CN107291301A - 压电式三维触控输入模块及其驱动方法 - Google Patents

压电式三维触控输入模块及其驱动方法 Download PDF

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Abstract

本发明压电式三维触控输入模块及其驱动方法。触控输入模块包括压电传感器、投射电容传感器、投射电容传感器控制芯片、AD转换模块和微控制器，微控制器包含计算模块和判断模块。该投射电容传感器与投射电容传感器控制芯片连接，将操作的二维坐标(X，Y)方向传送至微控制器，压电传感器与AD转换模块连接，将压力信号(Z)方向转换成数字信号传送至微控制器，微控制器根据接收到(X，Y，Z)数据，通过计算来判断操作的位置，并通过Z的大小判断压力，避免误操作，再通过微控制器将计算结果传输至系统端。本发明结构紧凑简单，在保证触摸检测精度的前提下，实现三维多点操作，安全可靠，具有良好的人际交互体验。

Description

压电式三维触控输入模块及其驱动方法
技术领域
本发明属于终端技术领域，尤其涉及一种压电式三维触控输入模块及其驱动方法。
背景技术
传统触控技术包括一维的力度按压和二维的投射电容技术。投射电容触控技术是利用人体的电流感应工作的。当用户触摸电容屏时，由于人体电场，这个电流分别从屏的四个角上的电极中流出。理论上流经四个电极的电流与手指头到四角的距离成比例，控制器通过对四个电流比例的精密计算得出位置。但是在某些场景下，当与人体无意识接触电容屏时，也同样能触发产生误操作。由于一维(力度)和二维(投射电容技术)在原理上无法避免误操作的情况。因此在对操作精确性要求极高的领域存在使用风险，比如汽车，工业和医疗领域。
目前，针对一维(力度)和二维(投射电容技术)的不足，兴起压电触控的三维触控技术。压电触控技术是指在现有触摸产品平面操作的基础上增加第三种维度，即对按压力度进行感知。压力的大小可以由压电薄膜、压电陶瓷或者机械压力装置产生，这样结合“电信号”与“力信号”，通过微控制内部统一处理判断后直接输出系统能识别的信号。同时，也可以利用触控交互的“时间”维度来丰富新的交互方式，为人机交互开拓出了全新的空间，实现不同的应用。
然而，目前市场出现的三维触控技术，对于结构、组装和软体控制上有严格的要求，无法普遍推广。有鉴于上述的描述，本设计人积极加以研究创新，以期创设一种全新的三维触控输入模块及驱动方法，能够使用户在三个维度上感知自己的触控操作，同时还具备在时间维度上的延升，使其更具有产业上的利用价值。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种解决原有技术判断时间慢，判断不标准，且判断不准确的问题的压电式三维触控输入模块。本发明技术方案如下：
一种压电式三维触控输入模块，包括微控制器、与所述微控制器通信连接的压电传感器模块和投射电容传感器模块，所述压电传感器模块，将接收到的模拟的压力信号转换成数字信号，传输至微控制器，所述投射电容传感器模块，感应信号变化，将信号变化计算得到的二维数据传输出至微控制器，所述微控制器，通过接收压电传感器模块和投射电容传感器模块的信号，获得数据计算三维数据变化量，通过对比三维数据变化量与设定值判断输入行为的结果。
本发明压电式三维触控输入模块，进一步地，所述压电传感器模块包括AD转换模块、放大电路模块和压电传感器，放大电路模块与压电传感器相连，压电传感器输出的压力信号，经过放大电路模块放大信号量后与AD转换模块通信连接，将模拟的压力信号转换成数字信号，由AD转换模块将数字信号传输至微控制器。
本发明压电式三维触控输入模块，进一步地，所述投射电容传感器模块包括投射电容感应器和投射电容感应器控制芯片，所述投射电容感应器与投射电容感应器控制芯片通信连接，投射电容感应器将手指触摸时产生的信号变化传输至投射电容感应器控制芯片，投射电容感应器控制芯片经内部计算判断处理所得的二维数据传输至微控制器。
本发明压电式三维触控输入模块，进一步地，所述微控制器包括判断模块和计算模块，所述计算模块，用于对AD转换模块转换后的压力数字信号进行滤波算法处理，获得稳定压力数字信号，所述判断模块，用于判断计算模块获取到的稳定压力数字信号对应所处的预设压力区间。
本发明压电式三维触控输入模块，进一步地，设置一电源管理模块与所述微控制器通信连接，电源管理模块对微控制器进行电源管理。
本发明还提供一种压电式三维触控输入模块的驱动方法，
包括下述步骤：
压电传感器感应外界形变量，输出对应的压力感应信号，
放大电路模块将接收到的压力感应信号进行相应倍数的放大处理，
AD转换模块将放大电路模块处理后的压力信号转换成1024阶压力数字信号，
计算模块对1024阶压力数字信号进行滤波算法处理，获得稳定压力数字信号，
判断模块判断所述稳定压力数字信号对应所处的预设压力区间；
同时进行下述步骤：
投射电容感应器模块产生电容信号变化量传输至投射电容感应器控制芯片，
投射电容感应器控制芯片经计算判断处理所得的二维数据传输至微控制器，
终步骤：
微控制器将接收到的压电传感器模块和投射电容传感器模块的数据，根据设定的触发条件计算判断后将处理结果输出给系统端。
本发明驱动方法，进一步详述的，
设置压力最小值，通过压力最小值判定二维数据有效性，
设置二维数据变化量最小值，通过维数据变化量最小值判定压力值有效性。
本发明驱动方法，进一步详述的，
所述1024阶压力数字信号，设定0～100阶为轻按压无效区A区，100～1024阶为有效触摸区B区。
本发明驱动方法，更进一步详述的，
设定所述投射电容感应模块输出信号变化量为100，设定0～30为无效区C区，大于门槛值30为有效触摸区D区。
本发明驱动方法，更进一步详述的，同时处于所述有效触摸区B区和所述有效触摸区D区时，采集信号量持续时间t，经微处理器计算判断后，与设定的t的门槛值比对，当t超出门槛值，或者连续多次有效操作的时间间隔在设定范围内，微处理器执行预先设定的快捷操作，实现在X、Y、Z三轴外的t方向控制。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
①本发明通过用户作用于终端上的压力与触控操作，通过两种触发计算判断机制，经由微处理器后，可以判断用户在三个维度上的操作；
②本发明可以让用户在时间这个维度实现延伸，通过结合X、Y、Z及时间轴上的数据变化，实现极大的丰富交互体验。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明压电式三维触控模块原理框图；
图2是本发明压电式三维输入模块数据处理流程示意图；
图3a为未施加压力时的压电传感器工作原理示意图，
图3b是施加压力的压电传感器工作原理示意图。
图4是本发明压电传感器电荷放大电路；
图5a是本发明压力转化为位移曲线示意图；
图5b本发明位移电荷转化及电荷压力转化曲线示意图；
图6本发明在时间轴上操作延伸示意图。
图中各附图标记的含义如下。
10 微控制器 11 压电传感器模块
12 投射电容传感器模块 13 电源管理模块
101 判断模块 102 计算模块
111 AD转换模块 112 放大电路模块
113 压电传感器 121 投射电容感应器控制芯片
122 投射电容感应器
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
参见图1，本发明压电式三维触控输入模块，包括微控制器10、与所述微控制器10通信连接的压电传感器模块11和投射电容传感器模块12，所述压电传感器模块11，将接收到的模拟的压力信号转换成数字信号，相当于压力信号(Z)转换成数字信号传送至微控制器10。所述投射电容传感器模块12，感应信号变化，将信号变化计算得到的二维数据传输出至微控制器10，相当于二维(X，Y)数据。所述微控制器10，通过接收压电传感器模块11和投射电容传感器模块12的信号，获得数据计算三维数据变化量，通过对比三维数据变化量与设定值判断输入行为的结果。
通过上述将操作的二维坐标(X，Y)传送至微控制器，压电传感器113与AD转换模块111连接，将压力信号(Z)转换成数字信号传送至微控制器，微控制器根据接收到(X，Y，Z)数据，不仅可通过计算来判断操作的位置，而且可通过Z的大小判断压力，避免误操作，再通过微控制器将计算结果传输至系统端。由此可通过用户作用于终端上的压力与触控操作，通过两种触发计算判断机制，经由微处理器后，可以判断用户在三个维度上的操作。
为了进一步地优化本发明一维压力转化为稳定数字信号的技术效果，在本发明的一种实施方式中，在前述内容的基础上，所述压电传感器模块11包括AD转换模块111、放大电路模块112和压电传感器113，放大电路模块112与压电传感器113相连，压电传感器113输出的压力信号，经过放大电路模块112放大信号量后与AD转换模块111通信连接，将模拟的压力信号转换成数字信号，由AD转换模块111将数字信号传输至微控制器100。如图4所示，本发明所述放大电路原理图，压电传感器113产生的微小电荷变化，经过放大电路放大后，放大倍数可以根据需要设定，可以将压力的区间进行细分，精度更高。并且图图5a和图5b所示，由于压电传感器113，不同的压电材料特性不同，不同材料在发生形变时，电荷的变化量也不同，根据电荷变化量计算出施加的力的变化曲线也有不同，图5a是本发明压力转化为位移曲线示意图，图5b本发明位移电荷转化及电荷压力转化曲线示意图。
为了进一步地优化本发明二维数据传输的技术效果，在本发明的一种实施方式中，在前述内容的基础上，所述投射电容传感器模块12包括投射电容感应器122和投射电容感应器控制芯片121，所述投射电容感应器122与投射电容感应器控制芯片121通信连接，投射电容感应器122将手指触摸时产生的信号变化传输至投射电容感应器控制芯片121，投射电容感应器控制芯片121经内部计算判断处理所得的二维数据传输至微控制器10。
同样如图1可知所述微控制器10包括判断模块101和计算模块102，所述计算模块102，用于对AD转换模块111转换后的压力数字信号进行滤波算法处理，获得稳定压力数字信号，所述判断模块101，用于判断计算模块102获取到的稳定压力数字信号对应所处的预设压力区间。微控制器还可以根据施加力的大小，结合按压时间的长短，提供更丰富的交互体验。另外，根据压电材料的特性，当外界给压电材料施加一定的电压时，压电材料会产生上下的快速形变，即用户能接受到反馈，更进一步的提升操作体验。可设置一电源管理模块13与所述微控制器10通信连接，电源管理模块13对微控制器10进行电源管理，即将电源有效分配给系统的不同组件，负责对电能的变换、分配、检测及其他电能管理的职责。
综上，结合图3a和图3b所示，本发明压电传感器的工作原理图。图3a为未施加压力时的原理图，3b是施加压力的原理图。压电材料的受到压力作用时，其厚度发生变化，随之产生相应的电荷，这些电荷在上下电极积聚，从而产生与作用力大小相对应的电荷。使本发明装置将操作产生的压力，通过压电材料产生的形变(位移)输出电荷，电荷经过放大电路后，再把数据传输到AD转换模块111，通过电荷变化，经过计算模块102后量化成压力值。同时，投射电容感应模块12同步将手指操作产生的电容变化量通过投射电容控制器121传输到微控制器10.微控制器10根据同步接收到的压力信号与电容变化量，依据设定的触发条件及定义的功能，由微处理器10将处理的结构发送给系统端。如图6所示，单次有效触发F(x0，y0，z0)，如果触发持续时间G(t0)达到设定门槛值，或者与另外有效触发F(x1，y1，z1)时间G(t1)的时间间隔在一定范围内，系统可以定义快捷触发功能，使发明也可以进一步根据触发时的压力大小及触发时间长短，提供更丰富的操作体验。
参见图2，对本发明压电式三维触控输入模块的工作原理，即驱动方法进行说明：
S100，压电传感器113感应外界形变量，输出对应的压力感应信号。
S101，放大电路模块112将接收到的压力感应信号进行相应倍数的放大处理，可设置压力最小值，通过压力最小值判定二维数据有效性，设置二维数据变化量最小值，通过维数据变化量最小值判定压力值有效性。
S102，AD转换模块111将放大电路模块112处理后的压力信号转换成1024阶压力数字信号，所述1024阶压力数字信号，设定0～100阶为轻按压无效区A区，100～1024阶为有效触摸区B区。
S103，计算模块102对1024阶压力数字信号进行滤波算法处理，获得稳定压力数字信号。
S104，判断模块101判断所述稳定压力数字信号对应所处的预设压力区间；
同时进行下述步骤：
S200，投射电容感应器122模块产生电容信号变化量传输至投射电容感应器控制芯片121，设定所述投射电容感应模块12输出信号变化量为100，设定0～30为无效区C区，大于门槛值30为有效触摸区D区。
S201，投射电容感应器控制芯片121经计算判断处理所得的二维数据传输至微控制器10，
S300，微控制器10将接收到的压电传感器模块11和投射电容传感器模块12的数据，根据设定的触发条件计算判断后将处理结果输出给系统端。
应当说明的是，同时处于所述有效触摸区B区和所述有效触摸区D区时，根据信号量持续时间t的不同，经微处理器10计算判断后，在X、Y、Z三轴外，实现t方向控制。
由此，本发明通过用户作用于终端上的压力与触控操作，通过两种触发计算判断机制，经由微处理器后，可以判断用户在三个维度上的操作。此外，本发明可以让用户在时间这个维度实现延伸，通过结合X、Y、Z及时间轴上的数据变化，实现极大的丰富交互体验。以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种压电式三维触控输入模块，其特征在于：包括微控制器(10)、与所述微控制器(10)通信连接的压电传感器模块(11)和投射电容传感器模块(12)，
所述压电传感器模块(11)，将接收到的模拟的压力信号转换成数字信号，传输至微控制器(10)，
所述投射电容传感器模块(12)，感应信号变化，将信号变化计算得到的二维数据传输出至微控制器(10)，
所述微控制器(10)，通过接收压电传感器模块(11)和投射电容传感器模块(12)的信号，获得数据计算三维数据变化量，通过对比三维数据变化量与设定值判断输入行为的结果。
2.如权利要求1所述的压电式三维触控输入模块，其特征在于：所述压电传感器模块(11)包括AD转换模块(111)、放大电路模块(112)和压电传感器(113)，放大电路模块(112)与压电传感器(113)相连，压电传感器(113)输出的压力信号，经过放大电路模块(112)放大信号量后与AD转换模块(111)通信连接，将模拟的压力信号转换成数字信号，由AD转换模块(111)将数字信号传输至微控制器(100)。
3.如权利要求1所述的压电式三维触控输入模块，其特征在于：所述投射电容传感器模块(12)包括投射电容感应器(122)和投射电容感应器控制芯片(121)，所述投射电容感应器(122)与投射电容感应器控制芯片(121)通信连接，投射电容感应器(122)将手指触摸时产生的信号变化传输至投射电容感应器控制芯片(121)，投射电容感应器控制芯片(121)经内部计算判断处理所得的二维数据传输至微控制器(10)。
4.如权利要求1所述的压电式三维触控输入模块，其特征在于：所述微控制器(10)包括判断模块(101)和计算模块(102)，
所述计算模块(102)，用于对AD转换模块(111)转换后的压力数字信号进行滤波算法处理，获得稳定压力数字信号，
所述判断模块(101)，用于判断计算模块(102)获取到的稳定压力数字信号对应所处的预设压力区间。
5.如权利要求1所述的压电式三维触控输入模块，其特征在于：设置一电源管理模块(13)与所述微控制器(10)通信连接，电源管理模块(13)对微控制器(10)进行电源管理。
6.一种压电式三维触控输入模块的驱动方法，其特征在于：
包括下述步骤：
压电传感器(113)感应外界形变量，输出对应的压力感应信号，
放大电路模块(112)将接收到的压力感应信号进行相应倍数的放大处理，
AD转换模块(111)将放大电路模块(112)处理后的压力信号转换成1024阶压力数字信号，
计算模块(102)对1024阶压力数字信号进行滤波算法处理，获得稳定压力数字信号，
判断模块(101)判断所述稳定压力数字信号对应所处的预设压力区间；
同时进行下述步骤：
投射电容感应器(122)模块产生电容信号变化量传输至投射电容感应器控制芯片(121)，
投射电容感应器控制芯片(121)经计算判断处理所得的二维数据传输至微控制器(10)，
终步骤：
微控制器(10)将接收到的压电传感器模块(11)和投射电容传感器模块(12)的数据，根据设定的触发条件计算判断后将处理结果输出给系统端。
7.如权利要求6所述的驱动方法，其特征在于：
设置压力最小值，通过压力最小值判定二维数据有效性，
设置二维数据变化量最小值，通过维数据变化量最小值判定压力值有效性。
8.如权利要求6所述的驱动方法，其特征在于：所述1024阶压力数字信号，设定0～100阶为轻按压无效区A区，100～1024阶为有效触摸区B区。
9.如权利要求8所述的驱动方法，其特征在于：设定所述投射电容感应模块(12)输出信号变化量为100，设定0～30为无效区C区，大于门槛值30为有效触摸区D区。
10.如权利要求9所述的驱动方法，其特征在于：同时处于所述有效触摸区B区和所述有效触摸区D区时，采集信号量持续时间t，经微处理器(10)计算判断后，与设定的t的门槛值比对，当t超出门槛值，或者连续多次有效操作的时间间隔在设定范围内，微处理器(10)执行预先设定的快捷操作，实现在X、Y、Z三轴外的t方向控制。
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