CN115549680B - 一种触摸按键抗干扰检测方法及检测芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种触摸按键抗干扰检测方法及检测芯片，系统上电初始化后，分别对多个触摸按键传感器通道进行充电与随机采样，每个通道均获取超过规定数量的采样点，计算各通道采样点的均值µ及离散程度β；通过比较离散程度β与干扰门槛值U_noise的大小选择不同方法对触摸进行判断，若不存在干扰或干扰较小，直接判断是否发生触摸；若存在较大干扰，先进行修正，再判断该通道是否疑似发生触摸，根据所有疑似发生触摸的通道的修正值判断是否发生触摸。本发明在存在较大干扰的情况下，不采用滤波，依然能够准确的检测识别出按键是否产生触摸，准确度高，可靠性高，可应用范围广。

Description

一种触摸按键抗干扰检测方法及检测芯片

技术领域

本发明涉及触摸按键检测领域，尤其涉及一种触摸按键抗干扰检测方法。

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。

触摸按键原理示意图如图1所示，在没有人体触摸的情况下，触摸按键模块所检测到的电容为触摸传感器的寄生电容C_X，在人体触摸的情况下，会产生额外电容，C_T为人体电容，C_F为系统地和大地之间等效电容，根据触摸设备的接地情况差异，C_F有所差异。

以图2所示的恒流源触摸按键为例，恒流源在固定的时间t内对外部充电，根据公式I×t=C×U，最后由ADC测量出充电结束后的传感器电压值，得到当前总电容C_ALL。当无触摸时，C_ALL=C_X，有触摸产生时，由于C_T和C_F的影响，所测的C_ALL变大，反应出来的直接现象等效为：当无触摸时，测得电压较大，有触摸产生时，电压变小。用ADC进行电压测量如图3所示，无触摸时，测得电压值较高，有触摸时，测得电压值变低。通常会设置触摸门槛值，当基线电压U_baseline减去测量值U_test的结果大于预设的触摸门槛值时，判断为有按键按下。

然而，触摸按键是极易受到外界干扰，特别是人体触摸产生时，引入的强干扰时，如图4所示。通常软件滤波后，如常用的平均值滤波、巴特沃斯低通滤波器等方式，用滤波后的值与基线电压U_baseline值进行比较，但是当干扰远大于触摸门槛值时，滤波后变化值有时不能正确反应触摸按下，特别是引入噪声频率接近或大于采样频率时，这种情况更为严重。如图5所示，引入固定频率的干扰，虚线为采样时刻点，此时采出数据均为基线电压U_baseline值附近，那么采样数据与U_baseline的差值变会小于触摸门槛值，无法识别出触摸。

如图6所示，通常触摸按键最大干扰回路是人体触摸形成的干扰回路，在多个触摸按键时，有人体触摸的通道干扰会明显增大，远高于其他通道。当干扰严重时，触摸通道会被噪声淹没，而无法进行有效滤波分析。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术中因干扰存在导致采样可能无法正常识别按键触摸的问题，本发明提供一种触摸按键抗干扰检测方法。

本发明的另一目的是提供一种触摸按键抗干扰检测芯片。

技术方案：一种触摸按键的抗干扰检测方法，包括以下步骤：

步骤一、系统上电，初始化基线电压U_baseline、干扰门槛值U_noise、触摸门槛值U_threshold；

步骤二、分别对多个触摸按键传感器通道进行充电与随机采样，每个通道均获取超过规定数量的采样点，计算各通道采样点的均值µ及离散程度β；

步骤三、通过比较各通道离散程度β与干扰门槛值U_noise的大小，选择不同方法对触摸进行判断：

若所有通道β＜U_noise，直接比较U_baseline-µ与U_threshold的大小判断各通道是否发生触摸；

若存在通道β≥U_noise，先用β对U_baseline-µ进行修正，得到修正值U_total，通过比较U_total与U_threshold的大小判断该通道是否疑似发生触摸，将所有疑似发生触摸的通道的U_total进行排序比较，若最大的U_total大于其余U_total的M倍以上，则认为U_total最大的通道发生触摸，进行按键处理并返回步骤二，M为预设的倍数阈值；否则认为无触摸发生，返回步骤二。

进一步地，步骤三中，修正值U_total的计算公式为：

U_total=U_baseline-µ+kβ

其中，k为修正系数。

进一步地，步骤一中的干扰门槛值U_noise的取值方法为：在出厂前，采用比较U_baseline-U_test与U_threshold的大小的方法判断该通道是否发生触摸，U_test为采样点电压，增加干扰测试，当干扰强度刚好处于该方法无法正确识别的临界干扰强度时，无触摸的条件下，多个随机采样点的离散程度β₁作为干扰门槛值U_noise。

进一步地，所述修正系数k的取值方法为：在所述临界干扰强度下，分别测量无触摸时随机采样点的均值µ₁及离散程度β₁、有触摸时随机采样点的均值µ₂及离散程度β₂，分别计算U_total1、U_total2，取能够使U_total2≅M×U_total1时的修正系数k。

进一步地，步骤二中，随机采样的方法为：设置采样率为f_sample，基础采样间隔为T_sample=1/f_sample，所有相邻采样点的间隔均为[T_sample，2T_sample]中的随机值。

进一步地，步骤二中，离散程度β为方差、标准差、各采样点与均值差值的平均值中的一种。

进一步地，步骤一中，基线电压U_baseline的取值为触摸按键在无干扰无触摸的条件下多次采样的平均值。

进一步地，步骤三中，还包括根据各触摸按键传感器的µ与β，对基线电压U_baseline进行更新，所述更新方法包括；

若存在触摸按键传感器的µ变小，β增大，则暂不更新基线；

若各通道触摸按键传感器的β≥U_noise且各触摸按键传感器的β为同一量级时，根据大于U_baseline的样本点个数及小于U_baseline的样本点个数，对U_baseline进行更新，若大于U_baseline的样本点多，则增大U_baseline；若小于U_baseline的样本点多，则减小U_baseline；

若各通道触摸按键传感器的β＜U_noise且各触摸按键传感器的β为同一量级时，则将µ与U_baseline进行比较，若µ＞U_baseline，则增大U_baseline；若µ＜U_baseline，则减小U_baseline；

若存在触摸按键传感器的µ变小，β和其他通道β为同一量级，则用变化后的µ对U_baseline赋值。

进一步地，步骤二中，计算出各通道的µ及β后，还包括根据µ及β对基线电压U_baseline进行防触摸上电基线更新，更新方法包括：若刚上电后，存在一个通道β的量级大于其他通道β的量级，基线暂时不更新，检测µ的变化，当µ突然变大，且β变为其他通道β的同一量级时，用变化后的µ对U_baseline赋值；若超时µ无变化，则继续执行步骤三。

一种触摸按键的抗干扰检测芯片，包括处理器、存储器及存储在存储器上并可被处理器执行的软件程序，当处理器执行软件程序时可实现上述的触摸按键的抗干扰检测方法。

相比较现有技术，本发明提供一种触摸按键抗干扰检测方法及检测芯片，存在以下有益效果：

（1）无需对采样信号进行滤波，省去了现有技术中的滤波环节；采用随机采样方法，利用干扰信号本身实现检测；通过采样点的离散程度判断干扰是否会影响正常识别；对于干扰较大影响正常识别的情况，充分利用各通道所有采样点的平均值及离散程度，对测量值进行修正，使修正后能够被正常识别；通过比较各通道之间的参数关系，判断识别是否产生触摸；本方法即使是在干扰较大的情况下仍然能够正确识别按键触摸，检测准确度高，可靠性高。

（2）在检测过程中，根据不同情况采取不同方式对基线电压进行更新，以适应外界环境的各种变化，如上电时有手指按压、按键上有油污覆盖、触摸按键上方盖板松动等，进一步提高触摸识别的准确度，提高检测的自适应性，扩大了应用范围。

附图说明

图1为触摸按键原理示意图；

图2为恒流源触摸按键工作等效图；

图3为无干扰或干扰较小的情况下发生触摸时触摸按键上测量的电压变化示意图；

图4为存在较大干扰的情况下发生触摸时触摸按键上测量的电压示意图；

图5为存在固定频率较大干扰时对触摸按键传感器的采样示意图；

图6为人体触摸引入干扰的示意图；

图7为触摸按键抗干扰检测方法的流程图；

图8为触摸上电时基线更新的流程图；

图9为抗干扰检测过程中的基线更新流程图；

图10为干扰模式基线更新流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释说明。

实施例一：

一种触摸按键的抗干扰检测方法，以恒流源型触摸按键为例，如图7所示，包括以下步骤：

步骤一、系统上电，各触摸按键传感器上电自检，初始化基线电压U_baseline、干扰门槛值U_noise、触摸门槛值U_threshold、修正系数k。

基线电压U_baseline的取值为触摸按键在无干扰无触摸的条件下多次采样的平均值，可以在出厂前测试确定，也可以上电后根据随机采集的采样点的平均值µ确定。

触摸门槛值U_threshold来自无干扰或干扰较小情况下人体触摸按键产生的变化值进行测试取值，比如可以取

。

干扰门槛值U_noise的取值方法为：在出厂前，通过采用背景技术中的传统方法U_baseline-U_test与U_threshold比较的方法，U_test为采样点电压，即固定采样频率时采样的数值，增加干扰测试，当干扰强度刚好处于该方法无法正确识别的临界干扰强度时，无触摸的条件下，多个随机采样点的离散程度β₁作为干扰门槛值U_noise。

修正系数k的确定方法为：在出厂前，在所述临界干扰强度下，分别测量无触摸时随机采样点的均值µ₁及离散程度β₁、有触摸时随机采样点的均值µ₂及离散程度β₂，分别计算U_total1、U_total2，取能够使U_total2≅M×U_total1时的修正系数k，M为预设的倍数阈值，可取1.8、2、2.5、3等正数，只要能够明显区分是否有触摸即可，如本实施例M取2。

步骤二、分别对多个触摸按键传感器通道进行充电与随机采样，每个通道均获取超过规定数量的采样点，计算各通道采样点的均值µ及离散程度β。规定数量指能够利用采样点估计信号整体特征的采样点数，在没有造成触感迟滞感觉下，采样点越多越好，比如成百上千个，但若遇到MCU资源不足的情景下，也可适当减少采样点数，如四十、五十个采样点，本实施例折衷采用100作为每个通道获取的采样点数。离散程度β可以是方差、标准差、各采样点与均值差值的平均值等，比如本实施例取方差

作为离散程度β。

采样数据的µ及方差

的计算公式如下：

其中µ为样本均值，

为样本方差，N为某一时间段内采样数量，Xn为该触摸按键传感器的ADC采样值。在实际应用中，为了简化计算，可以用各采样点与均值差值来代替方差，如公式/>

。

随机采样的方法为：设ADC的采样率为f_sample，基础采样间隔为T_sample=1/f_sample。为解决ADC采样率不足造成的一系列问题，在两次采样之间加入随机延时T_delay，范围为0～T_sample。加入随机延时后，所有相邻采样点的间隔均为[T_sample，2T_sample]中的随机值。实际上，随机采样的随机周期并不限于2T_sample，随机周期越大随机效果越好，但是样本点数会少一些，所以相邻采样点的间隔均为[T_sample，2T_sample]中的随机值为优选方案。该方法能够抗干扰的主要条件包括：随机采样、采样点足够多。只有使用随机采样，才能够排除固定频率的干扰。只有采样样本数量足够多时，才能够采集到任意频率干扰波形各个相位上的电压值，因此规定采样点的数量应足够多。

步骤三、通过比较各通道离散程度β与干扰门槛值U_noise的大小可以知晓当前干扰程度是否对触摸判断存在影响，对于干扰较大和没有干扰或干扰较小的情况，分别执行不同的触摸判断方法：

（1）若所有通道β＜U_noise，认为不存在干扰或干扰较小可以忽略不计，即当前干扰程度会影响触摸判断。此时直接比较U_baseline-µ与U_threshold的大小判断各通道是否发生触摸。若U_baseline-µ＞U_threshold，则认为按键产生触摸；否则认为按键没有触摸。

（2）若存在通道β≥U_noise，认为存在较大干扰，即干扰已经影响到判决，先用β对U_baseline-µ进行修正，得到修正值U_total，修正值U_total的计算公式为：

U_total=U_baseline-µ+kβ

其中，k为修正系数。

通过比较U_total与U_threshold的大小判断该通道是否疑似发生触摸，若U_total＞U_threshold，认为该触摸按键疑似发生触摸；否则认为该触摸按键没有发生触摸。将所有疑似发生触摸的通道的U_total进行排序比较，若最大的U_total大于其余U_total的2倍以上，则认为U_total最大的通道发生触摸，进行按键处理并返回步骤二；否则认为无触摸发生，返回步骤二。

一种触摸按键的抗干扰检测芯片，外接至少两个触摸按键传感器，该芯片包括处理器、存储器及存储在存储器上并可被处理器执行的软件程序，当处理器执行软件程序时可实现上述的触摸按键的抗干扰检测方法。

实施例二：

由实施例一可知，基线电压U_baseline的确定是触摸按键判决准确率的关键因素，实施例一在出厂时会进行基线校准，也就是说在使用时基线电压是固定的，比较适合应用在外界环境较为简单的应用场景下。

然而当外界环境因多重因素影响而变化时，如触摸传感器上方盖板的压紧程度、盖板上是否有油污等等，基线电压U_baseline在使用过程中也需要进行更新。但是基线电压U_baseline更新的准确性，也非常容易受到干扰，如电子设备上电时，正好有手指按压在某个触摸按键上，此时初始化的基线电压U_baseline会明显较小；当外界干扰比较严重时，运行过程中基线电压的更新也非常容易出错。

因此，实施例二在实施例一的基础上，进一步增加了在工作过程中对基线电压进行更新的步骤，以适应不断变化的外界环境，包括干扰较大、触摸上电、传感器盖板压紧程度变化、盖板上存在油污等情况。

一种触摸按键的抗干扰检测方法，包括以下步骤：

步骤一、系统上电，初始化基线电压U_baseline、干扰门槛值U_noise、触摸门槛值U_threshold；

步骤二、分别对多个触摸按键传感器通道进行充电与随机采样，每个通道均获取超过规定数量的采样点，计算各通道采样点的均值µ及离散程度β。

为了防止手指触摸在按键上进行上电带来的检测负面影响，在上电后根据µ及β对基线电压U_baseline进行防触摸上电基线更新，如图8所示，更新方法包括：若刚上电后，存在一个通道µ的初始值为µ₀，β的量级大于其他通道β的量级，即该通道的β明显大于其他通道，基线暂时不更新。然后检测µ的变化，当µ突然变大，大于µ₀，且β恢复为其他通道β的同一量级时。该情况认为是上电时有手指触摸在按键上，然后手指释放。这时用变化后的µ对U_baseline赋值，即可进行后续步骤三的检测；但是由于人手不会一直按着某个按键不释放，所以设定一个时间阈值，若超过该时间阈值时µ仍然没有变化，则暂时不更新基线电压，继续执行步骤三，在步骤三中再对其进行更新。

步骤三、包括检测触摸与更新基线两部分内容，该两部分内容无顺序之分，也可同时进行。

（1）检测触摸：

通过比较离散程度β与干扰门槛值U_noise的大小判断干扰是否影响触摸判断，

若β＜U_noise，不存在干扰或干扰较小不会影响触摸判断，直接比较U_baseline-µ与U_threshold的大小判断该通道是否发生触摸；

若β≥U_noise，存在较大干扰，干扰会影响触摸判断，先用β对U_baseline-µ进行修正，得到修正值U_total，通过比较U_total与U_threshold的大小判断该通道是否疑似发生触摸，将所有疑似发生触摸的通道的U_total进行排序比较，若最大的U_total大于其余U_total的N倍以上，N≥2，本实施例N取2，表明该通道的U_total明显大于其他通道，则认为U_total最大的通道发生触摸，进行按键处理并返回步骤二；否则认为无触摸发生，返回步骤二。

（2）更新基线：根据各触摸按键传感器的µ与β，对基线电压U_baseline进行更新，如图9所示，所述更新方法包括；

若存在触摸按键传感器的µ变小，β相比此前明显增大。该情况认为是产生触摸，β增大是因为人体触摸时引入大小不等的干扰，无需更新基线；

若各通道触摸按键传感器的β≥U_noise且各触摸按键传感器的β为同一量级时，该情况属于外界干扰较大，这时需使用干扰更新法对基线进行更新，即根据大于U_baseline的样本点个数及小于U_baseline的样本点个数，对U_baseline进行更新，若大于U_baseline的样本点个数多于小于U_baseline的样本点个数，则U_baseline增加一个单位；若小于U_baseline的样本点个数多于大于U_baseline的样本点个数，则U_baseline减小一个单位，如图10所示为具体实现软件流程图。本实施例中每次调节（增加或减小）的值为一个单位，也可以根据需要选择其他调节值；

若各通道触摸按键传感器的β＜U_noise且各数模按键传感器的β为同一量级时，该情况属于基线选取不是特别合适的情况，比如盖板压紧程度有变等。则将µ与U_baseline进行比较，若µ＞U_baseline，则U_baseline增加一个单位；若µ＜U_baseline，则U_baseline减小一个单位；

若存在触摸按键传感器的µ突然变小，β和其他通道β为同一量级并且和此前相比没有出现明显变化。该情况属于按键沾水或油污的场景，这时应将基线加快向下更新，在数秒内跟随到变化后的µ值附近，便于带油污或带水操作。

本实施例通过增加更新基线的步骤，使产品的应用场景大大增加，削弱了外界环境变化所带来的负面影响。该方法使其能够在触摸上电、强干扰环境、盖板松动、按键上覆盖油或水等特殊情况下，仍然能够正常对按键触摸进行正确的检测识别。

Claims (8)

1.一种触摸按键的抗干扰检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、系统上电，初始化基线电压U_baseline、干扰门槛值U_noise、触摸门槛值U_threshold,干扰门槛值U_noise的取值方法为：在出厂前，采用比较U_baseline-U_test与U_threshold的大小的方法判断通道是否发生触摸，所述通道为触摸按键传感器所在的通道, U_test为采样点电压，增加干扰测试，当干扰强度刚好处于该方法无法正确识别的临界干扰强度时，无触摸的条件下，多个随机采样点的离散程度β₁作为干扰门槛值U_noise；

步骤二、分别对多个触摸按键传感器通道进行充电与随机采样，每个通道均获取超过规定数量的采样点，计算各通道采样点的均值µ及离散程度β；

步骤三、通过比较各通道离散程度β与干扰门槛值U_noise的大小，选择不同方法对触摸进行判断：

若所有通道β＜U_noise，直接比较U_baseline-µ与U_threshold的大小判断各通道是否发生触摸；

若存在通道β≥U_noise，先用β对U_baseline-µ进行修正，得到修正值U_total，通过比较U_total与U_threshold的大小判断该通道是否疑似发生触摸，将所有疑似发生触摸的通道的U_total进行排序比较，若最大的U_total大于其余U_total的M倍以上，则认为U_total最大的通道发生触摸，进行按键处理并返回步骤二，M为预设的倍数阈值；否则认为无触摸发生，返回步骤二，

所述修正值U_total的计算公式为：

U_total=U_baseline-µ+kβ

其中，k为修正系数。

2.根据权利要求1所述的触摸按键的抗干扰检测方法，其特征在于，所述修正系数k的取值方法为：在所述临界干扰强度下，分别测量无触摸时随机采样点的均值µ₁及离散程度β₁、有触摸时随机采样点的均值µ₂及离散程度β₂，分别计算U_total1、U_total2，取能够使U_total2≅M×U_total1时的修正系数k。

3.根据权利要求1至2任一所述的触摸按键的抗干扰检测方法，其特征在于，步骤二中，随机采样的方法为：设置采样率为f_sample，基础采样间隔为T_sampl=1/f_sample，所有相邻采样点的间隔均为[T_sample，2T_sample]中的随机值。

4.根据权利要求1至2任一所述的触摸按键的抗干扰检测方法，其特征在于，步骤二中，离散程度β为方差、标准差、各采样点与均值差值的平均值中的一种。

5.根据权利要求1至2任一所述的触摸按键的抗干扰检测方法，其特征在于，步骤一中，基线电压U_baseline的取值为触摸按键在无干扰无触摸的条件下多次采样的平均值。

6.根据权利要求1至2任一所述的触摸按键的抗干扰检测方法，其特征在于，步骤三中，还包括根据各触摸按键传感器的µ与β，对基线电压U_baseline进行更新，更新方法包括：

若存在触摸按键传感器的µ变小，β增大，则暂不更新基线；

若各通道触摸按键传感器的β≥U_noise且各触摸按键传感器的β为同一量级时，根据大于U_baseline的样本点个数及小于U_baseline的样本点个数，对U_baseline进行更新，若大于U_baseline的样本点多，则增大U_baseline；若小于U_baseline的样本点多，则减小U_baseline；

若各通道触摸按键传感器的β＜U_noise且各触摸按键传感器的β为同一量级时，则将µ与U_baseline进行比较，若µ＞U_baseline，则增大U_baseline；若µ＜U_baseline，则减小U_baseline；

若存在触摸按键传感器的µ变小，β和其他通道β为同一量级，则用变化后的µ对U_baseline赋值。

7.根据权利要求1至2任一所述的触摸按键的抗干扰检测方法，其特征在于，步骤二中，计算出各通道的µ及β后，还包括根据µ及β对基线电压U_baseline进行防触摸上电基线更新，更新方法包括：若刚上电后，存在一个通道β的量级大于其他通道β的量级，基线暂时不更新，检测µ的变化，当µ突然变大，且β变为其他通道β的同一量级时，用变化后的µ对U_baseline赋值；若超时µ无变化，则继续执行步骤三。

8.一种触摸按键的抗干扰检测芯片，其特征在于，包括处理器、存储器及存储在存储器上并可被处理器执行的软件程序，当处理器执行软件程序时可实现如权利要求1-7任一所述的触摸按键的抗干扰检测方法。

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