CN107111389B - 一种主动笔的信号处理方法及主动笔、触控屏 - Google Patents

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Abstract

一种主动笔的信号处理方法及主动笔、触控屏，所述方法包括：使用预设采样率对接收的主动笔的激励信号进行欠采样，获得所述主动笔的激励信号的数字信号，并对所述主动笔的激励信号的数字信号进行解调，得到解调信号；根据所述解调信号的幅值与相位计算触控坐标，并输出所述触控坐标。本申请实施例用以提高对主动笔的信号处理精度，提高信噪比。

Description

一种主动笔的信号处理方法及主动笔、触控屏
技术领域
本申请涉及触控感测技术领域，尤其涉及一种主动笔的信号处理方法及主动笔、触控屏。
背景技术
随着触控技术和移动终端技术的发展，越来越多的移动终端采用触控方式进行人机交互。目前移动终端所采用的触控屏主要有电容式触控屏和电阻式触控屏两种，其中电容式触控屏以其良好的清晰度、透光率和触感，得到了越来越多用户的青睐。移动终端目前应用最广泛的是手机和平板电脑。
电容式触控屏除了可以用手指直接触控操作以外，还可以通过主动笔替代手指进行触控输入操作。主动笔的原理是电容触控屏通过耦合电容接收主动笔发送的信号。由于所述耦合电容具有开放的电场，所以很容易耦合进来干扰信号，如显示屏干扰信号，充电器共模干扰信号等，此类干扰信号会造成电容触控屏信噪比(SNR)下降，触控精度降低，降低用户体验。干扰信号严重时可使电容触控屏无法正确识别触控笔等其它主动笔发送的信号，出现冒点或跳点现象。
因此，如何提高对主动笔的信号处理精度，提高信噪比,成为亟需解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例所解决的技术问题之一在于提供一种主动笔的信号处理方法及主动笔、触控屏，用以提高对主动笔的信号处理精度，提高信噪比。
本申请实施例提供一种主动笔的信号处理方法，应用于与所述主动笔对应的触控屏，所述方法包括：
使用预设采样率对接收的主动激励信号进行欠采样，获得所述主动笔的激励信号的数字信号，并对所述主动笔的激励信号的数字信号进行解调，得到解调信号；
根据所述解调信号的幅值与相位计算触控坐标，并输出所述触控坐标。
本申请实施例还提供一种主动笔的信号处理方法，应用于主动笔，所述方法包括：
发送主动激励信号至对应的触控屏，并令所述触控屏使用预设采样率对接收的所述主动笔的激励信号进行欠采样，获得所述主动笔的激励信号的数字信号。
对应上述方法，本申请实施例还提供一种对主动笔的信号进行处理的触控屏，所述触控屏包括：
信号采集与解调模块，用于使用预设采样率对接收的主动激励信号进行欠采样，获得所述主动笔的激励信号的数字信号，并对所述主动笔的激励信号的数字信号进行解调，得到解调信号；
信号处理模块，用于根据所述解调信号的幅值与相位计算触控坐标并输出所述触控坐标。
本申请实施例还提供一种主动笔，所述主动笔发送主动激励信号至对应的触控屏，并令所述触控屏使用预设采样率对接收的所述主动笔的激励信号进行欠采样，获得所述主动笔的激励信号的数字信号。
由以上技术方案可见，本申请实施例主动笔发送主动激励信号至触控屏，触控屏使用预设采样率对接收的主动激励信号进行欠采样，获得所述主动笔的激励信号的数字信号，并对所述主动笔的激励信号的数字信号进行解调，得到解调信号。从而，根据所述解调信号的幅值与相位计算触控坐标，并输出所述触控坐标。因此，本申请可更大范围避开干扰复杂和严重的噪声频段，提高信噪比，同时也间接降低了模数转换中的采样率、节约成本、降低功耗。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是示例性主动笔的构成示意图；
图2是本申请触控系统架构一范例的示意图；
图3是本申请触控系统工作流程一范例的示意图；
图4是本申请一种主动笔的信号处理方法的一些实施例的流程图；
图5是本申请一种主动笔的信号处理方法的另一些实施例的流程图；
图6是本申请一种主动笔的信号处理方法的一些实施例的流程图；
图7是本申请模数转换器的采样原理示意图；
图8是本申请一种对主动笔的信号进行处理的触控屏一些实施例的示意图。
具体实施方式
本申请实施例主动笔发送主动激励信号至触控屏，触控屏使用预设采样率对接收的主动激励信号进行欠采样，获得所述主动笔的激励信号的数字信号，并对所述主动笔的激励信号的数字信号进行解调，得到解调信号。从而，根据所述解调信号的幅值与相位计算触控坐标，并输出所述触控坐标。因此，本申请可更大范围避开干扰复杂和严重的噪声频段，提高信噪比，同时也间接降低了模数转换中的采样率、节约成本、降低功耗。
当然，实施本申请实施例的任一技术方案必不一定需要同时达到以上的所有优点。
为了使本领域的人员更好地理解本申请实施例中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请实施例中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其它实施例，都应当属于本申请实施例保护的范围。
下面结合本申请实施例附图进一步说明本申请实施例具体实现。
在示例性实施例的以下描述，参考由其所附的附图，其中通过图解方式示出的特定实施例可被实践。它要理解的是，其它实施例可以使用和结构的改变可以由不脱离各种实施例的范围。
本申请所述主动笔示例性的可为触控笔，其它的输入装置和/或指示设备可用于本申请各种实施例。
图1示出示例性使用的主动笔100的结构图，主动笔100包括笔身101，笔尖102，内部信号驱动电路103，电池104。所述电池104为所述信号驱动电路103供电，所述信号驱动电路103产生主动激励信号发送至所述笔尖102。所述主动笔的激励信号通过所述笔尖102与对应的触控传感器形成的电容，耦合至所述触控屏。所述主动笔的激励信号携带有触控笔100的压力信息，按键信息等，所述触控屏检测解调出这些信息用于智能手机，平板电路，笔记本电脑或其它类似触控设备的输入装置。
本申请所述触控屏为具有电容敏感表面的面板，其它具有电容敏感表面，可感测物体触控或悬停的面板可用于本申请各种实施例。
图2是本申请触控系统架构200一范例的示意图，由手指或触控笔203触控对应的触控屏。所述触控屏包括多个驱动传感器通道201，多个感应传感器通道202，多路开关选择器205和206，驱动电路208，信号采集与解调模块207和用来实现控制与数字处理算法的信号处理模块209。
图3是本申请触控系统工作流程300一范例的示意图。触控系统开始进入工作状态(301)，需确定用户是通过手指还是触控笔进行触控操作，即触控系统的工作模式。根据预设协议，触控屏循环扫描是否存在触控操作(302)。判断是否有触控笔进行触控操作(303)。若探测到有触控笔进行触控操作，则触控系统处于触控笔触控模式(304)。触控系统开始同步信号，检测解调信号，输出信息。若没有探测到有触控笔进行触控操作，则触控系统处于手指触控模式(305)。另外，触控系统也可处于手指和触控笔同时工作状态。
其中，手指触控模式可分为自容检测模式和互容检测模式。工作在自容检测模式时，所述信号处理模块209控制所述多路开关选择器206使所述感应传感器通道Sx 202接地。所述信号处理模块209控制所述驱动电路208输出驱动信号，经所述多路开关选择器205和206同时发送至所述驱动传感器通道Dx 201和信号采集与解调模块207。通过扫描驱动传感器通道Dx 201，可检测触控屏有效区域任意触控点204的自容变化，最后信号处理模块209根据自容变化量计算出触控点Y轴坐标。同理，信号处理模块209控制所述多路开关选择器205使驱动传感器通道Dx 201接地，信号处理模块209控制驱动电路208输出驱动信号。经多路开关选择器205和206同时进入感应传感器通道Sx 202和信号采集与解调模块207，通过扫描感应传感器通道Sx202，可检测触控屏有效区域任意触控点204的自容变化，最后信号处理模块209根据自容变化量计算出触控点X轴坐标。如此信号处理模块209得到触控屏有效区域任意触控点的完整坐标并输出。工作在互容检测模式时，利用所述感应传感器通道Sx 202与驱动传感器通道Dx 201在交点处形成互容，信号处理模块209控制驱动电路208经多路开关选择器205发送驱动信号到驱动传感器通道Dx 201，信号处理模块209控制多路开关选择器206选择互电容耦合过来的信号进入信号采集与解调模块207。此处所述驱动信号可以单个序列扫描，也可以分组扫描。所述信号处理模块209通过不断扫描驱动传感器通道Dx 201和感应传感器通道Rx 202,可检测触控屏有效区域任意触控点204的互容变化，然后根据互容变化量计算出X和Y轴坐标并输出。手指触控模式下，驱动电路208产生信号可为方波、正弦波、三角波但不限于此类波形。
其中，工作在主动笔触控模式时，信号处理模块209控制多路开关选择器206使感应传感器通道Sx 202接地，在触控屏有效区域任意触控点204触控驱动传感器通道Dx201与主动笔203笔尖形成互容。主动笔100发送驱动信号，经互容、多路开关选择器205和206进入信号采集与解调模块207。信号处理模块209通过不断扫描驱动传感器通道Dx 201的互容变化量可计算出Y轴坐标。同理，信号处理模块209控制多路开关选择器205使驱动传感器通道Dx 201接地，在触控屏有效区域任意触控点204触控感应传感器通道Sx 202与主动笔203笔尖形成互容。主动笔203发送驱动信号，经互容、多路开关选择器206进入信号采集与解调模块207。所述信号处理模块209通过不断扫描驱动传感器通道Sx 201的互容变化量可计算出X轴坐标。如此信号处理模块209并得到触控屏有效区域任意触控点的完整坐标并输出。主动笔驱动信号可为方波、正弦波、三角波但不限于此类波形。
参见图4，本申请提供一种主动笔的信号处理方法，应用于与所述主动笔对应的触控屏，包括：
S1、使用预设采样率对接收的主动激励信号进行欠采样，获得所述主动笔的激励信号的数字信号，并对所述主动笔的激励信号的数字信号进行解调，得到解调信号。
具体地，所述主动笔发送主动激励信号至对应的触控屏。所述触控屏使用预设采样率对接收的主动激励信号进行欠采样。为了实现对接收的所述主动笔的激励信号进行欠采样，可采用提高所述主动笔的激励信号的频率或者带宽，并减小所述预设采样率fs的方式；或者，采用保持所述主动笔的激励信号的频率或者带宽，并减小所述预设采样率fs的方式；或者，采用减小所述主动笔的激励信号的频率或者带宽，并减小所述预设采样率fs的方式。
可选地，本申请采取保持所述主动笔的激励信号的频率或者带宽，并减小所述预设采样率fs的方式，从而实现对模拟信号进行欠采样处理。这种具体实施方式相对于提高所述主动笔的激励信号的频率或者带宽，并减小所述预设采样率fs的方式，可以降低所述主动笔的成本和功耗。
本申请使用低采样率对接收的所述主动笔的激励信号进行欠采样处理，从而实现将所述主动笔的激励信号从模拟信号转换为数字信号。之后对转换为数字信号的所述主动笔的激励信号进行解调处理，得到解调信号。
具体地，所述主动笔的激励信号进行欠采样获得的数字信号的频率与所述解调使用的参考信号的频率相同。所述解调使用的参考信号的频率降低，可降低数据量，降低存储容量要求，降低电路复杂度、成本，提高解调速度。
S2、根据所述解调信号的幅值与相位计算触控坐标，并输出所述触控坐标。
本申请利用所述解调信号的幅值与相位，进一步计算获得触控坐标，具体计算方式同工作在主动笔触控模式时相同，故在此不再赘述。
本申请实施例所述触控屏使用预设采样率对接收的主动激励信号进行欠采样，获得所述主动笔的激励信号的数字信号。从而实现更大范围避开干扰复杂和严重的噪声频段，提高信噪比，同时也间接降低了模数转换中的采样率、节约成本、降低功耗。
具体地，参见图5，所述步骤S1之前还包括：
S01、将所述主动笔的激励信号进行放大处理。
S02、滤除放大处理后的信号中的高频噪声。
所述步骤S1具体为：使用低采样率对滤除高频噪声后的信号进行欠采样处理，获得所述主动笔的激励信号的数字信号，并对所述主动笔的激励信号的数字信号进行解调，得到解调信号。
参见图6，本申请还提供一种主动笔的信号处理方法，应用于主动笔。所述方法包括：
T1、发送主动激励信号至对应的触控屏，并令所述触控屏使用低采样率对接收的所述主动笔的激励信号进行欠采样，获得所述主动笔的激励信号的数字信号。
具体地，所述主动笔的激励信号的频率高于所述触控屏的噪声干扰频段测量和计算获得的阈值。
由于目前电容触控屏在抗干扰上面对的最大挑战是抗充电器共模干扰和抗显示屏干扰。其中充电器带来的共模干扰在频谱来源上主要有市电工频及其谐波、开关电源开关频率及其谐波，而显示屏干扰则主要是显示屏刷新图像产生的行场刷新频率及其谐波。这些干扰信号同时或者分别作用于触控屏时，会在某些频段上出现较强的频谱分量，某些频段上出现相对较弱的频谱分量。通常在低频段频谱分布相对比较复杂，包含工频谐波、各种开关频率基频，此频段干扰相对严重，高频段工频谐波分量相对较小，主要是开关频率谐波干扰起主导。
触控屏通过耦合电容接收主动笔发送的信号，通常会耦合进来显示屏干扰信号，充电器共模干扰信号及显示屏干扰等噪音信号的频率较低，而触控屏的信号工作频率为几百kHz时容易受到这些噪音频率的干扰。
本申请根据触控屏应用环境的噪声干扰频段计算获得设定阈值，令所述主动笔产生频率更高的主动激励信号。从而，避开了显示屏干扰信号，充电器共模干扰信号等噪音信号的干扰。
在本申请具体实现中，所述主动笔的激励信号的频率接近所述低采样率的整数倍。
具体地，由于奈奎斯特采样定理指出信号采样频率至少要大于2倍最高信号频率，才能不失真地恢复出原始信号，Shannon信息论也指出采样频率是信号带宽的函数，当采样频率大于信号带宽两倍，可避免信号失真。本申请为了提高信号频率和降低模数转换器的采样频率要求，采样频率未大于信号带宽两倍，采用欠采样技术。参见图7，假设所述主动笔的激励信号是频率为fa的窄带信号502，采样信号501的采样频率为fs。采样信号501的采样频率fs略大于主动激励信号502的频率fa，也可略小于主动激励信号502的频率fa。由于采样频率不满足fs>2fa，信号会出现混叠。如图8中500示意出现了很多镜像信号，类似于模拟混频过程。其中出现在第一奈奎斯特区的信号503是采样信号501的采样频率fs与主动激励信号502的频率fa的求差项，出现在第四奈奎斯特区的信号504是采样信号501的采样频率fs与主动激励信号502的频率fa的求和项。本申请通过滤波器可滤除高频的求和项，取得低频的求差项，整个过程相当于把高频信号下变频到低频信号再通过模数转换器过采样。从图7中可看出，2倍频谐波采样率2fs与主动激励信号502的频率fa同样具有求差项、求和项，也就是说N倍频谐波采样率Nfs都可以用来做采样信号501的采样频率，其中N为自然数。但是，在选择主动激励信号502的工作频率fa时要满足采样信号501的采样频率Nfs不能是主动激励信号502的工作频率fa的整数倍，而是选择采样信号501的采样频率Nfs接近主动激励信号502的工作频率fa的整数倍。举例，模数转换器的采样频率fs为2.2MHz，那么主动激励信号502的工作频率fa不能选1.1MHz、2.2MHz等频率，可以选接近采样信号501的采样频率Nfs的频率，如2MHz，2.4MHz，4.2MHz，4.6MHz，6.4MHz，6.8MHz等。那么出现在第一奈奎斯特区的信号503的频率为200KHz，即采样信号501的采样频率fs与主动激励信号502的频率fa的求差项为200KHz，相当于利用采样信号501的采样频率fs为2.2MHz的模数转换器对工作频率fa为200KHz的主动激励信号502进行采样。
对应上述方法，参见图2及图8，本申请还提供一种对主动笔的信号进行处理的触控屏，包括：
信号采集与解调模块207，用于使用低采样率对接收的主动激励信号进行欠采样，获得所述主动笔的激励信号的数字信号，并对所述主动笔的激励信号的数字信号进行解调，得到解调信号。
信号处理模块209，用于根据所述解调信号的幅值与相位计算触控坐标并输出所述触控坐标。
在本申请具体实现中，参见图8，本申请采用信号采集与解调模块207实现对所述主动笔产生的主动激励信号的欠采样以及信号解调处理。所述信号采集与解调模块207包括：接收主动激励信号2071的放大器(PGA)2072，模拟滤波电路(AAF)2073，模数转换器(ADC)2074，数字解调单元2080。所述数字解调单元2080包括：第一数字乘法器2075和第二数字乘法器2076、第一数字滤波器2077和第二数字滤波器2078、数字解调器2079。本申请采用信号处理模块209来实现根据所述解调信号的幅值与相位计算触控坐标并输出所述触控坐标。
主动激励信号2071进入所述放大器(PGA)2072，所述放大器(PGA)2072将微小信号放大至最适合模数转换器(ADC)2074工作的幅度。所述模拟滤波电路(AAF)2073将放大信号中大部分高频噪声滤除，让有效信号进入所述模数转换器(ADC)2074。
所述模数转换器(ADC)2074对滤波后的信号进行欠采样处理，将模拟信号变成数字信号。所述数字信号经过第一数字乘法器2075和第二数字乘法器2076、第一数字滤波器2077和第二数字滤波器2078处理后进入数字解调器2079解调并计算出信号幅度、相位。
具体地，所述主动笔的激励信号进行欠采样获得的数字信号的频率与所述解调使用的参考信号的频率相同。所述解调使用的参考信号的频率降低，可降低数据量，降低存储容量要求，降低电路复杂度、成本，提高解调速度。
本申请所述信号处理模块209利用所述解调信号的幅值与相位，进一步计算获得触控坐标，具体计算方式同工作在主动笔触控模式时相同，故在此不再赘述。
具体地，所述放大器(PGA)2072为可编程放大器(PGA)，增益可调，可以是单端的也可以是差分的。所述模拟滤波电路(AAF)2073可以是有源滤波器但不限于有源滤波器。所述模数转换器(ADC)2074可以是通道独立的，也可以是共用通道的。
具体地，本申请所述数字解调单元2080包括：第一数字乘法器2075和第二数字乘法器2076、第一数字滤波器2077和第二数字滤波器2078、数字解调器2079，通过上述电路来实现数字信号的解调(即步骤S22)。所述模数转换器(ADC)2074输出信号为
Figure BDA0001264609090000091
其中fi为所述模数转换器(ADC)2074输出信号的频率，所述
Figure BDA0001264609090000092
为所述模数转换器(ADC)2074输出信号的相位。所述信号处理模块209本地输出一路参考信号cos(2πfLn)至所述第一数字乘法器2075输入端20751，所述信号处理模块209本地输出Q路参考信号-sin(2πfLn)至所述第二数字乘法器2076输入端20761。其中，fL为所述信号处理模块209本地输出解调参考信号的频率。所述第一数字乘法器2075的输出信号I和所述第二数字乘法器2076的输出信号Q分别如下式：
Figure BDA0001264609090000101
Figure BDA0001264609090000102
所述模数转换器(ADC)2074输出信号的频率fi与所述信号处理模块209本地输出解调参考信号的频率fL相同，fi＝fL，经过所述第一滤波器2077和所述第二2078滤掉和项，保留差项，得到的I、Q信号为矢量，最后所述数字解调器2079计算出解调信号的幅度和相位：
Figure BDA0001264609090000103
Figure BDA0001264609090000104
具体地，所述第一数字滤波器2077和所述第二2078可为低通滤波器。
所述信号处理模块209扫描检测所述解调信号的变化量，并通过算法计算判断是否有触控动作，触控屏有效区域触控点的坐标等，之后输出坐标到外部接口。
因此，使用本申请方法可显著提高所述主动笔的信号信噪比、达到提高触控精度，降低模数转换器成本和功耗的目的。
参见图1，本申请还提供一种主动笔。所述主动笔发送主动激励信号至对应的触控屏，并令所述触控屏使用低采样率对接收的所述主动笔的激励信号进行欠采样，获得所述主动笔的激励信号的数字信号。
具体地，所述主动笔的激励信号的频率高于所述触控屏的噪声干扰频段测量和计算获得的阈值。
在本申请具体实现中，所述主动笔的激励信号的频率接近所述低采样率的整数倍。
尽管已描述了本申请实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请实施例范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本申请实施例进行各种改动和变型而不脱离本申请实施例的精神和范围。这样，倘若本申请实施例的这些修改和变型属于本申请实施例权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请实施例也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种主动笔的信号处理方法，应用于与所述主动笔对应的触控屏，其特征在于，所述方法包括：
将所述主动笔的激励信号进行放大处理；
滤除放大处理后的信号中的高频噪声；
使用预设采样率对滤除高频噪声后的信号进行欠采样处理，其中，所述主动笔的激励信号的频率高于所述触控屏的噪声干扰频段测量和计算获得的阈值，所述主动笔的激励信号的频率接近所述预设采样率的整数倍，获得所述主动笔的激励信号的数字信号，并对所述主动笔的激励信号的数字信号进行解调，得到解调信号,欠采样获得的所述主动笔的激励信号的数字信号的频率与所述解调使用的参考信号的频率相同；
根据所述解调信号的幅值与相位计算触控坐标，并输出所述触控坐标。
2.一种主动笔的信号处理方法，应用于主动笔，其特征在于，所述方法包括：
发送主动笔的激励信号至对应的触控屏，所述主动笔的激励信号的频率令触控屏将所述主动笔的激励信号进行放大处理、滤除放大处理后的信号中的高频噪声、使用预设采样率对滤除高频噪声后的信号进行欠采样处理，获得所述主动笔的激励信号的数字信号，欠采样获得的所述主动笔的激励信号的数字信号的频率与所述触控屏对所述主动笔的激励信号的数字信号进行解调时使用的参考信号的频率相同；
其中，所述主动笔的激励信号的频率高于所述触控屏的噪声干扰频段测量和计算获得的阈值，所述主动笔的激励信号的频率接近所述预设采样率的整数倍。
3.一种触控屏，其特征在于，所述触控屏包括：
放大器，用于将主动笔的激励信号进行放大处理；
滤波电路，用于滤除放大处理后的信号中的高频噪声；
信号采集与解调模块，用于使用预设采样率对滤除高频噪声后的信号进行欠采样处理，其中，所述主动笔的激励信号的频率高于所述触控屏的噪声干扰频段测量和计算获得的阈值，获得所述主动笔的激励信号的数字信号，所述主动笔的激励信号的频率接近所述预设采样率的整数倍，并对所述主动笔的激励信号的数字信号进行解调，得到解调信号，所述主动笔的激励信号的数字信号的频率与所述解调使用的参考信号的频率相同；
信号处理模块，用于根据所述解调信号的幅值与相位计算触控坐标并输出所述触控坐标。
4.一种主动笔，其特征在于，所述主动笔发送主动笔的激励信号至对应的触控屏，所述触控屏将所述主动笔的激励信号进行放大处理、滤除放大处理后的信号中的高频噪声、使用预设采样率对滤除高频噪声后的信号进行欠采样处理，获得所述主动笔的激励信号的数字信号，欠采样获得的所述主动笔的激励信号的数字信号的频率与所述触控屏对所述主动笔的激励信号的数字信号进行解调时使用的参考信号的频率相同；
其中，所述主动笔的激励信号的频率高于所述触控屏的噪声干扰频段测量和计算获得的阈值，所述主动笔的激励信号的频率接近所述预设采样率的整数倍。
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