CN115202515A - 触摸按键检测方法及检测电路、微控制器和触摸检测系统 - Google Patents

触摸按键检测方法及检测电路、微控制器和触摸检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了触摸按键检测方法及检测电路、微控制器和触摸检测系统，方法包括：DAC模块输出正弦信号至触摸按键传感器；ADC模块对触摸按键传感器的输出信号进行采样，微控制器将ADC模块采样结果进行DFT变换得到频率点能量，根据频率点能量计算相位，将所述相位与预先设定的参考相位进行比较，当所述相位小于参考相位时，判断为触摸操作；ADC模块采样的方法包括：设定采样同步相位及采样点数N，当DAC模块输出信号位于采样同步相位时，ADC模块开始采样，并将连续等间隔采集的N个采样点作为所述ADC模块采样结果。本发明能够减少触摸误判，提高防水效果。

Description

触摸按键检测方法及检测电路、微控制器和触摸检测系统
技术领域
本发明涉及触摸按键技术领域，尤其涉及触摸按键检测方法及检测电路、微控制器和触摸检测系统。
背景技术
相较于传统机械按键，电容式触摸按键具有使用寿命长，不易磨损，时尚美观，成本低等突出优点，因此越来越多的微控制器在片上集成触摸按键功能。通常触摸按键有基于松弛振荡、基于电流源和基于电荷迁移等检测方式，上述方式均需设计独立的触摸按键模块，占用一定的晶圆面积，增加微控制器的制造成本。
上述三种常用触摸按键检测方式的电路原理如图1所示，均为检测触摸按键传感器上的对地寄生电容，若无按键按下时，触摸按键模块检测的电容为触摸传感器的寄生电容
Figure 174832DEST_PATH_IMAGE001
，若有按键按下，则检测的电容为触摸传感器的寄生电容
Figure 29655DEST_PATH_IMAGE001
和人体触摸电容
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
，从而根据电容变化量，判断有无按键按下。
上述三种常用触摸按键检测方式虽然能够满足常规的触摸按键应用，但是也存在潮湿和有水的环境中容易误触发的问题。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术存在的触摸按键检测在潮湿和有水的环境中容易误触发的问题，本发明提供触摸按键检测方法及检测电路、微控制器和触摸检测系统。
第一方面，为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种触摸按键检测方法，包括以下步骤：
DAC模块输出正弦信号至触摸按键传感器；
ADC模块对触摸按键传感器的输出信号进行采样，微控制器将ADC模块的采样结果进行DFT变换得到频率点能量，根据频率点能量计算相位，将所述相位与预先设定的参考相位进行比较，当所述相位小于参考相位时，判断为触摸操作；
ADC模块采样的方法包括：设定采样同步相位及采样点数N，当DAC模块输出信号位于采样同步相位时，ADC模块开始连续等间隔采样，并将连续等间隔采集的N个采样点作为所述ADC模块的采样结果。
优选的，所述DAC模块输出正弦信号的方法包括：
将待输出正弦信号量化成正弦函数表；
每隔固定时间T1，从所述正弦函数表中取值送入DAC模块，通过DAC模块的输出寄存器生成正弦信号。
优选的，所述参考相位的计算方法包括：在触摸按键传感器无触摸和无液滴烦扰的条件下，DAC模块输入正弦信号至触摸按键传感器，ADC模块采样触摸按键传感器的输出信号，采样结果进行DFT变换得到频率点能量，计算频率点能量的相位，作为参考相位。
优选的，所述ADC模块多次采样触摸按键传感器的输出信号，分别计算各采样结果对应的相位，取所有相位的均值作为参考相位。
优选的，所述根据ADC模块采样结果计算相位的方法为：
DFT变换公式如下：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
其中
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
是ADC模块采样值，
Figure 276571DEST_PATH_IMAGE005
是频率点能量，k为谐波次数，N为采样点数；
假设
Figure 343884DEST_PATH_IMAGE005
的实部和虚部分别为R和I，根据R和I计算相位：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
。
优选的，设定所述正弦DAC模块输出的正弦信号频率为fo，ADC模块的采样频率为fs，满足fs=M*fo。
第二方面，为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种微控制器，包括DAC模块、ADC模块、存储器和处理器，存储器中存储有软件程序，使处理器在执行所述软件程序时，实现如第一方面所述的触摸按键检测方法。
第三方面，为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种触摸检测系统，包括如第二方面的微控制器和至少一个触摸按键传感器，触摸按键传感器与微控制器连接。
第四方面，为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种触摸按键检测电路，包括处理器、触摸按键传感器、DAC模块和ADC模块，所述触摸按键传感器的输入端连接所述DAC模块的输出端，所述触摸按键传感器的输出端连接电流电压转换放大电路的输入端，所述电流电压转换放大电路的输出端连接抗混叠滤波器的输入端，所述抗混叠滤波器的输出端连接所述ADC模块的输入端；
所述处理器用于控制DAC模块输出正弦信号，当输出的正弦信号位于采样同步相位时，控制所述ADC模块采样触摸按键传感器的输出信号，所述处理器根据ADC模块采样结果计算相位，根据相位变化判断触摸操作。
优选的，所述触摸按键传感器包括发射电极和接收电极，发射电极围绕接收电极呈半封闭结构，接收电极从半封闭结构的开口处引出。
有益效果：相比较现有技术：
1、本发明通过检测流过触摸按键传感器的信号相位变化，根据电容存在电流相位超前的特性，得到触摸按键传感器的电容变化，若人手接近触摸按键传感器时，部分电场会耦合到人体到地，导致被测电容变小，从而可以判断出触摸产生，若有水渍或油污粘上触摸按键传感器，则增强触摸按键传感器的发射电极和接收电极的耦合，则被测电容变大，与人体触摸产生现象相反，从而减少了触摸误判，起到了防水的效果。
2、本发明触摸按键传感器的基础电容受收发电极之间的距离和平行长度之间影响，因此基础电容可控；并且接收电极被包含在发射电极的内部，不易受到附近器件、走线、地的影响，增加抗干扰能力。
3、本发明使用通用微控制器自带的DAC模块和ADC模块模块进行触摸按键检测，无需额外设计独立的触摸按键模块，体积小，使用成本低。
附图说明
图1为传统的触摸按键检测电路原理示意图；
图2为本发明的触摸按键检测方法流程示意图；
图3为本发明的人体靠近触摸按键传感器的电场示意图；
图4为本发明的触摸按键传感器粘上水滴后等效电容示意图；
图5为本发明的触摸按键检测电路示意图；
图6为本发明的触摸按键传感器结构示意图；
图7为本发明的触摸按键传感器另一种结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图2所示，本发明提出了一种触摸按键检测方法，包括以下步骤：
DAC模块输出正弦信号至触摸按键传感器1，所述DAC模块输出正弦信号的方法包括：将待输出正弦信号量化成正弦函数表；每隔固定时间T1，从所述正弦函数表中取值送入DAC模块，通过DAC模块的输出寄存器生成正弦信号。
ADC模块对触摸按键传感器1的输出信号进行采样，微控制器将ADC模块的采样结果进行DFT变换得到频率点能量，根据频率点能量计算相位，将所述相位与预先设定的参考相位进行比较，当所述相位小于参考相位时，判断为触摸操作。触摸判断利用电容存在电流相位超前的特性，相位变大则电容变大，反之则电容变小，触摸按键传感器1在不同场景下，电容变化情况不同，如图3所示，触摸按键传感器1一般不直接和手指接触，否则会出现短路现象，因此通常在有覆盖物前提下(如亚克力板)使用，若人手接近触摸按键传感器1时，部分电场会耦合到人体到地，导致电容变小，此时ADC模块采样的结果进行计算得到的相位也变小，从而可以判断出触摸产生；如图4所示，有水渍或油污粘上触摸按键传感器1时，此时的触摸按键传感器1的电容等效为
Figure 532157DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 292303DEST_PATH_IMAGE007
，因此电容变大，与人体触摸产生现象相反，所以利用相位来判断触摸按键传感器1是否存在操作的方式，可以具有防水干扰的效果。
参考相位用来比较采集到的信号相位是否发生变化，所述参考相位的计算方法包括：所述参考相位的计算方法包括：在触摸按键传感器1无触摸和无液滴干扰的条件下，DAC模块输入正弦信号至触摸按键传感器1，ADC模块采样触摸按键传感器1的输出信号，采样结果进行DFT变换得到频率点能量，根据频率点能量计算出相位，作为参考相位，在无触摸和无液滴烦扰的条件下，触摸按键传感器1的电容不会产生变化，因此相位也不会产生变化，在该条件下计算得到的相位可以作为参考相位；为了保证参考相位的准确性，ADC模块还可多次采样触摸按键传感器1的输出信号，计算出多个相位值，对多个相位值取平均值得到的参考相位，取均值的方式可以减少误差的产生。
ADC模块采样的方法包括：设定采样同步相位及采样点数N，当DAC模块输出信号位于采样同步相位时，ADC模块开始连续等间隔采样，并将连续等间隔采集的N个采样点作为所述ADC模块的采样结果，采样同步相位为了保证DAC模块发出信号的位置与ADC模块采样开始的位置相同，在一个微控制器中，DAC模块每发出一个信号，微控制器均可以接收到DAC模块的反馈信息，这样可以控制ADC模块进行采样，通过同步后采样到的信号进行相位计算，能与参考相位进行对比，ADC模块每次采样N个采样点，利用N个采样点可以进行DFT变换及相位计算。DFT变换公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
其中
Figure 77113DEST_PATH_IMAGE004
是ADC模块采样值，
Figure 213696DEST_PATH_IMAGE005
是频率点能量，k为谐波次数，N为采样点数，设定所述正弦DAC模块输出的正弦信号频率为fo，ADC模块的采样频率为fs，满足fs=M*fo，为了方便计算，令N=M，使得ADC模块采样N个点数时，可以采样正弦信号的一个完整周期，假设正弦信号频率设置为1kHz，采样频率配置为512kHz，N为512，此时分析1kHz的频响，k取值为1，则计算出的频率点能量为基波能量；在获得频率点能量后计算相位：假设
Figure 53214DEST_PATH_IMAGE005
的实部和虚部分别为R和I，根据R和I计算相位：
Figure 249840DEST_PATH_IMAGE006
。
本发明提出了一种微控制器，包括DAC模块、ADC模块、存储器和处理器，存储器中存储有软件程序，使处理器在执行所述软件程序时，实现如上述所述的触摸按键检测方法，本发明还提出了一种触摸检测系统，包括如上所述的微控制器和至少一个触摸按键传感器1，触摸按键传感器1与微控制器连接。
如图5所示，一种触摸按键检测电路，包括处理器、触摸按键传感器1、DAC模块和ADC模块，所述触摸按键传感器1的输入端连接所述DAC模块的输出端，所述触摸按键传感器1的输出端连接电流电压转换放大电路的输入端，所述电流电压转换放大电路的输出端连接抗混叠滤波器的输入端，所述抗混叠滤波器的输出端连接所述ADC模块的输入端，电流电压转换放大电路还包括反馈电阻
Figure 676273DEST_PATH_IMAGE009
，通过调整反馈电阻
Figure 85389DEST_PATH_IMAGE009
的大小使输出的放大信号在ADC模块采样范围之内，DAC模块的输出端通过电压跟随器与触摸按键传感器1的输入端连接，电压跟随器可以起到增强输出驱动能力的作用。所述处理器用于控制DAC模块输出正弦信号，当输出的正弦信号位于采样同步相位时，控制所述ADC模块采样触摸按键传感器1的输出信号，所述处理器根据ADC模块采样结果进行DFT变换得到频率点能量，根据频率点能量计算相位，将所述相位与预先设定的参考相位进行比较，当所述相位小于参考相位时，判断为触摸操作。
为了进一步避免外界干扰影响触摸按键传感1的使用，触摸按键传感器1的组成结构可以为如图6所示，所述触摸按键传感器1包括发射电极11和接收电极12，发射电极11围绕接收电极12呈半封闭结构，接收电极12从半封闭结构的开口处引出，接收电极12被包含在发射电极11内部，所以更加不易受到外界的干扰；不同结构的触摸按键传感器1会因为人手接触差异，导致电容变化量不一样，触摸按键传感器1的结构还可以如图7所示，接收电极12和发射电极11均为导电片，发射电极11内部形成封闭区域，接收电极12设置在发射电极11的内部且不与发射电极11接触。

Claims (10)

1.一种触摸按键检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
DAC模块输出正弦信号至触摸按键传感器；
ADC模块对触摸按键传感器的输出信号进行采样，微控制器将ADC模块的采样结果进行DFT变换得到频率点能量，根据频率点能量计算相位，将所述相位与预先设定的参考相位进行比较，当所述相位小于参考相位时，判断为触摸操作；
ADC模块采样的方法包括：设定采样同步相位及采样点数N，当DAC模块输出信号位于采样同步相位时，ADC模块开始采样，并将连续等间隔采集的N个采样点作为所述ADC模块的采样结果。
2.根据权利要求1所述的触摸按键检测方法，其特征在于，设定所述正弦DAC模块输出的正弦信号频率为fo，ADC模块的采样频率为fs，满足fs=M*fo，M为正整数。
3.根据权利要求1或2所述的触摸按键检测方法，其特征在于，所述根据ADC模块采样结果计算相位的方法为：
DFT变换公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE002
是ADC模块采样值，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
是频率点能量，k为谐波次数，N为采样点数；
假设
Figure DEST_PATH_IMAGE004
的实部和虚部分别为R和I，根据R和I计算相位：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
。
4.根据权利要求1或2所述的触摸按键检测方法，其特征在于，所述参考相位的计算方法包括：在触摸按键传感器无触摸和无液滴干扰的条件下，DAC模块输入正弦信号至触摸按键传感器，ADC模块采样触摸按键传感器的输出信号，采样结果进行DFT变换得到频率点能量，计算频率点能量的相位，作为参考相位。
5.根据权利要求4所述的触摸按键检测方法，其特征在于，所述ADC模块多次采样触摸按键传感器的输出信号，分别计算各采样结果对应的相位，取所有相位的均值作为参考相位。
6.根据权利要求1或2所述的触摸按键检测方法，其特征在于，所述DAC模块输出正弦信号的方法包括：
将待输出正弦信号量化成正弦函数表；
每隔固定时间T1，从所述正弦函数表中取值送入DAC模块，通过DAC模块的输出寄存器生成正弦信号。
7.一种微控制器，其特征在于，包括DAC模块、ADC模块、存储器和处理器，存储器中存储有软件程序，处理器在执行所述软件程序时，实现如权利要求1-6任一项所述的触摸按键检测方法。
8.一种触摸检测系统，其特征在于，包括如权利要求7所述的微控制器和至少一个触摸按键传感器，触摸按键传感器与微控制器连接。
9.一种触摸按键检测电路，其特征在于，包括处理器、触摸按键传感器、DAC模块和ADC模块，所述触摸按键传感器的输入端连接所述DAC模块的输出端，所述触摸按键传感器的输出端连接电流电压转换放大电路的输入端，所述电流电压转换放大电路的输出端连接抗混叠滤波器的输入端，所述抗混叠滤波器的输出端连接所述ADC模块的输入端；
所述处理器用于控制DAC模块输出正弦信号，当输出的正弦信号位于采样同步相位时，控制所述ADC模块采样触摸按键传感器的输出信号，所述处理器根据ADC模块采样结果计算相位，根据相位变化判断触摸操作。
10.根据权利要求9所述的触摸按键检测电路，其特征在于，所述触摸按键传感器包括发射电极和接收电极，发射电极围绕接收电极呈半封闭结构，接收电极从半封闭结构的开口处引出。
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