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Die
vorliegende Erfindung betrifft Berührungsbildschirme (Touchscreens)
und findet insbesondere Anwendung auf Berührungsbildschirme, die dahingehend
ausgebildet sind, bei der Steuerung von Fahrzeuguntersystemen eingesetzt
zu werden.
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Es
ist bekannt, in Fahrzeugen Touchscreens zur Verfügung zu stellen, um es dem
Fahrer oder dem Beifahrer zu ermöglichen,
verschiedene Untersysteme des Fahrzeugs zu steuern. Es ist ebenfalls bekannt,
Annäherungserfassungsanordnungen
(proximity sensing systems) zur Verfügung zu stellen, bei denen
ein Signal durch den Fahrer oder den Beifahrer übertragen- zum Beispiel zwischen
einer Antenne in ihrem Sitz und einem Steuereingabeelement (control
input), wie etwa einem Druckknopf oder einem Touchscreen – und die
Stärke
des empfangenen Signals gemessen wird. Die Stärke des Signals zeigt die Kapazität zwischen
dem Fahrer oder Beifahrer und dem Steuereingabeelement an und somit
die Entfernung der Hand des Benutzers von dem Steuereingabeelement.
Das Signal wird typischerweise mittels einer speziell angebrachten
Antenne, wie etwa einer leitfähigen
Schicht bzw. Beschichtung auf dem Druckknopf oder einer leitfähigen Einfassung
um den Touchscreen herum, von dem Steuereingabeelement empfangen
oder von diesem gesendet.
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Gemäß der Erfindung
wird eine Touchscreensteueranordnung (touch screen control system)
zur Verfügung
gestellt, die einen Touchscreen aufweist, der über eine erste und zweite leitfähige Schicht
bzw. Beschichtung (layer) verfügt,
die so ausgebildet sind, dass diese durch das Berühren des Touchscreens
zusammengebracht werden, sowie eine Erfassungsanordnung (detection
system), die derart ausgebildet ist, dass diese eine Kontaktposition
(contact position) erfasst, an welcher der Touchscreen berührt wird,
indem elektrische Signale von wenigstens einer der Schichten überwacht
werden, wobei die Anordnung ferner eine Antenne umfasst, und die
Erfassungsanordnung einen Annäherungserfassungssignalgenerator
(proximity sensing signal generator) aufweist, der derart ausgebildet
ist, dass dieser ein Annäherungserfassungssignal
(proximity sensing signal) erzeugt, das über einen Benutzer der Anordnung
zwischen der Antenne und der ersten Schicht übertragen wird, und die Erfassungsanordnung
ferner derart ausgebildet ist, dass diese das übertragene Annäherungserfassungssignal
empfängt
und daraus die Entfernung zwischen einem Körperteil des Benutzers und
dem Touchscreen bestimmt.
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Die
erste Schicht kann über
zwei Kontaktelemente verfügen,
die sich über
gegenüberliegende Seiten
der Schicht erstrecken, und die Erfassungsanordnung kann derart
ausgebildet sein, dass durch sie die Kontaktelemente an verschiedene
Potentiale angeschlossen werden, so dass das Potential der Schicht
mit der Entfernung von jedem der beiden Kontaktelemente variiert,
wodurch ein Erfassen der Kontaktposition ermöglicht wird. Eine solche Anordnung
entspricht einer gängigen
Vierdraht-Touchscreen-Konstruktion (four-wire touch screen design).
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Die
Erfassungsanordnung kann derart ausgebildet sein, dass diese das
Annäherungserfassungssignal
von der ersten Schicht zur Antenne oder von der Antenne zur ersten
Schicht überträgt. Die
Erfassungsanordnung kann derart ausgebildet sein, dass diese das
Annäherungserfassungssignal über wenigstens
eines der Kontaktelemente und vorzugsweise über beide Kontaktelemente überträgt oder empfängt.
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Wenn
das Annäherungserfassungssignal
an die erste Schicht gesendet wird, weist die Erfassungsanordnung
vorzugsweise eine Summiervorrichtung (summing device) auf, die derart
ausgebildet ist, dass diese Signale von den beiden Kontaktelementen
addiert, um ein empfangenes Annäherungserfassungssignal
zu erzeugen.
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Die
Erfassungsanordnung kann derart ausgebildet sein, dass diese wenigstens
eine Verbindung zu der zweiten Schicht so steuert, dass diese für wenigstens
einen Teil der Zeit, in der das Annäherungserfassungssignal empfangen
wird, als Schirm bzw. Abschirmung wirkt. Zum Beispiel kann die Erfassungsanordnung
derart ausgebildet sein, dass diese bestimmt, wann der Touchscreen
berührt
wird, und dass sie die wenigstens eine Verbindung so steuert, dass
diese die zweite Schicht an wenigstens ein festes Potential anschließt, wenn
das Annäherungserfassungssignalempfangen
wird und der Touchscreen nicht berührt wird.
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Zur
Vereinfachung kann der wenigstens eine Anschluss die normalen Anschlüsse an die
zweite Schicht umfassen, die für
die Berührungspositionserfassung
(touch position sensing) verwendet werden. Zum Beispiel können zwei
Anschlüsse
vorgesehen sein, die derart ausgebildet sind, dass diese die zweite
Schicht zwischen zwei verschiedenen Potentialen anschließen, sowohl
wenn das Annäherungserfassungssignal
empfangen wird und der Touchscreen nicht berührt wird, als auch wenn die
Erfassungsanordnung die Kontaktposition bestimmt.
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Die
Erfassungsanordnung kann derart ausgebildet sein, dass diese die
zweite Schicht elektrisch isoliert, wenn das Annäherungserfassungssignalempfangen
wird und der Touchscreen berührt
wird. Dies verhindert, dass Potentiale auf der zweiten Schicht mit
dem Annäherungserfassungssignal
interferieren, das auf der ersten Schicht empfangen wird.
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Die
Erfassungsanordnung kann derart ausgebildet sein, dass sie zwischen
einem Berührungspositionserfassungsmodus
(touch position sensing mode), in dem sie dazu ausgebildet ist,
die Kontaktposition zu bestimmen, und einem Annäherungs erfassungsmodus (proximity
sensing mode), in dem sie dazu ausgebildet ist, die Entfernung zu
messen, wechselt.
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Die
Erfassungsanordnung kann ein Touchscreensteuergerät umfassen,
das dahingehend ausgebildet ist, dass es die Kontaktposition erfasst,
und eine Annäherungserfassungsanordnung
einschließlich
des Annäherungserfassungssignalgenerators. Das
Touchscreensteuergerät
kann dann dahingehend ausgebildet sein, die elektrischen Signale
zu empfangen, einschließlich
des Annäherungserfassungssignals
von dem Touchscreen, und die Annäherungserfassungsanordnung
kann dahingehend ausgebildet sein, dass diese das Annäherungserfassungssignal
von dem Touchscreensteuergerät
empfängt. Überdies
kann das Touchscreensteuergerät dahingehend
ausgebildet sein, ein Synchronisationssignal an die Annäherungserfassungsanordnung
zu senden, um es der Annäherungserfassungsanordnung
zu ermöglichen,
zu bestimmen, wann sie das Annäherungserfassungssignal
von dem Touchscreensteuergerät
empfängt.
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Ferner
stellt die vorliegende Erfindung eine Touchscreensteueranordnung
zur Verfügung,
die einen Touchscreen umfasst, der über eine erste und zweite leitfähige Schicht
verfügt,
die dahingehend ausgebildet sind, durch Berühren des Touchscreens zusammengebracht
zu werden, und eine Erfassungsanordnung, die dahingehend ausgebildet
ist, durch Überwachen
elektrischer Signale von wenigstens einer der Schichten eine Kontaktposition
zu erfassen, an welcher der Touchscreen berührt wird, wobei die erste Schicht
dahingehend ausgebildet ist, als Empfangsantenne zu wirken, um ein
Annäherungserfassungssignal
zu empfangen, das von einer Sendeantenne über einen Benutzer übertragen
wird; die Erfassungsanordnung ist ferner dahingehend ausgebildet,
das empfangene Annäherungserfassungssignal
weiter zu einer Annäherungserfassungsanordnung
zu senden, und es dadurch der Annäherungserfassungsanordnung
zu ermöglichen,
eine Entfernung zwischen einem Körperteil
des Benutzers und dem Touchscreen zu bestimmen.
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Die
bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nun beispielhaft unter Bezugnahme
auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 ein
schematisches Systemdiagramm einer Steuerungsanordnung gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung ist;
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2 eine
schematische Seitenansicht der in ein Fahrzeug eingebauten Anordnung
von 1 ist;
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3 ein
schematischer Schaltplan der Anordnung von 1 ist;
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4 ein
schematischer Schaltplan der Anordnung von 1 ist, die
dahingehend ausgebildet ist, das Berühren ihres Touchscreens zu
erfassen;
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5 ein
schematischer Schaltplan der Anordnung von 1 ist, die
dahingehend ausgebildet ist, eine X-Koordinate eines Kontaktpunktes
auf dem Touchscreen zu bestimmen;
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6 ein
schematischer Schaltplan der Anordnung von 1 ist, die
dahingehend ausgebildet ist, eine Y-Koordinate eines Kontaktpunktes
auf dem Touchscreen zu bestimmen;
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7 ein
schematischer Schaltplan der Anordnung von 1 ist, die
dahingehend ausgebildet ist, die Annäherung zu erfassen, wenn der
Touchscreen nicht berührt
wird;
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8 ein
schematischer Schaltplan der Anordnung von 1 ist, die
dahingehend ausgebildet ist, die Annäherung zu erfassen, wenn der
Touchscreen berührt
wird;
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9 ein
schematischer Schaltplan der Anordnung von 1 ist und
den EMV- sowie ESD-Schutz illustriert;
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10 ein
Diagramm ist, in dem das Zusammenwirken zwischen zwei Steuereinheiten
der Anordnung von 1 dargestellt wird;
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11 ein
Zeitsteuerungsdiagramm ist, in dem die Signale zu verschiedenen
Punkten in der Anordnung von 1 während des
Betriebs dargestellt sind;
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12 ein
Schaltplan ist, in dem Details eines Touchscreenschaltkreises und
einer Touchscreenschutzschaltung der Anordnung von 1 dargestellt
sind;
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13 ein
Schaltplan ist, in dem Details einer Touchscreeneingangspufferschaltung
der Anordnung von 1 dargestellt sind; und
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14 ein
Schaltplan ist, in dem ein Schaltkreis zur Erzeugung eines Referenzsignals
in der Anordnung von 1 dargestellt wird.
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Wie
in den 1 und 2 dargestellt, umfasst eine
Steuervorrichtung für
ein Fahrzeuguntersystem 10, bei dem es sich gemäß dieser
besonderen Ausführungsform
um ein Heiz- und Lüftungssystem
handelt, ein Systemsteuergerät 12,
das derart ausgebildet ist, dass es den Betrieb des Untersystems 10 steuert,
sowie ein Vierdrahttouchscreen-Bedienfeld (four-wire touch screen
control panel) 14, hinter dem sich eine LCD-Anzeigeeinheit 15 befindet. Ein
Touchscreensteuergerät 20 steuert
den Betrieb des Touchscreens 14 und erfasst, wie unten
beschrieben, wann und in welcher Position der Touchscreen berührt worden
ist. Der Touchscreen 14 wird dazu verwendet, den Betrieb
des Untersystems 10 zu steuern, und das Systemsteuergerät 12 empfängt Eingangssignale
von dem Touchscreensteuergerät 20.
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Eine
Annäherungserfassungsanordnung
zur Erfassung, wann die Hand eines Benutzers sich dem Touchscreen 14 nähert, weist
eine Fahrersitzantenne 26 in Form einer im Fahrersitz 29 angebrachten
leitfähigen
Folie auf. Die Antenne 26 ist an einen Annäherungserfassungsprozessor
(proximity sensing processor) oder elektronische Steuereinheit (Electronic Control
Unit (ECU)) 30 angeschlossen, der bzw. die, wie unten ausführlich beschrieben
wird, dahingehend ausgebildet ist, elektrische Signale durch die
Sitzantenne 26 zu übertragen
und diese über
den Touchscreen 14 und das Touchscreensteuergerät 20 zu empfangen.
Die Stärke
dieser Signale wird dazu verwendet, die Entfernung zwischen einem
Körperteil des
Fahrers, für
gewöhnlich
seiner Hand, und dem Touchscreen 14 zu bestimmen. Eine ähnliche
Sitzantenne 28 ist in dem vorderen Beifahrersitz des Fahrzeugs
angebracht.
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Die
Annäherungserfassungs-ECU 30 ist
außerdem
an einen Grafikcontroller 34 angeschlossen, der seinerseits
an eine unterhalb der Fahrzeugwindschutzscheibe 38 angebrachte
Head-up-Anzeigeeinheit (head-up display unit (HUD)) 36 angeschlossen ist,
die so ausgebildet ist, dass diese eine Anzeige so auf die Windschutzscheibe
projiziert, dass die Anzeige vom Fahrer 40 vom Fahrersitz 29 aus
gesehen werden kann. Außerdem
ist die Annäherungserfassungs-ECU 30 an
eine Busschnittstelle 33 angeschlossen, so dass diese Daten
verwenden kann, die auf dem CAN-Bus des Fahrzeugs zur Verfügung stehen.
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Es
wird nun der allgemeine Betrieb der Annäherungserfassungsanordnung
beschrieben. Die Annäherungserfassungs-ECU 30 gibt
ein sinusförmiges
Signal mit einer vorausbestimmten Frequenz und Amplitude, in diesem
Fall von 67 kHz und 10 V auf die Fahrersitzantenne 26 und überwacht
die Signale, die von dem Touchscreen über das Touchscreensteuergerät 20 bei
dieser Frequenz empfangen werden. Solange der Fahrer 40 den
Touchscreen 14 nicht bedient, vorausgesetzt, dass kein
Teil seines Körpers
sich innerhalb eines vorbestimmten Bereichs 44 in der Nähe des Touchscreens 14 befindet, wird
kein von dem Touchscreen ausgehendes Signal bei 67 kHz erfasst.
Unter diesen Bedingungen ist die HUD-Einheit 36 nicht in
Betrieb und das gesteuerte System 10 wird nicht verändert.
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Bringt
der Fahrer 40 seine Hand 46 in den Bereich 44,
so wird das Signal von der Sitzantenne 26 durch seinen
Körper
zu dem Touchscreen übermittelt,
wo es genügend
stark empfangen wird, um von der Annäherungserfassungs-ECU 30 erfasst
zu werden. Der Grund hierfür
ist, dass der Körper
des Fahrers 40 andere dielektrische Eigenschaften als die
umgebende Luft aufweist und besser dazu in der Lage ist, das Signal
von der Fahrersitzantenne 26 zu dem Touchscreen zu übermitteln.
Wenn das Signal von der Fahrersitzantenne 26 empfangen
wird, aktiviert die Annäherungserfassungs-ECU 30 die HUD-Einheit 36,
die ein HUD-Bild 37 auf
die Windschutzscheibe projiziert, das den aktuellen Zustand des
gesteuerte Systems darstellt. Wenn die Hand 46 des Fahrers
den Touchscreen 14 berührt,
wird dies von dem Touchscreensteuergerät 20 erfasst und an die
Annäherungserfassungs-ECU 30 übermittelt,
die das Bild 37 modifiziert, um dem Fahrer 40 anzuzeigen,
welche der Steuerungsbereiche (control areas) 16 seine
Hand berührt,
in diesem Fall durch Erleuchten der Darstellung dieses Steuerungsbereichs.
Die HUD-Einheit 36 ändert
das HUD-Bild 37, um dem Fahrer 40 die Auswirkung
seiner Eingaben auf das gesteuerte System anzuzeigen. Wenn der Fahrer 40 das
gesteuerte System so verändert
hat, dass die gewünschte
Einstellung erreicht ist, zieht er seine Hand 46 zurück. Wenn
seine Hand den Bereich 44 verlässt, hört der Touchscreen 14 auf,
das Signal von der Fahrersitzantenne 26 zu empfangen, und
die Annäherungserfassungs-ECU 30 erfasst
den Rückzug der
Hand des Fahrers. Sie deaktiviert dann die Head-Up-Anzeigeeinheit 36.
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Um
zwischen dem Fahrer und dem Beifahrer zu unterscheiden, ist die
Annäherungserfassungsanordnung
derart ausgebildet, dass sie das Annäherungserfassungssignal abwechselnd
durch die Fahrersitzantenne 26 und die Beifahrersitzantenne 28 überträgt.
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Wie
in 3 dargestellt, umfasst der Touchscreen 14 eine
vordere Schicht 50, die sich auf der Außenseite des Touchscreens 14 am
nächsten
zum Fahrer und Beifahrer befindet, und eine hintere Schicht 52 zwischen
der vorderen Schicht 50 und der LCD-Anzeigeeinheit 15.
Die vordere und die hintere Schicht 50, 52 sind
elektrisch leitfähig,
parallel zueinander und voneinander beabstandet, so dass zwischen
ihnen eine Lücke
ist. Zwei Kontaktdrähte 54, 56 verlaufen
entlang der linken und der rechten Kante 58, 60 der
vorderen Schicht 50, und zwei weitere Kontaktdrähte 62, 64 verlaufen
entlang der oberen und unteren Kante 66, 68 der
hinteren Schicht 52. Jeder der vier Kontaktdrähte 54, 56, 62, 64 ist
einzeln an einen Analog-Digital-Wandler (Analogue to Digital Converter
(ADC)) in dem Touchscreen steuergerät 20 angeschlossen,
der die Signale auf den Kontaktdrähten dazu verwendet, die Position
des Kontaktpunkts, an dem der Touchscreen berührt wird, zu bestimmen. Der
obere und der untere Kontaktdraht 62, 64 der hinteren
Schicht 52 sind außerdem
durch die Schalter S1 und S2 an eine S-V-Spannungsquelle bzw. an Masse
angeschlossen, und der rechte und der linke Kontaktdraht 56, 54 der
vorderen Schicht 50 sind außerdem durch die Schalter S3
und S4 an die 5-V-Spannungsquelle
bzw. an Masse angeschlossen. Überdies
sind der linke und der rechte Kontaktdraht 54, 56 der
vorderen Schicht 50 beide an einen Summierkreis (summing
circuit) 70 angeschlossen, dessen Ausgang den Eingang zu
einem Puffer 72 bildet, der über eine 5-V-Spannungsquelle
verfügt.
Der Ausgang 73 des Puffers 72 wird als ein Eingang
zu dem Annäherungserfassungssteuergerät (proximity sensing
controller) verwendet, das ihn für
die Annäherungserfassung
benutzt.
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Der
untere Kontaktdraht 64 auf der hinteren Schicht 52 ist
durch einen Widerstand 74 ebenfalls an Masse und an einen
weiteren Schalter S5 angeschlossen. Der Ausgang 73 des
Puffers 72 ist über
einen Schalter S6 an eine Batteriespannung VBATT angeschlossen,
die größer als
8 V ist. Diese wird dazu verwendet, ein Taktsignal zu erzeugen,
um den Betrieb des Touchscreensteuergerätes 20 und des Annäherungserfassungssteuergerätes 30 zu
koordinieren.
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Wie
aus 4 hervorgeht, wird zur Bestimmung, ob der Touchscreen 14 berührt wird
oder nicht, der Touchscreenschaltkreis in einen Berührungserfassungszustand
(touch detection state) versetzt. In diesem Zustand ist der rechte
Kontaktdraht 56 der vorderen Schicht 50 durch
den Schalter S3 an die 5-V-Spannungsquelle angeschlossen, und der
linke Kontaktdraht 54 ist von Masse getrennt. An der gesamten
vorderen Schicht 50 liegt daher eine Spannung von ungefähr 5 V an.
Der untere Kontaktdraht 64 der hinteren Schicht 52 ist über den
Widerstand 74 und den Schalter S5 an Masse angeschlossen, und
der obere Kontaktdraht 62 ist von der S-V-Spannungsquelle
getrennt. Wenn der Touchscreen nicht berührt wird, bleibt die Spannung
der hinteren Schicht 52 bei Null. Wenn jedoch der Touchscreen berührt wird,
so dass die vordere Schicht 50 an irgendeinem Punkt in
Kontakt mit der hinteren Schicht 52 gebracht wird, steigt
die Spannung der hinteren Schicht 52 über Null, was von dem Touchscreensteuergerät 20 erfasst
werden kann.
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Wie
aus 5 hervorgeht, wird zur Bestimmung der X-Koordinate
der Position, an welcher der Touchscreen berührt wird, der Touchscreenschaltkreis
in einen X-Koordinaten-Erfassungszustand
versetzt. In diesem Zustand ist der rechte Kontaktdraht 56 der
vorderen Schicht 50 durch den Schalter S3 an die S-V-Spannungsquelle
angeschlossen, und der linke Kontaktdraht 54 der vorderen
Schicht 50 ist durch den Schalter S4 an Masse angeschlossen.
Dadurch liegt an der gesamten rechten Seite 60 des vorderen
Touchscreens eine Spannung von 5 V, an der gesamten linken Seite 58 eine
Spannung von im Wesentlichen null Volt, und an allen Positionen
auf der vorderen Schicht 50 ein Potential, das von deren
Entfernung in horizontaler Richtung von jedem der beiden Seitenkontaktdrähte 54, 56 abhängt. Die
Spannung an dem oberen und unteren Kontaktdraht 62, 64 wird
in den hochohmigen Eingang des Touchscreensteuergerätes 20 eingegeben.
Wenn der Touchscreen berührt
wird, so dass die beiden Schichten 50, 52 in Kontakt
miteinander kommen, wird der gesamte hintere Touchscreen auf das
Potential des Kontaktpunktes auf dem vorderen Touchscreen gebracht.
Dieses Potential wird durch das Touchscreensteuergerät erfasst
und zeigt die X-Koordinate des Kontaktpunktes an.
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Wie
aus 6 hervorgeht, entspricht das Verfahren zur Bestimmung
der Y-Koordinate demjenigen zur Bestimmung der X-Koordinate. Der
Touchscreenschaltkreis wird in einen Y-Koordinaten-Erfassungszustand
versetzt, in dem die hintere Schicht 52 an dem oberen Kontaktdraht 62 an
die 5-V-Spannungsquelle und an dem unteren Kontaktdraht 64 an Masse
angeschlossen ist, so dass das Potential an der hinteren Schicht
mit der vertikalen Position variiert. Anschließend wir die Spannung an dem
vorderen Touchscreen unter Verwendung des linken und des rechten
Kontaktdrahtes 54, 56 überwacht, um die Y-Koordinate
des Kontaktpunktes zu bestimmen.
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Wie
aus 7 hervorgeht, wird zur Durchführung der Annäherungserfassung
die vordere Schicht 50 des Touchscreens 14 als
Empfangsantenne für
das Annähe rungserfassungssignal
verwendet, das von der Fahrer- oder der Beifahrersitzantenne 26, 28 durch
den Fahrer oder den Beifahrer übertragen
wird. Wie oben dargestellt, zeigt die Stärke des empfangenen Signals
die Entfernung zwischen der Hand des Fahrers oder des Beifahrers
und dem Touchscreen 14 an. Zur Erfassung des Annäherungserfassungssignals
wird der Ausgang des Puffers 72 überwacht, um die Größe seiner 67-kHz-Komponente
zu bestimmen, bei der es sich um ein Maß für die Stärke des empfangenen Annäherungserfassungssignals
an der vorderen Schicht 50 handelt.
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Wenn
der Touchscreen 14 nicht berührt wird, wird der Touchscreenschaltkreis,
damit die Anordnung die Annäherungserfassungsfunktion
erfüllt,
in einen ersten Annäherungserfassungszustand
versetzt. In diesem Zustand wird die hintere Schicht 52 als
Abschirmung verwendet, um die vordere Schicht 50 gegen
Interferenzen der LCD-Anzeigeeinheit 15 abzuschirmen. Um
diese Funktion am effektivsten zu erfüllen, muss die hintere Schicht 52 an
eine niederohmige Quelle angeschlossen sein. Daher ist der obere
Kontaktdraht 62 über
den Schalter S1 an die 5-V-Spannungsquelle angeschlossen, und der
untere Kontaktdraht 64 ist über den Schalter S2 an Masse angeschlossen.
Für eine
wirksame Abschirmung müssen
sowohl die Ausgangsimpedanz der 5-V-Spannungsquelle als auch die
Impedanzen der Schalter S1 und S2 niedrig bei 67kHz sein. Der Wirkwiderstand
bei 67 kHz zwischen der hinteren Schicht 52 und Masse sollte
im Idealfall nicht mehr als 100 Ω betragen.
Der Wirkwiderstand kann berechnet werden, indem die Ausgangsimpedanz
der 5-V-Spannungsquelle zu der Impedanz der parallel geschalteten
S1 und S2 hinzuaddiert wird. Die Eingangsimpedanz des Annäherungserfassungsschaltkreises
in der Annäherungserfassungs-ECU 30 ist
ebenfalls derart ausgebildet, dass sie niedrig ist, in diesem Fall ungefähr 100 Ω bei 67
kHz, um den Effekt der Kapazität
zwischen den Schichten des Touchscreens 14 zu minimieren.
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In 8 ist
dargestellt, dass die Annäherungserfassungsanordnung
auch dann funktionieren muss, wenn der Touchscreen berührt wird.
Dies ist deshalb der Fall, damit mittels der Erfassungsanordnung
bestimmt werden kann, welcher Benutzer den Touchscreen berührt. Dies
lässt sich
zum Beispiel erreichen, indem verschie dene Annäherungserfassungssignale durch
die beiden Sitzantennen 26, 28, übertragen
werden, oder indem die Signale zu verschiedenen Zeitpunkten durch
die beiden Antennen übertragen
werden, wobei in diesem Fall das gleiche Signal für beide
Benutzer verwendet werden kann. Wenn der Touchscreen 14 berührt wird,
kann die hintere Schicht 52 nicht an die 5-V-Spannungsquelle und
Masse angeschlossen werden, da die Spannung an der hinteren Schicht 52 dann
mit dem empfangenen Annäherungserfassungssignal
auf der vorderen Schicht 50 interferieren würde. Daher
wird die hintere Schicht in einem zweiten Annäherungserfassungszustand elektrisch
isoliert, indem sie durch Öffnen
der Schalter S1 and S2 von der S-V-Spannungsquelle und von Masse
getrennt wird. Das Annäherungserfassungssignal
wird an der vorderen Schicht 50 empfangen und in der gleichen
Weise gemessen, wie wenn der Touchscreen nicht berührt wird.
Aufgrund der Isolierung der hinteren Schicht 52 kann diese nicht
als ein effektiver Schirm wirken, aber weil der Touchscreen berührt wird,
wird das Annäherungserfassungssignal
durch den Benutzer besonders stark zur vorderen Schicht 50 übertragen
und kann daher leicht erfasst werden.
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In 9 ist
dargestellt, dass zwischen Masse und dem linken und rechten Kontaktdraht 54, 56 an
der vorderen Schicht 50 jeweils ein Kondensator C8, C9
angeschlossen ist. Zwischen dem oberen und unteren Kontaktdraht
ist gleichfalls ein Kondensator C6, C7 angeschlossen. Diese Kondensatoren
C6, C7, C8, C9 sind Filterkondensatoren für die elektromagnetische Verträglichkeit
(EMV) und dienen der Verbesserung der Störsicherheit des Touchscreens gegenüber Interferenzen,
insbesondere von der Anzeigeeinheit 15. Die Dimensionierung
dieser Kondensatoren C6, C7, C8, C9 hängt vom Widerstand des Touchscreens 14 und
der erforderlichen Messzeit ab. Die Kapazitäten von C8 und C9 betragen
typischerweise mindestens 100 nF; in diesem Fall betragen sie konkret
100 nF. C6 and C7 haben typischerweise einen ähnlichen oder einen geringeren Wert,
und in diesem Fall betragen sie ebenfalls 100 nF. Die Kondensatoren
C8, C9 an der vorderen Schicht 50 würden jedoch mit der Erfassung
des Annäherungserfassungssignals
interferieren, und die Kondensatoren C6, C7 an der hinteren Schicht 52 würden gleichfalls
interferieren, wenn der Touchscreen berührt wird, da sie dann einen
Pfad von der vorderen Schicht 50 zu Masse bieten würden. Daher sind
die Kon densatoren C8, C9 durch einen weiteren Schalter S7 mit Masse
verbindbar, so dass diese während
der Annäherungserfassung
abgeschaltet werden können,
und die Kondensatoren C6, C7 sind durch einen weiteren Schalter
S8 mit Masse verbindbar, so dass diese während der Annäherungserfassung
abgeschaltet werden können,
wenn der Touchscreen 14 berührt wird. Daher sind C2, C3,
C4, C5 als weitere Kondensatoren permanent jeweils zwischen den
Kontaktdrähten 54, 56, 62, 64 und
Masse angeschlossen. Sie haben einen sehr viel niedrigeren Wert,
in diesem Fall 2,2 nF, und bieten während der
Annäherungserfassung
ein Maß an
EMV-Schutz, ohne nennenswert mit dem Annäherungserfassungssignal zu
interferieren.
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Wie
in 10 dargestellt, sind das Touchscreensteuergerät 20 und
die Annäherungserfassungs-ECU 30 mittels
eines Koaxialkabels 80 aneinander angeschlossen, dessen
Inneres 82 Signale von dem Touchscreensteuergerät 20 zum
Annäherungserfassungssteuergerät 30 überträgt und dessen Äußeres 84 an
Masse angeschlossen ist. Dieses Koaxialkabel wird dazu eingesetzt,
das erfasste Annäherungserfassungssignal
von der vorderen Schicht 50 des Touchscreens zum Annäherungserfassungssteuergerät 30 zu übertragen
und außerdem
ein Synchronisationssignal zu übertragen,
so dass das Annäherungserfassungssteuergerät bestimmen
kann, wann das Signal auf dem Koaxialkabel das Annäherungserfassungssignal
ist und wann nicht. Es wird ebenfalls von dem Touchscreensteuergerät 20 verwendet,
um der Annäherungserfassungs-ECU 30 anzuzeigen,
wann der Touchscreen 14 berührt wird. Das Touchscreensteuergerät 20 wechselt
zwischen einem Touchscreenmodus, in dem es das Vorhandensein oder
Nichtvorhandensein einer Berührung
an dem Touchscreen, und die Position jeder Berührung erfasst, und einem Annäherungserfassungsmodus,
in welchem es das Annäherungserfassungssignal
empfängt
und an das Annäherungserfassungssteuergerät 30 überträgt. Beim Einschalten
(power up) synchronisiert sich das Annäherungserfassungssteuergerät auf das
Synchronisationssignal und bleibt danach in Synchronisation.
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Wie
in 11 dargestellt, arbeitet das Touchscreensteuergerät 20 in
diesem Beispiel auf der Basis einer Zykluszeit von 32 ms, die sich
aus einem Touchscreen- betriebszyklus
von 12 ms und einem Annäherungserfassungszyklus
von 20 ms zusammensetzt. Diese Zykluszeiten könnten natürlich variieren. Während dieses
Zyklus kann jeder der Schalter S1 bis S6 geöffnet und geschlossen werden, indem,
wie in 11 dargestellt, ein Steuersignal
auf diese gegeben wird, wobei das Steuersignal hoch ist, um den
Schalter zu schließen
und niedrig, um ihn zu öffnen.
Das Annäherungserfassungssignal
auf dem Koaxialkabel ist in 11 unten
dargestellt.
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Zu
Beginn des Touchscreenzyklus werden die Schalter S3 und S5 für eine vorausbestimmte
Zeit geschlossen, wodurch der Schaltkreis in den Berührungserfassungszustand
versetzt wird und die Signale von den beiden Kontaktdrähten 62, 64 der
hinteren Schicht von dem Annäherungserfassungssteuergerät 20 überwacht
werden, um zu bestimmen, ob der Touchscreen berührt wird. Am Ende dieser Zeit
wird der Schalter S6 geschlossen, um in dem Signal auf dem Koaxialkabel 80 eine
steigende Flanke zu erzeugen. Diese wird von dem Annäherungserfassungssteuergerät zur Synchronisation
verwendet. Anschließend
wird der Schalter S6 wieder geöffnet, entweder
nach einer ersten kurzen Periode, wenn ein Berühren des Touchscreens erfasst
wurde, oder nach einer zweiten längeren
Periode, wenn ein Berühren
des Touchscreens nicht erfasst wurde. Daher zeigt die Länge des
VBATT-Synchronisationspulses dem
Annäherungserfassungssteuergerät 30 an,
ob der Touchscreen 14 berührt wird oder nicht. Dies ermöglicht es
dem Annäherungserfassungssteuergerät, seine
Empfindlichkeit anzupassen, um die Tatsache zu berücksichtigen,
dass das Annäherungserfassungssignal
sehr viel stärker
empfangen wird, wenn der Touchscreen 14 berührt wird.
Es ermöglicht
außerdem
dem Annäherungserfassungssteuergerät 30,
seine Eingangsdaten an das Systemsteuergerät 12 gegebenenfalls
zu modifizieren, wenn der Touchscreen 14 berührt wird.
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Nach
dem Ende des Synchronisationspulses wird der Rest des 12 ms dauernden
Touchscreenzyklus von dem Touchscreensteuergerät 20 aufgenommen,
um die Position des Punktes zu bestimmen, an dem der Touchscreen
berührt
wird. Dies wird in konventioneller Weise durchgeführt, indem
der Touchscreenschaltkreis in die oben beschriebenen X-Koordinaten-
und Y-Koordinaten-Erfassungszustände versetzt
wird. Während
dieses Teils des Zyklus variiert das Signal auf dem Koaxi alkabel 80 in
mehrerer Hinsicht, und das Annäherungserfassungssteuergerät ist derart
ausgebildet, dies nicht zu berücksichtigen.
Das Signal steigt zu keiner Zeit über 5 V, außer während des Synchronisationspulses,
da die Spannungsversorgung des Puffers 72 5 V beträgt, d.h. niedriger
ist als die Spannung des Synchronisationssignals. Dies gewährleistet,
dass das Synchronisationssignal von allen anderen Signalen auf dem
Koaxialkabel 80 unterschieden werden kann.
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Anschließend werden
zu Beginn des Annäherungserfassungszyklus
die Schalter S3 und S4 geöffnet,
so dass das Potential an der vorderen Schicht 50 mit dem
durch den Benutzer übertragenen
Annäherungserfassungssignal
variieren kann, wobei die Schalter S5 und S6 geöffnet gehalten werden. Die Schalter
S1 and S2 werden geschlossen, wenn der Touchscreen 14 nicht
berührt
wird, wie im zweiten dargestellten Zyklus, so dass die hintere Schicht 52, wie
oben beschrieben, als Abschirmung wirken kann. Dies ist der oben
beschriebene erste Annäherungserfassungszustand.
Wenn der Tochscreen 14 berührt wird, werden die Schalter
S1 und S2 während
des Annäherungserfassungszyklus
geöffnet,
wie in dem ersten dargestellten Zyklus. Wie oben beschrieben, verhindert
dies, dass die Spannung an der hinteren Schicht 52 in einer
Weise geändert
wird, dass dies mit dem Annäherungserfassungssignal,
so wie dieses an der vorderen Schicht 50 erfasst wird,
interferiert. Während
des Annäherungserfassungszyklus überträgt das Annäherungserfassungssteuergerät 30 das
Annäherungserfassungssignal
jeweils abwechselnd durch die Fahrer- und die Beifahrersitzantenne 26, 28,
und überwacht
das empfangene Signal über das
Koaxialkabel 80, um die Entfernung der Hand des Fahrers
oder des Beifahrers zum Touchscreen 14 zu bestimmen und
um zu bestimmen, ob es die Hand des Fahrers oder die des Beifahrers
ist, die erfasst wird.
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Für einen
effektiven Betrieb muss der Eingangspuffer 72 eine hohe
Gleichstromeingangsimpedanz haben, vorzugsweise mindestens 10 kΩ. Dies dient
dazu zu gewährleisten,
dass die Berührungserfassung
korrekt funktionieren kann. Überdies
muss er in der Lage sein, das Annäherungserfassungssignal zu
verstärken,
das in dieser Ausführungsform etwa
100 nA Spitze zu Spitze beträgt,
so dass es von dem Annäherungserfassungssteuergerät 30 erfasst werden
kann. Außerdem muss
der Puffer 72 eine niedrige Eingangsimpedanz bei der Frequenz
des Annäherungserfassungssignals,
67 kHz, haben, vorzugsweise niedriger als der Blindwiderstand zwischen
den Touchscreenschichten 50, 52, um zu verhindern,
dass die Empfindlichkeit der Erfassungsanordnung durch die Kapazität des Touchscreens 14 verringert
wird. Zum Beispiel muss für
einen 10-nF-Touchscreen die Eingangsimpedanz geringer als 230 Ω bei 67
kHz sein.
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Ein
Beispiel für
einen geeigneten Schaltkreis und eine geeignete Schutzschaltung
für den
Touchscreen 14 ist in 12 dargestellt.
Die beiden Kontaktdrähte 54, 56 der
vorderen Touchscreenschicht sind an zwei Eingänge X1, X2 einer Sammelleitung (header)
J2 und die beiden Kontaktdrähte 62, 64 der hinteren
Schicht an zwei weitere Eingänge
Y1, Y2 angeschlossen. Die Kondensatoren C2 bis C5 dienen der EMV-Unterdrückung. Die
Kondensatoren C6 bis C9 werden während
des Touchscreenbetriebes dem Schaltkreis zugeschaltet, um während der
Annäherungserfassung
für weitere
EMV-Unterdrückung durch
die Transistoren Q6 und Q7, welche die Schalter S7 and S8 implementieren,
zu sorgen. Die Transistoren Q1, Q2, Q3, Q4 und Q5 implementieren
jeweils die Schalter S1, S3, S5, S2 und S4. Die Dioden D1 bis D4
bieten Schutz vor elektrostatischer Entladung. Die Ausgänge an X1
and X2, des linken und rechten Kontaktdrahts 54, 56 der
vorderen Schicht sind an die Pufferschaltung 72 angeschlossen,
die so implementiert ist, wie in 13 dargestellt.
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In 13 ist
ein Beispiel einer geeigneten Pufferschaltung dargestellt, bei der
C13 und C17 die Wechselstromkomponente der Annäherungserfassungssignale von
den beiden Kontaktdrähten
der vorderen Schicht an den virtuellen Masseeingang des Operationsverstärkers U6A
koppeln. R35 setzt die Wechselstromeingangsimpedanz, und R33 and R39
setzen die Gleichstromeingangsimpedanz. R40, R44 und C18 sorgen
für eine
Vorspannung (Byas) der Schaltung von 2 V. Das Verhältnis von
R30 zu R33 und von R30 zu R39 definiert jeweils die Gleichspannungsverstärkung der
Kontaktdrähte 54, 56 der vorderen
Schicht an die Signale. R30 und C11 definieren die Empfindlichkeit
gegenüber
Wechselstrom.
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Der
Operationsverstärker
U6B und die ihn umgebenden Komponenten bilden einen 67 kHz-Bandpassfilter.
Die Transistoren Q8 und Q9 implementieren den Schalter S6, um den
Ausgang des Puffers bis auf VBATT hochzuziehen,
gesteuert unter Verwendung eines 5-V-Signals.
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Wie
in 14 dargestellt, wird das VBATT-Referenzsignal
von einer 12-V-Eingangsspannung durch die Zener-Dioden D5 und D6,
die Widerstände R45
und R46 sowie durch den Transistor Q10 zur Verfügung gestellt.
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Zusammenfassung
Berührungsbildschirm
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Eine
Berührungsschirm-
bzw. Touchscreensteueranordnung umfasst einen Touchscreen (14), der über eine
erste (50) und zweite leitfähige Schicht (52)
verfügt,
die dahingehend ausgebildet sind, durch Berühren des Touchscreens (14)
zusammengebracht zu werden. Eine Erfassungsanordnung (20, 30)
ist dahingehend ausgebildet, durch Überwachen elektrischer Signale
von wenigstens einer der Schichten (50, 52) eine
Kontaktposition zu erfassen, an welcher der Touchscreen (14)
berührt
wird. Die Anordnung umfasst ferner eine Antenne (26), und
die Erfassungsanordnung weist einen Annäherungserfassungssignalgenerator
auf, der dahingehend ausgebildet ist, ein Annäherungserfassungssignal zu
erzeugen, das zwischen der Antenne (26) und der ersten
Schicht (50) über
einen Benutzer (40) der Anordnung übertragen werden soll. Die
Erfassungsanordnung ist ferner dahingehend ausgebildet, das übertragene
Annäherungserfassungssignal
zu empfangen und daraus die Entfernung zwischen einem Körperteil
(46) des Benutzers und dem Touchscreen (14) zu
bestimmen.