CN110798194B - 一种电容式触摸多按键的快速检测方法及系统 - Google Patents

一种电容式触摸多按键的快速检测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明特别涉及一种电容式触摸多按键的快速检测方法，包括如下步骤：(A)任选一个触摸通道，对该触摸通道进行检测并获得检测结果；(B)对下一个触摸通道进行检测并获得检测结果，同时对前一个检测结果进行处理生成按键数据；(C)重复步骤B对所有的触摸通道进行循环检测和处理生成连续的按键数据；还公开了一种检测系统。通过调整检测方法，在获得当前触摸通道进行检测的同时，对前一个检测结果进行处理，这样就可以避免充放电扫描时隙带来的空闲等待期，保证了信号采集和数据处理的时间均匀性，提高数据可信度和按键检出的连续性。

Description

一种电容式触摸多按键的快速检测方法及系统
技术领域
本发明涉及信号处理及控制技术领域，特别涉及一种电容式触摸多按键的快速检测方法及系统。
背景技术
随着生活水平提高和技术发展，人们生活中的电子产品越来越多，尤其是家用电器相关设备，如电磁炉、微波炉、电饭煲等大量涌现。出于对输入更友善、外观更美观、易于清洁等需求，电容式触摸按键被越来越多的家用电器所采用；出于对功能更丰富、操作更简单等需求，电容式触摸按键的数量呈增长趋势；出于对短时间内响应单个或者多个按键等需求，电容式触摸按键的响应速度要求越来越高。
按键的响应速度是电容式触摸按键系统的重要指标，它代表电容式触摸按键对用户输入的快速响应能力。快速响应不仅仅是带来良好的用户体验，也能提升电器的功能性、安全性，比如在使用电磁炉进行烹饪时，火力大小、烹饪模式等触摸输入的快速响应，能够将厨师的烹饪意图与火候更好地融入到美食之中。
电容式触摸按键，通常是通过检测触摸元件(例如触摸弹簧)的电容的变化来判断触摸元件是否被触摸，而手指的触摸能改变触摸元件的电容值。通过对电容充放电时间的长短来检测电容的变化量，进而判断是否发生按键事件。
现有技术的不足之处在于：对多个按键按照固定串行流水线顺序执行，当按键较多时，检测所有按键的时间则会越来越长；由于电容充放电需要一定的时间(充放电扫描时隙)，控制器在等待充放电完成的过程中处于空闲阶段，随着按键数量的增加，空闲时间段也随之增加，进而影响按键的响应速度；通常采用的过程是先依次扫描每个按键，再集中对按键进行信号处理，这会导致扫描按键信号不连续，处理信号不连续，按键响应不及时。
常见的改进方法包括：提高控制器的主频，但是主频的增加意味着成本的增加以及系统不稳定性的增加；减少电容的充放电时间，充放电时间的减少可能导致能够检测的电容变化量太小，灵敏度降低；减少按键个数，按键个数的减少可能导致不能满足应用系统的功能要求。
发明内容
本发明的首要目的在于提供一种电容式触摸多按键的快速检测方法，快速、连续的实现按键检出。
为实现以上目的，本发明采用的技术方案为：一种电容式触摸多按键的快速检测方法，包括如下步骤：(A)任选一个触摸通道，对该触摸通道进行检测并获得检测结果；(B)对下一个触摸通道进行检测并获得检测结果，同时对前一个检测结果进行处理生成按键数据；(C)重复步骤B对所有的触摸通道进行循环检测和处理生成连续的按键数据。
与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：通过调整检测方法，在获得当前触摸通道进行检测的同时，对前一个检测结果进行处理，这样就可以避免充放电扫描时隙带来的空闲等待期，保证了信号采集和数据处理的时间均匀性，提高数据可信度和按键检出的连续性。
本发明的另一个目的在于提供一种电容式触摸多按键的快速检测系统，快速、连续的实现按键检出。
为实现以上目的，本发明采用的技术方案为：包括触摸检测单元、检测控制单元、数据存储单元、数据处理单元以及状态管理单元；触摸检测单元用于探测人体触摸；检测控制单元与触摸检测单元相连用于控制触摸通道进行检测；数据存储单元与检测控制单元相连用于存储检测控制单元和数据处理单元输出的数据；数据处理单元与数据存储单元相连用于对原始数据进行处理、检出得到按键数据；状态管理单元用于控制检测控制单元、数据存储单元、数据处理单元的工作状态。
与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：通过设置数据存储单元对检测控制单元和数据处理单元运行中产生的数据进行存储、导出，使得检测控制单元和数据处理单元可以独立同时运行，再通过状态管理单元管理检测控制单元、数据存储单元、数据处理单元的工作状态来协调各单元有序的交织运行，从而实现触摸按键的连续检出。
附图说明
图1是电容式人体触摸示意图；
图2是电极未被触摸及被触摸时的等效电路图；
图3是等效电路放电曲线与时间的关系；
图4是现有技术中常规检测系统的原理框图；
图5是本发明的快速检测系统的原理框图；
图6是本发明并行流水线工作示意图；
图7是并行流水线工作中的数据存储的示意图；
图8是并行流水线工作中的状态机图；
图9是程序流程图；
图10是根据图4检测原理产生的一个实施例的实际运行过程及运行时间示意图；
图11是根据图5检测原理产生的一个实施例的实际运行过程及运行时间示意图。
具体实施方式
下面结合图1至图11，对本发明做进一步详细叙述。
为了方便理解本发明的内容，这里首先对触摸按键检测的原理进行下介绍。
参阅图1，触摸检测元件如电极和其周围的导电体如地线、金属框等之间存在寄生电容Cp，当人体接近、触摸电极时，人体和电极之间通过手指产生新增的静电电容，即手指电容Cf，并通过可以导电的人体和大地连接。
电容式触摸按键的基本原理可以用RC电路放电特性解释，如图2所示。接上文所述，在触摸检测过程中，由充放电控制对触摸检测元件进行充电，以Vp来表示充电后的电压，当充电结束后转至放电模式时，在触摸检测元件未被触摸的情况下，触摸检测元件可以等效成如图2左侧所示的RC电路，也即，可以等效成如图2左侧所示的等效电阻R等效和等效电容C等效。其中，在触摸检测元件未被触摸的情况下，图2左侧中的等效电容C等效为寄生电容Cp，在这种情况下，假设充电结束后等效电容C等效上所充电压为5V，则其放电曲线形如图3中的曲线C2。其中，图3中的横轴为放电时间t，纵轴为放电阶段中等效电容C等效(或等效电阻R等效)在t时刻两端的电压U。
用公式表达此时的放电特性为：
其中，上式中的V0为初始放电电压，t表示放电时间，Vt表示放电时间为t时等效电容C等效两端的电压。
当充放电控制从充电模式变为放电模式，也即，当充电结束后触摸检测元件转至放电时，若此时触摸检测元件被触摸，则其等效电路变为图2右侧所示结构。也即，当手指触摸到触摸检测元件时，相当于在原有的电容Cp上并联了一个电容Cf，也即，等效电容C等效变为了Cp+Cf。
由前面的公式可知，当C等效变大时，e–t/(R等效C等效)也变大，因此在相同时刻t的电压Vt也变大了，于是，当触摸检测元件上存在触摸时，其放电曲线会变成如图4中的曲线C1。
需要注意的是，在图2中，充电时S1闭合、S2打开，如图中虚线所示，电流由Vp经过S1流向等效电容C等效，放电时则是S1打开、S2闭合，电流由等效电容C等效经过S2流向等效电阻R等效。
根据以上描述可知，在放电过程中的某时刻t1处，在触摸检测元件未被触摸的情况下其两端电压(也即，等效电容C等效上的电压)为如图4所示的V0(t1)，在触摸检测元件上存在触摸的情况下其两端电压则为如图4所示的V(t1)。数据处理单元可以基于V0(t1)与V(t1)之间的差异来判断传感单元是否被触摸。也即，当V0(t1)与V(t1)之间的差异高于一定值时，可以认为触摸检测元件的电容发生了改变，从而判断触摸检测元件上发生了触摸。
此外，也可以通过基于在放电过程中的某时刻t1处在传感单元未被触摸情况下和被触摸情况下分别流经触摸检测元件的电流之间的差异或者其他物理量，来判断传感单元是否被触摸，这是因为流经传感单元的电流与其端电压是成正比的，因此变化规律是类似的，故在此省略其详细描述。如上所述，由于电容充放电需要一定的时间，便产生了不可避免的充放电扫描时隙。
现有技术大多按照常规串行工作方式执行(准备—>启动—>等待—>处理—>检出)，结构大多如图4所示，其包括：
触摸检测单元，包含N个触摸检测通道，每个触摸检测通道都有对应的触摸检测元件，触摸检测元件可以为电极、弹簧、焊盘或其他类似可以实现触摸检测的器件；
检测控制单元，用以实现对不同触摸检测通道的通道切换控制、触摸检测的启动、充放电控制、等待结果产生、将结果进行存储；
数据处理单元，用来进行数据处理和按键检出。
所述的触摸检测元件可以为硬件电路及外围触摸器件，所述的检测控制单元、数据处理单元可以在中央处理单元上采用软件实现。基于图4所示电容式触摸多按键的常规检测触摸开关系统及电子装置的检测方法为：
步骤1：中央处理单元选定一个触摸通道，进行通道配置，启动该通道检测，进行充放电控制，等待充放电完成及结果产生，获取结果，将结果进行存储；
步骤2：中央处理单元对原始数据进行数据滤波、对基线数据进行更新、基于阈值数据和基线数据等进行协调计算，对按键按下的时间数据进行按键时间统计、对按键数据进行按键去抖处理，最后生成按键数据。
然后不断重复步骤1和步骤2，实现所有触摸按键的检测；或者先重复步骤1完成所有触摸按键的充放电和结果存储，然后再执行步骤2进行数据的处理。
由于充放电扫描时隙都是不可避免的，为了提高多按键的检测速度，现有串行处理技术多是尽量提高中央处理单元主频或者减少充放电时隙，或者说是尽量压缩串行工作模式下各个环节的工作时间。
图4所示的电容式触摸多按键的常规检测触摸开关系统及电子装置，存在的一个难点是几乎不能进行工作模式的转换：考虑到充放电等待完成后才有数据产生，进而才能进行数据处理，而充放电需要时间(充放电时隙)，于是数据处理前一定需要等待充放电完成(才有数据产生)，这就产生了空闲。因为数据是充放电时隙后产生的，所以充放电时隙期间，由于没有数据又不能做数据处理的工作，于是造成了时间浪费；不同于常规思路，本发明从多个触摸检测通道的全局扫描进行考虑，打乱单个触摸检测通道的串行工作模式，充分利用多个触摸检测通道的充放电时隙来让各个触摸检测通道各个流程交叉并行处理；存在的第二个难点是实现层面：传统串行处理模式下，从第1触摸检测通道到第N触摸检测通道，依次检测，每个触摸检测通道按照工作流程一步一步完成，不会出现冲突，相对软硬件较容易实现；而并行流水线处理模式下，在当前触摸检测通道检测时，既要处理上一个触摸检测通道的数据，又要准备下一个触摸检测通道的配置，需要对整体检测流程做合适的划分，需要使用状态机对软硬件各模块做管理，否则会逻辑混乱，反而适得其反；存在的第三个难点是数据存储：各个触摸检测通道交错并行流水线执行，各种数据如配置数据、原始数据、中间数据等都会参与运算之中，需要设计一种数据存储方式来避免数据使用过程中的混乱。
参阅图5，为了解决上述难点，本发明中公开了一种电容式触摸多按键的快速检测系统，包括触摸检测单元、检测控制单元、数据存储单元、数据处理单元以及状态管理单元；触摸检测单元用于探测人体触摸；检测控制单元与触摸检测单元相连用于控制触摸通道进行检测；数据存储单元与检测控制单元相连用于存储检测控制单元和数据处理单元输出的数据；数据处理单元与数据存储单元相连用于对原始数据进行处理、检出得到按键数据；状态管理单元用于控制检测控制单元、数据存储单元、数据处理单元的工作状态。通过设置数据存储单元对检测控制单元和数据处理单元运行中产生的数据进行存储、导出，使得检测控制单元和数据处理单元可以独立同时运行，再通过状态管理单元管理检测控制单元、数据存储单元、数据处理单元的工作状态来协调各单元有序的交织运行，从而实现触摸按键的连续检出。
具体地，所述的触摸检测单元包括N个触摸检测通道和触摸检测元件，每个触摸检测通道都有对应的触摸检测元件，触摸检测元件为电极或弹簧或焊盘或其他触摸元件；检测控制单元用于对不同触摸检测通道的通道切换、触摸检测的启动、充放电控制、等待触摸结果生成、结果获取以及结果存储。
参阅图7，优选地，所述的数据存储单元包括数据存储通道区和数据存储公共区，数据存储通道区包括所有触摸通道的通道数据，通道数据包括原始数据、基线数据、中间数据、时间数据、阈值数据和配置数据，数据存储公共区包括通道指针、通道状态以及按键数据。设置诸多通道数据，才能更合理的安排各单元的工作状态，避免并行检测时发生混乱。
具体地，所述的原始数据、基线数据、中间数据、时间数据、阈值数据和配置数据均为2个字节；通道指针为2个字节，其第一个字节存放上一个触摸通道的通道数据的地址空间，第二个字节存放当前通道的通道数据地址空间，这里说的地址空间为N个触摸检测通道数据地址空间中的任一个。通道状态为2个字节，其第一个字节存放上一个通道的工作状态，第二个字节存放当前通道的工作状态，通道工作状态包括空闲态、配置态、充放电态、处理态。
按键数据为m个字节，m＝roundup(N/8)，这里的roundup函数是对上取整的意思，我们知道1个字节是8bit，按键数据上的每1bit对应一个触摸通道有无触摸，当通道对应的bit为1时，表示该通道有触摸输入，当通道对应的bit为0时，表示该通道无触摸输入。所述的多个字节的计算方式为：假定16个触摸检测通道，则为2个字节一共16bit，从高到低分别表示触摸检测通道15、触摸检测通道14，直到触摸检测通道0；若触摸检测通道超过16个则依次再增加字节即可，比如按键数据一共为3个字节一共24bit时，那么最大可支持24个触摸检测通道的按键输出。
优选地，所述的数据处理单元通过去除极大值、去除极小值、滑动均值滤波、中值滤波、一阶滞后滤波中的一种或多种滤波方法对原始数据进行处理用于滤除数据里的噪声；数据处理单元通过比较滤波后的信号与设定的阈值来识别有无触摸、通过检测按键持续时间来进行按键去抖从而实现对按键数据的检出。还可以包括对基线进行更新，由于环境如温度湿度等的影响，基线会随着环境的变化而发生缓慢的变化，基线更新就是协调当前的基线、当前的信号、信号持续时间等综合计算来对基线进行适当的调整。这里将原始数据处理成按键数据是现有技术中比较成熟的方案，故而这里不再详细阐述。
本发明中还公开了一种电容式触摸多按键的快速检测方法，包括如下步骤：(A)任选一个触摸通道，对该触摸通道进行检测并获得检测结果；(B)对下一个触摸通道进行检测并获得检测结果，同时对前一个检测结果进行处理生成按键数据；(C)重复步骤B对所有的触摸通道进行循环检测和处理生成连续的按键数据。通过调整检测方法，在获得当前触摸通道进行检测的同时，对前一个检测结果进行处理，这样就可以避免充放电扫描时隙带来的空闲等待期，保证了信号采集和数据处理的时间均匀性，提高数据可信度和按键检出的连续性。
优选地，所述的步骤A为初始化阶段，其包括如下步骤：(S10)任选一个触摸通道，进行通道配置，启动该通道检测，进行充放电控制，等待充放电完成及结果产生，获取结果，将结果进行存储；所述的步骤B和C为循环检测阶段，其包括如下步骤：(S20)在执行步骤S10中结果存储的同时，进行原始数据存储及准备下一个触摸通道触摸检测的配置数据；(S30)启动对步骤S20中触摸通道的触摸检测，进行充放电控制；(S40)在执行步骤S30中充放电控制的同时，对上一个触摸通道的原始数据进行处理生成按键数据；(S50)等待步骤S30中充放电完成及结果产生，获取结果，将结果进行存储；(S60)重复步骤S20-S50对所有的触摸通道进行循环检测和处理生成连续的按键数据。
此时尽管充放电扫描时隙都依然还是不可避免的，每一次的触摸检测(充放电控制)依然是一个按键，N次触摸检测完成N个按键的检测。但是在检测当前触摸通道(比如第N-1触摸通道)时，会并行同步处理上个触摸通道(第N-2个)的数据，之后会准备下一个触摸通道(比如第N触摸通道)的配置信息。
以上步骤中，虽然编号了S10-S50，但各步骤之间不是按照先后顺序执行的，比如步骤S20和S30是同步执行的，步骤S30和S40是同步执行的。下面的描述中，也是同样的道理，所以在描述步骤时，采用了步骤编号，但实际举例时，不一定参照步骤编号进行描述，而是参照实际的运行先后顺序进行表述的。
参阅图6，优选地，包括三条并列交织运行的第一流水线、第二流水线以及第三流水线；
所述的步骤S10的详细步骤如下：(S11a)任选一个触摸通道，由第一流水线进行该触摸通道的触摸准备工作，第二流水线将该触摸通道的配置准备工作以配置数据的形式进行存储；(S11b)由第一流水线对该触摸通道的充放电进行启动；(S11c)由第三流水线对该触摸通道的充放电进行控制，等待充放电完成，第三流水线在充放电完成后获取触摸检测结果并存储；
所述的步骤S20-S60的详细步骤如下：(S21)由于本步骤会承接步骤S11c，也可能承接步骤S51，为了后续描述的准确性，记前一步骤中触摸通道的编号为k-1；由第二流水线对第k-1触摸通道的触摸检测结果存储为原始数据；同时，由第一流水线进行第k触摸通道的触摸准备工作，由第二流水线将第k触摸通道的配置准备工作以配置数据的形式进行存储；(S31)由第一流水线进行第k触摸通道的充放电启动；(S41)由第三流水线对第k触摸通道的充放电进行控制，等待充放电完成；由第一流水线对第k-1触摸通道的原始数据进行处理、检出；由第二流水线对第k-1触摸通道的中间数据和按键数据进行存储和输出；(S51)由第三流水线在第k触摸通道充放电完成后获取触摸检测结果并存储；(S61)重复步骤S21-S51对所有的触摸通道进行循环检测和处理生成连续的按键数据。
图6中展示了一种电容式触摸多按键快速检测并行流水线工作示意图，通过状态机管理来实现三条流水线各个环节的有序配合，通过数据结构及数据管理了实现多个触摸检测通道的数据有序存储，通过第一流水线、第二流水线、第三流水线及初始单元、流水线处理单元1到流水线处理单元N实现了工作模式的转换，实现了将各个触摸检测通道的工作流程、并行工作过程的恰当划分与控制，实现了虽然当前触摸检测通道在充放电时隙不能处理当前触摸检测通道的数据(因为充放电完成后，数据才产生)，但是在下一个触摸检测通道充放电时隙可以进行处理。
使用上述方法的优点可以包括避免在常规电容式多按键串行检测操作方法中存在的大量充放电时隙及数据存储与配置准备时隙(大量的等待空闲)。与将大量中央处理单元时间耗尽在大量的等待空闲中的常规解决方案形成鲜明对比，所述并行流水线处理方法将原本不可避免的时隙被用来执行上一个触摸检测通道的数据处理及下一个触摸检测通道的准备，大大缩短循环处理时间，提高了效率，同时中央处理单元也可以被进一步地释放出来进行其他的高级服务和通信功能。
初始化阶段选择第N触摸检测通道，同时开始第1触摸检测通道的准备，循环阶段从第1触摸检测通道、第2触摸检测通道直到第N触摸检测通道，最后回到第1触摸检测通道。也可以选择初始化阶段为第1触摸检测通道，同时开始第2触摸检测通道的准备，循环阶段从第2触摸检测通道、第3触摸检测通道直到第1触摸检测通道，最后回到第2触摸检测通道。
下面以步骤S10中任选第N触摸通道、一共有N个触摸通道、按照N-1-2-3…-N这样的顺序进行触摸检测为例对以上步骤详细阐述。
初始化阶段：
由所述第一流水线进行第N触摸检测通道的触摸准备工作；由所述第二流水线将第N触摸检测通道的配置准备工作以配置数据的形式进行存储；
由所述第一流水线对第N触摸检测通道的充放电进行启动；
由所述第三流水线对第N触摸检测通道的充放电进行控制，等待充放电完成；
需要注意的是，由所述第三流水线对第N触摸检测通道的充放电进行控制，等待充放电完成的充放电时隙是一个空闲态。
循环阶段：
循环单元由第1到第N流水线单元组成，第一流水线单元到第N流水线单元检测完成后，回到第1流水线单元循环检测。
如图6所示流水处理单元1中，包括两个并行流水线过程：
过程1：由所述第三流水线对第N触摸检测通道(上一通道)的充放电完成后的触摸检测结果进行获取、存储；接着由所述第二流水线对第N触摸检测通道(上一通道)的触摸检测结果存储为原始数据；与此同时，由所述第一流水线进行第1触摸检测通道(当前通道)的触摸准备工作；由所述第二流水线将第1触摸检测通道(当前通道)的配置准备工作以配置数据的形式进行存储；所述第一流水线进行第1触摸检测通道(当前通道)的充放电启动。
过程2：由所述第三流水线对第1触摸检测通道(当前通道)的充放电进行控制，等待充放电完成；由所述第一流水线对第N触摸检测通道(上一通道)的原始数据进行处理、检出；由所述第二流水线对第N触摸检测通道(上一通道)的中间数据、按键数据进行存储。
需要注意的是：在初始化单元中，由所述第三流水线对第N触摸检测通道的充放电进行控制，等待充放电完成的充放电时隙是一个空闲态：在流水线处理单元中，由所述第三流水线对第1触摸检测通道的充放电进行控制，等待充放电完成的充放电时隙是一个工作状态，在常规方法中被浪费的充放电时隙已被有效利用。
如图6所示流水处理单元2中，包括两个并行流水线过程：
过程1：由所述第三流水线对第1触摸检测通道(上一通道)的充放电完成后的触摸检测结果进行获取、存储；接着由所述第二流水线对第1触摸检测通道(上一通道)的触摸检测结果存储为原始数据；与此同时，由所述第一流水线进行第2触摸检测通道(当前通道)的触摸准备工作；由所述第二流水线将第2触摸检测通道(当前通道)的配置准备工作以配置数据的形式进行存储；由所述第一流水线进行第2触摸检测通道(当前通道)的充放电启动。
过程2：由所述第三流水线对第2触摸检测通道(当前通道)的充放电进行控制，等待充放电完成；由所述第一流水线对第1触摸检测通道(上一通道)的原始数据进行处理、检出；由所述第二流水线对第1触摸检测通道(上一通道)的中间数据、按键数据进行存储。
如图6所示流水处理单元3中，包括两个并行流水线过程：
过程1：由所述第三流水线对第2触摸检测通道(上一通道)的充放电完成后的触摸检测结果进行获取、存储；接着由所述第二流水线对第2触摸检测通道(上一通道)的触摸检测结果存储为原始数据；与此同时，由所述第一流水线进行第3触摸检测通道(当前通道)的触摸准备工作；由所述第二流水线将第3触摸检测通道(当前通道)的配置准备工作以配置数据的形式进行存储；由所述第一流水线进行第3触摸检测通道(当前通道)的充放电启动。
过程2：由所述第三流水线对第3触摸检测通道(当前通道)的充放电进行控制，等待充放电完成；由所述第一流水线对第2触摸检测通道(上一通道)的原始数据进行处理、检出；由所述第二流水线对第2触摸检测通道(上一通道)的中间数据、按键数据进行存储。
以此类推，在如图所示流水处理单元4到流水处理单元N-1中，进行后续通道的准备、启动、处理、检出。
如图所示流水处理单元N中，包括两个并行流水线过程：
过程1：由所述第三流水线对第N-1触摸检测通道(上一通道)的充放电完成后的触摸检测结果进行获取、存储；接着由所述第二流水线对第N-1触摸检测通道(上一通道)的触摸检测结果存储为原始数据；与此同时，由所述第一流水线进行第N触摸检测通道(当前通道)的触摸准备工作；由所述第二流水线将第N触摸检测通道(当前通道)的配置准备工作以配置数据的形式进行存储；由所述第一流水线进行第N触摸检测通道(当前通道)的充放电启动。
过程2：由所述第三流水线对第N触摸检测通道(当前通道)的充放电进行控制，等待充放电完成；由所述第一流水线对第N-1触摸检测通道(上一通道)的原始数据进行处理、检出；由所述第二流水线对第N-1触摸检测通道(上一通道)的中间数据、按键数据进行存储。
回到流水处理单元1中，开始循环检测。
参阅图7和图8，为了保证执行过程中数据存储的可靠性，本发明中优选地，数据存储结构包括数据存储通道区和数据存储公共区，所述数据存储通道区包括所有触摸通道的通道数据，数据存储公共区包括通道指针、通道状态以及按键数据，通道状态包括空闲态、配置态、充放电态和处理态；
所述的步骤S10的详细步骤如下：(S12a)任选一个触摸通道，由第二流水线将数据存储公共区的当前通道的通道指针指向该触摸通道数据地址空间，由第一流水线进行该触摸通道的触摸准备工作，第二流水线将数据存储公共区的当前通道的通道状态切换为配置态；(S12b)由第一流水线对该触摸通道的充放电进行启动，由第二流水线将数据存储公共区的当前通道状态切换为充放电态；(S12c)由第三流水线对该触摸通道的充放电完成后的触摸检测结果进行获取、存储；由第二流水线将数据存储公共区的当前通道状态切换为存储态；
所述的步骤S20-S60的详细步骤如下：(S22)记前一步骤中触摸通道的编号为k-1，由所述第二流水线将数据存储公共区的通道指针指向第k-1个从而将第k-1触摸通道的触摸检测结果存储为原始数据；同时，由第一流水线进行第k触摸通道的触摸准备工作，由第二流水线将数据存储公共区的通道状态切换为配置态；(S32)由第一流水线进行第k触摸通道的充放电启动，由第二流水线将数据存储公共区的通道状态切换为充放电态；(S42)由第三流水线对第k触摸通道的充放电进行控制，等待充放电完成；由第一流水线对第k-1触摸通道的原始数据进行处理、检出；由第二流水线将数据存储公共区的通道状态切换为处理态；(S52)由第三流水线对第k触摸通道的充放电完成后的触摸检测结果进行获取、存储；由第二流水线将数据存储公共区的通道状态切换为存储态；(S62)重复步骤S22-S52对所有的触摸通道进行循环检测和处理生成连续的按键数据。
图8所示为并行流水线工作的状态机图，为更方便地理解状态切换，初始化阶段选择第N触摸检测通道，同时开始第1触摸检测通道的准备，循环阶段从第1触摸检测通道、第2触摸检测通道直到第N触摸检测通道，最后回到第1触摸检测通道。也可以选择初始化阶段为第1触摸检测通道，同时开始第2触摸检测通道的准备，循环阶段从第2触摸检测通道、第3触摸检测通道直到第1触摸检测通道，最后回到第2触摸检测通道。
下面以步骤S10中任选第N触摸通道、一共有N个触摸通道、按照N-1-2-3…-N这样的顺序进行触摸检测为例对以上步骤详细阐述。
初始化阶段：
由所述第二流水线将数据存储公共区的当前通道的通道指针指向第N触摸检测通道数据地址空间(当前通道)；由所述第一流水线进行第N触摸检测通道(当前通道)的触摸准备工作；由所述第二流水线将数据存储公共区的当前通道的通道状态切换为配置态；
接着，由所述第一流水线进行第N触摸检测通道(当前通道)的充放电启动；由所述第二流水线将数据存储公共区的当前通道的通道状态切换为充放电态。
所述第1触摸检测通道、第2触摸检测通道，直到第N触摸检测通道均为空闲态；
需要注意的是：在初始化阶段中，当第N触摸检测通道处于充放电态时，等待充放电完成的充放电时隙是一个空闲态，因为其他触摸检测通道均处于空闲态。
循环阶段：
循环阶段由扫描第1触摸检测通道、扫描第2触摸检测通道，直到扫描第N触摸检测通道完成后，回到第1触摸检测通循环扫描。
如图8所示扫描第1触摸检测通道(当前通道)时，在状态管理单元控制下：
由所述第二流水线将数据存储公共区的上一通道的通道指针指向第N触摸检测通道数据地址空间(上一通道)；由所述第三流水线对第N触摸检测通道(上一通道)的充放电完成后的触摸检测结果进行获取、存储；由所述第二流水线对存储公共区的上一通道的通道状态切换为存储态；
与此同时，由所述第一流水线进行第1触摸检测通道(当前通道)的触摸准备工作；由所述第二流水线将数据存储公共区的当前通道的通道状态切换为配置态；
接着，由所述第一流水线进行第1触摸检测通道(当前通道)的充放电启动；由所述第二流水线将数据存储公共区的当前通道的通道状态切换为充放电态。
与此同时，由所述第一流水线对第N触摸检测通道(上一通道)的原始数据进行处理、检出；由所述第二流水线将数据存储公共区的上一通道的通道状态切换为处理态。
需要注意的是：在初始化阶段中，当第N触摸检测通道处于充放电态时，等待充放电完成的充放电时隙是一个空闲态，因为其他触摸检测通道均处于空闲态；但是在循环阶段中，当第1触摸检测通道处于配置态时，等待存储完成的存储时隙是一个工作状态，因为第N触摸检测通道处于存储态，存储时隙已被有效利用；当第1触摸检测通道处于充放电态时，等待充放电完成的充放电时隙是一个工作状态，因为第N触摸检测通道处于处理态，充放电时隙已被有效利用。
如图8所示扫描第2触摸检测通道(当前通道)时，在状态管理单元控制下：
由所述第二流水线将数据存储公共区的上一通道的通道指针指向第1触摸检测通道数据地址空间(上一通道)；由所述第三流水线对第1触摸检测通道(上一通道)的充放电完成后的触摸检测结果进行获取、存储；由所述第二流水线对存储公共区的上一通道的通道状态切换为存储态；
与此同时，由所述第一流水线进行第2触摸检测通道(当前通道)的触摸准备工作；由所述第二流水线将数据存储公共区的当前通道的通道状态切换为配置态；
接着，由所述第一流水线进行第2触摸检测通道(当前通道)的充放电启动；由所述第二流水线将数据存储公共区的当前通道的通道状态切换为充放电态。
与此同时，由所述第一流水线对第1触摸检测通道(上一通道)的原始数据进行处理、检出；由所述第二流水线将数据存储公共区的上一通道的通道状态切换为处理态。
如图8所示扫描第3触摸检测通道(当前通道)时，在状态管理单元控制下：
由所述第二流水线将数据存储公共区的上一通道的通道指针指向第2触摸检测通道数据地址空间(上一通道)；由所述第三流水线对第2触摸检测通道(上一通道)的充放电完成后的触摸检测结果进行获取、存储；由所述第二流水线对存储公共区的上一通道的通道状态切换为存储态；
与此同时，由所述第一流水线进行第3触摸检测通道(当前通道)的触摸准备工作；由所述第二流水线将数据存储公共区的当前通道的通道状态切换为配置态；
接着，由所述第一流水线进行第3触摸检测通道(当前通道)的充放电启动；由所述第二流水线将数据存储公共区的当前通道的通道状态切换为充放电态。
与此同时，由所述第一流水线对第2触摸检测通道(上一通道)的原始数据进行处理、检出；由所述第二流水线将数据存储公共区的上一通道的通道状态切换为处理态。
以此类推，在如图8所示流水处理单元4，直到流水处理单元N-1中，依次进入配置态、充放电态、存储态、处理态、空闲态。
如图8所示，扫描第N触摸检测通道(当前通道)时，在状态管理单元控制下：
由所述第二流水线将数据存储公共区的上一通道的通道指针指向第N-1触摸检测通道数据地址空间(上一通道)；由所述第三流水线对第N-1触摸检测通道(上一通道)的充放电完成后的触摸检测结果进行获取、存储；由所述第二流水线对存储公共区的上一通道的通道状态切换为存储态；
与此同时，由所述第一流水线进行第N触摸检测通道(当前通道)的触摸准备工作；由所述第二流水线将数据存储公共区的当前通道的通道状态切换为配置态；
接着，由所述第一流水线进行第N触摸检测通道(当前通道)的充放电启动；由所述第二流水线将数据存储公共区的当前通道的通道状态切换为充放电态。
与此同时，由所述第一流水线对第N-1触摸检测通道(上一通道)的原始数据进行处理、检出；由所述第二流水线将数据存储公共区的上一通道的通道状态切换为处理态。
回到扫描第1触摸检测通道，开始循环检测。
图9为程序流程图，程序流程图包括初始化工作流程和循环检测工作流程。所述初始化工作流程包括对选择用做初始化工作的触摸配置、然后启动该通道的触摸扫描、等待扫描(充放电)完成；所述循环检测工作流程包括对上一通道的数据存储，针对第一流水线、第二流水线、第三流水线的状态管理，通道切换，触摸配置，然后启动该通道的触摸扫描，等待扫描(充放电)完成(与此同时完成数据处理、按键检出)。
本发明中的系统和方法，不但避免了充放电扫描时隙带来的空闲等待期，同时保证了信号采集和数据处理的时间均匀性，从而保证了数据的可信度与按键检出的连续性，下面结合图10和图11来详细的阐述本发明的优点。
参阅图10，图中的○(圆圈)表示的是触摸初始化和充放电等待，△(三角)表示的是数据处理和按键检出，第1触摸检测通道到第N触摸检测通道全部检测完成时表示为扫描一轮完成。
在第一轮扫描过程中，首先依次扫描第1触摸检测通道到第N触摸检测通道的触摸初始化和充放电等待，然后再依次进行第1触摸检测通道到第N触摸检测通道数据处理和按键检出，触摸初始化、充放电等待、数据处理和按键检出全部完成时为一轮扫描完成。在一种实施实例中，当触摸检测通道为4路时，在1000ms内能够完成大约125轮的扫描；当触摸检测通道为8路时，在1000ms内能够完成大约63轮的扫描。
参阅图11，图中的○(圆圈)表示的过程1配置态和充放电态，△(三角)表示的过程2存储态和处理态，第1触摸检测通道到第N触摸检测通道全部检测完成时表示为扫描一轮完成。
除去在初始阶段，仅仅对第N触摸检测通道进行过程1配置态和充放电态外；在后续的循环检测阶段，再进行上一通道的过程1配置态和充放电态的同时进行当前通道的过程2存储态和处理态，从图中○(圆圈)和△(三角)的分布来看，采用并行流水线时间交织方法的触摸检测更均匀，数据的可信度更高，按键的输出也更平滑，更为重要的是效率提高，极大地加快了检测速度。在一种实施实例中，当触摸检测通道为4路时，在1000ms内能够完成大约1111轮的扫描；当触摸检测通道为8路时，在1000ms内能够完成大约487轮的扫描。相较于现有方案，可以发现有非常大的提升。
尽管本文中的方法的操作按照特定的顺序示出和描述，但是可以改变每个方法的操作的顺序，从而使得特定操作可以按照相反的顺序执行，或者使得特定操作可以至少部分地与其它操作同时执行。在另一实施例中，不同操作的指令或子操作可以是间歇和/或交替的方式。
在前述说明书中，已经参照本发明的具体示例实施例描述了本发明。然而，对所述示例实施例进行各种修改和变化将是显而易见的，而不会背离所附权利要求中阐述的本发明的更广的精神和范围。因此，所述说明书和附图被认为是例示性的，而不是限制性的。

Claims (7)

1.一种电容式触摸多按键的快速检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
（A）任选一个触摸通道，对该触摸通道进行检测并获得检测结果；
（B）对下一个触摸通道进行检测并获得检测结果，同时对前一个检测结果进行处理生成按键数据；
（C）重复步骤B对所有的触摸通道进行循环检测和处理生成连续的按键数据；
所述的步骤A为初始化阶段，其包括如下步骤：
（S10）任选一个触摸通道，进行通道配置，启动该通道检测，进行充放电控制，等待充放电完成及结果产生，获取结果，将结果进行存储；
所述的步骤B和C为循环检测阶段，其包括如下步骤：
（S20）在执行步骤S10中结果存储的同时，进行原始数据存储及准备下一个触摸通道触摸检测的配置数据；
（S30）启动对步骤S20中触摸通道的触摸检测，进行充放电控制；
（S40）在执行步骤S30中充放电控制的同时，对上一个触摸通道的原始数据进行处理生成按键数据；
（S50）等待步骤S30中充放电完成及结果产生，获取结果，将结果进行存储；
（S60）重复步骤S20-S50对所有的触摸通道进行循环检测和处理生成连续的按键数据；
包括三条并列交织运行的第一流水线、第二流水线以及第三流水线；
所述的步骤S10的详细步骤如下：
（S11a）任选一个触摸通道，由第一流水线进行该触摸通道的触摸准备工作，第二流水线将该触摸通道的配置准备工作以配置数据的形式进行存储；
（S11b）由第一流水线对该触摸通道的充放电进行启动；
（S11c）由第三流水线对该触摸通道的充放电进行控制，等待充放电完成，第三流水线在充放电完成后获取触摸检测结果并存储；
所述的步骤S20-S60的详细步骤如下：
（S21）记前一步骤中触摸通道的编号为k-1，由第二流水线对第k-1触摸通道的触摸检测结果存储为原始数据；同时，由第一流水线进行第k触摸通道的触摸准备工作，由第二流水线将第k触摸通道的配置准备工作以配置数据的形式进行存储；
（S31）由第一流水线进行第k触摸通道的充放电启动；
（S41）由第三流水线对第k触摸通道的充放电进行控制，等待充放电完成；由第一流水线对第k-1触摸通道的原始数据进行处理、检出；由第二流水线对第k-1触摸通道的中间数据和按键数据进行存储和输出；
（S51）由第三流水线在第k触摸通道充放电完成后获取触摸检测结果并存储；
（S61）重复步骤S21-S51对所有的触摸通道进行循环检测和处理生成连续的按键数据。
2.如权利要求1所述的电容式触摸多按键的快速检测方法，其特征在于：数据存储结构包括数据存储通道区和数据存储公共区，所述数据存储通道区包括所有触摸通道的通道数据，数据存储公共区包括通道指针、通道状态以及按键数据，通道状态包括空闲态、配置态、充放电态和处理态；
所述的步骤S10的详细步骤如下：
（S12a）任选一个触摸通道，由第二流水线将数据存储公共区的当前通道的通道指针指向该触摸通道数据地址空间，由第一流水线进行该触摸通道的触摸准备工作，第二流水线将数据存储公共区的当前通道的通道状态切换为配置态；
（S12b）由第一流水线对该触摸通道的充放电进行启动，由第二流水线将数据存储公共区的当前通道状态切换为充放电态；
（S12c）由第三流水线对该触摸通道的充放电完成后的触摸检测结果进行获取、存储；由第二流水线将数据存储公共区的当前通道状态切换为存储态；
所述的步骤S20-S60的详细步骤如下：
（S22）记前一步骤中触摸通道的编号为k-1，由所述第二流水线将数据存储公共区的通道指针指向第k-1个从而将第k-1触摸通道的触摸检测结果存储为原始数据；同时，由第一流水线进行第k触摸通道的触摸准备工作，由第二流水线将数据存储公共区的通道状态切换为配置态；
（S32）由第一流水线进行第k触摸通道的充放电启动，由第二流水线将数据存储公共区的通道状态切换为充放电态；
（S42）由第三流水线对第k触摸通道的充放电进行控制，等待充放电完成；由第一流水线对第k-1触摸通道的原始数据进行处理、检出；由第二流水线将数据存储公共区的通道状态切换为处理态；
（S52）由第三流水线对第k触摸通道的充放电完成后的触摸检测结果进行获取、存储；由第二流水线将数据存储公共区的通道状态切换为存储态；
（S62）重复步骤S22-S52对所有的触摸通道进行循环检测和处理生成连续的按键数据。
3.一种电容式触摸多按键的快速检测系统，应用如权利要求1-2任意一项所述一种电容式触摸多按键的快速检测方法，其特征在于：包括触摸检测单元、检测控制单元、数据存储单元、数据处理单元以及状态管理单元；
触摸检测单元用于探测人体触摸；
检测控制单元与触摸检测单元相连用于控制触摸通道进行检测；
数据存储单元与检测控制单元相连用于存储检测控制单元和数据处理单元输出的数据；
数据处理单元与数据存储单元相连用于对原始数据进行处理、检出得到按键数据；
状态管理单元用于控制检测控制单元、数据存储单元、数据处理单元的工作状态。
4.如权利要求3所述的电容式触摸多按键的快速检测系统，其特征在于：所述的触摸检测单元包括N个触摸检测通道和触摸检测元件，每个触摸检测通道都有对应的触摸检测元件，触摸检测元件为电极或弹簧或焊盘；检测控制单元用于对不同触摸检测通道的通道切换、触摸检测的启动、充放电控制、等待触摸结果生成、结果获取以及结果存储。
5.如权利要求4所述的电容式触摸多按键的快速检测系统，其特征在于：所述的数据存储单元包括数据存储通道区和数据存储公共区，数据存储通道区包括所有触摸通道的通道数据，通道数据包括原始数据、基线数据、中间数据、时间数据、阈值数据和配置数据，数据存储公共区包括通道指针、通道状态以及按键数据。
6.如权利要求5所述的电容式触摸多按键的快速检测系统，其特征在于：所述的原始数据、基线数据、中间数据、时间数据、阈值数据和配置数据均为2个字节；通道指针为2个字节，其第一个字节存放上一个触摸通道的通道数据的地址空间，第二个字节存放当前通道的通道数据地址空间；通道状态为2个字节，其第一个字节存放上一个通道的工作状态，第二个字节存放当前通道的工作状态；按键数据为m个字节，m=roundup(N/8)，按键数据上的每个比特对应一个触摸通道有无触摸。
7.如权利要求6所述的电容式触摸多按键的快速检测系统，其特征在于：所述的数据处理单元通过去除极大值、去除极小值、滑动均值滤波、中值滤波、一阶滞后滤波中的一种或多种滤波方法对原始数据进行处理用于滤除数据里的噪声；数据处理单元通过比较滤波后的信号与设定的阈值来识别有无触摸、通过检测按键持续时间来进行按键去抖从而实现对按键数据的检出。
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