电容触摸传感器可以实现为自电容传感器或互电容传感器。自电容传感器的电极可以一对一地连接至沿一个方向形成的传感器线。互电容传感器可以形成在彼此垂直并且在其间插入有介电层的传感器线的交叉处。
近来，触控笔及手指广泛用作智能手机、电子阅读器等中的人机接口装置。与手指相比，触控笔的优点在于更细致的输入。触控笔可以分成无源触控笔和有源触控笔。对于无源触控笔，在无源触控笔与触摸屏的接触点处产生小的电容变化，从而难以检测到触摸点。有源触控笔自身生成笔驱动信号并且将生成的笔驱动信号输出至触控笔与触摸屏的接触点，从而与无源触控笔相比容易检测到触摸点。
由于触摸屏尺寸日趋多样化，所以触摸感测系统需要执行各种功能，例如，除了触摸输入感测之外，在触控笔触摸触摸屏时的输入信号处理。然而，如韩国专利第10-2014-0043299号中所公开的，常规有源触控笔需要附加的通信块用于将书写压力信息传送至触摸模块，从而增加了制造成本。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种有源触控笔和包括该有源触控笔的触摸感测系统以及触摸感测系统的驱动方法，其用于容易地将书写压力信息从有源触控笔传递至触摸模块，而不需要另外的通信块。
为了实现该目的，本发明的有源触控笔包括：压力感测单元，用于感测在触摸触摸屏时的压力以生成书写压力信息；以及信号处理器，用于生成与从触摸屏接收的触摸屏驱动信号同步的笔驱动信号并且响应于书写压力信息的信号电平而改变笔驱动信号。
信号处理器可以响应于书写压力信息的信号电平来调制笔驱动信号的脉冲幅度。
信号处理器可以响应于书写压力信息的信号电平，调制在一个触摸传感器驱动时间段内所生成的笔驱动信号的脉冲数量。
信号处理器可以响应于书写压力信息的信号电平来调制笔驱动信号的脉冲占空比。
信号处理器响应于书写压力信息的信号电平来调制每一帧中的笔驱动信号，并且反映书写压力信息的数字笔驱动信号每帧分配一比特。
信号处理器可以在能够感测到触摸输入的范围内调制笔驱动信号的脉冲幅度、脉冲数量和/或脉冲占空比。
根据本发明的触摸感测系统包括：触摸屏；触摸驱动器，用于将触摸屏驱动信号施加至触摸屏并且感测触摸屏中的电容变化；以及有源触控笔，用于生成笔驱动信号并且将笔驱动信号传送至触摸屏。在此，有源触控笔包括：压力感测单元，用于感测在触摸触摸屏时的压力以生成书写压力信息；以及信号处理器，用于生成与从触摸屏接收的触摸屏驱动信号同步的笔驱动信号并且响应于书写压力信息的信号电平而改变笔驱动信号。
根据本发明的驱动触摸感测系统的方法包括：用有源触控笔触摸触摸屏并且从有源触控笔接收触摸屏驱动信号；在有源触控笔中生成与所接收的触摸屏驱动信号同步的笔驱动信号并且将笔驱动信号输出至触摸屏；以及在连接至触摸屏的触摸驱动器中感测根据触摸屏驱动信号和笔驱动信号的电容变化。在此，在有源触控笔中生成笔驱动信号和将笔驱动信号输出至触摸屏包括：感测在触摸触摸屏时的压力以生成书写压力信息；以及响应于书写压力信息的信号电平而改变笔驱动信号。
附图说明
附图被包括来提供对本发明的进一步理解并且被并入本说明书并构成本说明书的一部分，附图示出了本发明的实施方式并且与描述一起用于说明本发明的原理。在附图中：
图1示出了本发明的触摸感测系统；
图2示出了应用有根据本发明的实施方式的触摸感测系统的显示设备；
图3示出了使用互电容传感器所配置的触摸屏的示例；
图4示出了使用自电容传感器所配置的触摸屏的示例；
图5、图6和图7示出了根据本发明的实施方式的触摸驱动器；
图8示出了一帧被时间划分成显示驱动时间段和触摸传感器驱动时间段；
图9示出了根据本发明的有源触控笔的配置；
图10是示出了根据本发明的有源触控笔的操作的流程图；
图11示出了在触摸传感器驱动时间段内的触摸屏驱动信号和笔驱动信号的同步；
图12示出了图9中所示的有源触控笔接收并处理的信号的波形；
图13更详细地示出了图9中所示的有源触控笔的配置；
图14示出了与手指触摸相比在触控笔触摸期间触摸感测信号的灵敏度的增强；
图15更详细地示出了图13中的压力感测单元；
图16示出了根据触摸压力(书写压力)变化的触摸原始数据变化；
图17示出了响应于书写压力信息的信号电平来调制笔驱动信号的幅度的示例；
图18示出了触摸压力、笔驱动信号幅度和触摸原始数据之间的关系；
图19示出了响应于书写压力信息的信号电平来调制笔驱动信号的脉冲数量的示例；
图20示出了触摸压力、笔驱动信号的脉冲数量以及触摸原始数据之间的关系；
图21示出了响应于书写压力信息的信号电平来调制笔驱动信号的脉冲占空比的示例；
图22示出了触摸压力、笔驱动信号的脉冲占空比以及触摸原始数据之间的关系；
图23示出了指示根据笔驱动信号电压变化的触摸原始数据变化的仿真结果；
图24示出了响应于书写压力信息的信号电平、以一帧为单位调制笔驱动信号的示例；
图25A、图25B和图25C示出了根据施加至笔驱动信号的书写压力信息的触摸屏感测值(触摸原始数据)变化的示例；以及
图26是示出了向笔驱动信号施加书写压力信息并且输出笔驱动信号的过程的流程图。
具体实施方式
现在将详细参照本发明的实施方式，在附图中示出了本发明的实施方式的示例。贯穿附图将尽可能使用相同的附图标记来指代相同或相似的部分。在本发明的下面的描述中，将省略可能使得本发明的主题模糊的、在此并入的公知功能和配置的详细描述。
[触摸感测系统]
图1示出了本发明的触摸感测系统。
参照图1，本发明的触摸感测系统包括显示设备10和有源触控笔20。
显示设备10执行显示功能和触摸感测功能。显示设备10可以根据诸如手指或有源触控笔20的导电物体的接触来感测触摸。显示设备10包括与其集成在一起的电容触摸屏。在此，触摸屏可以独立于显示面板来配置或可以被嵌入到显示面板的像素阵列中。下面将参照图2至图8描述显示设备10的详细配置和操作。
有源触控笔20基于从触摸屏接收的触摸屏驱动信号生成笔驱动信号，并且将笔驱动信号输出至触摸屏上的接触点以便于对触摸屏上的触摸点的感测。有源触控笔20感测当触摸触摸屏时的笔压力(书写压力)，并且改变笔驱动信号，使得书写压力信息的信号电平被反映在笔驱动信号中。触摸感测系统通过分析根据笔驱动信号的触摸原始数据变化来感测有源触控笔20的触摸点和触摸压力(书写压力)。下面将参照图9至图26描述有源触控笔20的配置和操作。
[显示设备]
图2示出了应用有根据本发明的实施方式的触摸感测系统的显示设备，并且图3示出了使用互电容传感器所配置的触摸屏的示例。图4示出了使用自电容传感器所配置的触摸屏的示例，并且图5、图6和图7示出了根据本发明的实施方式的触摸驱动器。
参照图2至图7，本发明的显示设备10可以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(OLED)或电泳显示器(EPD)的平板显示器来实现。虽然在下面的实施方式中显示设备被配置为LCD，但是本发明的显示设备不限于LCD。
显示设备10包括显示模块和触摸模块。
触摸模块包括触摸屏TSP和触摸驱动器18。
触摸屏TSP可以被实现为通过多个电容传感器感测触摸输入的电容触摸屏。触摸屏TSP包括具有电容的多个触摸传感器。电容可以被分类为自电容和互电容。自电容可以沿在一个方向上形成的单层导电线生成，并且互电容可以在两条垂直的导电线之间生成。
使用互电容传感器Cm实现的触摸屏TSP可以包括Tx电极线、与Tx电极线交叉的Rx电极线、以及形成在Tx电极线与Rx电极线的交叉处的触摸传感器Cm，如图3中所示。Tx电极线是如下的驱动信号线：触摸屏驱动信号通过这些驱动信号线施加至触摸传感器Cm以向触摸传感器提供电荷。Rx电极线是连接至触摸传感器Cm的传感器线，触摸传感器的电荷通过这些传感器线被提供至触摸驱动器18。互电容感测方法可以通过对应的Tx电极线将驱动信号施加至Tx电极以向对应的触摸传感器Cm提供电荷，并且通过对应的Rx电极和Rx电极线与触摸屏驱动信号同步地感测触摸传感器Cm的电容变化，从而检测触摸输入。
在使用自电容传感器Cs实现的触摸屏TSP中，触摸电极31可以一对一地连接至沿一个方向形成的传感器线32，如图4中所示。每个自电容传感器Cs具有形成在每个电极31中的电容。在自电容感测方法中，当触摸屏驱动信号通过传感器线32被施加至电极31时，电荷Q在对应的触摸传感器Cs中积累。在此，当手指或导电物体接触电极31时，寄生电容Cf被另外地施加至自电容传感器Cs从而改变总电容值。当被手指触摸的传感器的电容值变得与未被触摸的传感器的电容值不同时，触摸传感器感测的电荷量变化，从而可以通过该变化来确定触摸。
触摸屏TSP可以附接至显示面板DIS的上偏振器或者形成在显示面板DIS的上偏振器与上基板之间。触摸屏TSP的触摸传感器Cm或CS可以被嵌入显示面板DIS的像素阵列中。
触摸驱动器18感测在触摸之前和之后的触摸传感器的电荷变化，以确定诸如手指(或触控笔)的导电物体的触摸以及与该触摸对应的触摸点。
本发明的触摸驱动器18可以被实现为集成电路(IC)封装件，如图5、图6和图7中所示。
参照图5，触摸驱动器18包括驱动器IC DIC和触摸IC TIC。
驱动器IC DIC包括触摸传感器通道部100、Vcom缓冲器110、开关阵列120、定时控制信号生成器130、复用器(MUX)140、以及DTX补偿器150。
触摸传感器通道部100通过传感器线(或Rx电极线)连接至触摸传感器的电极，并且通过开关阵列120连接至Vcom缓冲器110和复用器140。复用器140将传感器线连接至触摸IC TIC。当复用器140为1:3复用器时，复用器140通过根据时间划分将触摸IC TIC中的一个通道依次连接至三条传感器线来减少触摸IC TIC的通道的数目。响应于MUX控制信号MUXC1至C3，复用器140依次选择连接至触摸IC TIC的通道的传感器线。复用器140通过触摸线连接至触摸IC TIC的通道。
Vcom缓冲器110输出像素的共用电压Vcom。开关阵列120在定时控制信号生成器130的控制下，在显示驱动时间段内将来自Vcom缓冲器110的共用电压Vcom提供至触摸传感器通道部100。开关阵列120在定时控制信号生成器130的控制下，在触摸传感器驱动时间段内将传感器线连接至触摸IC TIC。
定时控制信号生成器130生成定时控制信号用于控制显示驱动电路和触摸IC TIC的操作定时。显示驱动电路包括数据驱动电路12和栅极驱动电路14。
定时控制信号生成器130可以被包括在图2中所示的定时控制器16中。定时控制信号生成器130在显示驱动时间段内驱动显示驱动电路，并且在触摸传感器驱动时间段内驱动触摸IC TIC。
定时控制信号生成器130生成限定显示驱动时间段T1和触摸传感器驱动时间段T2的触摸使能信号TEN，如图8中所示，并且使显示驱动电路与触摸IC TIC同步。显示驱动电路在触摸使能信号TEN的第一电平时间段内将数据写入像素。触摸IC TIC响应于触摸使能信号TEN的第二电平驱动触摸传感器以感测触摸输入。触摸使能信号TEN的第一电平可以是低电平，并且第二电平可以是高电平，或者触摸使能信号TEN的第一电平可以是高电平，并且第二电平可以是低电平。
触摸IC TIC连接至驱动电源(未示出)以被提供有驱动电力。触摸IC TIC响应于触摸使能信号TEN的第二电平生成触摸屏驱动信号，并且将触摸屏驱动信号施加至触摸屏TSP的触摸传感器。虽然触摸屏驱动信号可以具有诸如方波、正弦波和三角波的各种形式，但是期望触摸屏驱动信号是方波信号。触摸屏驱动信号可以施加至每个触摸传感器N次，使得电荷在触摸IC TIC的积分器中积累N次或更多次(N为2或更大的自然数)。
触摸传感器信号中的噪声可能根据输入视频数据变化而增大。DTX补偿器150分析输入视频数据，响应于输入图像的灰度变化从触摸原始数据中去除噪声分量，并且将触摸原始数据传送至触摸IC TIC。DTX指的是显示和触摸串扰。在由申请人(在2012年12月19日)提交的专利申请第10-2012-0149028号中详细描述了与DTX补偿器150相关的内容。对于触摸传感器噪声没有随输入视频数据变化而灵敏地改变的系统，不需要DTX补偿器150，因此可以省略DTX补偿器150。在图5中，DTX DATA表示DTX补偿器150的输出数据。
触摸IC TIC响应于来自定时控制信号生成器130的触摸使能信号TEN而在触摸传感器驱动时间段T2内驱动复用器140，以通过复用器140和传感器线接收触摸传感器的电荷。在图5中，MUX C1至C3表示用于选择复用器的通道的信号。
触摸IC TIC根据触摸传感器信号检测在触摸输入之前和之后的电荷变化，将电荷变化与预定阈值进行比较，并且确定具有超过阈值的电荷变化的触摸传感器的位置作为触摸输入区域。触摸IC TIC计算每个触摸输入的坐标，并且将包括触摸输入坐标信息的触摸数据TDATA(XY)传送至外部主机系统。触摸IC TIC包括用于放大触摸传感器的电荷的放大器、用于对从触摸传感器接收的电荷进行积分的积分器、用于将积分器的电压转换成数字数据的模数转换器(ADC)、以及操作逻辑单元。操作逻辑单元执行将从ADC输出的触摸原始数据与阈值进行比较的触摸识别算法，根据比较结果确定触摸输入，并且计算触摸输入的坐标。
驱动器IC DIC和触摸IC TIC可以通过串行外设接口(SPI)传送和接收信号。
主机系统19指的是本发明的显示设备10可适用的电子设备系统。主机系统19可以是电话系统、TV系统、机顶盒、导航系统、DVD播放器、蓝光播放器、个人计算机(PC)和家庭影院系统中之一。主机系统19将输入视频数据RGB传送至驱动器IC DIC，从触摸IC TIC接收触摸输入数据TDATA(XY)，并且执行与触摸输入相关联的应用程序。
参照图6，触摸驱动器18包括驱动器IC DIC和微控制器单元(MCU)。
驱动器IC DIC包括触摸传感器通道部100、Vcom缓冲器110、开关阵列120、第一定时控制信号生成器130、复用器140、DTX补偿器150、感测单元160、第二定时控制信号生成器170、以及存储器180。本实施方式与图5中所示的实施方式的不同在于，感测单元160和第二定时控制信号生成器170集成在驱动器IC DIC中。第一定时控制信号生成器130与图5的定时控制信号生成器大体上相同。因此，第一定时控制信号生成器130生成定时控制信号用于控制显示驱动电路和触摸IC TIC的操作定时。
感测单元160包括用于放大触摸传感器的电荷的放大器、用于对从触摸传感器接收的电荷进行积分的积分器、以及用于将积分器的电压转换成数字数据的ADC。从ADC输出的触摸原始数据TDATA被传送至MCU。第二定时控制信号生成器170生成定时控制信号和时钟信号用于控制复用器140和感测单元160的操作定时。可以省略驱动器IC DIC中的DTX补偿器150。存储器180在第二定时控制信号生成器170的控制下暂时地存储触摸原始数据TDATA。
驱动器IC DIC和MCU可以通过串行外设接口(SPI)传送和接收信号。MCU执行将触摸原始数据TDATA与阈值进行比较的触摸识别算法，根据比较结果确定触摸输入，并且计算触摸输入的坐标。
参照图7，触摸驱动器18包括驱动器IC DIC和存储器MEM。
驱动器IC DIC包括触摸传感器通道部100、Vcom缓冲器110、开关阵列120、第一定时控制信号生成器130、复用器140、DTX补偿器150、感测单元160、第二定时控制信号生成器170、存储器180、以及MCU 190。本实施方式与图6中所示的实施方式的不同在于，MCU 190集成在驱动器IC DIC中。MCU 19执行将触摸原始数据TDATA与阈值进行比较的触摸识别算法，根据比较结果确定触摸输入，并且计算触摸输入的坐标。
存储器MEM存储对于显示驱动电路和感测单元160的操作所需的定时信息相关的寄存器设定值。当显示设备开启时，寄存器设定值从存储器MEM被加载至第一定时控制信号生成器130和第二定时控制信号生成器170。第一定时控制信号生成器130和第二定时控制信号生成器170基于从存储器读取的寄存器设定值生成定时控制信号用于控制显示驱动电路和感测单元160。可以通过改变存储在存储器MEM中的寄存器设定值来处理模型改变，而无需驱动设备的结构改变。
显示模块可以包括显示面板DIS、显示驱动电路12、14和16以及主机系统19。
显示面板DIS包括形成在两个基板之间的液晶层。显示面板DIS的像素阵列包括形成在由数据线D1至Dm(m为正整数)和栅极线G1至Gn(n为正整数)限定的像素区域中的像素。像素可以分别包括形成在数据线D1至Dm与栅极线G1至Gn的交叉处的薄膜晶体管(TFT)、对数据电压进行充电的像素电极、以及连接至像素电极以保持液晶单元的电压的存储电容器Cst。
显示面板DIS的上基板可以包括形成在其上的黑色矩阵和滤色器。显示面板DIS的下基板可以具有COT(TFT上滤色器)结构。在该情况下，黑色矩阵和滤色器可以形成在显示面板DIS的下基板上。被提供有共用电压的共用电极可以形成在显示面板DIS的上基板或下基板上。偏振器分别附接至显示面板DIS的上基板和下基板，并且用于设定液晶的预倾角的定向膜(alignment film)形成在上基板和下基板的内侧上，它们与液晶接触。用于保持液晶单元的单元间隙的柱状间隔件(column spacer)形成在显示面板DIS的上基板与下基板之间。
背光单元可以设置在显示面板DIS的后面。背光单元被实现为边缘型或直接型背光单元，并且发射光至显示面板DIS。显示面板DIS可以以诸如TN(扭曲向列)模式、VA(竖直取向)模式、IPS(平面切换)模式或FFS(边缘场切换)模式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、栅极驱动电路14以及定时控制器16，并且将输入视频数据写入至显示面板DIS的像素。数据驱动电路12将从定时控制器16输入的数字视频数据RGB转换成模拟正/负伽马补偿电压，并且输出数据电压。从数据驱动电路12输出的数据电压被提供至数据线D1至Dm。栅极驱动电路14将与数据电压同步的栅极脉冲(或扫描脉冲)依次提供至栅极线G1至Gn以选择显示面板DIS的、写入数据电压的像素线。栅极驱动电路14可以与像素一同被布置在显示面板DIS的基板上。
定时控制器16从主机系统19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和主时钟信号MCLK的定时信号，并且使数据驱动电路12的操作定时与栅极驱动电路14的操作定时同步。扫描定时控制信号包括栅极起动脉冲(GSP)信号、栅极移位时钟信号以及栅极输出使能信号GOE。数据定时控制信号包括源极采样时钟(SSC)信号、极性控制信号POL和源极输出使能信号(SOE)。
主机系统19可以将定时信号Vsync、Hsync、DE和MCLK与数字视频数据RGB一起传送至定时控制器16，并且执行与从触摸驱动器18输入的触摸坐标信息XY相关联的应用程序。
图8中所示的触摸使能信号TEN可以在主机系统19中生成。数据驱动电路12在定时控制器16的控制下在显示驱动时间段T1内将数据电压提供至数据线D1至Dm，并且栅极驱动电路14在定时控制器16的控制下将与数据电压同步的栅极脉冲依次提供至栅极线G1至Gn。触摸驱动器18在显示驱动时间段T1内不工作。
触摸驱动器18在触摸传感器驱动时间段T2内将触摸屏驱动信号施加至触摸屏TSP的触摸传感器。在触摸传感器驱动时间段T2内，显示驱动电路12、14和16可以将具有与触摸屏驱动信号相同的幅度和相同的相位的AC信号提供至信号线D1至Dm和G1至Gn，以便使连接至像素的信号线D1至Dm和G1至Gn与触摸传感器之间的寄生电容最小化。在该情况下，触摸感测信号中的显示噪声被显著降低，从而改善了触摸感测精度。
[触控笔]
图9示出了根据本发明的有源触控笔20的配置。
参照图9，有源触控笔20包括壳体280、从壳体280的一侧突出的导电尖端210、在壳体280中与导电尖端210连接的开关220、用于接收从导电尖端210输入的触摸屏驱动信号的接收器230、用于基于触摸屏驱动信号生成包括书写压力信息并且与来自接收器230的触摸屏驱动信号同步的数字笔驱动信号的信号处理器250、用于将信号处理单元250生成的数字笔驱动信号转换成模拟电平然后通过开关220将模拟信号提供至导电尖端210的驱动器240、用于生成对于操作有源触控笔20所需的驱动电力的电源260、以及输入/输出接口270。
导电尖端210由诸如金属的导电材料形成，并且用作接收电极和传送电极。当导电尖端210接触显示设备10的触摸屏TSP时，导电尖端210在接触点处与触摸屏TSP耦合。导电尖端210在接触点处接收来自触摸屏TSP的触摸屏驱动信号，并且然后将在触控笔20中生成并且与触摸屏驱动信号同步的笔驱动信号传送至触摸屏TSP的接触点。
当导电尖端210接触显示设备10的触摸屏TSP时，开关220在第一时间段内将导电尖端210电连接至接收器230，然后在第二时间段内将导电尖端210电连接至驱动器240，从而使触摸屏驱动信号接收定时与笔驱动信号传送定时在时间上分离。由于导电尖端210用作接收电极和传送电极两者，因此简化了有源触控笔20的结构。
接收器230包括至少一个放大器，并且可以对通过开关220从导电尖端210输入的触摸屏驱动信号进行放大。接收器230包括比较器，将经放大的信号与预定参考电压进行比较，并且将比较结果输出至信号处理器250。
信号处理器250分析从接收器230输入的比较器输出信号的一帧或更多帧以生成与触摸屏驱动信号同步的笔驱动信号，基于从连接至导电尖端210的压力感测单元(未示出)输入的书写压力信息而调制笔驱动信号，并且将经调制的笔驱动信号输出至驱动器240。
驱动器240包括电平转换器并且将数字电平的笔驱动信号转换成模拟电平。驱动器240通过开关220将经电平转换的笔驱动信号输出至导电尖端210。
输入/输出接口270可以根据用户的按钮按下操作而连接至电源260，以提供接收器230、驱动器240和信号处理器250所需的电力。
图10是示出根据本发明的有源触控笔20的操作的流程图。
参照图10，导电尖端210触摸触摸屏TSP的预定点，同时通过输入/输出接口270和电源单元260施加电力(S1和S2)。
在触摸传感器驱动时间段内，触摸屏驱动信号被提供至触摸屏TSP的触摸传感器。在触摸传感器驱动时间段内，导电尖端210在触摸点处与触摸屏TSP耦合以感测从触摸屏TSP接收的触摸屏驱动信号，并且将所感测的信号传送至接收器230。接收器230通过所包括的放大器来放大触摸屏驱动信号，通过所包括的比较器将放大的信号与参考电压进行比较，并且将比较结果输出至信号处理器250(S3)。
信号处理器250分析从接收器230输入的比较器输出信号以确定触摸屏驱动信号同步定时，并且生成与同步定时同步的笔驱动信号(S4和S5)。另外，信号处理器250响应于从压力感测单元输入的书写压力信息来调制笔驱动信号的脉冲幅度、脉冲数量和/或脉冲占空比，然后将反映书写压力信息的笔驱动信号输出至驱动器240(S6和S7)。
驱动器240通过电平转换器对笔驱动信号的电压电平进行转换，并且通过开关220将经电平转换的笔驱动信号输出至导电尖端210。导电尖端210将笔驱动信号施加至触摸屏的接触点。
响应于书写压力信息的信号电平来调节笔驱动信号的脉冲幅度、脉冲数量和/或脉冲占空比。在笔驱动信号的脉冲幅度、脉冲数量和/或脉冲占空比改变时，从触摸点感测的感测值(触摸原始数据)的幅值改变。触摸驱动器18可以通过分析触摸原始数据的幅值来检测触摸压力(书写压力)以及触摸点。
图11示出在触摸传感器驱动时间段内触摸屏驱动信号与笔驱动信号的同步，并且图12示出在图9的有源触控笔中接收和处理的信号的波形。
参照图11和图12，在有源触控笔20开启然后触摸触摸屏TSP之后，在触摸屏驱动信号Ts的接收时间段Ra与笔驱动信号Ps的传送时间段Ta之间设置有对应于至少一个帧的信号改变时间段，从而确保操作稳定性。信号处理器250利用信号改变时间段来确定触摸屏驱动信号Ts与笔驱动信号Ps之间的同步定时，并且根据同步定时生成反映书写压力信息的笔驱动信号Ps。
在后续帧中，交替地重复通过导电尖端210将与触摸屏驱动信号Ts同步的笔驱动信号Ps传送至触摸屏TSP的过程Ta和通过导电尖端210接收触摸屏驱动信号Ts的过程Ra。
虽然图12示出触摸屏驱动信号接收时间段Ra等于笔驱动信号传送时间段Ta，但是较短的接收时间段Ra更好，这是由于接收时间段Ra的持续时间与触摸响应速度有关，因此传送时间段Ta比接收时间段Ra长。
图13更详细地示出图9中所示的有源触控笔20的配置。
参照图13，除了导电尖端210和开关220之外，有源触控笔20的输入/输出级205还包括压力感测单元215。压力感测单元215感测有源触控笔20的书写压力并且将感测的压力传送至信号处理器250。
有源触控笔20的接收器230包括接收缓冲器231、放大器233和比较器235。接收缓冲器231接收通过开关220传递的触摸屏驱动信号Ts，并且将触摸屏驱动信号Ts施加至放大器233。放大器233由至少两级组成并且放大模拟触摸驱动信号Ts以增加接收信号灵敏度。比较器235将放大器233放大的信号与内部参考电压进行比较，并且针对比参考电压高或比参考电压低的信号生成数字比较器输出信号COM。在此，在放大器233被配置成反相放大器时，比较器235可以使用比参考电压高的信号作为比较器输出信号COM，而在放大器233被配置成非反相放大器时，比较器235可以使用比参考电压低的信号作为比较器输出信号COM。
有源触控笔20的信号处理器250基于如上所述的比较器输出信号COM来确定与触摸屏驱动信号Ts的同步定时，然后基于同步定时生成数字笔驱动信号。另外，信号处理器250基于从压力感测单元215输入的书写压力信息来调制笔驱动信号，以输出反映书写压力信息的笔驱动信号Ps。在常规的系统中，使用包括在触控笔中的附加的通信块来将书写压力信息从触控笔传送至触摸模块，并且触摸模块使用另外的逻辑块来感测压力。然而，本发明不需要附加的通信块和用于压力感测的逻辑块。本发明以基于书写压力信息的信号电平来调节笔驱动信号Ps的脉冲幅度、脉冲数量和/或脉冲占空比的方式将书写压力信息编码在笔驱动信号Ps中，根据笔驱动信号Ps感测触摸原始数据的幅值变化，并且基于感测的触摸原始数据的幅值变化来解码触摸压力以及触摸点。
有源触控笔20的驱动器240包括电平转换器243和传送缓冲器241，将从信号处理器250输入的数字笔驱动信号Ps转换为模拟信号，并且将模拟信号输出至开关220。然后，开关220将笔驱动信号Ps传递至导电尖端210。
图14示出了仿真结果，该仿真结果示出了与手指触摸相比在有源触控笔触摸期间的触摸感测信号灵敏度的改善。
参照图14，申请人通过实验测量了在有源触控笔触摸触摸屏时以及在手指触摸触摸屏时的触摸感测信号强度。实验证实，在触控笔触摸触摸屏时的感测信号强度高于在手指触摸触摸屏时的感测信号强度，并且感测信号(触摸原始数据)强度随着触摸屏与导电尖端之间耦合的电容增加(即，随着笔驱动信号Ps的脉冲幅度、脉冲数量和/或脉冲占空比增加)而增加。
[书写压力感测方法]
图15更详细地示出图13的压力感测单元215，并且图16示出根据触摸压力(书写压力)变化的触摸原始数据变化。图17示出响应于书写压力信息的信号电平调制笔驱动信号的幅度以便生成笔驱动信号的示例，并且图18示出触摸压力、笔驱动信号幅度和触摸原始数据之间的关系。图19示出响应于书写压力信息的信号电平调制笔驱动信号的脉冲数量的示例，并且图20示出触摸压力、笔驱动信号的脉冲数量和触摸原始数据之间的关系。图21示出响应于书写压力信息的信号电平调制笔驱动信号的脉冲占空比的示例，并且图22示出触摸压力、笔驱动信号的脉冲占空比和触摸原始数据之间的关系。
压力感测单元215可以包括变阻单元215A、电压转换器215B和ADC215C。变阻单元215A具有随压力改变而变化的电阻。电压转换器215B生成对应于变阻单元215A的电阻的输出电压。ADC 215C将对应于压力的电压转换成数字信号，并且将数字信号作为书写压力信息输出至信号处理器250。变阻单元215A可以由可变电容器代替。在这种情况下，电压转换器215B可以由RC延迟元件代替。此外，ADC 215C可以由比较器代替。
如图17所示，信号处理器250可以响应于书写压力信息的信号电平来调制与触摸屏驱动信号Ts同步的笔驱动信号的脉冲幅度，以生成反映书写压力信息的笔驱动信号Ps。在此，信号处理器250可以通过在可以感测到触摸输入的范围内改变笔驱动信号Ps的脉冲幅度来表示书写压力。换言之，如图18(A)所示，与触摸屏驱动信号Ts的脉冲幅度PAM1相比，笔驱动信号Ps的脉冲幅度PAM2在没有输入书写压力信息时可以等于触摸屏驱动信号Ts的脉冲幅度PAM1，并且可以与书写压力信息的信号电平成比例地增加。如图18(B)所示，随着笔驱动信号Ps的脉冲幅度PAM2增加，从触摸屏感测的触摸感测信号(触摸原始数据)的幅值可以增加，并且触摸驱动器可以通过触摸原始数据的比较来确定触摸压力(书写压力)。换言之，如图16所示，触摸驱动器可以确定书写压力随着触摸原始数据的幅值增加而增加。
为了调节笔驱动信号Ps的脉冲幅度PAM2，信号处理器250可以响应于书写压力信息的信号电平来调制笔驱动信号Ps的高电平电压HLV。
如图19所示，信号处理器250可以通过响应于书写压力信息的信号电平调制与触摸屏驱动信号Ts同步且在一个触摸传感器驱动时间段T2内输出的笔驱动信号的脉冲数量来生成反映书写压力信息的笔驱动信号Ps。在此，信号处理器250可以在可以感测到触摸输入的范围内改变笔驱动信号Ps的脉冲数量以表示书写压力信息。如图20(A)所示，笔驱动信号Ps的脉冲数量j可以在一个触摸传感器驱动时间段T2内的触摸屏驱动信号Ts的脉冲数量k内、与书写压力信息的信号电平成比例地逐渐增加。如图20(B)所示，随着笔驱动信号Ps的脉冲数量增加，从触摸屏感测的触摸感测信号(触摸原始数据)的幅值可以增加，并且触摸驱动器可以通过触摸原始数据的比较来确定触摸压力(书写压力)。换言之，如图16所示，触摸驱动器可以确定书写压力随着触摸原始数据的幅值增加而增加。
如图21所示，信号处理器250可以通过响应于书写压力信息的信号电平调制与触摸屏驱动信号Ts同步的笔驱动信号的脉冲占空比来生成反映书写压力信息的笔驱动信号Ps。在此，信号处理器250可以在可以感测到触摸输入的范围内改变笔驱动信号Ps的脉冲占空比以表示书写压力信息。
换言之，如图22(A)所示，与触摸屏驱动信号Ts的脉冲占空比PD1相比，笔驱动信号Ps的脉冲占空比PD2在没有输入书写压力信息时可以等于触摸屏驱动信号Ts的脉冲占空比PD1，并且可以与书写压力信息的信号电平成比例地增加。如图22(B)所示，随着笔驱动信号Ps的脉冲占空比PD2增加，从触摸屏感测的触摸感测信号(触摸原始数据)的幅值可以增加，并且触摸驱动器可以通过触摸原始数据的比较来确定触摸压力(书写压力)。换言之，如图16所示，触摸驱动器可以确定书写压力随着触摸原始数据的幅值增加而增加。
信号处理器250可以通过响应于书写压力信息的信号电平调制与触摸屏驱动信号Ts同步的笔驱动信号的脉冲幅度、脉冲数量和脉冲占空比中的两个或更多个来生成反映书写压力信息的笔驱动信号Ps。
图23示出指示响应于笔驱动信号Ps的高电平电压变化的触摸原始数据变化的仿真结果。
如从图23的实验结果可以看到的，在笔驱动信号Ps的高电平电压HLV响应于书写压力变化从Ps_High1改变至Ps_High2时，触摸原始数据的幅值大约从360增加至600。另外，在笔驱动信号Ps的脉冲数量和/或脉冲占空比响应于书写压力变化而改变时，触摸原始数据的幅值与笔驱动信号Ps的脉冲数量和/或脉冲占空比成比例地改变。触摸驱动器可以基于触摸原始数据变化来感测压力水平。
图24示出响应于书写压力信息的信号电平以一帧为单位调制笔驱动信号Ps的示例。图25A至图25C示出响应于反映在笔驱动信号Ps中的书写压力信息的触摸屏感测值(触摸原始数据)变化的示例。图26示出在信号处理器250中将书写压力信息反映在笔驱动信号中以及输出笔驱动信号的过程。
参照图24至图26，压力感测单元215感测书写压力并且将感测的书写压力转换为二进制值以生成数字书写压力信息(S1和S2)。信号处理器250响应于书写压力信息的信号电平以一帧为单位调制笔驱动信号Ps并且每帧分配1比特的反映书写压力信息的数字笔驱动信号Ps，以生成预定比特的笔驱动信号Ps(S3和S4)。例如，如图24所示，信号处理器250可以通过将笔驱动信号Ps1的脉冲幅度改变为不同的电平A1和A2、通过将笔驱动信号Ps2的脉冲数量改变为不同的值3和k或者通过将笔驱动信号Ps3的脉冲占空比改变为不同的值D1和D2来指示数字信息“0”和“1”。为了表示书写压力信息的信号电平，可以以一帧为单位来控制笔驱动信号Ps的逻辑值。在这种情况下，使用8个帧实现的8比特笔驱动信号Ps可以表示256个压力水平。这样的预定比特的数字笔驱动信号Ps通过驱动器240被放大为模拟电平并且被输出至触摸屏(S5和S6)。如图25A和图25B所示，根据逻辑值“1”表示的笔驱动信号Ps的触摸感测值(触摸原始数据)大于根据逻辑值“0”表示的笔驱动信号Ps的触摸感测值。显示设备10的触摸驱动器18可以基于根据笔驱动信号Ps的触摸感测值来感测8比特书写压力信息，并且根据书写压力信息确定笔的书写压力。
如上所示，为了将m比特的书写压力信息加载在笔驱动信号Ps中，需要m个帧。如图24所示，信号处理器250可以对于每m个帧分配开始帧，以定义m比特的书写压力信息。开始帧被分配有用于开始的笔驱动信号以定义书写压力信息。用于开始的笔驱动信号用作标记信号并且具有与由“1”或“0”表示的笔驱动信号Ps不同的脉冲幅度、脉冲数量和/或脉冲占空比。具体地，用于开始的笔驱动信号的脉冲幅度小于“0”表示的笔驱动信号Ps的脉冲幅度，用于开始的笔驱动信号的脉冲数量小于“0”表示的笔驱动信号Ps的脉冲数量，并且用于开始的笔驱动信号的脉冲占空比小于“0”表示的笔驱动信号Ps的脉冲占空比。在使用开始帧将书写压力信息定义为预定比特时，即使触摸屏具有大的负载，书写压力信息也可以正确地传递至触摸驱动器18。
如上所述，本发明通过响应于书写压力信息的信号电平调节笔驱动信号的脉冲幅度、脉冲数量和/或脉冲占空比将书写压力信息反映在笔驱动信号中，根据反映书写压力信息的笔驱动信号感测触摸原始数据的幅值的变化，然后基于触摸原始数据的幅值的变化检测触摸压力以及触摸点。因此，本发明无需包括附加的通信块和用于压力感测的逻辑块，从而可以显著地降低制造成本。
虽然已经参照大量说明性实施例描述了实施方式，但是应该理解的是，本领域技术人员可以设计出将落在本公开的原理的范围内的大量其他修改和实施方式。更具体地，在本公开、附图和所附权利要求书的范围内，可以对主题组合布置的组成部分和/或布置作出各种变型和修改。除了组成部分和/或布置的变型和修改之外，替代性用途对于本领域技术人员也将是明显的。

Claims (18)

1.一种有源触控笔，包括：
压力感测单元，用于感测在触摸触摸屏时的压力以生成书写压力信息；以及
信号处理器，用于生成与从所述触摸屏接收的触摸屏驱动信号同步的笔驱动信号，并且响应于所述书写压力信息的信号电平而改变所述笔驱动信号。
2.根据权利要求1所述的有源触控笔，其中所述信号处理器响应于所述书写压力信息的所述信号电平来调制所述笔驱动信号的脉冲幅度。
3.根据权利要求1所述的有源触控笔，其中所述信号处理器响应于所述书写压力信息的所述信号电平，调制在一个触摸传感器驱动时间段内所生成的所述笔驱动信号的脉冲数量。
4.根据权利要求1所述的有源触控笔，其中所述信号处理器响应于所述书写压力信息的所述信号电平来调制所述笔驱动信号的脉冲占空比。
5.根据权利要求1至4中之一所述的有源触控笔，其中所述信号处理器响应于所述书写压力信息的所述信号电平来调制每一帧中的所述笔驱动信号，以及
其中反映所述书写压力信息的数字笔驱动信号每帧分配一比特。
6.根据权利要求5所述的有源触控笔，其中所述信号处理器在能够感测到触摸输入的范围内调制所述笔驱动信号的脉冲幅度、脉冲数量和/或脉冲占空比。
7.一种触摸感测系统，包括：
触摸屏；
触摸驱动器，用于将触摸屏驱动信号施加至所述触摸屏并且感测所述触摸屏中的电容变化；以及
有源触控笔，用于生成笔驱动信号并且将所述笔驱动信号传送至所述触摸屏，
其中所述有源触控笔包括：
压力感测单元，用于感测在触摸所述触摸屏时的压力以生成书写压力信息；以及
信号处理器，用于生成与从所述触摸屏接收的所述触摸屏驱动信号同步的笔驱动信号，并且响应于所述书写压力信息的信号电平而改变所述笔驱动信号。
8.根据权利要求7所述的触摸感测系统，其中所述信号处理器响应于所述书写压力信息的所述信号电平来调制所述笔驱动信号的脉冲幅度。
9.根据权利要求7所述的触摸感测系统，其中所述信号处理器响应于所述书写压力信息的所述信号电平，调制在一个触摸传感器驱动时间段内所生成的所述笔驱动信号的脉冲数量。
10.根据权利要求7所述的触摸感测系统，其中所述信号处理器响应于所述书写压力信息的所述信号电平来调制所述笔驱动信号的脉冲占空比。
11.根据权利要求7至10中之一所述的触摸感测系统，其中所述信号处理器响应于所述书写压力信息的所述信号电平来调制每一帧中的所述笔驱动信号，以及
其中反映所述书写压力信息的数字笔驱动信号每帧分配一比特。
12.根据权利要求11所述的触摸感测系统，其中所述信号处理器在能够感测到触摸输入的范围内调制所述笔驱动信号的脉冲幅度、脉冲数量和/或脉冲占空比。
13.一种驱动触摸感测系统的方法，包括：
用有源触控笔触摸触摸屏并且从所述有源触控笔接收触摸屏驱动信号；
在所述有源触控笔中生成与所接收的触摸屏驱动信号同步的笔驱动信号并且将所述笔驱动信号输出至所述触摸屏；以及
在连接至所述触摸屏的触摸驱动器中感测根据所述触摸屏驱动信号和所述笔驱动信号的电容变化，
其中在所述有源触控笔中生成所述笔驱动信号并且将所述笔驱动信号输出至所述触摸屏包括：
感测在触摸所述触摸屏时的压力以生成书写压力信息；以及
响应于所述书写压力信息的信号电平而改变所述笔驱动信号。
14.根据权利要求13所述的方法，其中改变所述笔驱动信号包括：响应于所述书写压力信息的所述信号电平来调制所述笔驱动信号的脉冲幅度。
15.根据权利要求13所述的方法，其中改变所述笔驱动信号包括：响应于所述书写压力信息的所述信号电平，调制在一个触摸传感器驱动时间段内所生成的所述笔驱动信号的脉冲数量。
16.根据权利要求13所述的方法，其中改变所述笔驱动信号包括：响应于所述书写压力信息的所述信号电平来调制所述笔驱动信号的脉冲占空比。
17.根据权利要求13至16中之一所述的方法，其中所述信号处理器响应于所述书写压力信息的所述信号电平来调制每一帧中的所述笔驱动信号，以及
其中反映所述书写压力信息的数字笔驱动信号每帧分配一比特。
18.根据权利要求17所述的方法，其中改变所述笔驱动信号包括：在能够感测到触摸输入的范围内调制所述笔驱动信号的脉冲幅度、脉冲数量和/或脉冲占空比。
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