CN117559984A - 一种新型触摸按键及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种新型触摸按键及其设计方法。根据本发明，通过对基于张弛原理的电容触摸感应专用芯片的深入研究，提出了采用自适应刷新无键充电基准时间值、软件上增加软件去抖动以及硬件上PCB优化设计的方案，经过反复的实践证明，该方案有效的提高了电容触摸按键的自适应和抗干扰能力。

Description

一种新型触摸按键及其设计方法
技术领域
本发明涉及触摸芯片设计领域，更具体地，涉及一种新型触摸按键及其设计方法。
背景技术
在我们生活中的电子产品，触摸感应技术日益受到更多关注和应用。电容触摸传感正迅速替代传统的按键式开关用户界面，它本身不需要机械动作，而且可以使产品完全密封，使设计更加现代美观和耐用，且具有更大的灵敏度、稳定性、可靠性。除了在消费市场不断扩展外，触摸传感因其在美观、维护、成本和清洁等方面的优势，也逐渐开始渗入医疗、工业和汽车应用中。
因为触摸按键的性能和灵敏度往往随时间变化而漂移变化，并且环境变化、电磁干扰等均可能引发误动作，因此，开发一种具有自适应能力和抗干扰能力的新型触摸按键十分重要。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种新型触摸按键及其设计方法，具有良好的自适应能力和抗干扰能力。
根据本发明的一方面，提出了一种新型触摸按键的设计方法，所述方法包括：
实时读取芯片的充电时间值，并基于读取的无键充电时间值实时更新无键充电基准时间值，所述芯片为基于张弛原理的电容触摸感应专用芯片；
计算当前读取的充电时间值与无键充电基准时间值的差值，并将计算出的差值与第一预设标准差值进行比较；
如果计算出的差值大于所述第一预设标准差值，则判断按键处于按下状态。
在一些实施方式中，所述方法包括：
根据下式实时更新保存的无键充电时间值：
其中，Tnkn表示更新后的无键充电基准时间值，表示之前保存的无键充电基准时间值，/>表示当前读取的无键充电时间值。
在一些实施方式中，所述方法还包括：
连续两次判断按键处于按下状态，则确认按键处于按下状态。
在一些实施方式中，基于读取的无键充电时间值实时更新无键充电基准时间值，包括：
如果计算出的差值小于第二预设标准差值，则将当前读取的充电时间值作为无键充电时间值，以更新无键充电基准时间值，所述第二预设标准差值小于所述第一预设标准差值。
在一些实施方式中，所述第二预设标准差值是所述第一预设标准差值的四分之一。
在一些实施方式中，所述方法还包括：
如果已确认之前按键处于按下状态，并且当前读取的充电时间值与无键充电基准时间值的差小于第三预设标准差值，则判断按键处于松开状态。
根据本发明的另一方面，还提出了一种新型触摸按键，其特征在于，所述触摸按键采用如上所述的设计方法。
在一些实施方式中，所述按键成叉子形状，叉子的彼此交错的叉枝不相连，其中，叉子的一个开叉口接按键口，背向的另一个开叉口接地。
在一些实施方式中，相邻的所述按键之间的空隙排布地线；所述按键的走线接近直线；所述按键的大小接近人的手指大小。
在一些实施方式中，所述芯片为JST080。
本发明提出的技术方案至少具有如下有益效果：
1、采用了自适应刷新无键充电基准时间值与软件去抖动做法，提高了触摸按键的自适应能力和抗干扰能力，使整个触摸按键系统更加可靠；
2、通过优化触摸按键的PCB设计，增加抗干扰能力；
3、采用软件方式控制充电全过程，实现智能化和数字化管理，灵活性强，便于调整策略，适应性强；
4、实现对按键操作的精确识别和处理。
本发明的方法和装置具有其他的特性和优点，这些特性和优点在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了基于张弛原理对电容触摸按键原理。
图2示出了张弛振荡器的示意图。
图3示出了整个充放电周期，即电容触摸按键振荡波形。
图4示出了RC回路示意图，电容器充放电的速率由RC时间常数来确定。
图5示出了RC时间常数变化示意图。
图6示出了JST080的硬件电路图。
图7示出了JST080的按键扫描流程图。
图8示出了根据本发明一个实施例的按键的结构示意图。
图9(a)和(b)示出了根据本发明一个实施例的相邻按键间的设计。
图10示出了示出根据本发明示例性实施例的按键按下判断程序的流程示意图。
图11示出了示出根据本发明示例性实施例的按键松开判断程序的流程示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然附图中显示了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
以下先对本发明的构思背景进行进一步说明。
目前全球领先的单片机和和模拟半导体供应商推出的全新mTouch解决方案，使工程师在采用PIC单片机的应用中可方便地添加触摸感应用面。当前mTouch解决方案技术主要使用了两种方法：张弛原理与直接电容测量。本发明涉及基于张弛原理的电容触摸感应专用芯片，因此以JST080为例对其工作原理进行介绍。
JST080就是一种基于张弛原理的电容触摸感应专用芯片。内置8-BIT MCU、8通道电容式触摸感应IC。自主开发算法，具有有效处理各种干扰信号；环境自适应处理方案；相邻感应按键抑制功能。可广泛应用于消费类电子产品，例如手持通讯、MP3、MP4、家电类、教育类、玩具类、PC周边类、仪器仪表、医疗器械、手持式遥控器等产品。
JST080电容式触摸感应按键的基本原理就是一个不断地充电和放电的张弛振荡器。图1示出了基于张弛原理对电容触摸按键原理。如果不触摸开关，张弛振荡器有一个固定的充电放电周期，频率是可以测量的。如果我们用手指或者触摸笔接触开关，就会增加电容器的介电常数，充电放电周期就变长，频率就会相应减少。所以，我们测量周期的就可以侦测触摸动作。
张弛振荡器是一个自激RC振荡器，它使用2个带SR锁存的比较器来改变感应电容器电压的充电方向，图2示出了张弛振荡器的示意图。比较器的正输入端决定充电的上下限，C1+是内部信号，C2+接外部信号以便设置充电下限，1000PF的电容用来滤除来自电源的高频噪声并确保有一个稳定的下限。电压V-将在上下限之间充放电，它由C2OUT的逻辑电平信号驱动。
通过比较器的正输入端来设置充电的上下限。从下限充电到上限，然后放电重新回到下限的时间，就是振荡器的周期。当电容器Cs上电压V-低于下限时，系统开始充电，如果V-在上下限之间，则系统保持前一个状态(充电或放电)当V-高于上限时，系统开始放电，然后在中间区域持续放电。图3示出了整个充放电周期，即电容触摸按键振荡波形。
反馈电阻R与传感器极板(用Cs表示)一起形成RC回路，图4示出了RC回路示意图，电容器充放电的速率由RC时间常数来确定。
当手指接近焊盘时，由于手指引入额外的电容，使总电容将变大，导致振荡器的RC时间常数改变。图5示出了RC时间常数变化示意图，RC时间常数增加，振荡器频率将减小，在单片机中将检测这一频率变化。电容增量就是我们检测的依据。
以下以JST080为示例，具体介绍JST080的工作原理。图6示出了JST080的硬件电路图。JST080是通过KEY0-KEY7口感应外界模拟信号的微弱变化，来识别是否有干扰源靠近或接触到KEY0-KEY7口上。如图6所示，利用这个原理将KEY0-KEY7制作成按键口，通过感应按键口模拟信号的微弱变化来识别是否有按键按下。
当手按在面板上时，电荷通过面板迁移到面板下面的感应按键的PAD上，PAD连在芯片的感应脚上，此时，芯片的内部电路感应到电压的变化，同时给出相应的时间值，再经过系统的算法，给出是否有按键。图7示出了JST080的按键扫描流程图。先判断是否有Key，如果没有，则退出；如果有，则进入按键处理程序，即读取充电时间计数器低8位值并保存，然后将读取值与上一次按键值作比较，判断是大于还是小于。如果大于，则进入按键松开判断程序；如果小于，则进入按键按下判断程序。
发明人深入研究了基于张弛原理的电容触摸感应专用芯片的电性特征和应用场景，综合思考后认为，在设计触摸感应按键时，需要检测触摸按键上电荷或电平容量以及相关的转换关系，进行系统的校准，而且电荷/电平的改变将受外界环境的影响，静电放电和电磁干扰均会引发误动作，且环境变化如温度的改变将影响到系统的校准，同时其它污染物在表面的堆积都会影响其精确性和可重复操作性。因此发明人将优化设计的方向聚焦于自适应性和抗干扰性。
根据本发明的一个实施例，提出了一种新型触摸按键的设计方法，所述方法包括：
实时读取芯片的充电时间值，并基于读取的无键充电时间值实时更新无键充电基准时间值，所述芯片为基于张弛原理的电容触摸感应专用芯片；
计算当前读取的充电时间值与无键充电基准时间值的差值，并将计算出的差值与第一预设标准差值进行比较；
如果计算出的差值大于所述第一预设标准差值，则判断按键处于按下状态。
充电时间值指从无键充电时间计数器上读取的数值。在判断当前按键处于未按下的情况下，从无键充电时间计数器上读取的充电时间值可作为无键充电时间值。
第一预设标准差值的选取与用户对按键灵敏度的要求有关，要求的灵敏度越高，对应选取的标准值越小。同时，第一预设标准差值的选取应以抗干扰和能够实现按键动作识别为标准。抗干扰是指选取的标准值不能太小，要尽量防止把因温度、湿度或其它干扰引起的差值变化当做按键按下动作；能够实现按键动作识别是指判断差值不能选取的太大，防止判断不到按键动作。
在一些实施方式中，可根据下式实时更新保存的无键充电时间值：
其中，Tnkn表示更新后的无键充电基准时间值，表示之前保存的无键充电基准时间值，/>表示当前读取的无键充电时间值。
根据本实施方式，无键充电时间值可始终处于变化中，并且随着环境的变化而变化，确保保存的无键充电时间值始终等于或逼近当时真正的无键充电时间值，实现触摸按键的自适应。
在一些实施方式中，所述方法还包括：
连续两次判断按键处于按下状态，则确认按键处于按下状态。
按键信号在电气性方面受到很多干扰，会出现一定的抖动或毛刺信号。这些毛刺信号通常很短。有些情况下，如果只根据一次判断确认按键按下，这些短时间的毛刺信号可能会造成误判。但如果要求连续两次判断都是按下状态，那么只依靠这些毛刺信号是很难满足条件的。而另一方面，因为正常的按键按下动作会维持较长时间，比如至少几十毫秒。所以连续两次判断可以确认这是一个有效的按键信号，而不是瞬时的毛刺干扰。因此，通过连续两次判断按键按下来确认按键动作，可以有效过滤和消除按键信号中的抖动，从而实现去抖的目的。
在一些实施方式中，基于读取的无键充电时间值实时更新无键充电基准时间值，包括：
如果计算出的差值小于第二预设标准差值，则将当前读取的充电时间值作为无键充电时间值，以更新无键充电基准时间值，所述第二预设标准差值小于所述第一预设标准差值。
如果手以很慢的速度触摸按键，内部电路感应到的电压变化可能也很慢，则读取的充电时间值的变化也很缓慢，其与无键充电基准时间值的差值可能小于第一预设标准差值，从而不会判断按键处于按下状态，而是将当前读取的充电时间值作为无键充电时间值以更新无键充电基准时间值，使得保存的无键充电基准时间值一直接近能读取的充电时间值，而扭曲无键充电基准时间值，导致手触摸按键速度相对慢时无法检测到按键。根据本实施例，在读取的充电时间值小于无键充电基准时间值，但差值小于第一预设标准差值的情况下，进一步判断该差值是否小于比第一预设标准差值更小的第二预设标准差值，只有也小于第二预设标准差时，才认为当前按键处于未按下状态，并将当前读取的充电时间值作为无键充电时间值以更新无键充电基准时间值，然后退出扫描程序。而在该差值虽然小于第一预设标准差值但大于第二预设标准差值的情况下，可直接退出扫描程序，不更新无键充电基准时间值，避免扭曲无键充电基准时间值而导致后续无法检测到慢速触摸。从而进一步提高触摸按键的自适应性。
在一些示例中，所述第二预设标准差值是所述第一预设标准差值的四分之一。
根据本实施例，可在确保自适应灵敏度和抗扰动、去抖间取得良好平衡。
在一些实施方式中，所述方法还包括：如果已确认之前按键处于按下状态，并且当前读取的充电时间值与无键充电基准时间值的差小于第三预设标准差值，则判断按键处于松开状态。
第三预设标准差值的选取原则可参见上文对选取第一预设标准差值的相关描述。
根据本发明的一个方面，还提出了一种新型触摸按键，其采用如上所述的设计方法。
在一些实施例中，所述新型触摸按键成叉子形状，叉子的彼此交错的叉枝不相连，其中，叉子的一个开叉口接按键口，背向的另一个开叉口接地。图8示出了根据本实施例的按键的结构示意图。
交错分离的叉枝可以增加按键之间的间隙，降低邻近按键之间的影响，改善按键独立性，叉形结构增加了按键的有效触摸面积，便于操作。两个叉口一个叉口接按键口，另一个接地，可以快速形成按键闭合回路，提高动作检测灵敏度。由于叉口分离接地，还可减少按键之间的共模干扰。该结构按键实体独立，不会互相影响，可靠性较高。根据本实施例的交叉叉形结构，实现了高灵敏度的触摸按键传感，同时具有抗干扰性强和高可靠性等优点。
在一些实施例中，相邻的所述按键之间的空隙排布地线，按键的走线接近直线，按键的大小接近人手指的大小。
按键之间设置空隙排布地线，可以分隔隔离按键之间的电场，减少相邻按键之间的相互影响，提高独立性和抗干扰性；按键走线尽量走直线，减少走线阻抗也减少绕行的面积，有利于减少耦合电容和干扰，使按键信号传输更可靠；按键尺寸接近手指大小，面积和距离刚好符合操作人体工学，便于准确定位和舒适按压。
根据本实施例的这些特征的综合设置优化了按键本身的隔离性、直通性和舒适性，使按键实现准确、稳定、可靠、舒适的操作。
图9(a)和(b)示出了相邻按键间的设计。
在一些实施方式中，所述芯片为JST080。
发明人通过对基于张弛原理的电容触摸感应专用芯片JST080的深入研究，提出了将上述方案应用于JST080，以自适应刷新无键充电基准时间值、在软件上增加软件去抖动和/或在硬件上进行PCB优化设计，经过反复的实践证明，该方案能有效提高电容触摸按键的自适应和抗干扰能力，为触摸按键的实现提供了一种新型解决方案。
在一个示例性实施例中，将上述方案应用于JST080，图10和图11分别示出根据本发明示例性实施例，在JST080按键按下判断程序的与按键松开判断程序的设计中采用自适应刷新无键充电基准时间值与软件去抖动做法的流程示意图。
如图10所示，在步骤1001，计算当前读取的充电时间值与无键充电基准时间值的差值，在步骤1002，比较该差值与第一预设标准差值，判断按键是否处于按下状态，如果差值大于第一预设标准差值，则判断按键处于按下状态，进入步骤1003，如果差值小于第一预设标准差值否，则判断按键未处于按下状态，则进入步骤1004。
在步骤1003，进一步判断当前按键是否是连续第二次被判断为按下状态，如果是，进入步骤1005，确认按键处于按下状态，并刷新有键按下计数值。如果步骤1003的判断结果是否，则进入步骤1006，将一次按键按下标志置为1。
在步骤1004，判断该差值是否小于第二预设标准差，如果是，则进入步骤1007，将读取的充电时间值作为无键充电时间值以自适应更新无键充电基准时间值。如果步骤1004的判断是否，则不更新无键充电基准时间值，直接结束当前按键按下判断程序。
如图10所示，在按键按下判断程序中，当判断有按键按下动作后，采用二次判断实现去抖动方案；当判断按键无按下动作后，采用自适应更新无键充电基准时间值。
图11示出了按键松开判断程序。在步骤1101，判断按键是否处于按下状态。如果是，则进入步骤1102，计算当前读取的充电时间值与无键充电基准时间值的差值，然后进入步骤1103，判断该差值是否小于第三预设标准差值，如果是，则进入步骤1104，判断按键处于松开状态。如果步骤1103的判断结果是否，则直接退出当前程序。
另外，在步骤1101，如果判断按键未处于按下状态，则进入步骤1105，将当前读取的充电时间值作为无键充电时间值以自适应更新无键充电基准时间值。
如上所述，根据本发明各个实施例的新型触摸按键及其设计方法，至少具有以下有益效果：
1、采用了自适应刷新无键充电基准时间值与软件去抖动做法，提高了触摸按键的自适应能力和抗干扰能力，使整个触摸按键系统更加可靠；
2、通过优化触摸按键的PCB设计，增加抗干扰能力；
3、采用软件方式控制充电全过程，实现智能化和数字化管理，灵活性强，便于调整策略，适应性强；
4、实现对按键操作的精确识别和处理。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种新型触摸按键的设计方法，其特征在于，所述方法包括：
实时读取芯片的充电时间值，并基于读取的无键充电时间值实时更新无键充电基准时间值，所述芯片为基于张弛原理的电容触摸感应专用芯片；
计算当前读取的充电时间值与无键充电基准时间值的差值，并将计算出的差值与第一预设标准差值进行比较；
如果计算出的差值大于所述第一预设标准差值，则判断按键处于按下状态。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括：
根据下式实时更新保存的无键充电时间值：
其中，Tnkn表示更新后的无键充电基准时间值，表示之前保存的无键充电基准时间值，/>表示当前读取的无键充电时间值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
连续两次判断按键处于按下状态，则确认按键处于按下状态。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于读取的无键充电时间值实时更新无键充电基准时间值，包括：
如果计算出的差值小于第二预设标准差值，则将当前读取的充电时间值作为无键充电时间值，以更新无键充电基准时间值，所述第二预设标准差值小于所述第一预设标准差值。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第二预设标准差值是所述第一预设标准差值的四分之一。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
如果已确认之前按键处于按下状态，并且当前读取的充电时间值与无键充电基准时间值的差小于第三预设标准差值，则判断按键处于松开状态。
7.一种新型触摸按键，其特征在于，所述触摸按键采用如权利要求1～6中任意一者所述的设计方法。
8.根据权利要求7所述的新型触摸按键，其特征在于：
所述按键成叉子形状，叉子的彼此交错的叉枝不相连，其中，叉子的一个开叉口接按键口，背向的另一个开叉口接地。
9.根据权利要求7所述的新型触摸按键，其特征在于，相邻的所述按键之间的空隙排布地线；
所述按键的走线接近直线；
所述按键的大小接近人的手指大小。
10.根据权利要求8所述的新型触摸按键，其特征在于，所述芯片为JST080。
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