CN107066122A - 有源触控笔、触摸感测系统及其驱动方法 - Google Patents

有源触控笔、触摸感测系统及其驱动方法 Download PDF

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Abstract

公开一种有源触控笔、触摸感测系统及其驱动方法。按照本发明的有源触控笔包括：第一信号处理器，用于基于子脉冲产生用于区分触摸帧的触摸帧识别信号，所述子脉冲与从触摸屏接收的每个触摸屏驱动信号的一部分相对应；以及第二信号处理器，用于产生与每个触摸屏驱动信号中不同于所述子脉冲的主脉冲同步的笔驱动信号，并根据所述触摸帧识别信号以触摸帧为单位改变所述笔驱动信号，以在所述笔驱动信号中反映附加笔信息。

Description

有源触控笔、触摸感测系统及其驱动方法
技术领域
本发明涉及一种触摸感测系统，具体涉及可通过有源触控笔进行触摸输入的触摸感测系统及其驱动方法。
背景技术
用户界面(UI)使人们(用户)能很容易地按需要控制各种电子装置。这种UI的典型示例包括小键盘、键盘、鼠标、屏上显示器(OSD)、具有红外通信或射频(RF)通信功能的遥控器等。稳步发展的用户界面技术增强了用户的情感和操作便利性。近来的用户界面已发展为触摸UI、语音识别UI、3D UI等。
触摸UI本质上适用于便携式信息装置。通过在显示装置的屏幕上生成触摸屏，实现触摸UI。触摸屏可以是电容式触摸屏。当手指或导电材料接触(或靠近)触摸传感器时，具有电容式触摸传感器的触摸屏根据输入的触摸屏驱动信号感测电容变化，也就是触摸传感器中的电荷变化，从而检测触摸输入。
电容式触摸传感器可配置为自电容型传感器或互电容型传感器。自电容型传感器的电极可一对一地连接至沿一个方向形成的传感器线。互电容型传感器可形成于彼此交叉且其间插置有电介质层的传感器线的交叉处。
近来，触控笔以及手指都已被广泛用作智能手机、平板电脑等的人机接口装置(HID)。触控笔相比手指具有输入精确度更高的优点，分为无源和有源触控笔。无源触控笔检测触摸点较为困难，因为触摸屏上的触摸点处的电容变化非常小。有源触控笔产生笔驱动信号，并将笔驱动信号输出至触摸屏上的触摸点，因此与无源触控笔相比易于检测触摸点。
近来的有源触控笔已设计为除了笔驱动信号之外，还发送各种附加笔信息，例如笔压力信息、按键状态信息和笔ID信息。但是，传统的有源触控笔还需要将附加笔信息发送给触摸块的附加通信块，如韩国专利No.10-2014-0043299所公开的那样，这增加了制造成本。此外，传统的有源触控笔具有很大的传输负荷，因为笔驱动信号和附加笔信息是单独发送的。为了解决这个问题，可以考虑在笔驱动信号上载入附加笔信息并且笔驱动信号在触摸帧的基础上包含附加笔信息的方法。为此，有源触控笔需要区分触摸帧，但相关方法尚未研发。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种有源触控笔和具有该有源触控笔的触摸感测系统以及其驱动方法，能很容易地通过有源触控笔区分触摸帧，并以触摸帧为单位在笔驱动信号中反映附加笔信息。
本发明的另一个目的是提供一种有源触控笔，具有该有源触控笔的触摸感测系统及其驱动方法，能提高有源触控笔和触摸屏之间的同步精确度。
为了实现本发明的目的，提供一种有源触控笔，包括：第一信号处理器，用于基于子脉冲产生用于区分触摸帧的触摸帧识别信号，所述子脉冲与从触摸屏接收的每个触摸屏驱动信号的一部分相对应；以及第二信号处理器，用于产生与每个触摸屏驱动信号中不同于所述子脉冲的主脉冲同步的笔驱动信号，并根据所述触摸帧识别信号以触摸帧为单位改变所述笔驱动信号，以在所述笔驱动信号中反映附加笔信息。
所述第一信号处理器可计算一个触摸屏驱动信号的第一子脉冲和与所述一个触摸屏驱动信号相邻的另一个触摸屏驱动信号的第二子脉冲之间的间隔，以生成第一计数值，并在第一计数值超出预定阈值时生成所述触摸帧识别信号。
所述第一信号处理器可计数每个触摸屏驱动信号中所包括的子脉冲，以生成第二计数值，并在第二计数值满足预定值时生成所述触摸帧识别信号。
所述第二信号处理器可根据所述触摸帧识别信号以触摸帧为单位改变所述笔驱动信号的脉冲幅度，以在所述笔驱动信号中反映所述附加笔信息。
所述第二信号处理器可根据所述触摸屏识别信号以触摸帧为单位改变所述笔驱动信号的脉冲占空比，以在所述笔驱动信号中反映所述附加笔信息。
所述第二信号处理器可按每个触摸帧分配1比特的反映所述附加笔信息的笔驱动信号。
所述附加笔信息可包括表示所述有源触控笔触摸所述触摸屏时的压力的笔压力信息、表示所述有源触控笔中所包括的执行具体功能的至少一个功能按键是否已激活的按键状态信息、以及用于区分所述有源触控笔与其他有源触控笔的笔识别信息。
按照本发明的触摸感测系统包括：触摸屏；触摸驱动器，用于给所述触摸屏提供触摸屏驱动信号并感测所述触摸屏中的电容变化；以及有源触控笔，用于产生笔驱动信号并将所述笔驱动信号发送给所述触摸屏，其中所述有源触控笔包括：第一信号处理器，用于基于子脉冲产生用于区分触摸帧的触摸帧识别信号，所述子脉冲与从所述触摸屏接收的每个触摸屏驱动信号的一部分相对应；以及第二信号处理器，用于产生与每个触摸屏驱动信号中不同于所述子脉冲的主脉冲同步的笔驱动信号，并根据所述触摸帧识别信号以触摸帧为单位改变所述笔驱动信号，以在所述笔驱动信号中反映附加笔信息。
按照本发明的驱动触摸感测系统的方法包括：使有源触控笔与触摸屏接触从而由所述有源触控笔接收触摸屏驱动信号；所述有源触控笔产生与所接收的触摸屏驱动信号同步的笔驱动信号并将所述笔驱动信号输出给所述触摸屏；以及与所述触摸屏连接的触摸驱动器根据所述触摸屏驱动信号和所述笔驱动信号感测所述触摸屏中的电容变化，其中所述有源触控笔产生所述笔驱动信号并将所述笔驱动信号输出给所述触摸屏包括：基于与从所述触摸屏接收的每个触摸屏驱动信号的一部分相对应的子脉冲，产生用于区分触摸帧的触摸帧识别信号；以及产生与每个触摸屏驱动信号中不同于所述子脉冲的主脉冲同步的笔驱动信号，并根据所述触摸帧识别信号以触摸帧为单位改变所述笔驱动信号，以在所述笔驱动信号中反映附加笔信息。
附图说明
附图提供对本发明的进一步理解，并入且构成本说明书的一部分；附图显示了本发明的多个实施方式，且与说明书一起用于解释本发明的原理。在附图中：
图1示意性地显示了本发明的触摸感测系统；
图2显示了按照本发明的一个实施方式应用于触摸感测系统的显示装置；
图3显示了像素阵列中所包括的触摸传感器的示例；
图4为显示图3所示的显示面板中的触摸传感器和像素的时分驱动方法的时序图；
图5显示了在一个显示帧周期内包括多个触摸帧的示例；
图6至8显示了按照本发明的多个实施方式的触摸驱动器；
图9显示了与触摸传感器块相连的感测单元和多路复用器；
图10显示了按照本发明的有源触控笔的内部结构；
图11为显示在按照本发明的有源触控笔中在笔驱动信号中反映附加笔信息的操作的流程图；
图12A和12B显示了通过有源触控笔区分触摸帧和产生表示附加笔信息的各种调制形式的笔驱动信号的方法；
图13A和13B显示了通过有源触控笔区分触摸帧和产生表示附加笔信息的各种调制形式的笔驱动信号的另一种方法；
图14显示了在有源触控笔中利用多个触摸帧产生附加笔信息的方法；
图15显示了触摸驱动器根据附加笔信息感测到的触摸原始数据的变化；
图16和17显示了提高有源触控笔和触摸屏之间的同步精确度的方法；以及
图18显示了根据同步信号模式(pattern)分配比特(bit)的示例。
具体实施方式
下面将对本发明的实施方式进行详细描述，其示例显示于附图中。尽可能地在整个附图中使用相同的参考标记表示相同或类似的部分。如果认为对已知技术的详细描述会混淆本发明的实施方式，则这些描述将被省略。
[触摸感测系统]
图1示意性地显示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装置10和有源触控笔20。
显示装置10执行显示功能和触摸感测功能。显示装置10能利用导电物体例如手指或有源触控笔20检测触摸，并具有集成的电容式触摸屏。在此，触摸屏可独立地配置为用于实现显示的显示面板，或者嵌入到显示面板的像素阵列中。显示装置10的结构和操作将在下文中参照图2至9进行详细描述。
有源触控笔20基于从触摸屏接收的触摸屏驱动信号产生笔驱动信号，并将笔驱动信号输出给触摸屏上的触摸点，以便在触摸屏上进行触摸点检测。有源触控笔20基于与触摸屏驱动信号的一部分相对应的子脉冲产生触摸帧识别信号，并根据触摸帧识别信号以触摸帧为单位改变笔驱动信号，从而在笔驱动信号中反映预定的附加笔信息。触摸感测系统根据笔驱动信号分析触摸原始数据，从而利用有源触控笔20和附加触摸信息感测触摸输入点。附加笔信息可包括表示有源触控笔触摸触摸屏时的压力的笔压力信息、表示有源触控笔中所包括的执行具体功能的至少一个功能按键是否已激活的按键状态信息、以及用于区分有源触控笔和其他有源触控笔的笔识别信息等。
有源触控笔20的结构和操作将在下文中参照图10至15进行描述。
[显示装置]
图2显示了按照本发明的一个实施方式应用于触摸感测系统的显示装置10。图3显示了像素阵列中所包括的触摸传感器的示例。图4显示了图3所示的显示面板中的触摸传感器和像素的时分驱动方法。图5显示了在一个显示帧周期内包括多个触摸帧的示例。图6至8显示了按照本发明的多个实施方式的触摸驱动器。图9显示了与触摸传感器块相连的多路复用器和感测单元。
参照图2至9，本发明的显示装置10可以在例如液晶显示器(LCD)、场发射显示器(FED)、等离子体显示面板(PDP)、有机发光二极管(OLED)显示器或电泳显示器(EPD)等平板显示器的基础上实现。虽然以下说明中假设显示装置在下文的实施方式中为LCD，但本发明的显示装置不限于LCD。
显示装置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可实现为电容式触摸屏，其通过多个电容传感器感测触摸输入。触摸屏TSP包括多个具有电容的触摸传感器。电容可分为自电容和互电容。沿一个方向上形成的单层导线可形成自电容，而在彼此交叉的两条导线之间可形成互电容。
触摸屏TSP的触摸传感器可嵌入到显示面板DIS的像素阵列中。图3显示了触摸屏TSP嵌入显示面板DIS的像素阵列中的示例。参照图3，显示面板DIS的像素阵列包括触摸传感器C1至C4和与触摸传感器C1至C4连接的传感器线L1至Li(i为小于m和n的正整数)。像素101的公共电极COM被分为多个区段(segment)。触摸传感器C1至C4实现为分离的公共电极COM。单个公共电极区段共同地连接至多个像素101以形成单个触摸传感器。因此，触摸传感器C1至C4在显示时段Td1和Td2内将公共电压Vcom提供给像素101，并在触摸时段Tt1和Tt2内接收触摸屏驱动信号Ts以感测触摸输入。虽然图3显示了自电容型触摸传感器，但触摸传感器C1至C4不限于此。
触摸驱动器18将触摸屏驱动信号Ts提供给触摸传感器C1至C4，并感测触摸传感器C1至C4的电荷变化以确定是否通过例如手指(或触控笔)等导电材料进行了触摸并确定触摸点。
触摸驱动器18在触摸时段Tt1和Tt2内响应于从时序控制器16或主机系统19输入的触摸使能信号TEN驱动触摸传感器。触摸驱动器18在触摸时段Tt1和Tt2内通过传感器线L1至Li将触摸屏驱动信号Ts提供给触摸传感器C1至C4以感测触摸输入。触摸驱动器18分析取决于触摸输入存在与否的触摸传感器的电荷变化，从而确定触摸输入，并计算触摸输入点的坐标。触摸输入点的坐标信息被发送给主机系统。
触摸驱动器18在触摸时段Tt1和Tt2内响应于触摸使能信号TEN驱动触摸传感器C1至C4。触摸驱动器18在显示输入图像的一个显示帧内分配至少两个触摸帧TF1、TF2和TF3用于驱动触摸传感器C1至C4，从而使触摸报告速率(touch report rate)提升为高于显示帧速率。在此，一个触摸帧可包括对应于多路复用器的数量的多个触摸时段。
例如，当一个帧周期被分为多个显示时段Td1和Td2以及触摸时段Tt1和Tt2时，如图4所示，触摸驱动器18感测每个触摸时段Tt1和Tt2内的触摸输入，并在每个触摸帧结束时将触摸输入的坐标信息发送给主机系统。因此，本发明能使触摸报告速率提高为高于显示帧速率。显示帧速率是将一个帧图像写入到像素阵列的帧频率。触摸报告速率是产生触摸输入坐标信息的速率。由于提高了触摸报告速率，因此提高了触摸输入坐标识别速率，因此提高了触摸灵敏度。
如图6、7和8所示，本发明的触摸驱动器18可实现为集成电路(IC)封装。
参照图6，触摸驱动器18包括驱动IC DIC和触摸IC TIC。
驱动IC DIC包括触摸传感器通道部100、Vcom缓存器110、开关阵列120、时序控制信号生成器130、多路复用器(MUX)140和DTX补偿器150。
触摸传感器通道部100通过传感器线连接至触摸传感器的电极，并通过开关阵列120连接至Vcom缓存器110和多路复用器140。多路复用器140将传感器线连接至触摸ICTIC。当多路复用器140为1：3多路复用器时，多路复用器140按照时分系统依次将触摸ICTIC的一个通道连接至三条传感器线，以减少触摸IC TIC的通道数量。多路复用器140响应于MUX控制信号MUX C1至C3依次选择要连接至触摸IC TIC的通道的传感器线。多路复用器140通过触摸线连接至触摸IC TIC的通道。在时序控制信号生成器130的控制下，开关阵列120在显示时段内从Vcom缓存器110向触摸传感器通道部100提供公共电压Vcom。在时序控制信号生成器130的控制下，开关阵列120在触摸时段内将传感器线连接至触摸IC TIC。
时序控制信号生成器130产生时序控制信号，用于控制显示驱动电路和触摸ICTIC的操作时序。
时序控制信号生成器130可包含在图2所示的时序控制器16中。时序控制信号生成器130在显示时段内驱动显示驱动电路，并在触摸时段内驱动触摸IC TIC。
时序控制信号生成器130产生定义显示时段Td1和Td2以及触摸时段Tt1和Tt2的触摸使能信号TEN，如图4所示，从而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的第一电平的时段内将视频数据写入像素中。触摸IC TIC响应于第二电平的触摸使能信号TEN驱动触摸传感器以感测触摸输入。第一电平的触摸使能信号TEN可以为高电平，第二电平可以为低电平，反之亦然。
触摸IC TIC连接至驱动电源(未显示)以被提供驱动电力。触摸IC TIC响应于第二电平的触摸使能信号TEN产生触摸屏驱动信号Ts，并将触摸驱动信号Ts提供给触摸传感器。虽然触摸屏驱动信号Ts可以为各种形式，例如方波脉冲、正弦波和三角波，但触摸屏驱动信号Ts优选为方波形式。可以给每个触摸传感器提供N次触摸屏驱动信号Ts，从而使电荷在触摸IC TIC的积分器中累积N次以上(N为大于或等于2的自然数)。
触摸传感器信号中的噪声会随着输入视频数据的变化而增大。DTX补偿器150响应于输入图像的灰度变化分析输入视频数据以从触摸原始数据中消除噪声分量，并将输入视频数据发送给触摸IC TIC。DTX是指显示和触摸串扰(crosstalk)。由本申请人提交的韩国专利No.10-2012-0149028(2012年12月19日提交)中详细描述了DTX补偿器150。触摸传感器噪声不随输入视频数据的变化而敏感变化的系统不需要DTX补偿器150，因此DTX补偿器150可以被省略。图6中，DTX DATA表示DTX补偿器150的输出数据。
触摸IC TIC在触摸时段Tt1和Tt2内响应于来自时序控制信号生成器130的触摸使能信号TEN驱动多路复用器140，以通过多路复用器140和传感器线接收触摸传感器的电荷。图6中，MUX C1至C3表示用于选择通道的多路复用器信号。
触摸IC TIC根据触摸传感器信号检测触摸输入前后的电荷变化，将电荷变化与预定的阈值比较，并将电荷变化超出阈值的触摸传感器的位置确定为触摸输入区域。触摸ICTIC计算每个触摸输入的坐标，并将包括触摸输入坐标信息在内的触摸数据TDATA(XY7)发送给外部主机系统19。触摸IC TIC包括用于放大触摸传感器的电荷的放大器、用于累积从触摸传感器接收的电荷的积分器、用于将积分器电压转换为数字数据的模数转换器(ADC)、以及操作逻辑电路。操作逻辑电路执行触摸识别算法，用于将ADC输出的触摸原始数据与阈值比较，基于比较结果确定触摸输入并计算坐标。
驱动IC DIC和触摸IC TIC可通过串行外围接口(SPI)发送/接收信号。
主机系统19是指可应用按照本发明的显示装置10的电子装置的系统主体。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、个人电脑(PC)和家庭影院系统中的任意一种。主机系统19将输入图像的RGB数据发送给驱动IC DIC，从触摸IC TIC接收触摸输入数据TDATA(XY)，并执行与触摸输入相关的应用程序。
参照图7，触摸驱动器18包括驱动IC DIC和微控制器单元MCU。
驱动IC DIC包括触摸传感器通道部100、Vcom缓存器110、开关阵列120、第一时序控制信号生成器130、多路复用器140、DTX补偿器150、感测单元160、第二时序控制信号生成器170和存储器180。本实施方式与参照图6所描述的实施方式的区别在于：感测单元160和第二时序控制信号生成器170被集成到驱动IC DIC。第一时序控制信号生成器130基本上与图6所示的相同。因此，第一时序控制信号生成器130产生用于控制显示驱动电路和触摸ICTIC的操作时序的时序控制信号。
多路复用器140在MCU的控制下使感测单元160所读取(access)的触摸传感器电极浮置。感测单元160读取与连接至充入数据电压的像素的触摸传感器电极不同的触摸传感器电极。多路复用器140可在MCU的控制下提供公共电压Vcom。当触摸屏具有图9所示的M*N(M和N为大于或等于2的正整数)分辨率时，需要M个多路复用器140。当触摸屏的分辨率为M*N时，触摸传感器电极22被分为M*N个电极。每个多路复用器140通过N条传感器线115连接N个触摸传感器电极22，并将N条传感器线115依次连接至单个感测单元160。
感测单元160通过多路复用器140连接传感器线115，测量从触摸传感器电极22接收的电压波形的变化，并将电压波形变化转换为数字数据。感测单元160包括用于放大触摸传感器电极22的接收电压的放大器、对放大器电压进行积分的积分器以及用于将积分器电压转换为数字数据的模数转换器(下文称为“ADC”)。ADC输出的数字数据作为触摸原始数据被发送给MCU。当触摸屏具有图9所示的M*N的分辨率时(M和N为大于或等于2的正整数)，需要M个感测单元160。
第二时序控制信号生成器170产生时序控制信号、时钟信号等，用于控制多路复用器140和感测单元160的操作时序。在驱动IC DIC中可以省略DTX补偿器150。存储器180在第二时序控制信号生成器170的控制下临时存储触摸原始数据TDATA。
驱动IC DIC和MCU能通过串行外围接口(SPI)发送/接收信号。MCU执行触摸识别算法，用于将触摸原始数据TDATA与阈值比较，基于比较结果确定触摸输入并计算坐标。
参照图8，触摸驱动器18包括驱动IC DIC和存储器MEM。
驱动IC DIC包括触摸传感器通道部100、Vcom缓存器110、开关阵列120、第一时序控制信号生成器130、多路复用器140、DTX补偿器150、感测单元160、第二时序控制信号生成器170、存储器180和MCU 190。本实施方式与参照图7所描述的实施方式的区别在于：MCU190被集成到驱动IC DIC中。MCU 190执行触摸识别算法，用于将触摸原始数据TDATA与阈值比较，基于比较结果确定触摸输入并计算坐标。
存储器MEM存储与操作显示驱动电路和感测单元160所需的时序信息有关的寄存器置位值(set value)。当启动显示装置时，寄存器置位值被载入第一时序控制信号生成器130和第二时序控制信号生成器170。第一时序控制信号生成器130和第二时序控制信号生成器170产生时序控制信号，用于基于从存储器MEM中读取的寄存器置位值控制显示驱动电路。在不修改驱动器的结构的情况下，可以修改存储器MEM中的寄存器置位值，以应对模式变化。
显示模块可包括显示面板DIS、显示驱动电路12，14和16以及主机系统19。
显示面板DIS包括形成于两个基板之间的液晶层。显示面板DIS的像素阵列包括在由数据线D1至Dm(m为正整数)和栅极线G1至Gn(n为正整数)所限定的像素区域中形成的像素。像素分别包括在数据线D1至Dm和栅极线G1至Gn的交叉处形成的薄膜晶体管(TFT)、利用数据电压充电的像素电极、以及与像素电极相连以保持液晶单元的电压的存储电容器Cst。
显示面板DIS的上基板可包括形成于其上的黑矩阵、滤色器等。显示面板DIS的下基板可实现为TFT上的滤色器(COT)结构。在这种情况下，可以在显示面板DIS的下基板上形成黑矩阵和滤色器。在显示面板DIS的上基板或下基板上可以形成被提供公共电压的公共电极。偏振器贴在显示面板DIS的上基板和下基板上，且在上基板和下基板与液晶接触的内侧形成设定液晶预倾角的取向膜。在显示面板DIS的上基板和下基板之间形成柱状间隔物以保持液晶单元的单元间隙。
在显示面板DIS的后侧下方可设置背光单元。背光单元可实现为向显示面板DIS发光的边缘型或直下型背光单元。显示面板DIS可实现为任意液晶模式，例如扭曲向列(TN)模式、垂直对齐(VA)模式，面内切换(IPS)模式或边缘场切换(FFS)模式。
显示驱动电路包括数据驱动电路12、栅极驱动电路14和时序控制器16，并将输入图像的视频数据写入到显示面板DIS的像素。数据驱动电路12将从时序控制器16输入的数字视频数据RGB转换为模拟正/负伽马补偿电压，并输出模拟正/负伽马补偿电压。数据驱动电路12输出的数据电压被提供给数据线D1至Dm。栅极驱动电路14依次向栅极线G1至Gn提供与数据电压同步的栅极脉冲(或扫描脉冲)，以选择被写入数据电压的显示面板DIS的像素行(pixel lines)。栅极驱动电路14可布置在其上形成有像素的显示面板DIS的基板上。
时序控制器16接收时序信号，例如从主机系统19输入的垂直同步信号Vsync、水平同步信号Hsync、数据使能信号DE和主时钟信号MCLK，并使数据驱动电路12的操作时序与栅极驱动电路14的操作时序同步。扫描时序控制信号包括栅极起始脉冲GSP信号、栅极移位GSC时钟信号、栅极输出使能GOE信号等。数据时序控制信号包括源极采样时钟SSC信号、极性控制信号POL、源极输出使能SOE信号等。
主机系统19能向时序控制器16发送时序信号Vsync，Hsync，DE和MCLK以及数字视频数据RGB，并能执行与从触摸驱动器18输入的触摸坐标信息XY相关的应用程序。
同时，在主机系统19中可产生图4所示的触摸使能信号TEN。在时序控制器16的控制下，数据驱动电路12在显示时段Td1和Td2内将数据电压提供给数据线D1至Dm；在时序控制器16的控制下，栅极驱动电路14依次向栅极线G1至Gn提供与数据电压同步的栅极脉冲。触摸驱动器18在显示时段Td1和Td2内停止操作。
触摸驱动器18在触摸时段Tt1和Tt2内向触摸屏TSP的触摸传感器提供触摸屏驱动信号Ts。在触摸时段Tt1和Tt2内，显示驱动电路12、14和16向信号线D1至Dm和G1至Gn提供与触摸屏驱动信号Ts的幅度和相位相同的AC信号，从而使触摸传感器和与像素连接的信号线D1至Dm和G1至Gn之间的寄生电容最小化。在这种情况下，触摸感测信号中所包含的显示噪声可得到显著降低，从而提高触摸感测的精确度。
[触控笔]
图10显示了按照本发明的有源触控笔20的内部结构。
参照图10，有源触控笔20包括外壳280、从外壳280的一侧突出的导电尖端210、在外壳280内与导电尖端210相连的开关220、通过开关220接收从导电尖端210输入的触摸屏驱动信号的接收器230、基于来自接收器230的触摸屏驱动信号产生反映附加笔信息的数字笔驱动信号的信号处理器250、将信号处理器250所产生的数字笔驱动信号移位至模拟电平然后通过开关220将电平移位后的信号提供给导电尖端210的驱动器240、产生操作所需驱动电力的电源260以及输入/输出接口270。
导电尖端210由导电材料例如金属形成，用作接收电极和发射电极。当导电尖端210接触显示装置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，然后将有源触控笔20中产生的、与触摸屏驱动信号同步的笔驱动信号发送给触摸屏TSP的接触点。
当导电尖端210接触显示装置10的触摸屏TSP时，开关220在时间Rx内电性连接导电尖端210和接收器230，然后在时间Tx内电性连接导电尖端210和驱动器240，从而使触摸屏驱动信号接收时序与笔驱动信号发射时序分开。由于导电尖端210用作接收电极和发射电极，因此简化了有源触控笔20的结构。
接收器230可包括至少一个放大器以放大从导电尖端210通过开关220输入的触摸屏驱动信号。接收器230包括比较器，用于将放大后的信号与预定参考电压比较并向信号处理器250输出比较结果。
信号处理器250基于从接收器230输入的触摸屏驱动信号区分触摸帧，以触摸帧为单位改变笔驱动信号，并在笔驱动信号中反映附加笔信息。为此，信号处理器250包括用于区分触摸帧的第一信号处理器，以及用于在笔驱动信号中反映附加笔信息的第二信号处理器。
第一信号处理器可基于与从触摸屏接收的每个触摸屏驱动信号的一部分相对应的子脉冲产生触摸帧识别信号。第二信号处理器可产生与每个触摸屏驱动信号中不同于子脉冲的主脉冲同步的笔驱动信号，并根据触摸帧识别信号以触摸帧为单位改变笔驱动信号，从而在笔驱动信号中反映附加笔信息。
信号处理器250向驱动器输出反映附加笔信息的笔驱动信号。
驱动器240包括电平移位器，从而将数字电平上的笔驱动信号移位为模拟电平笔驱动信号。驱动器240通过开关220向导电尖端210输出电平移位后的笔驱动信号。
输入/输出接口270可连接电源260，从而给接收器230、驱动器240和信号处理器250提供所需电力。
图11为在按照本发明的有源触控笔20中在笔驱动信号中反映附加笔信息的操作步骤的流程图。
参照图11，在通过输入/输出接口270和电源260供电的同时，导电尖端210接触触摸屏TSP的预定点(步骤S1和S2)。
在触摸时段内给触摸屏TSP的触摸传感器提供触摸屏驱动信号。导电尖端210在接触点处与触摸屏TSP耦合，以感测从触摸屏TSP接收的触摸屏驱动信号，并在触摸时段内将感测到的信号传输给接收器230。接收器230通过内部放大器放大触摸屏驱动信号，通过内部比较器将放大后的信号与参考电压比较，并将比较结果输出给信号处理器250(步骤S3)。
信号处理器250分析从接收器230输入的触摸屏驱动信号，以确定与触摸屏驱动信号同步的时序，然后以同步时序产生笔驱动信号。具体而言，信号处理器250基于触摸屏驱动信号产生触摸帧识别信号以区分触摸帧，并以触摸帧为单位改变笔驱动信号的脉冲幅度和/或脉冲占空比，从而使笔驱动信号的脉冲幅度和/或脉冲占空比对应于预定的附加笔信息，以输出反映了附加笔信息的笔驱动信号(步骤S4、S5和S6)。
图12A和12B显示了通过有源触控笔区分触摸帧以及产生用于表示附加笔信息的各种调制形式的笔驱动信号的方法。图13A和13B显示了通过有源触控笔区分触摸帧以及产生用于表示附加笔信息的各种调制形式的笔驱动信号的另一种方法。图14显示了在有源触控笔中利用多个触摸帧产生附加笔信息的方法。图15显示了触摸传感器根据附加笔信息感测到的触摸原始数据的变化。
参照图12A和12B，有源触控笔20的第一信号处理器可计算触摸屏驱动信号Ts的第一子脉冲和相邻的触摸屏驱动信号Ts的第二子脉冲之间的间隔，以产生第一计数值，并在第一计数值超出预定阈值时产生用于区分触摸帧的触摸帧识别信号TFsync。在图12A和12B中，Mux 1至Mux last表示与图4中所示的一个触摸时段Tt1或Tt2相对应的触摸屏驱动信号。
触摸屏驱动信号Ts包括分配给一个触摸时段内的一部分的子脉冲以及分配给一个触摸时段内的其余部分的主脉冲。触摸屏驱动信号Ts的子脉冲可用于确定触摸屏驱动信号Ts的有效性。有源触控笔20的第一信号处理器可基于触摸屏驱动信号Ts的子脉冲产生触摸帧识别信号TFsync。
例如，第一信号处理器产生与相邻的触摸屏驱动信号Mux1和Mux2，Mux2和Mux3……Mux last-1和Mux last或Mux last和Mux1之间的间隔D或D+d相对应的第一计数值，并在第一计数值超出预定阈值时产生触摸帧识别信号TFsync。当在触摸帧TFn-1和TFn之间包含垂直空白时段d时，不同触摸帧内的相邻触摸屏驱动信号Mux last和Mux1之间的间隔D+d可比同一触摸帧内的相邻触摸屏驱动信号Mux last-1和Mux last之间的间隔D长出垂直空白时段d。在这种情况下，第一信号处理器可确定触摸屏驱动信号Mux Last之后的触摸屏驱动信号Mux属于新的触摸帧，并产生与新触摸帧的触摸屏驱动信号Mux1同步的触摸帧识别信号TFsync。
参照图12A和12B，有源触控笔20的第二信号处理器产生与每个触摸屏驱动信号Ts中不同于子脉冲的主脉冲同步的笔驱动信号Ps。在此，有源触控笔20的第二信号处理器可以根据触摸帧识别信号TFsync以触摸帧TFn-1或TFn为单位改变笔驱动信号Ps的脉冲占空比，从而在笔驱动信号Ps中反映预定的附加笔信息，如图12A所示；或根据触摸帧识别信号TFsync以触摸帧TFn-1或TFn为单位改变笔驱动信号Ps的脉冲幅度，从而在笔驱动信号Ps中反映预定的附加笔信息，如图12B所示。虽然图中未显示，但有源触控笔20的第二信号处理器可根据触摸帧识别信号TFsync以触摸帧TFn-1或TFn为单位改变笔驱动信号Ps的脉冲占空比和脉冲幅度，从而在笔驱动信号Ps中反映预定的附加笔信息。
参照图13A和13B，有源触控笔20的第一信号处理器可对每个触摸屏驱动信号Ts中所包括的子脉冲进行计数，从而产生第二计数值，并在第二计数值满足预定值时产生用于区分触摸帧的触摸帧识别信号TFsync。在图13A和13B中，Mux 1至Mux last表示与图4中所示的一个触摸时段Tt1或Tt2相对应的触摸屏驱动信号。例如，当与每个触摸屏驱动信号Ts中所包括的编号#1或#Last的子脉冲相对应的第二计数值满足预定值时，第一信号处理器可产生用于区分触摸帧的触摸帧识别信号TFsync。
参照图13A和13B，有源触控笔20的第二信号处理器产生与每个触摸屏驱动信号Ts中不同于子脉冲的主脉冲同步的笔驱动信号Ps。在此，有源触控笔20的第二信号处理器可以根据触摸帧识别信号TFsync以触摸帧TFn-1或TFn为单位改变笔驱动信号Ps的脉冲占空比，从而在笔驱动信号Ps中反映预定的附加笔信息，如图13A所示；或根据触摸帧识别信号TFsync以触摸帧TFn-1或TFn为单位改变笔驱动信号Ps的脉冲幅度，从而在笔驱动信号Ps中反映预定的附加笔信息，如图13B所示。虽然图中未显示，但有源触控笔20的第二信号处理器可根据触摸帧识别信号TFsync以触摸帧TFn-1或TFn为单位改变笔驱动信号Ps的脉冲占空比和脉冲幅度，从而在笔驱动信号Ps中反映预定的附加笔信息。
同时，笔驱动信号Ps中的变化不会干扰触摸输入检测。因此，第二信号处理器可改变笔驱动信号Ps的脉冲幅度和/或脉冲占空比以表示附加笔信息的范围需要在能根据笔驱动信号Ps执行触摸输入检测的范围内。
第二信号处理器可利用图12A至13B所示的方法产生反映附加笔信息的笔驱动信号Ps，从而可以将与每个触摸帧对应的笔驱动信号Ps表示为“0”或“1”。也就是说，第二信号处理器可产生具有第一脉冲幅度和/或脉冲占空比的笔驱动信号Ps从而将笔驱动信号Ps表示为“1”，并产生具有第二脉冲幅度(小于第一脉冲幅度)和/或第二脉冲占空比(小于第一脉冲占空比)的笔驱动信号Ps从而将笔驱动信号Ps表示为“0”。
第二信号处理器通过给一个触摸帧分配1比特反映附加笔信息的笔驱动信号来精确地表示信息。例如，第二信号处理器可通过给8个触摸帧TF1至TF8中的每一个分配1比特笔驱动信号Ps来表示256个灰度级，如图14所示。
如图15所示，基于逻辑值“1”所代表的笔驱动信号Ps的触摸感测值大于基于逻辑值“0”所代表的笔驱动信号Ps的触摸感测值。显示装置10的触摸驱动器18能根据基于笔驱动信号Ps的触摸感测值的大小感测多个比特的附加笔信息。
图16和17显示了提高有源触控笔和触摸屏之间的同步精确度的方法，图18显示了根据同步信号模式分配比特的示例。
有源触控笔利用与触摸屏同步的信号进行操作。因此，需要一种即使在存在多种噪声的环境中也能准确地使有源触控笔与触摸屏同步的方法。此外，需要实现改变有源触控笔的操作频率以避免因噪声导致性能劣化的功能，以及其他附加功能。
参照图16和17，本发明的触摸屏驱动信号Ts进一步包括信标(beacon)信号，其含有笔操作模式、表示悬停(hovering)或接触的信息、表示是否发送倾斜数据(tilt data)的信息等。信标信号对应于虚拟触摸时段(TP)。有源触控笔可基于信标信号产生触摸帧识别信号TFsync，并根据触摸帧识别信号区分触摸帧。
触摸屏驱动信号Ts的子脉冲和信标信号对应于于在触摸屏驱动信号Ts的主脉冲和笔驱动信号Ps之间进行同步的同步信号。触摸驱动器在虚拟触摸时段驱动信标信号，并在每个触摸时段TP中驱动模式化的(patterned)脉冲信号Ping，从而即使存在噪声也能实现准确同步。同步信号可实现为模式化的直接序列扩频(DSSS)码以使噪声阻抗最大化。当同步信号配置为DSSS码时，发送信号的频带带宽可以被扩展，从而改善信噪比(SNR)。也就是说，即使在噪声环境中，也可以驱动配置为DSSS码的同步信号，从而提高有源触控笔和触摸屏之间的同步精确度。
触摸驱动器可以从触摸屏向有源触控笔发送命令，并根据同步信号的模式给同步信号分配多个比特以传送各种附加功能。也就是说，触摸驱动器可以在虚拟触摸时段内驱动已分配比特的信标信号，如图18所示，以向笔传送多种附加功能，例如改变笔的驱动频率以及改变操作参数。此外，触摸驱动器可以在每个触摸时段TP中驱动分配比特后的Ping信号，如图18所示，以提高有源触控笔和触摸屏之间的同步精确度。
如上所述，本发明能基于与从触摸屏接收的每个触摸屏驱动信号的一部分相对应的子脉冲产生触摸帧识别信号，并响应于触摸帧识别信号根据预定的附加笔信息以触摸帧为单位调节笔驱动信号的脉冲幅度和/或脉冲占空比，从而有效地在笔驱动信号中反映附加笔信息。本发明能根据笔驱动信号感测触摸原始数据的变化，从而检测笔驱动信号中所反映的附加笔信息。
此外，本发明能利用模式化的同步信号提高有源触控笔和触摸屏之间的同步精确度。此外，本发明能利用分配比特后的同步信号从触摸屏发送命令以实现多种附加功能。
所属领域技术人员将理解到，在不脱离本发明的精神和实质特性的前提下，可以以不同于本文所提出的其他具体方式来实现本发明。因此，本发明的范围应由权利要求书及其法定等同物而非由上述描述来确定，且落在所附权利要求书的含义及等效范围内的所有修改均认为被包含在本发明的范围内。

Claims (33)

1.一种有源触控笔，包括：
第一信号处理器，用于基于子脉冲产生用于区分触摸帧的触摸帧识别信号，所述子脉冲与从触摸屏接收的每个触摸屏驱动信号的一部分相对应；以及
第二信号处理器，用于产生与每个触摸屏驱动信号中不同于所述子脉冲的主脉冲同步的笔驱动信号，并根据所述触摸帧识别信号以触摸帧为单位改变所述笔驱动信号，以在所述笔驱动信号中反映附加笔信息。
2.根据权利要求1所述的有源触控笔，其中，
所述第一信号处理器计算一个触摸屏驱动信号的第一子脉冲和与所述一个触摸屏驱动信号相邻的另一个触摸屏驱动信号的第二子脉冲之间的间隔，以生成第一计数值，并在第一计数值超出预定阈值时生成所述触摸帧识别信号。
3.根据权利要求1所述的有源触控笔，其中，
所述第一信号处理器计数每个触摸屏驱动信号中所包括的子脉冲，以生成第二计数值，并在第二计数值满足预定值时生成所述触摸帧识别信号。
4.根据权利要求1所述的有源触控笔，其中，
所述第二信号处理器根据所述触摸帧识别信号以触摸帧为单位改变所述笔驱动信号的脉冲幅度，以在所述笔驱动信号中反映所述附加笔信息。
5.根据权利要求1所述的有源触控笔，其中，
所述第二信号处理器根据所述触摸屏识别信号以触摸帧为单位改变所述笔驱动信号的脉冲占空比，以在所述笔驱动信号中反映所述附加笔信息。
6.根据权利要求1至5之一所述的有源触控笔，其中，
所述第二信号处理器按每个触摸帧分配1比特的反映所述附加笔信息的笔驱动信号。
7.根据权利要求1所述的有源触控笔，其中，
所述附加笔信息包括表示所述有源触控笔触摸所述触摸屏时的压力的笔压力信息、表示所述有源触控笔中所包括的执行具体功能的至少一个功能按键是否已激活的按键状态信息、以及用于区分所述有源触控笔与其他有源触控笔的笔识别信息。
8.根据权利要求1所述的有源触控笔，其中，
所述触摸屏驱动信号还包括信标信号，所述信标信号包含笔操作模式、表示悬停或接触的信息、以及表示是否发送倾斜数据的信息。
9.根据权利要求8所述的有源触控笔，其中，
所述子脉冲和所述信标信号实现为模式化的脉冲信号Ping，所述脉冲信号Ping作为用于在所述主脉冲和所述笔驱动信号之间进行同步的同步信号。
10.根据权利要求9所述的有源触控笔，其中，
所述同步信号配置为直接序列扩频(DSSS)码。
11.根据权利要求9所述的有源触控笔，其中，
根据所述同步信号的模式向所述同步信号分配多个比特，使得从所述触摸屏向所述有源触控笔发送确保各种附加功能的命令。
12.一种触摸感测系统，包括：
触摸屏；
触摸驱动器，用于给所述触摸屏提供触摸屏驱动信号并感测所述触摸屏中的电容变化；以及
有源触控笔，用于产生笔驱动信号并将所述笔驱动信号发送给所述触摸屏，
其中所述有源触控笔包括：
第一信号处理器，用于基于子脉冲产生用于区分触摸帧的触摸帧识别信号，所述子脉冲与从所述触摸屏接收的每个触摸屏驱动信号的一部分相对应；以及
第二信号处理器，用于产生与每个触摸屏驱动信号中不同于所述子脉冲的主脉冲同步的笔驱动信号，并根据所述触摸帧识别信号以触摸帧为单位改变所述笔驱动信号，以在所述笔驱动信号中反映附加笔信息。
13.根据权利要求12所述的触摸感测系统，其中，
所述第一信号处理器计算一个触摸屏驱动信号的第一子脉冲和与所述一个触摸屏驱动信号相邻的另一个触摸屏驱动信号的第二子脉冲之间的间隔，以生成第一计数值，并在第一计数值超出预定阈值时生成所述触摸帧识别信号。
14.根据权利要求12所述的触摸感测系统，其中，所述第一信号处理器计数每个触摸屏驱动信号中所包括的子脉冲，以生成第二计数值，并在第二计数值满足预定值时生成所述触摸帧识别信号。
15.根据权利要求12所述的触摸感测系统，其中，
所述第二信号处理器根据所述触摸帧识别信号以触摸帧为单位改变所述笔驱动信号的脉冲幅度，以在所述笔驱动信号中反映所述附加笔信息。
16.根据权利要求12所述的触摸感测系统，其中，
所述第二信号处理器根据所述触摸屏识别信号以触摸帧为单位改变所述笔驱动信号的脉冲占空比，以在所述笔驱动信号中反映所述附加笔信息。
17.根据权利要求12至16之一所述的触摸感测系统，其中，
所述第二信号处理器按每个触摸帧分配1比特的反映所述附加笔信息的笔驱动信号。
18.根据权利要求12所述的触摸感测系统，其中，
所述附加笔信息包括表示所述有源触控笔触摸所述触摸屏时的压力的笔压力信息、表示所述有源触控笔中所包括的执行具体功能的至少一个功能按键是否已激活的按键状态信息、以及用于区分所述有源触控笔与其他有源触控笔的笔识别信息。
19.根据权利要求12所述的触摸感测系统，其中，
所述触摸屏驱动信号还包括信标信号，所述信标信号包含笔操作模式、表示悬停或接触的信息、以及表示是否发送倾斜数据的信息。
20.根据权利要求19所述的触摸感测系统，其中，
所述子脉冲和所述信标信号实现为模式化的脉冲信号Ping，所述脉冲信号Ping作为用于在所述主脉冲和所述笔驱动信号之间进行同步的同步信号。
21.根据权利要求20所述的触摸感测系统，其中，
所述同步信号配置为直接序列扩频(DSSS)码。
22.根据权利要求20所述的触摸感测系统，其中，
根据所述同步信号的模式向所述同步信号分配多个比特，使得从所述触摸屏向所述有源触控笔发送确保各种附加功能的命令。
23.一种驱动触摸感测系统的方法，包括：
使有源触控笔与触摸屏接触从而由所述有源触控笔接收触摸屏驱动信号；
所述有源触控笔产生与所接收的触摸屏驱动信号同步的笔驱动信号并将所述笔驱动信号输出给所述触摸屏；以及
与所述触摸屏连接的触摸驱动器根据所述触摸屏驱动信号和所述笔驱动信号感测所述触摸屏中的电容变化，
其中所述有源触控笔产生所述笔驱动信号并将所述笔驱动信号输出给所述触摸屏包括：
基于与从所述触摸屏接收的每个触摸屏驱动信号的一部分相对应的子脉冲，产生用于区分触摸帧的触摸帧识别信号；以及
产生与每个触摸屏驱动信号中不同于所述子脉冲的主脉冲同步的笔驱动信号，并根据所述触摸帧识别信号以触摸帧为单位改变所述笔驱动信号，以在所述笔驱动信号中反映附加笔信息。
24.根据权利要求23所述的方法，其中基于所述子脉冲产生所述触摸帧识别信号包括：
计算一个触摸屏驱动信号的第一子脉冲和与所述一个触摸屏驱动信号相邻的另一个触摸屏驱动信号的第二子脉冲之间的间隔，以生成第一计数值，并在第一计数值超出预定阈值时生成所述触摸帧识别信号。
25.根据权利要求23所述的方法，其中基于所述子脉冲产生所述触摸帧识别信号包括：
计数每个触摸屏驱动信号中所包括的子脉冲，以生成第二计数值，并在第二计数值满足预定值时生成所述触摸帧识别信号。
26.根据权利要求23所述的方法，其中根据所述触摸帧识别信号以触摸帧为单位改变所述笔驱动信号以在所述笔驱动信号中反映附加笔信息包括：
根据所述触摸帧识别信号以触摸帧为单位改变所述笔驱动信号的脉冲幅度。
27.根据权利要求23所述的方法，其中根据所述触摸帧识别信号以触摸帧为单位改变所述笔驱动信号以在所述笔驱动信号中反映附加笔信息包括：
根据所述触摸屏识别信号以触摸帧为单位改变所述笔驱动信号的脉冲占空比。
28.根据权利要求23至27之一所述的方法，其中根据所述触摸帧识别信号以触摸帧为单位改变所述笔驱动信号以在所述笔驱动信号中反映附加笔信息包括：
按每个触摸帧分配1比特的反映所述附加笔信息的笔驱动信号。
29.根据权利要求23所述的方法，其中，
所述附加笔信息包括表示所述有源触控笔触摸所述触摸屏时的压力的笔压力信息、表示所述有源触控笔中所包括的执行具体功能的至少一个功能按键是否已激活的按键状态信息、以及用于区分所述有源触控笔与其他有源触控笔的笔识别信息。
30.根据权利要求23所述的方法，其中，
所述触摸屏驱动信号还包括信标信号，所述信标信号包含笔操作模式、表示悬停或接触的信息、以及表示是否发送倾斜数据的信息。
31.根据权利要求30所述的方法，其中，
所述子脉冲和所述信标信号实现为模式化的脉冲信号Ping，所述脉冲信号Ping作为用于在所述主脉冲和所述笔驱动信号之间进行同步的同步信号。
32.根据权利要求31所述的方法，其中，
所述同步信号配置为直接序列扩频(DSSS)码。
33.根据权利要求31所述的方法，其中，
根据所述同步信号的模式向所述同步信号分配多个比特，使得从所述触摸屏向所述有源触控笔发送确保各种附加功能的命令。
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