CN113504847A - 基于fpga的电容触摸屏信号采样系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种基于FPGA的电容触摸屏信号采样系统及方法，属于触摸屏技术领域。所述系统包括：屏接收信号连接器，用于获取屏接收信号；片选信号模块，用于根据FPGA控制模块下发的选通指令依次进行多路屏接收信号并行选通；电荷转移法测量电路，用于并行接收多路屏接收信号，并将所述多路屏接收信号转换为多路模拟信号并行发送到ADC采样模块；所述ADC采样模块，用于并行接收所述多路模拟信号，并分别将每一路模拟信号转换成差分数字信号发送到FPGA控制模块；FPGA控制模块，用于对每一路差分数字信号进行解码，并对解码获得的数据进行处理。本发明方案提出的系统结构简单可靠，可灵活应用于各种尺寸的电容触摸屏中，且极大提高了电容触摸屏的响应速率。

Description

基于FPGA的电容触摸屏信号采样系统及方法

技术领域

本发明涉及触摸屏技术领域，具体地涉及一种基于FPGA的电容触摸屏信号采样系统及一种基于FPGA的电容触摸屏信号采样方法。

背景技术

随着智能设备技术发展和广泛运用，智能设备的控制方法越来越多的采用触屏控制方法，利用人体的电流感应进行工作的电容触屏技术便是其中应用非常广泛的一种技术。对于不同尺寸和分辨率的电容触摸屏，其屏传感器的感应接收通道数不同，如何快速地接收并处理来自这些通道上的模拟信号十分关键，对于减小触摸的响应时间，提高触摸屏的触摸性能，有着显著的意义。在传统的电容触摸屏中，主要采用按序串行接收所有通道信号，这种方法对于小尺寸的电容触摸屏来说，因为需要处理的模拟信号很少，触控响应速度还能够满足需求。但随着技术发展，电容触摸屏的分辨率和尺寸越来越大，多点同时触控的方式越来越多。

对于大尺寸的电容触摸屏，其接收通道数量较多，需要接收和处理的模拟信号较多，若采用按序串行接收所有通道信号的电路，虽然所用到的元器件个数少、电路板面积小，但处理数据耗时太久，效率低；若采用同时并行接收所有通道信号的电路，虽耗时少，但所需元器件数量多，导致电路板面积大，资源浪费多，成本高，功耗大。基于上述现有大尺寸电容触摸屏模拟信号处理存在的诸多问题，需要创造一种新的基于FPGA的电容触摸屏信号采样系统及方法。

发明内容

本发明实施方式的目的是提供一种基于FPGA的电容触摸屏信号采样系统及方法，以至少解决目前电容触摸屏技术无法适应电容触摸屏增大化和控制复杂化的问题。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种基于FPGA的电容触摸屏信号采样系统，所述系统基于FPGA和多通道高速ADC构建，所述系统包括：屏接收信号连接器，用于获取屏接收信号；片选信号模块，用于根据FPGA控制模块下发的选通指令依次进行多路屏接收信号并行选通；电荷转移法测量电路，用于并行接收所述多路屏接收信号，并将所述多路屏接收信号转换为多路模拟信号并行发送到ADC采样模块；所述ADC采样模块，用于并行接收所述多路模拟信号，并分别将每一路模拟信号转换成差分数字信号发送到所述FPGA控制模块；所述FPGA控制模块，用于对每一路差分数字信号进行解码，并对解码获得的数据进行处理。

可选的，所述FPGA控制模块包括为m个纵向信号电极提供激励信号，m≥2；所述电容触摸屏包括n个横向接收信号电极，n≥2；m和n的数值由所述电容触摸屏的尺寸和分辨率决定。

可选的，所述片选信号模块包括多个片选芯片，所述多个片选芯片连接在所述屏接收信号连接器后端，用于并行的选通屏接收信号。

可选的，所述电荷转移法测量电路包括一个多通道总线模拟开关和多个运算放大器。

可选的，所述运算放大器为轨到轨运算放大器。

可选的，所述多通道高速ADC采样模块选用型号为ADS52J90的模数转换芯片，所述模数转换芯片包括多个模数转换电路；所述模数转换芯片内包含16个ADC，可配置为8、16、32通道模拟信号输入模式；每个ADC可配置成10bit、12bit、14bit三种模式；所述模数转换芯片的通道输入模式由需要传输的模拟信号的路数决定。

本发明第二方面提供一种基于FPGA的电容触摸屏信号采样方法，所述方法应用于上述的电容触摸屏的信号系统，所述方法包括：S1)获取屏接收信号；S2)按照电容触摸屏的接收信号电极的数量和顺序，从获取的屏接收信号中依次选择对应路数的屏接收信号进行处理，获得多路模拟信号；S3)对各路模拟信号进行处理，获得各路模拟信号对应的差分数字信号，S4)对各路差分数字信号进行解码，并对解码获得的数据进行处理；S5)重复步骤S2)-S4)，直到完成获取的所有屏接收信号的处理。

可选的，步骤S2)中，所选择的屏接收信号的路数由所述电容触摸屏的片选信号模块中的片选芯片决定。

另一方面，本发明提供一种计算机可读储存介质，该计算机可读存储介质上储存有指令，其在计算机上运行时使得计算机执行上述的电容触摸屏信号采样方法。

通过上述技术方案，将传统按序串行接收所有通道信号的方法修改为并行进行多路信号传输了处理的方法，对应选择需要的元器件进行逐一并行连接。利用FPGA控制模块进行各元器件工作控制，将屏接收信号进行多路并行传输并最终处理成为差分模拟信号，以供触控位置定位。提高了触控信号采样的传输和处理速度，从而提高了电容触摸屏的响应速率。本发明所选择的各模块元器件通用性高，可充分兼顾运行速度与元器件数量、电路板尺寸、成本、功耗等因素，灵活将该本发明的方案运用于不同尺寸和分辨率的电容触摸屏中。

本发明实施方式的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施方式的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施方式，但并不构成对本发明实施方式的限制。在附图中：

图1是本发明一种实施方式提供的基于FPGA的电容触摸屏信号采样系统的硬件电路结构示意图；

图2是本发明一种实施方式提供的基于FPGA的电容触摸屏信号采样方法的步骤流程图。

附图标记说明

10-FPGA控制模块；20-屏接收信号连接器；30-片选信号模块；

40-电荷转移法测量电路；50-ADC采样模块。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

对于不同尺寸和分辨率的电容触摸屏，其屏传感器的感应接收通道数不同，如何快速地接收并处理来自这些通道上的模拟信号十分关键，这样才能为后续的一系列数据处理与运算提供充足的时间，从而减小触摸的响应时间，提高触摸屏的触摸性能。在较小尺寸的电容触摸屏中，屏传感器感应通道数较少，故需要接收和处理的模拟信号较少，电路设计也较为简单；对于大尺寸的电容触摸屏，其接收通道数量较多，需要接收和处理的模拟信号较多，若采用按序串行接收所有通道信号的电路，虽然所用到的元器件个数少、电路板面积小，但处理数据耗时太久，效率低；若采用同时并行接收所有通道信号的电路，虽耗时少，但所需元器件数量多，导致电路板面积大，资源浪费多，成本高，功耗大。本发明方案采用多路信号并行传输和处理的方案，对应选择需要的传输和处理原器件，构建出新的基于FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)和多通道高速ADC(analog todigital converter，模拟数字转换器)的电容触摸屏驱动系统，使得电容触摸屏的采样速率更快，触控响应时间更短。且电路灵活可变，可应用于大、中、小尺寸的电容触摸屏中。

图1是本发明一种实施方式提供的基于FPGA和多通道高速ADC的电容触摸屏的结构示意图。如图1所示，本发明实施方式提供一种基于FPGA和多通道高速ADC的电容触摸屏，所述电容触摸屏包括：屏接收信号连接器20，用于获取屏接收信号；片选信号模块30，用于根据FPGA控制模块10下发的选通指令依次进行多路屏接收信号并行选通；电荷转移法测量电路40，用于并行接收所述多路屏接收信号，并将所述多路屏接收信号转换为多路模拟信号并行发送到ADC采样模块50；所述ADC采样模块50，用于并行接收所述多路模拟信号，并分别将每一路模拟信号转换成差分数字信号发送到所述FPGA控制模块10；所述FPGA控制模块10，用于对每一路差分数字信号进行解码，并对解码获得的数据进行处理。

优选的，所述FPGA控制模块10包括m个纵向激励信号电极，m≥2；所述电容触摸屏包括n个横向接收信号电极，n≥2；m和n的数值由所述电容触摸屏的尺寸和分辨率决定。

在本发明实施例中，电容触摸屏技术是利用人体的电流感应进行工作的，当手指触摸在金属层上时，由于人体电场，用户和触摸屏表面形成以一个耦合电容，对于高频电流来说，电容是直接导体，于是手指从接触点吸走一个很小的电流。这个电流分别从触摸屏的四角上的电极中流出，并且流经这四个电极的电流与手指到四角的距离成正比，控制器通过对这四个电流比例的精确计算，得出触摸点的位置。在触摸检测时，自电容屏依次分别检测横向与纵向电极阵列，根据触摸前后电容的变化，分别确定横向坐标和纵向坐标，然后组合成平面的触摸坐标。自电容的扫描方式，相当于把触摸屏上的触摸点分别投影到X轴和Y轴方向，然后分别在X轴和Y轴方向计算出坐标，最后组合成触摸点的坐标。其中，X轴便是FPGA控制模块10为电容触摸屏提供激励信号电极，Y轴便是电容触摸屏的屏板上的电容触摸屏接收信号电极。X轴与Y轴垂直相交，其中，当手指触摸到电容屏时，影响了触摸点附近两个电极之间的耦合，从而改变了这两个电极之间的电容量。检测互电容大小时，横向的电极依次发出激励信号，纵向的所有电极同时接收信号，这样可以得到所有横向和纵向电极交汇点的电容值大小，即整个触摸屏的二维平面的电容大小。然后根据触摸屏二维电容变化量数据，可以计算出每一个触摸点的坐标。

基于上述，在电容触摸屏的触摸屏上进行定位的点是两个电极的交点，所以想要保证触摸屏电极的准确性，需要保证触摸屏上有足够的多的电极交点。FPGA控制模块10为电容触摸屏提供m个纵向的激励信号电极，m≥2；电容触摸屏的屏板包括n个横向的电容触摸屏接收信号电极，n≥2；m和n垂直交叉分布，形成多个交点，交点的数量，由应用的触摸屏的尺寸和分辨率决定。触摸屏的尺寸越大，需要定位的触摸点也就越多，则需要的电极交点也就越多，所以需要配置更多的激励信号电极和电容触摸屏接收信号电极，以保证触摸屏的各个位置被触摸式，均能被识别和定位。当触摸屏的分辨率越高，对于后续的触点精准度也就越高，也就需要更为密集的电极交点，一方面缩小同类电极的间距，另一方面便需要增多激励信号电极和电容触摸屏接收信号电极的数量。

优选的，所述片选信号模块30包括多个片选芯片，所述多个片选芯片并联连接在所述屏接收信号连接器20后端。

在本发明实施例中，在传统的电容触摸屏中，采用的是按序串行接收所有通道信号的电路，当触摸屏存在触发信号后，需要根据触发顺序进行逐一的信号处理，这很难实现触摸屏的同时的多点触控。随着触控方式的普及，对于触控的精准度、及时性和多触点同时触控均有了更好的需求。当触摸屏的尺寸和分辨率越来越大，需要进行的触控复杂度也越来越高，传统的串行处理方式已经无法适应需求。本发明提出的方案，便是将串行改为并行，在触摸屏后端连接一个屏接收信号连接器20，将触发的所有屏接收信号进行收集，然后传输到片选信号模块30。片选信号模块30包括有多个片选芯片，每一个片选芯片均为多选一模式。片选芯片的设置数量由电容触摸屏接收信号电极数量决定，因为理论上单次信号触发的最大数量便为电容触摸屏接收信号电极数量，所以在考虑理论上最大同时触发的前提下，保证有足够多的信号通路进行接通。例如，电容触摸屏接收信号电极的数量为30，则选择4个8选1的片选芯片，共提供32个通道便可符合要求。选择的片选芯片并行连接在屏接收信号连接器20后端，以便于屏接收信号连接器20获取到屏接收信号后，并行传输到片选信号模块30。所有的片选芯片由FPGA控制模块10统一控制，由触发顺序依次选通，一次性选通的路数与片选芯片数量相等。选通执行时，一次性将对应路数的屏接收信号传输到电荷转移法测量电路40。可保证采集的屏接收信号进行多路并行传输，便于后续的并行处理，摆脱了传统按序串行的信号传输和处理方式，提高了数据处理速度，从而极大提高触控的响应速度。

优选的，所述电荷转移法测量电路40包括一个多通道总线模拟开关和多个运算放大器。

在本发明实施例中，屏接收信号无法作为处理数据进行定量分析，需要获得将屏接收信号转换为对应的数字信号。首先通过总线模拟开关进行多路屏接收信号获取，然后通过运算放大器进行将各路的屏接收信号处理成为强度合适的模拟信号。对应获得多路模拟信号，然后将获得的多路模拟信号通过模拟总线开关发送到ADC采样模块50，便于将模拟信号处理成为数字信号。为了实现多通道信号的并行处理，优选的将模拟总线开关设置为多通道总线模拟开关，总线模拟开关的通道数量需要大于或等于并行处理模拟信号的路数。且运算放大器也需要设置为多通道运算放大器，因为运算放大器的通道数量往往很少，所以为了应对并行多通道处理，优选的并接多个运算方法器，且保证多有运算放大器的通道总数大于或等于并行处理模拟信号的路数。

优选的，所述运算放大器为轨到轨运算放大器。

在本发明实施例中，采集的屏接收信号强度微弱，无法用于后续电容值大小比较，需要对信号进行放大，然后在足够强度的信号下，电容差值才能体现出来。所以需要用到运算放大器。因为激励信号和接收的信号本身微弱，常规的运算放大器进行放大后的信号依旧无法满足强度需求，则优选的使用轨到轨运算放大器进行信号处理。轨到轨运算放大器可以允许输入电位在从负电源到正电源的整个区间变化，甚至稍微高于正电源或稍微低于负电源也被允许。使得处理后的模拟信号的强度符合处理需求，便于体现最终的对比差值。

优选的，所述多通道高速ADC采样模块50选用型号为ADS52J90的模数转换芯片，所述模数转换芯片包括多个模数转换电路；所述模数转换芯片内包含16个ADC，可配置为8、16、32通道模拟信号输入模式；每个ADC可配置成10bit、12bit、14bit三种模式；所述模数转换芯片的通道输入模式由需要传输的模拟信号的路数决定。

在本发明实施例中，上述已知，需要将屏接收信号最终处理成为数字信号，则通过电荷转移法测量电路40后，将多路模拟信号并行传输到ADC采样模块50。因为需要保证ADC采样模块50进行多路模拟信号的并行输入，所以需要保证ADC采样模块50的输入通道数量足够。优选的，本发明提出的ADC采样模块50选择的模数转换芯片为ADS52J90，该芯片是一款低功耗、高性能的16通道模数转换器，芯片内包含16个ADC。该芯片一共存在3种通道输入模式，分别为8、16、32通道，便于应对不同数量的并行模拟信号输入。例如，若同时进行的是14路并行模拟信号传输，则需要将通道模式调整为16通道，以便于14路模拟信号并行输入。每个ADC又可以配置成10bit、12bit、14bit三种模式；其中，10bit模式下的转换速率最高可达100MSPS，12bit模式下的转换速率最高可达80MSPS，14bit模式下的转换速率最高可达64MSPS，能满足大部分采样电路的需求。通过ADC采样模块50将所有模拟信号处理成为差分数字信号后，并行传输到FPGA控制模块10，FPGA控制模块10便可对获得的多路差分数字信号进行解码和处理，获得对应电容值大小情况，然后定位到对应的触控点。

本发明方案通过并行传输和并行处理的电路设计，选择尺寸和功率均很小的芯片作为过程中的处理原件，每个步骤的元器件与上个步骤的元器件进行并行连接，保证多路信号的传输和处理均能够同时进行。摆脱了传统串接模式需要逐一处理的弊端，适用于触控复杂，信号量大的电容触摸屏信号采样。使得整个信号采样速率快，触摸响应时间短，用户体验更佳。

图2是本发明一种实施方式提供的一种电容触摸屏信号采样方法的方法流程图。如图2所示，本发明实施方式提供一种电容触摸屏信号采样方法，所述方法包括：

步骤S10：获取屏接收信号；

步骤S20：按照电容触摸屏的接收信号电极的数量和顺序，从获取的屏接收信号中依次选择对应路数的屏接收信号进行处理，获得多路模拟信号；

步骤S30：对各路模拟信号进行处理，获得各路模拟信号对应的差分数字信号；

步骤S40：对各路差分数字信号进行解码，并对解码获得的数据进行处理；

步骤S50：重复步骤S20-S40，直到完成获取的所有屏接收信号的处理。

优选的，所述依次选择固定数量的屏接收信号进行并行传输，其中，每次进行并行传输的屏接收信号路数由片选信号模块30中的片选芯片决定。

在本发明实施例中，因为后续并行处理和传输的信号路数有限，当获取到屏接收信号后，无法保证所有的屏接收信号一并处理，所以需要分批次进行选通。根据采集的接收信号的电容触摸屏接收信号电极顺序，选择序号排前的一组屏接收信号进行传输，并在下一个传输时间节点对应在上一组屏接收线号的最后一个屏接收信号的下一个屏接收信号进行下一组屏接收信号传输。每一组的屏接收信号数量，有后续的片选信号模块30中的片选芯片决定，即后续提供的通道数量决定。

在一种可能的实施方式中，在一个21.5英寸，分辨率为1920*1080的电容触摸屏进行本发明方案提供的方案进行构建。确定纵向的激励信号电极和电容触摸屏接收信号电极的数量分别为41和71。综合考虑采样速率、触摸响应时间、元器件数量、功耗等因素后，在片选接收模块选用了9个8选1的片选芯片；在电荷转移法测量电路40中，选用了1个具有10通道的总线模拟开关与3个具有4通道的轨自轨运算放大器，在实现功能的同时，也大大节省了电路板的空间；多通道高速ADC采样模块50则选用的是型号为ADS52J90的模数转换芯片；FPGA控制模块10根据资源大小寻找合适的型号，在本实例中选择的是K7系列的FPGA。FPGA为电容触摸屏提供41个通道的激励信号；9个8选1片选器同时并行工作，接收电容触摸屏Sensor传输到接收端连接器的71路模拟信号Y1至Y71，9个片选器的选通使能EN_S由FPGA统一控制，由000～111依次选通，则一次性可并行的选通9路屏接收信号，并并行传输到电荷转移法检测电路模块；经过电荷转移法检测电路模块，一次性并行输出9路模拟信号AD_IN_1～AD_IN_9至后端的信号采样电路；将ADS52J90配置成16通道、10bit模式，则可一次性接收这9路模拟信号，且采样率最高可达到100MSPS，ADC将这9路模拟信号转换成差分的数字信号输出给FPGA，FPGA对每个通道的差分信号进行解码，并对解码后的数据进行处理。对比现有技术下，同等尺寸和同等分辨率的电容触摸屏，在相同的触控动作下，本发明方案提出的基于FPGA和多通道高速ADC的电容触摸屏响应速度更快。

本发明实施方式还提供一种计算机可读储存介质，该计算机可读存储介质上储存有指令，其在计算机上运行时使得计算机执行上述的基于FPGA的电容触摸屏信号采样方法。

本领域技术人员可以理解实现上述实施方式的方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器(processor)执行本发明各个实施方式所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上结合附图详细描述了本发明的可选实施方式，但是，本发明实施方式并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施方式的技术构思范围内，可以对本发明实施方式的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施方式的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施方式对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施方式的思想，其同样应当视为本发明实施方式所公开的内容。

Claims (9)

1.一种基于FPGA的电容触摸屏信号采样系统，其特征在于，所述系统基于FPGA和多通道高速ADC构建，所述系统包括：

屏接收信号连接器，用于获取屏接收信号；

片选信号模块，用于根据FPGA控制模块下发的选通指令依次进行多路屏接收信号并行选通；

电荷转移法测量电路，用于并行接收所述多路屏接收信号，并将所述多路屏接收信号转换为多路模拟信号并行发送到ADC采样模块；

所述ADC采样模块，用于并行接收所述多路模拟信号，并分别将每一路模拟信号转换成差分数字信号发送到所述FPGA控制模块；

所述FPGA控制模块，用于对每一路差分数字信号进行解码，并对解码获得的数据进行处理。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA的电容触摸屏信号采样系统，其特征在于，

所述FPGA控制模块包括为m个纵向信号电极提供激励信号，m≥2；所述电容触摸屏包括n个横向接收信号电极，n≥2；

m和n的数值由所述电容触摸屏的尺寸和分辨率决定。

3.根据权利要求1所述的基于FPGA的电容触摸屏信号采样系统，其特征在于，所述片选信号模块包括多个片选芯片，所述多个片选芯片连接在所述屏接收信号连接器后端，用于并行的选通屏接收信号。

4.根据权利要求1所述的基于FPGA的电容触摸屏信号采样系统，其特征在于，所述电荷转移法测量电路包括一个多通道总线模拟开关和多个运算放大器。

5.根据权利要求4所述的基于FPGA的电容触摸屏信号采样方法，其特征在于，所述运算放大器为轨到轨运算放大器。

6.根据权利要求1所述的基于FPGA的电容触摸屏信号采样系统，其特征在于，所述多通道高速ADC采样模块选用型号为ADS52J90的模数转换芯片，所述模数转换芯片包括多个模数转换电路；

所述模数转换芯片内包含16个ADC，可配置为8、16、32通道模拟信号输入模式；

每个ADC可配置成10bit、12bit、14bit三种模式；

所述模数转换芯片的通道输入模式由需要传输的模拟信号的路数决定。

7.一种基于FPGA的电容触摸屏信号采样方法，所述方法应用于权利要求1-6中任一项权利要求所述的基于FPGA的电容触摸屏信号采样系统，其特征在于，所述方法包括：

S1)获取屏接收信号；

S2)按照电容触摸屏的接收信号电极的数量和顺序，从获取的屏接收信号中依次选择对应路数的屏接收信号进行处理，获得多路模拟信号；

S3)对各路模拟信号进行处理，获得各路模拟信号对应的差分数字信号；

S4)对各路差分数字信号进行解码，并对解码获得的数据进行处理；

S5)重复步骤S2)-S4)，直到完成获取的所有屏接收信号的处理。

8.根据权利要求7所述的基于FPGA的电容触摸屏信号采样方法，其特征在于，步骤S2)中，所选择的屏接收信号的路数由所述电容触摸屏的片选信号模块中的片选芯片决定。

9.一种计算机可读储存介质，该计算机可读存储介质上储存有指令，其在计算机上运行时使得计算机执行权利要求7或8所述的电容触摸屏信号采样方法。

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