DE112007001088T5

DE112007001088T5 - Steuerung für Mehrpunkt-Berührungsoberfläche

Info

Publication number: DE112007001088T5
Application number: DE112007001088T
Authority: DE
Inventors: Steven P. San Jose Hotelling; Brian Quentin San Francisco Huppi; Christoph H. Los Altos Krah
Original assignee: Apple Inc
Current assignee: Apple Inc
Priority date: 2006-05-02
Filing date: 2007-04-05
Publication date: 2009-02-19
Also published as: JP2009535742A; DE112007003799B4; GB2475631A8; WO2007130771A3; DE602007006470D1; CA2649472C; US10915207B2; US20170097736A1; AU2007248332B2; AU2011200542A1; US20140362048A1; US20090315851A1; DE112007003799A5; US20120319996A1; KR20100063808A; GB2475631B8; JP2015053081A; GB201101918D0; EP2013694A2; GB2475631A

Abstract

Steuerung für eine Mehrfachberührungsoberfläche, wobei die Mehrfachberührungsoberfläche mindestens eine Treiberelektrode hat, mindestens eine Abtastelektrode und mindestens einen Knoten, der an einer Kreuzung der mindestens einen Teiberelektrode und der mindestens einen Abtastelektrode angeordnet ist, wobei die Steuerung umfasst:
eine Ausgabeschaltung, die operativ mit der mindestens einen Treiberelektrode verbunden ist, wobei die Ausgabeschaltung so konfiguriert ist, dass sie Zeitsteuerungssignale erzeugt, die verwendet werden können, um Treiberwellenformen für die Mehrfachberührungsoberfläche zu erzeugen; und
eine Eingabeschaltung, die operativ mit der mindestens einen Abtastelektrode verbunden ist, wobei die Eingabeschaltung so konfiguriert ist, dass sie die Nähe eines Objekts an jedem Knoten durch Messen kapazitiver Kopplung der Treiberwellenformen von der Treiberelektrode zur Abtastelektrode bestimmt;
wobei die Ausgabeschaltung und die Eingabeschaltung Teil einer einzigen anwendungs-spezifischen integrierten Schaltung sind.

Description

HINTERGRUND
Es existieren heute viele Arten von Eingabevorrichtungen zum Durchführen von Operationen in einem Computersystem. Die Operationen entsprechen im Allgemeinen dem Bewegen eines Cursors und/oder dem Treffen von Auswahlen auf einem Anzeigebildschirm. Zum Beispiel können die Eingabevorrichtungen Knöpfe oder Tasten beinhalten, Mäuse, Rollkugeln, Berührungsfelder, Joysticks, Berührungsbildschirme und Ähnliches. Berührungsfelder und Berührungsbildschirme (zusammen "Berührungsoberflächen") werden wegen ihrer Einfachheit und Vielseitigkeit in der Benutzung sowie ihres abnehmenden Preises immer beliebter. Berührungsoberflächen ermöglichen es einem Benutzer, Auswahlen zu treffen und einen Cursor zu bewegen, durch einfaches Berühren der Oberfläche, die ein Feld oder Anzeigebildschirm sein kann, mit einem Finger, Stift oder Ähnlichem. Im Allgemeinen erkennt die Berührungsoberfläche die Berührung und Position der Berührung, und das Computersystem interpretiert die Berührung und führt daraufhin eine Aktion auf der Grundlage der Berührung durch.
Von besonderem Interesse sind Berührungsbildschirme. Verschiedene Arten von Berührungsbildschirmen werden in der gleichzeitig anhängigen Patentanmeldung der Anmelderin mit der Seriennummer 10/840,862 und dem Titel "Mehrpunkt-Berührungsbildschirm" beschrieben, die am 6. Mai 2004 eingereicht wurde, und die hiermit per Referenz in ihrer Gesamtheit mit einbezogen wird. Wie dort bemerkt wird, umfassen Berührungsbildschirme typischerweise ein Berührungsfeld, eine Steuerung und einen Softwaretreiber. Das Berührungsfeld ist im Allgemeinen ein klares Feld mit einer berührungsempfindlichen Oberfläche. Das Berührungsfeld befindet sich vor einem Anzeigebildschirm, so dass die berührungsempfindliche Oberfläche den sichtbaren Bereich des Anzeigebildschirms bedeckt. Das Berührungsfeld registriert Berührungsereignisse und schickt diese Signale an die Steuerung. Die Steuerung verarbeitet diese Signale und schickt die Daten an das Computersystem. Der Softwaretreiber übersetzt die Berührungsereignisse in Computerereignisse.
Es gibt verschiedene Arten von Berührungsbildschirmtechnologien, einschließlich auf Widerstand beruhende, kapazitive, Infrarot-, Oberflächen-akustische-Wellen-, elektromagnetische, Nahfeldscan- usw. Technologien. Jede dieser Vorrichtungen hat Vorteile und Nachteile, die berücksichtigt werden, wenn ein Berührungsbildschirm entworfen oder konfiguriert wird. Ein Problem, das in diesen Technologien aus dem Stand der Technik gefunden wird, ist, dass sie nur in der Lage sind, einen einzelnen Punkt zu berichten, selbst wenn mehrere Objekte auf der Abtastoberfläche platziert sind. Das heißt, dass sie nicht die Fähigkeit haben, mehrere Kontaktpunkte gleichzeitig nach zu verfolgen. In auf Widerstand beruhenden und traditionellen kapazitiven Technologien wird ein Durchschnitt über alle gleichzeitig auftretende Berührungspunkte bestimmt, und ein einziger Punkt, der irgendwo zwischen die Berührungspunkte fällt, wird berichtet. In Oberflächenwellen- und Infrarottechnologien ist es unmöglich, die exakte Position von Mehrfachberührungspunkten auseinander zu halten, die auf dieselben horizontalen oder vertikalen Linien fallen, wegen Maskierens. In beiden Fällen werden fehlerhafte Ergebnisse erzeugt.
Diese Probleme sind in handgehaltenen Vorrichtungen besonders problematisch, wie etwa Tafel PCs, bei denen eine Hand verwendet wird, um die Tafel zu halten, und die andere dazu verwendet wird, Berührungsereignisse zu erzeugen. Zum Beispiel bewirkt, wie in den 1A und 1B gezeigt, das Halten einer Tafel 2, dass der Daumen 3 die Kante der berührungsempfindlichen Oberfläche 4 des Be rührungsbildschirms 5 überlappt. Wie in 1A gezeigt, würde dann, wenn die Berührungstechnologie Durchschnittsbildung verwendet, die Technik, die durch auf Widerstand beruhende und kapazitive Felder verwendet wird, ein einzelner Punkt berichtet, der irgendwo zwischen den Daumen 3 der linken Hand und den Zeigefinger 6 der rechten Hand fällt. Wie in 1B gezeigt ist es schwierig, wenn die Technologie Projektionsscannen verwendet, die Technik, die durch Infrarot- und Oberflächen-akustische-Wellenfelder verwendet wird, die exakte vertikale Position des Zeigefingers 6 zu erkennen, wegen der großen vertikalen Komponente des Daumens 3. Die Tafel 2 kann nur die in grau gezeigten Felder auflösen. Im Wesentlichen maskiert der Daumen 3 die vertikale Position des Zeigefingers 6 aus.
Während praktisch alle heute erhältlichen, kommerziell verfügbaren, auf Berührungsbildschirmen basierende Systeme nur Einzelpunktdetektion zur Verfügung stellen und eine begrenzte Auflösung und Geschwindigkeit haben, sind andere heute erhältliche Produkte in der Lage, mehrere Berührungspunkte zu detektieren. Leider funktionieren diese Produkte nur auf undurchsichtigen Oberflächen, wegen der Schaltung, die hinter der Elektrodenstruktur angebracht werden muss. Beispiele für solche Produkte umfassen die Fingerworks Serie von Berührungsfeldprodukten. Historisch war die Anzahl an mit solcher Technologie detektierbaren Punkten durch die Größe der Detektionsschaltung begrenzt.
Was daher in der Technik benötigt wird, ist eine mehrfachberührungsfähige Berührungsbildschirmssteuerung, die die Verwendung durchsichtiger Berührungssensoren ermöglicht und ein bequem integriertes Packet zur Verfügung stellt.
Zusammenfassung
Eine Steuerung für Mehrfachberührungs-Berührungsoberflächen wird hier offenbart. Ein Aspekt der Mehrfachberührungs-Berührungsoberflächensteuerung bezieht sich auf die Integration von Treiberelektronik zum Stimulieren des Mehr fachberührungssensors und von Abtastschaltungen zum Lesen des Mehrfachberührungssensors in ein einziges integriertes Packet.
Ein anderer Aspekt der Steuerung bezieht sich auf eine Technik zum Rauschunterdrücken im Sensor durch Liefern einer Mehrzahl von Stimulationswellenformen an den Sensor, wobei die Wellenformen verschiedene Frequenzen haben. Dies erlaubt mindestens einen rauschfreien Detektionszyklus in Fällen, in denen Rauschen mit einer bestimmten Frequenz auftritt.
Ein weiterer Aspekt der Steuerung bezieht sich auf einen Ladungsverstärker, der programmierbare Komponenten umfasst, nämlich programmierbare Widerstände und Kondensatoren, die es der Schaltung ermöglichen, einfach neu konfiguriert zu werden, um optimale Abtastkonfigurationen für eine Vielfalt an Sensorbedingungen zur Verfügung zu stellen.
Ein weiterer Aspekt der Steuerung bezieht sich auf eine Offsetkompensationsschaltung, die den dynamischen Bereich der Steuerung erweitert, durch Eliminieren eines statischen Anteils der Mehrfachberührungs-Oberflächensensor-Ausgabe, wodurch der vollständige dynamische Bereich der Abtastschaltungen den sich verändernden Abschnitten des Ausgabesignals zugeordnet werden kann.
Ein anderer Aspekt der Steuerung bezieht sich auf eine Demodulationsschaltung, die die Rauschunempfindlichkeit der Sensoranordnung durch Anwendung bestimmter Demodulationswellenformen verbessert, von denen bekannt ist, dass sie bestimmte Frequenzcharakteristiken aufweisen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf die Anwendung verschiedener Algorithmen auf die Sensorausgaben, die von den oben beschriebenen mehreren Stimulationsfrequenzen erhalten wird, um weiterhin die Rauschunempfindlichkeit des Systems zu erhöhen.
Diese und andere Aspekte werden besser verstanden werden durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung und die Figuren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die 1A und 1B illustrieren bestimmte Probleme mit Berührungsbildschirmtechnologien aus dem Stand der Technik.
2 illustriert eine Perspektivansicht einer Rechnervorrichtung, die einen Mehrfachberührungs-Berührungsbildschirm und eine Mehrfachberührungs-Berührungsbildschirm-Steuerung enthält, gemäß bestimmten Lehren der vorliegenden Offenbarung.
3 ist ein Blockdiagramm einer Rechnervorrichtung, die einen Mehrfachberührungs-Berührungsbildschirm und eine Mehrfachberührungs-Berührungsbildschirm-Steuerung gemäß bestimmter Lehren der vorliegenden Offenbarung enthält.
4A und 4B illustrieren zwei mögliche Anordnungen von Treiber- und Abtastelektroden in einer Mehrfachberührungs-Berührungsoberfläche.
5 ist ein Schichtdiagramm, das Kommunikation zwischen der Mehrfachberührungsoberfläche und der Hostcomputervorrichtung durch eine Mehrfachberührungssteuerung illustriert, die verschiedene Lehren der vorliegenden Offenbarung umfasst.
6 ist eine äquivalente Schaltung, die die Ausgabeschaltungen der Steuerung zeigt, eine Zelle des Mehrfachberührungssensors und die Eingabeschaltungen einer Mehrfachberührungssteuerung, die verschiedene Lehren der vorliegenden Offenbarung umfasst.
7 ist ein Schaltungsdiagramm eines Ladungsverstärkers, der von bestimmten Ausführungsformen einer Mehrfachberührungssteuerung umfasst wird, die verschiedene Lehren der vorliegenden Offenbarung umfasst.
8 ist ein Blockdiagramm der Mehrfachberührungsoberfläche und des Mehrfachberührungs-Steuerungssystems in Übereinstimmung mit verschiedenen Lehren der vorliegenden Offenbarung.
9 illustriert die Abfolge, in der Treiberwellenformen unterschiedlicher Frequenzen auf den Mehrfachberührungssensor angewendet werden, in Übereinstimmung mit bestimmten Lehren der vorliegenden Offenbarung.
10 ist ein Blockdiagramm, das die Eingabeschaltungen einer Mehrfachberührungssteuerung illustriert, welche bestimmte Lehren der vorliegenden Offenbarung umfasst.
11A und 11B illustrieren verschiedene Demodulationswellenformen zusammen mit Frequenzspektren ihrer Passbänder.
12 illustriert eine Abfolge von Stimulationswellenformen zusammen mit einer bestimmten Demodulationswellenform und der sich ergebenden Ausgabe.
13 illustriert die Rauschabweisungstechnik, die durch den Mehrheit-gewinnt-Algorithmus verwendet wird.
Detaillierte Beschreibung
Eine Mehrpunkt-Berührungsbildschirm-Steuerung (MTC) wird hier beschrieben. Die folgenden Ausführungsformen der Erfindung, beschrieben anhand von Vorrichtungen und Anwendungen, die mit Computersystemen kompatibel sind, die von Apple Computer, Inc. aus Cupertino, Kalifornien hergestellt werden, sind nur illustrativ und sollten in keinerlei Hinsicht als beschränkend aufgefasst werden.
2 ist eine Perspektivansicht einer Berührungsbildschirms-Anzeigeanordnung 30. Die Anzeigeanordnung 30 umfasst eine Anzeige 34 und einen durchsichtigen Berührungsbildschirm 36, der sich vor der Anzeige 34 befindet. Die Anzeige 34 kann so konfiguriert sein, dass sie dem Benutzer eine graphische Benutzerschnittstelle (GUI) anzeigt, die vielleicht einen Zeiger oder Cursor enthält, sowie andere Informationen. Der durchsichtige Berührungsbildschirm 36 ist eine Eingabevorrichtung, die für eine Berührung des Benutzers empfindlich ist, wodurch sie einem Benutzer ermöglicht, mit der graphischen Benutzerschnittstelle auf der Anzeige 34 zu interagieren. Im Allgemeinen erkennt der Berührungsbildschirm 36 Berührungsereignisse auf der Oberfläche 38 des Berührungsbildschirms 36 und gibt daraufhin diese Informationen an eine Hostvorrichtung aus. Die Hostvorrichtung kann z. B. einem Computer entsprechen, wie etwa einem Desktop-, Laptop-, handgehaltenen oder Tafelcomputer. Die Hostvorrichtung interpretiert das Berührungsereignis und führt daraufhin eine Aktion auf der Grundlage des Berührungsereignisses durch.
Im Gegensatz zu Berührungsbildschirmen aus dem Stand der Technik, ist der hier gezeigte Berührungsbildschirm 36 so konfiguriert, dass er Mehrfachberührungsereignisse erkennt, die gleichzeitig an unterschiedlichen Stellen auf der berührungsempfindlichen Oberfläche 38 auftreten. Das heißt, dass der Berührungsbildschirm 36 erlaubt, dass mehrere Kontaktpunkte T1 bis T4 gleichzeitig nach verfolgt werden. Der Berührungsbildschirm 36 erzeugt separate Nachverfolgungssignale S1 bis S4 für jeden Berührungspunkt T1 bis T4, die auf der Oberfläche des Berührungsbildschirms 36 gleichzeitig auftreten. In einer Ausführungsform kann die Zahl der erkennbaren Berührungen etwa 15 sein, was es ermöglicht, dass die 10 Finger und zwei Handflächen eines Benutzers zusammen mit 3 weiteren Kontakten nachverfolgt werden können. Die Mehrfachberührungsereignisse können separat oder zusammen verwendet werden, um einzelne oder mehrere Aktionen in der Hostvorrichtung durchzuführen. Zahlreiche Beispiele von Mehrfachberührungsereignissen, die verwendet werden, um eine Hostvorrichtung zu steuern, werden in den U.S. Patenten 6,323,846 ; 6,888,536 ; 6,677,932 ; 6,570,557 und den gleichzeitig anhängigen U.S. Patentanmeldungen 11/015,434; 10/903,964; 11/048,264; 11/038,590; 11/228,758; 11/228,700; 11/228,737; 11/367,749 offenbart, die hiermit jeweils per Verweis in ihrer Gesamtheit mit einbezogen werden.
3 ist ein Blockdiagramm eines Computersystems 50, das einen Mehrfachberührungsberührungsbildschirm verwendet. Das Computersystem 50 kann z. B. ein Personal Computer System wie etwa ein Desktop-, Laptop-, Tafel- oder handgehaltener Computer sein. Das Computersystem könnte auch ein öffentliches Computersystem sein, wie etwa ein Informationskiosk, Geldautomat (ATM), Kassenautomat (POS), Industrieautomat, Spielautomat, Videospielautomat, Verkaufsautomat, Fluglinien-E-Ticket Terminal, Restaurant Reservierungsterminal, Kundendienststation, Büchereiterminal, Lernvorrichtung, usw.
Das Computersystem 50 umfasst einen Prozessor 56, der dazu konfiguriert ist, Anweisungen durchzuführen und Operationen auszuführen, die mit dem Computersystem 50 assoziiert sind. Computercode und -daten, die vom Prozessor 56 benötigt werden, werden im Allgemeinen im Speicherblock 58 gespeichert, der operativ mit dem Prozessor 56 verbunden ist. Der Speicherblock 58 kann z. B. Nur-Lesespeicher (ROM) 60 umfassen, wahlfreien Zugriffsspeicher (RAM) 62, ein Festplattenlaufwerk 64 und/oder entfernbare Speichermedien wie etwa CD-ROM, PC-Karte, Floppylaufwerke und Magnetbänder. Auf jede dieser Speichervorrichtungen mag auch über ein Netzwerk zugegriffen werden. Das Computersystem 50 umfasst auch eine Anzeigevorrichtung 68, die operativ mit dem Prozessor 56 verbunden ist. Die Anzeigevorrichtung 68 kann eine beliebige aus einer Auswahl von Anzeigearten sein, einschließlich Flüssigkristallanzeigen (z. B. aktive Matrix, passive Matrix), Kathodenstrahlröhren (CRT), Plasmaanzeigen, usw.
Das Computersystem 50 umfasst auch den Berührungsbildschirm 70, der operativ mit dem Prozessor 56 durch die E/A Steuerung 66 und die Berührungsbildschirmsteuerung 76 verbunden ist. (Die E/A Steuerung 66 kann in den Prozessor 56 integriert sein, oder sie kann eine separate Komponente sein.) In jedem Fall ist der Berührungsbildschirm 70 ein durchsichtiges Feld, das vor der Anzeigevorrichtung 68 angebracht ist, und kann in die Anzeigevorrichtung 68 integriert sein oder er kann eine separate Komponente sein. Der Berührungsbildschirm 70 ist so konfiguriert, dass er Eingabe von einer Berührung des Benutzers empfängt und diese Information an den Prozessor 56 schickt. In den meisten Fällen erkennt der Berührungsbildschirm 70 Berührungen und die Position und Größenordnung von Berührungen auf seiner Oberfläche.
Ein besseres Verständnis der Schnittstelle zwischen dem Berührungssensor und dem Hostcomputersystem kann mit Bezug auf die 5 erlangt werden, die ein Schichtdiagramm des in 3 illustrierten Systems ist. Der Berührungssensor 301 sitzt auf der niedrigsten Schicht. In einer bevorzugten Ausführungsform hat der Sensor eine Schnittstelle mit einer ASIC (Anwendungs-spezifische integrierte Schaltung) 305, die den Sensor stimuliert und die rohe Sensorausgabe liest, wie unten weiter im Detail beschrieben. Die ASIC 305 hat eine Schnittstelle über Signalgebung 306 mit einem DSP (digitaler Signalprozessor) und/oder einem Mikrokontroller 307, der die Kapazitätsbilder erzeugt. Zusammen bilden die ASIC 305 und der DSP/Mikrokontroller 307 die Mehrpunktberührungsbildschirmsteuerung.
Der DSP/Mikrokontroller 307 umfasst eine Schnittstelle 308, um die Signalgebung 306 von der ASIC 305 anzunehmen, und diese Signale werden dann an eine Datenerfassungs- und Fehlerzurückweisungsschicht 309 weitergegeben. Daten aus dieser Schicht können sowohl für Kalibrierung, Basis- und Bereitschaftsverarbeitung durch das Modul 310, als auch zur Merkmals- (z. B. Berührungspunkt) Extrahierung und Komprimierung durch Modul 311 verwendet werden. Sobald die Merkmale extrahiert sind, werden sie als Informationen höherer Ebene an den Hostcomputer 302 über die Schnittstelle 303 weitergegeben. Die Schnittstelle 303 kann z. B. eine USB (Universal Serial Bus) Schnittstelle sein. Alternativ könnten andere Schnittstellenarten wie z. B. IEEE 1394 ("Firewire"), RS-232 serielle Schnittstelle, SCSI (Small Computer Systems Interface) usw. verwendet werden.
Die exakte physikalische Konstruktion der Abtastvorrichtung ist für ein vollständiges Verstehen der hier offenbarten Berührungsbildschirmssteuerung nicht notwendig. Nichtsdestotrotz können Konstruktionsdetails durch Bezugnahme auf die Patente und Patentanmeldungen verstanden werden, die oben durch Verweis mit eingebunden wurden. Für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung kann angenommen werden, dass der Sensor eine Vorrichtung mit gegenseitiger Kapazität ist, wie unten mit Bezug auf die 4A und 4B beschrieben.
Das Sensorfeld besteht aus einer zweischichtigen Elektrodenstruktur mit Treiberleitungen auf der einen Schicht und Abtastleitungen auf der anderen. In beiden Fällen sind die Schichten durch ein dielektrisches Material getrennt. In der kartesischen Anordnung der 4A besteht eine Schicht aus N horizontalen, vorzugsweise gleich beabstandeten Zeilenelektroden 81, während die andere Schicht aus M vertikalen, vorzugsweise gleich beabstandeten Spaltenelektroden 82 besteht. In einer polaren Anordnung, illustriert in 4B, können die Abtastleitungen konzentrische Kreise sein, und die Treiberleitungen können sich radial erstreckende Leitungen (oder umgekehrt) sein. Wie von den Fachleuten erkannt werden wird, sind auch andere Konfigurationen auf der Grundlage einer unendlichen Vielfalt von Koordinatensystemen möglich.
Jede Kreuzung 83 stellt einen Pixel dar und hat eine charakteristische gegenseitige Kapazität, C_SIG. Ein geerdetes Objekt (wie etwa ein Finger), der sich einem Pixel 83 aus einer endlichen Entfernung nähert, verschiebt das elektrische Feld zwischen der Zeilen- und Spaltenkreuzung, wodurch eine Abschwächung in der gegenseitigen Kapazität C_SIG an dieser Stelle verursacht wird. Im Fall eines typischen Sensorfeldes ist die typische Signalkapazität C_SIG ungefähr 0,75 pF und die Änderung, die durch einen Finger induziert wird, der einen Pixel berührt, ist ungefähr 0,25 pF.
Das Elektrodenmaterial kann in Abhängigkeit von der Anwendung variieren. In Berührungsbildschirmsanwendungen kann das Elektrodenmaterial ITO (Indium Zinn Oxid) auf einem Glassubstrat sein. In einer Berührungstafel, die nicht durchsichtig sein muss, kann Kupfer auf einem FR4 Substrat verwendet werden. Die Anzahl an Abtastpunkten 83 kann auch stark variieren. In Berührungsbildschirmsanwendungen hängt die Anzahl an Abtastpunkten 83 in der Regel von der gewünschten Sensitivität sowie der gewünschten Durchsichtigkeit des Berührungsbildschirms 70 ab. Mehr Knoten und Abtastpunkte erhöhen im Allgemeinen die Sensitivität, verringern aber die Durchsichtigkeit (und umgekehrt).
Während des Betriebs wird jede Zeile (oder Spalte) sequentiell aufgeladen indem sie mit einer vorbestimmten Spannungswellenform 85 (unten weiter im Detail beschrieben) getrieben wird. Die Ladung koppelt sich kapazitiv an die Spalten (oder Zeilen) an der Kreuzung. Die Kapazität einer jeden Kreuzung 83 wird gemessen, um die Positionen mehrerer Objekte zu messen, wenn sie die Berührungsoberfläche berühren. Eine Abtastschaltung überwacht die übertragene Ladung und die benötigte Zeit, um Änderungen in der Kapazität zu detektieren, die an jedem Knoten auftreten. Die Positionen, an denen Änderungen auftreten, und die Größenordnung dieser Änderungen werden verwendet, um die mehrfachen Berührungsereignisse zu identifizieren und zu quantifizieren. Jede Zeile und Spalte zu treiben und den Ladungstransfer abzutasten ist die Funktion einer Mehrpunkt-Berührungsbildschirmssteuerung.
6 ist ein vereinfachtes Diagramm der equivalenten auf gegenseitiger Kapazität beruhenden Schaltung 220 für jeden Kopplungsknoten. Die auf gegenseitiger Kapazität beruhende Schaltung 220 enthält eine Treiberleitung 222 und eine Abtastleitung 224, die räumlich getrennt sind, wodurch ein kapazitiver Kopplungsknoten 226 gebildet wird. Wenn kein Objekt da ist, bleibt die kapazitive Kopp lung am Knoten 226 ziemlich konstant. Wenn ein Objekt wie etwa ein Finger in der Nähe des Knotens 226 platziert wird, ändert sich die kapazitive Kopplung durch den Knoten 226. Das Objekt verschiebt effektiv das elektrische Feld so, dass die Ladung, die durch den Knoten 226 übertragen wird, kleiner ist.
Mit Bezug auf die 5 und 8 erzeugt die ASIC 305 all die Treiberwellenformen, die notwendig sind, um das Sensorfeld abzutasten. Insbesondere sendet der Mikroprozessor ein Taktsignal 321, um die Zeitgebung der ASIC zu setzen, die wiederum die geeigneten Zeitgebungswellenformen 322 erzeugt, um die Zeilenstimuli für den Sensor 301 zu erzeugen. Der Dekoder 311 dekodiert die Zeitgebungssignale, um jede Zeile des Sensors 301 nacheinander zu treiben. Der Pegelverschieber 310 wandelt die Zeitgebungssignale 322 vom Signalgebungspegel (3,3 V) in den Pegel um, der verwendet wird, um den Sensor zu treiben (z. B. 18 V).
Jede Zeile des Sensorfeldes wird durch den Mikroprozessor 307 bestimmt getrieben. Aus Gründen der Rauschabweisung ist es wünschenswert, das Feld bei mehreren unterschiedlichen Frequenzen aus Rauschabweisungsgründen zu treiben. Rauschen, das bei einer bestimmten Treiberfrequenz existiert mag und wird wahrscheinlich bei den anderen Frequenzen nicht existieren. In einer bevorzugten Ausführungsform wird jede Sensorfeldzeile mit drei Bündeln von zwölf Rechteckswellenzyklen stimuliert (50% Arbeitszyklus, 18 V Amplitude), während die restlichen Zeilen auf Masse gehalten werden. Zur besseren Rauschabweisung, unten detaillierter beschrieben, ist die Frequenz eines jeden Bündels unterschiedlich; beispielhafte Bündelfrequenzen sind 140 kHz, 200 kHz und 260 kHz.
Während jedes Pulsbündels macht die ASIC 305 eine Messung der Spaltenelektroden. Dieser Prozess wird für alle übrigen Zeilen im Sensorfeld wiederholt. Die Ergebnisse sind drei Bilder, wobei jedes Bild bei einer unterschiedlichen Stimulusfrequenz aufgenommen wird.
Darüber hinaus ist es vorziehenswert, die Menge an Stimulusfrequenzänderung, die für jedes nachfolgende Bündel benötigt wird, zu minimieren. Daher ist ein Frequenzsprungmuster wünschenswert, das die Änderungen minimiert. 29 zeigt ein mögliches Frequenzsprungmuster. In dieser Anordnung wird eine erste Zeile mit einem 140 kHz Bündel getrieben, dann mit einem 200 kHz und schließlich mit einem 260 kHz Bündel. Dann wird eine nächste Zeile mit drei Bündeln bei 260 kHz, 200 kHz beziehungsweise 140 kHz getrieben. Dieses bestimmte Frequenzmuster wurde ausgewählt, um Änderungen zwischen Frequenzen klein zu halten, und zu ermöglichen, dass die Frequenzübergänge glatt und störungsfrei sind. Es sind aber auch andere Frequenzsprunganordnungen möglich, einschließlich Abtasten von mehr als drei Frequenzen, Abtasten der Frequenzen in einer quasi-zufälligen Abfolge anstelle des beschriebenen geordneten Musters und adaptives Frequenzspringen, in dem die Abtastfrequenzen auf der Grundlage der Rauschumgebung ausgewählt werden.
Zurückkommend auf die 6 wird die Abtastleitung 224 elektrisch mit der kapazitiven Abtastschaltung 230 gekoppelt. Die kapazitive Abtastschaltung 230 detektiert und quantifiziert die aktuelle Änderung und die Position des Knotens 226, wo die aktuelle Änderung auftrat, und berichtet diese Informationen an einen Hostcomputer. Das Signal von Interesse ist die Kapazität C_SIG, die Ladung vom RC Netzwerk A an das RC Netzwerk B koppelt. Die Ausgabe vom RC Netzwerk B ist direkt mit den analogen Eingabeanschlüssen der ASIC 305 verbunden. Die ASIC 305 verwendet auch das Taktsignal 321 (8) vom Mikroprozessor 307 (8), um die Detektion und Quantifizierung der Kapazitätssignale zeitlich zu steuern.
10 ist ein Blockdiagramm, das die Eingabestufe der ASIC 305 illustriert. Das Eingabesignal wird zuerst durch einen Ladungsverstärker 401 empfangen. Der Ladungsverstärker führt die folgenden Aufgaben durch: (1) Ladungs-zu-Spannungsumwandlung, (2) Ladungsverstärkung, (3) Abweisung von Streukapazität, die an der Spaltenelektrode vorhanden ist und (4) Anti-Aliasing und (5) Ver stärkungsentzerrung bei verschiedenen Frequenzen. 7 ist ein Diagramm eines möglichen Ladungsverstärkers 401.
Ladungs-zu-Spannungsumwandlung wird durch einen Kondensator C_FB im Rückführungspfad eines Operationsverstärkers 450 durchgeführt. In einer Ausführungsform kann der Rückführungskondensator mit Werten programmiert werden, die von zwei bis 32 pF reichen, was es dem Ausgabespannungspegel ermöglicht, angepasst zu werden, um den besten dynamischen Bereich für einen Bereich von C_SIG Werten zu erhalten. Der Rückführungswiderstand R_FB ist vorzugsweise auch so programmierbar, dass er die Verstärkerverstärkung steuert. Weil C_SIG über eine Berührungsoberfläche unterschiedlich sein wird wegen einer Reihe von Herstellungstoleranz bezogenen Faktoren, ist es nützlich, den Ladungsverstärkerrückführungskondensator C_FB auf der Basis eines jeden Pixels anzupassen. Dies ermöglicht die Durchführung von Verstärkungskompensierung, um die Leistung eines jeden Pixels zu optimieren. In einer Ausführungsform wird eine Anpassung beinahe pro Pixel wie folgt durchgeführt: Der Rückführungskondensator C_FB bekommt seinen Wert durch ein Register gesetzt, das als CFB_REG bekannt ist. Der Wert von CFB_REG wird gemäß der folgenden Gleichung gesetzt: CFB_REG[Y] = CFB_UNIV + CFB[Y]wobei Y ein einzelnes Pixel innerhalb einer Zeile ist, CFB_UNIV Zeile für Zeile angepasst wird und CFB[Y] eine Nachschlagstabelle ist, die beim Start des Systems geladen wird. In alternativen Anordnungen kann CFB_UNIV für alle Zeilen konstant sein, oder die CFB[Y] Nachschlagstabelle kann Zeile für Zeile ausgetauscht werden. Auch ist die Anpassungsanordnung, obwohl sie mit Zeilen und Spalten diskutiert wird, gleichermaßen auf nicht-kartesische Koordinatensysteme anwendbar.
Offensichtlich ist es wünschenswert, C_SIG zu messen, während die Auswirkungen jeglichen parasitären Widerstands und jeglicher parasitärer Kapazität im physika lischen Sensor so stark wie möglich abgewiesen wird. Abweisung parasitären Widerstands und parasitärer Kapazität im Sensor kann erreicht werden, indem der nicht-invertierende Eingang 451 des Verstärkers 45D bei einem konstanten Wert gehalten wird, z. B. Masse. Der invertierende Eingang 452 ist an den Knoten gekoppelt, der gemessen wird. Wie von den Fachleuten erkannt werden wird, wird der invertierende Eingang 452 (verbunden mit der Spaltenelektrode, die gemessen wird) somit praktisch auf Masse gehalten. Daher wird jegliche parasitäre Kapazität, die an der Spaltenelektrode vorhanden ist, z. B. Leiterplattenstreukapazität oder dynamische Streukapazität, die durch den Benutzer verursacht wird, der die Spaltenelektrode berührt, abgewiesen, weil sich die Nettoladung des Streukondensators nicht ändert (d. h. die Spannung über die Streukapazität wird praktisch auf Masse gehalten). Daher ist die Ladungsverstärkerausgabespannung 453 nur eine Funktion der Stimulusspannung C_SIG, und von C_FB. Weil die Stimulusspannung und C_FB durch die Steuerung bestimmt werden, kann C_SIG leicht abgeleitet werden.
Ein Serienwiderstand 454 zwischen dem ASIC Eingabegin 455 und dem invertierenden Eingang 452 des Ladungsverstärkers bildet ein Anti-Alias Filter in Kombination mit dem Rückführungsnetzwerk von R_FB und C_FB.
Der Hochpassabfall des Ladungsverstärkers wird durch die parallele Kombination des Rückführungswiderstands R_FB und des Rückführungskondensators C_FB gesetzt.
Nochmal mit Bezug auf die 10 geht die Ausgabe des Ladungsverstärkers 401 auf den Demodulator 403 über. Der Demodulator 403 ist ein 5-bit quantisierter kontinuierlicher Zeit analog (vier Quadranten) Vervielfältiger. Der Zweck des Demodulators 403 ist, es Rauschquellen außerhalb des Bands (von Mobiltelefonen, Mikrowellenherden usw.) zurückzuweisen, die auf dem Signal vorhanden sind, das in die ASIC 305 hinein geht. Die Ausgabe 402 des Ladungsverstärkers (V_SIG) wird mit einer 5-Bit quantisierten Wellenform gemischt, die in einer Nach schlagstabelle 404 gespeichert ist. Die Form, Amplitude und Frequenz der Demodulationswellenform wird durch Programmieren geeigneter Koeffizienten in die Nachschlagstabelle 404 bestimmt. Die Demodulationswellenform bestimmt Passband, Sperrbereich, Sperrbereichswelligkeit und andere Charakteristiken des Mischers. In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Gaußförmige Sinuswelle als die Demodulationswellenform verwendet. Eine Gauß'sche Sinuswelle liefert ein scharfes Passband mit reduzierter Sperrbereichswelligkeit.
Ein weiterer Aspekt des Demodulators 403 bezieht sich auf die Demodulatorphasenverzögerungsanpassung. Wie mit Bezug auf die 10 gesehen werden kann, können die Berührungsoberflächenelektroden durch RC Netzwerke repräsentiert werden (RC Netzwerk A und RC Netzwerk B), die eine gegenseitige Kapazität (C_SIG) an dem Punkt haben, an dem sie sich kreuzen. Jedes RC Netzwerk bildet einen Tiefpassfilter, während C_SIG eine Hochpassfilterantwort einführt. Daher sieht das Berührungsfeld wie ein Bandpassfilter aus, das es nur Signalen mit bestimmten Frequenzbereichen erlaubt, das Feld zu passieren. Dieser Frequenzbereich, d. h. diejenigen Frequenzen, die unterhalb der Grenze von C_SIG aber oberhalb der Grenze der RC Netzwerke A und B sind, bestimmen die Stimulus Frequenzen, die verwendet werden können, um das Berührungsfeld zu treiben.
Das Feld wird daher eine Phasenverzögerung auf die Stimuluswellenform einprägen, die es passiert. Diese Phasenverzögerung ist für traditionelle undurchsichtige Berührungsfelder vernachlässigbar, in denen die Elektrodenstruktur typischerweise durch Leiterplattenspuren gebildet wird, die einen vernachlässigbaren Widerstand zu ihrer charakteristischen Impedanz haben. Für durchsichtige Felder, die typischerweise unter Verwendung von Indium Zinn Oxid (ITO) leitenden Spuren gebildet werden, kann die Widerstandskomponente ziemlich groß sein. Dies führt eine signifikante Zeit-(Phasen) Verzögerung in die Ausbreitung der Stimulusspannung durch das Feld ein. Diese Phasenverzögerung bewirkt, dass die Demodulationswellenform in Bezug auf das Signal, das in den Vorverstärker hinein geht, verzögert wird, wodurch der dynamische Bereich des Signals, das aus dem Analog-Digital-Wandler ADC kommt, verringert wird.
Um diese Phasenverzögerung zu kompensieren, kann ein Verzögerungstaktgebungsregister ("DCL", nicht dargestellt) zur Verfügung gestellt werden, das dazu verwendet werden kann, die Demodulationswellenform relativ zum Signal, das in den Vorverstärker hineingeht, zu verzögern und daher die externe Feldverzögerung zu kompensieren und den dynamischen Bereich zu maximieren. Dieses Register wird in den Demodulator 403 eingegeben und verzögert einfach die Demodulationswellenform um einen vorbestimmten Betrag. Der Betrag kann entweder beim Start des Feldes durch Messung bestimmt werden, oder er kann für das Feld als Ganzes auf der Grundlage bekannter Herstellungscharakteristiken geschätzt werden. Jeder Pixel der Berührungsoberfläche kann seinen eigenen einzeln bestimmten Verzögerungsparameter haben, um die Leseschaltungen voll zu optimieren, oder der Verzögerungsparameter kann Zeile für Zeile bestimmt werden. Anpassung wäre im Allgemeinen ähnlich wie die diskutierten Techniken zur Anpassung des Ladungsverstärkerrückführungskondensators und der Offsetkompensationsspannung.
Das demodulierte Signal wird dann an die Offsetkompensationsschaltungen weitergegeben. Die Offsetkompensationsschaltung umfasst den Mischer 402 und den programmierbaren Offset Digital-Analog-Wandler DAC 405. Der Mischer 402 nimmt die Ausgabespannung 453 des Demodulators und subtrahiert eine Offsetspannung (unten diskutiert), um den dynamischen Bereich des Systems zu erhöhen.
Offsetkompensation ist notwendig, weil die Pixelkapazität C_SIG aus einem statischen Teil und einem dynamischen Teil besteht. Der statische Teil ist eine Funktion des Sensoraufbaus. Der dynamische Teil ist eine Funktion der Veränderung von C_SIG, wenn sich der Finger dem Pixel nähert und ist somit das Signal von Interesse. Der Zweck des Offsetkompensators ist es, die statische Komponente zu eliminieren oder minimieren und dadurch den dynamischen Bereich des Systems zu erweitern.
Wie oben erwähnt besteht die Offsetkompensationsschaltung aus zwei Teilen, einem programmierbaren Offset DAC 405 und einem Mischer 402. Der Offset DAC 405 erzeugt eine programmierbare Offsetspannung aus dem digitalen statischen Offset Wert VOFF_REG. Dieser digitale Wert wird in eine statische analoge Spannung (oder einen Strom, wenn im Strombereich gearbeitet wird) durch den DAC umgewandelt und dann gemischt (durch den Mischer 403b) mit einer Spannung (oder einem Strom), die durch den absoluten Wert (bestimmt durch den Block 404b) der Demodulationswellenform gesetzt wird. Das Ergebnis ist eine gleichgerichtete Version der Demodulationswellenform, deren Amplitude durch den statischen Wert von VOFF_REG und den absoluten Teil der Demodulationswellenform gesetzt wird, die aktuell aus der DMOD Nachschlagstabelle 404 erhalten wird. Dies ermöglicht den richtigen Betrag der Offsetkompensation für einen gegebenen Teil der Demodulationswellenform. Daher vollzieht die Offsetkompensationswellenform effektiv die Demodulationswellenform nach.
Wie beim Ladungsverstärkerrückführungskondensator ist es nützlich, die Offsetkompensationsschaltung anzupassen, um Variationen in der individuellen Pixelkapazität wegen Herstellungstoleranzen usw. anzupassen. Die Anpassung kann im Wesentlichen derjenigen ähnlich sein, die oben im Bezug auf den Ladungsverstärkerrückführungskondensator diskutiert wurde. Insbesondere kann der Offsetspannungswert, der in VOFF_REG gespeichert ist, wie folgt berechnet werden: VOFF_REG[Y] = VOFF_UNIV + VOFF[Y]wobei Y die einzelne Spalte innerhalb einer Zeile ist, VOFF_UNIV eine Offsetspannung ist, die Zeile für Zeile gesetzt wird und VOFF[Y] eine Nachschlagstabelle ist. Wiederum könnte die Anpassung auf einer echten Pixel für Pixel Basis durchgeführt werden, oder VOFF_UNIV könnte ein einzelner konstanter Wert sein, in Abhängigkeit von einer bestimmten Implementierung. Auch ist die Anpassungsanordnung, obwohl sie im Hinblick auf Zeilen und Spalten diskutiert wurde, gleichermaßen auf nicht-kartesische Koordinatensysteme anwendbar.
Als eine Alternative zur oben mit Bezug auf die 10 beschriebenen Anordnung könnte die Offsetkompensation vor der Demodulation stattfinden. In diesem Fall muss die Form der Offsetkompensationswellenform mit der Wellenform übereinstimmen, die aus dem Vorverstärker kommt, anstelle der Wellenform, die aus dem Demodulator kommt, d. h. es muss eine Rechteckswelle sein, unter Annahme einer vernachlässigbaren Dämpfung im Feld, so dass die Form der Treiberwellenform erhalten bleibt. Wenn die Offsetkompensation zuerst durchgeführt wird, ist die Offsetwellenform auch eine Wechselspannungs-AC Wellenform im Bezug auf die Referenzspannung, d. h. die Maxima sind positiv im Vergleich zu V_REF und die Minima sind negativ im Vergleich zu V_REF. Die Amplitude der Offsetwellenform ist äquivalent zum Betrag an Offsetkompensation. Umgekehrt ist, wenn die Demodulation zuerst durchgeführt wird, die Offsetwellenform eine Gleichspannungs-DC Wellenform, d. h. sie ist entweder positiv im Vergleich zu V_REF oder negativ (da die demodulierte Wellenform auch DC in Bezug auf V_REF ist). Wiederum ist in diesem Fall die Amplitude äquivalent zur Menge an Offsetkompensation für jeden Teil der demodulierten Wellenform. Im Wesentlichen muss die Offsetkompensationsschaltung mit dem Betrag an benötigter Offsetkompensation korrelieren, in Abhängigkeit von der Form der Wellenform.
Das demodulierte, offsetkompensierte Signal wird dann durch den programmierbaren Verstärkungs-ADC 406 verarbeitet. In einer Ausführungsform kann der ADC 406 ein Sigma-Delta sein, obwohl ADCs ähnlichen Typs (wie etwa Spannungs-nach-Frequenz Wandler mit einer nachfolgenden Zählerstufe) verwendet werden könnten. Der ADC führt zwei Funktionen durch: (1) er konvertiert die Offset-kompensierte Wellenform aus der Mischeranordnung (Offset- und Signalmischer) in einen digitalen Wert; und (2) führt Tiefpass-Filterfunktionen durch, d. h. er mittelt das gleichgerichtete Signal, das aus der Mischeranordnung kommt.
Das Offset-kompensierte, demodulierte Signal sieht wie eine gleichgerichtete Gauß-förmige Sinuswelle aus, deren Amplitude eine Funktion von C_FB und C_SIG ist. Das ADC Ergebnis, das an den Hostcomputer zurückgegeben wird, ist eigentlich der Durchschnitt dieses Signals.
Ein Vorteil der Verwendung eines Sigma-Delta ADCs ist, dass solche ADCs viel effizienter sind, um Ausmitteln im digitalen Bereich durchzuführen. Darüber hinaus sind digitale Gatter viel kleiner als analoge Tiefpassfilter und Abtast- und Halteelemente, wodurch sie die Größe der gesamten ASIC verringern. Der Fachmann wird weiterhin andere Vorteile erkennen, insbesondere mit Bezug auf Energieverbrauch und Taktgeschwindigkeit. Alternativ könnte man einen ADC verwenden, der von der Steuerungs ASIC getrennt ist. Dies würde erfordern, dass ein Multiplexer den ADC zwischen mehreren Kanälen teilt, und dass eine Abtast- und Halteschaltung für jeden Kanal das Mittel der demodulierten Wellenform ausmittelt und hält. Dies würde wahrscheinlich soviel Chipfläche verbrauchen, dass es für Steuerungen, die zur Verwendung mit Berührungsoberflächen mit einer großen Anzahl von Pixeln gedacht sind, unpraktisch ist. Darüber hinaus würde der externe ADC, um einen akzeptierbaren Betrieb zu erreichen, sehr schnell arbeiten müssen, da eine große Anzahl an Pixeln sehr schnell verarbeitet werden muss, um zeitnahe und glatte Ergebnisse in Antwort auf die Eingabe eines Benutzers zu liefern.
Wie oben bemerkt, wird der Sensor bei drei unterschiedlichen Frequenzen getrieben, was zu drei Kapazitätsbildern führt, die zur Rauschabweisung wie unten beschrieben verwendet werden. Die drei Frequenzen werden so ausgewählt, dass das Passband bei einer bestimmten Frequenz nicht mit den Passbändern bei anderen Frequenzen überlappt. Wie oben bemerkt verwendet eine bevorzugte Ausführungsform Frequenzen von 140 kHz, 200 kHz und 240 kHz. Die Demodulationswellenform wird so ausgewählt, dass die Seitenbänder unterdrückt werden.
Wie oben bemerkt ist eine Gauß-eingehüllte Wellenform, dargestellt in 11A zusammen mit ihrem Passbandfrequenzspektrum, eine bevorzugte Demodulationswellenform. Die Gaußförmige Sinuswelle liefert ein wohldefiniertes Passband mit minimaler Sperrbereichswelligkeit. Alternativ könnten auch andere Wellenformen mit wohldefinierten Passbändern mit minimaler Sperrbandwelligkeit verwendet werden. Zum Beispiel hat auch eine Rampen-eingehüllte Sinuswelle, dargestellt in 11B zusammen mit ihrem Passbandfrequenzspektrum, ein wohldefiniertes Passband, obwohl die Sperrbereichswelligkeit leicht größer ist, als diejenige für eine Gauß-eingehüllte Sinuswelle. Wie von den Fachleuten erkannt werden wird, könnten auch andere Wellenformen verwendet werden.
Wir wenden uns jetzt der 12 zu, wo neun Wellenformen dargestellt sind, die die Rauschunterdrückungsmerkmale des Systems erklären. Die Spannungswellenform 501 ist eine Rechteckswelle, die die Stimuluswellenform demonstriert, die auf den Sensor angewendet wird. Die Wellenform 504 ist das Gauß-eingehüllte Sinuswellensignal, das als eine Demodulationswellenform verwendet wird. Die Wellenform 507 ist die Ausgabe des Demodulators, d. h. das Produkt der Wellenformen 501 und 504. Man beachte, dass sie einen wohldefinierten Puls an der Grundfrequenz der angewendeten Rechteckswellenspannung liefert.
Die mittlere Spalte illustriert eine beispielhafte Rauschwellenform 502. Die Demodulationswellenform 505 ist die gleiche wie die Demodulationswellenform 504. Man beachte, dass das demodulierte Rauschsignal 508 keine signifikante Spitze erzeugt, weil die Grundfrequenz des Rauschsignals außerhalb des Passbands des Demodulationssignals ist.
Die Zusammensetzung aus der Anregungswellenform und dem Rauschsignal wird in 503 dargestellt. Wiederum ist die Demodulationswellenform 506 dieselbe wie die Demodulationswellenformen 505 und 504. Die demodulierte Zusammensetzung weist immer noch die Rauschwellenform auf, obwohl verschiedene Signal verarbeitungsalgorithmen angewendet werden können, um diese relativ isolierte Spitze zu extrahieren.
Darüber hinaus kann Rauschabweisung erreicht werden, indem mehrere Stimulationsspannungen bei verschiedenen Frequenzen zur Verfügung gestellt werden und durch Anwenden eines Mehrheit-gewinnt-Algorithmus auf das Ergebnis. In einem Mehrheit-gewinnt-Algorithmus werden für jeden Kapazitätsknoten die zwei Frequenzkanäle, die die beste Amplitudenübereinstimmung liefern, gemittelt, und der übrige Kanal wird verworfen. Zum Beispiel stellt in der 13 die vertikale Linie 600 die gemessene Kapazität dar, wobei die Markierungen 601, 602 und 603 die drei Werte darstellen, die bei drei Stimulusfrequenzen gemessen wurden. Die Werte 602 und 603 liefern die beste Übereinstimmung, was möglicherweise nahe legt, dass der Wert 601 gestört ist. Somit wird der Wert 601 verworfen, und die Werte 602 und 603 werden gemittelt, um die Ausgabe zu bilden.
Alternativ könnte ein Medianfilter angewendet werden, in welchem Fall der Wert 602, d. h. der Medianwert, als eine Ausgabe ausgewählt würde. Als noch eine weitere Alternative könnten die drei Ergebnisse einfach gemittelt werden. In diesem Fall würde ein Wert irgendwo zwischen den Werten 601 und 602 resultieren. Eine Reihe an anderen Rauschabweisungstechniken für mehrere Abtastwerte wird für die Fachleute offensichtlich sein, die alle in geeigneter Weise mit der hier beschriebenen Steuerung verwendet werden können.
Die Operation der Schaltung kann weiterhin mit Bezug auf die 14 verstanden werden, die ein Flussdiagramm ist, das die Operation der Steuerung darstellt. Ein Fachmann wird erkennen, dass verschiedene Fragen der zeitlichen Abstimmung und des Speichers bei diesem Flussdiagramm aus Klarheitsgründen weggelassen wurden.
Bilderfassung beginnt bei Block 701. Das System setzt dann den Takt so, dass Abtastwerte bei einer mittleren Taktfrequenz (z. B. 200 kHz) wie oben im Bezug auf die 9 diskutiert erfasst werden (Block 702). Die verschiedenen programmierbaren Register, die solche Parameter wie Spannungsoffset, Verstärkerverstärkung, Verzögerungstakte usw. steuern, werden dann aktualisiert (Block 703). Alle Spalten werden gelesen, wobei das Ergebnis als ein Mittelvektor gespeichert wird (Block 704). Die hohe Taktfrequenz wird dann gesetzt (Block 705), und die Schritte des Aktualisierens der Register (Block 706) und Lesens aller Spalten und Speicherns des Ergebnisses (Schritt 707) werden für die hohe Abtastfrequenz wiederholt. Der Takt wird dann auf die niedrige Frequenz gesetzt (Schritt 708), und die Registeraktualisierung (Block 709) und das Spaltenlesen (Block 710) werden für die niedrige Abtastfrequenz wiederholt.
Die drei Vektoren werden dann Offset-kompensiert, gemäß dem oben beschriebenen Algorithmus (Block 711). Die Offset-kompensierten Vektoren werden dann einem Medianfilter wie oben beschrieben unterworfen. Alternativ könnten die Offset-kompensierten Vektoren durch den Mehrheit-gewinnt-Algorithmus gefiltert werden, der in Bezug auf die 13 beschrieben wurde, oder irgendeine andere geeignete Filtertechnik. In jedem Fall wird das Ergebnis gespeichert. Wenn mehr Zeilen übrig bleiben, kehrt der Prozess zum Mittelfrequenz-Abtasten bei Block 702 zurück. Wenn alle Zeilen vollständig sind (Block 713), wird das gesamte Bild an die Hostvorrichtung ausgegeben (Block 714), und ein nachfolgendes neues Bild wird aufgenommen (Block 701).
Während diese Erfindung mit Hilfe von mehreren bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde, gibt es Abänderungen, Permutationen und Äquivalente, die innerhalb des Bereichs dieser Erfindung fallen. Zum Beispiel bedeutet der Ausdruck "Computer" nicht notwendigerweise irgendeine bestimmte Art von Vorrichtung, Kombination aus Hardware und/oder Software, noch sollte er entweder auf eine Vorrichtung mit mehreren Zwecken oder einem einfachen Zweck beschränkt betrachtet werden. Darüber hinaus sind die Lehren der vorliegenden Erfindung, obwohl die Ausführungsformen hier mit Bezug auf Berührungsbildschirme beschrieben wurden, gleichermaßen auf Berührungsfelder oder jeden an deren Sensor vom Typ Berührungsoberfläche anwendbar. Weiterhin sollte bemerkt werden, dass, obwohl die Offenbarung in erster Linie auf kapazitives Abtasten gerichtet ist, manche oder alle der hier beschriebenen Merkmale auf andere Abtastmethoden angewendet werden können. Es sollte auch bemerkt werden, dass es viele verschiedene alternative Wege des Implementierens der Verfahren und Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung gibt. Die folgenden angehängten Ansprüche sollen daher so interpretiert werden, dass sie alle solche Abänderungen, Permutationen und Äquivalente umfassen, wie sie innerhalb des wahren Geists und des Bereichs der vorliegenden Erfindung fallen.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine Mehrfachberührungs-Oberflächensteuerung wird hier offenbart. Die Steuerung umfasst eine integrierte Schaltung, die eine Ausgabeschaltung zum Treiben eines kapazitiven Mehrfachberührungssensors und eine Eingabeschaltung zum Lesen des Sensors umfasst. Auch hier offenbart werden verschiedene Rauschabweisungs- und dynamische Bereichsverbesserungs-Techniken, die es erlauben, dass die Steuerung mit verschiedenen Sensoren unter verschiedenen Bedingungen betrieben wird, ohne die Hardware neu zu konfigurieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 6323846 [0029]
- US 6888536 [0029]
- US 6677932 [0029]
- US 6570557 [0029]

Claims

Steuerung für eine Mehrfachberührungsoberfläche, wobei die Mehrfachberührungsoberfläche mindestens eine Treiberelektrode hat, mindestens eine Abtastelektrode und mindestens einen Knoten, der an einer Kreuzung der mindestens einen Teiberelektrode und der mindestens einen Abtastelektrode angeordnet ist, wobei die Steuerung umfasst: eine Ausgabeschaltung, die operativ mit der mindestens einen Treiberelektrode verbunden ist, wobei die Ausgabeschaltung so konfiguriert ist, dass sie Zeitsteuerungssignale erzeugt, die verwendet werden können, um Treiberwellenformen für die Mehrfachberührungsoberfläche zu erzeugen; und eine Eingabeschaltung, die operativ mit der mindestens einen Abtastelektrode verbunden ist, wobei die Eingabeschaltung so konfiguriert ist, dass sie die Nähe eines Objekts an jedem Knoten durch Messen kapazitiver Kopplung der Treiberwellenformen von der Treiberelektrode zur Abtastelektrode bestimmt; wobei die Ausgabeschaltung und die Eingabeschaltung Teil einer einzigen anwendungs-spezifischen integrierten Schaltung sind.
Steuerung gemäß Anspruch 1, weiterhin aufweisend eine Dekodier- und Pegelverschiebungsschaltung, die zwischen der Ausgabeschaltung und der Treiberelektrode angeschlossen ist, wobei die Dekodier- und Pegelverschiebungsschaltung so konfiguriert ist, dass sie die Zeitsteuerungssignale empfängt und Treiberwellenformen für die Mehrfachberührungsoberfläche erzeugt.
Steuerung gemäß Anspruch 1, wobei die Dekodier- und Pegelverschiebungsschaltung Teil der einzigen anwendungs-spezifischen integrierten Schaltung ist.
Steuerung gemäß Anspruch 1, wobei die Treiberwellenformen umfassen: eine erste periodische Wellenform, die eine erste vorbestimmte Frequenz hat; und mindestens eine weitere periodische Wellenform, die eine weitere vorbestimmte Frequenz hat, die sich von der ersten vorbestimmten Frequenz unterscheidet; wobei die erste periodische Wellenform und die mindestens eine weitere periodische Wellenform nacheinander auf die Treiberelektrode angewendet werden.
Steuerung gemäß Anspruch 4, wobei die mindestens eine weitere periodische Wellenformen eine zweite periodische Wellenform umfasst, die eine zweite vorbestimmte Frequenz hat, und eine dritte periodische Wellenform, die eine dritte vorbestimmte Frequenz hat, wobei die zweite vorbestimmte Frequenz und die dritte vorbestimmte Frequenz sich von der ersten vorbestimmten Frequenz unterscheiden und sich voneinander unterscheiden.
Steuerung gemäß Anspruch 1, wobei die Eingabeschaltung einen Ladungsverstärker umfasst, wobei der Ladungsverstärker weiterhin aufweist: einen Operationsverstärker, der einen invertierenden Eingabeanschluss hat, einen nicht-invertierenden Eingabeanschluss und einen Ausgabeanschluss, wobei der nicht-invertierende Eingabeanschluss operativ mit der mindestens einen Abtastelektrode verbunden ist; einen Rückführungskondensator, der zwischen dem Ausgabeanschluss und dem invertierenden Eingabeanschluss angeschlossen ist, wobei der Rück führungskondensator so programmierbar ist, dass er eine Spanne von Werten annehmen kann; und einen Rückführungswiderstand, der zwischen dem Ausgabeanschluss und dem invertierenden Eingabeanschluss angeschlossen ist, wobei der Rückführungswiderstand so programmierbar ist, dass er eine Spanne von Werten annehmen kann.
Steuerung gemäß Anspruch 6, wobei der Ladungsverstärker weiterhin einen Widerstand aufweist, der zwischen dem nicht-invertierenden Eingabeanschluss und der mindestens einen Abtastelektrode angeschlossen ist, um ein Anti-Alias Filter in Kombination mit dem Rückführungswiderstand und dem Rückführungskondensator zu bilden.
Steuerung gemäß Anspruch 6, wobei der nicht-invertierende Eingang des Verstärkers mit Masse verbunden ist.
Steuerung gemäß Anspruch 1, wobei die Eingabeschaltung einen Offsetkompensator umfasst, wobei der Offsetkompensator umfasst: einen programmierbaren Offset Digital-nach-analog-Wandler, der dazu eingerichtet ist, ein Offsetsignal zu erzeugen, das einer statischen Komponente des kapazitiven Koppeln zwischen der Treiberelektrode und der Abtastelektrode entspricht; und eine Subtrahiererschaltung, die so konfiguriert ist, dass sie das Offsetsignal von einem gemessenen Signal subtrahiert, das das kapazitive Koppeln zwischen der mindestens einen Treiberelektrode und der mindestens einen Abtastelektrode anzeigt.
Steuerung gemäß Anspruch 6, wobei die Eingabeschaltung weiterhin einen Offsetkompensator umfasst, wobei der Offsetkompensator umfasst: einen programmierbaren Offset Digital-nach-analog-Wandler, der dazu eingerichtet ist, mindestens ein Offsetsignal zu erzeugen, das einer stati schen Komponente des kapazitiven Koppelns zwischen der Treiberelektrode und der Abtastelektrode entspricht; und eine Subtrahiererschaltung, die so konfiguriert ist, dass sie das Offsetsignal von einem Ausgabesignal des Ladungsverstärkers subtrahiert, wobei das Ausgangssignal das kapazitive Koppeln zwischen der mindestens einen Treiberelektrode und der mindestens einen Abtastelektrode anzeigt.
Steuerung gemäß Anspruch 1, wobei die Eingabeschaltung einen Demodulator aufweist, wobei der Demodulator einen Multiplizierer umfasst, der so konfiguriert ist, dass er ein Signal, das eine kapazitive Kopplung zwischen der mindestens einen Treiberelektrode und der mindestens einen Abtastelektrode anzeigt, mit einer Demodulationswellenform mischt.
Steuerung gemäß Anspruch 6, wobei die Eingabeschaltung weiterhin einen Demodulator aufweist, wobei der Demodulator einen Multiplizierer aufweist, der so konfiguriert ist, dass er ein Ausgabesignal des Operationsverstärkers, wobei das Ausgabesignal ein kapazitives Koppeln zwischen der mindestens einen Treiberelektrode und der mindestens einen Abtastelektrode anzeigt, mit einer Demodulationswellenform mischt.
Steuerung gemäß Anspruch 12, wobei die Eingabeschaltung weiterhin einen Offsetkompensator aufweist, wobei der Offsetkompensator aufweist: einen programmierbaren Offset Digital-nach-analog-Wandler, der dazu angepasst ist, ein Offsetsignal zu erzeugen, das einer statischen Komponente des kapazitiven Koppelns zwischen der Treiberelektrode und der Abtastelektrode entspricht; und eine Subtrahiererschaltung, die so konfiguriert ist, dass sie das Offsetsignal vom Ausgabesignal des Demodulators subtrahiert, wobei das Ausgabesignal das kapazitive Koppeln zwischen der mindestens einen Treiberelektrode und der mindestens einen Abtastelektrode anzeigt.
Steuerung gemäß Anspruch 9, wobei die Eingabeschaltung weiterhin einen Demodulator aufweist, wobei der Demodulator einen Multiplizierer aufweist, der so konfiguriert ist, dass er ein Ausgabesignal des Offsetkompensators, wobei das Ausgabesignal ein kapazitives Koppeln zwischen der mindestens einen Treiberelektrode und der mindestens einen Abtastelektrode anzeigt, mit einer Demodulationswellenform mischt.
Steuerung gemäß den Ansprüchen 11, 12, 13 oder 14, wobei die Demodulationswellenform mit Bezug auf eine Nachschlagstabelle vorbestimmt ist.
Steuerung gemäß Anspruch 15, wobei die Demodulationswellenform eine Gauß-eingehüllte Sinuswelle ist.
Steuerung gemäß den Ansprüchen 1, 6, 9, 10, 11, 12, 13 oder 14, wobei die Eingabeschaltung weiterhin einen Analog-nach-digital-Wandler umfasst, der so konfiguriert ist, dass er eine digitale Ausgabe aus dem gemessenen kapazitiven Koppeln der Treiberwellenformen von der Treiberelektrode zur Abtastelektrode erzeugt.
Steuerung gemäß Anspruch 17, wobei der Analog-nach-digital-Wandler ein Sigma-Delta Wandler ist.
Verfahren des Betriebs einer Mehrfachberührungsoberfläche, wobei die Mehrfachberührungsoberfläche mindestens eine Treiberelektrode aufweist, mindestens eine Abtastelektrode und mindestens einen Knoten, der an einer Kreuzung der mindestens einen Treiberelektrode und der mindestens einen Abtastelektrode angeordnet ist, wobei das Verfahren umfasst: Stimulieren der mindestens einen Treiberelektrode mit einer ersten periodischen Wellenform, die eine erste vorbestimmte Frequenz hat; Lesen der mindestens einen Abtastelektrode, um eine Kapazität des Knotens zu bestimmen, der an der Kreuzung der mindestens einen Treiberelektrode und der mindestens einen Abtastelektrode angeordnet ist; Stimulieren der mindestens einen Treiberelektrode mit mindestens einer weiteren periodischen Wellenform, die eine weitere vorbestimmte Frequenz hat, die sich von der ersten vorbestimmten Frequenz unterscheidet; Lesen der mindestens einen Treiberelektrode, um eine Kapazität des Knotens zu bestimmen, der an der Kreuzung der mindestens einen Treiberelektrode und der mindestens einen Abtastelektrode angeordnet ist; und Vergleichen der Kapazität, die durch den ersten Stimulus bestimmt wird, mit der Kapazität, die durch den mindestens einen weiteren Stimulus bestimmt wird, um die wahre Kapazität des Knotens zu bestimmen.
Verfahren gemäß Anspruch 19, wobei das Stimulieren der mindestens einen Treiberelektrode mit mindestens einer weiteren periodischen Wellenform, die eine weitere vorbestimmte Frequenz hat, die sich von der ersten vorbestimmten Frequenz unterscheidet, umfasst: Stimulieren der mindestens einen Treiberelektrode mit einer zweiten periodischen Wellenform, die eine zweite vorbestimmte Frequenz hat; und Stimulieren der mindestens einen Treiberelektrode mit einer dritten periodischen Wellenform, die eine dritte vorbestimmte Frequenz hat; wobei sich die zweite und dritte vorbestimmte Frequenz von der ersten vorbestimmten Frequenz unterscheiden und voneinander unterscheiden.
Verfahren gemäß Anspruch 20, wobei Vergleichen der Kapazität, die durch den ersten Stimulus bestimmt ist, mit der Kapazität, die durch den mindestens einen weiteren Stimulus bestimmt ist, um die wahre Kapazität des Knotens zu bestimmen, das Nehmen eines Durchschnitts der Kapazitäten umfasst, die durch den ersten, zweiten und dritten Stimulus bestimmt sind.
Verfahren gemäß Anspruch 20, wobei Vergleichen der Kapazität, die durch den ersten Stimulus bestimmt wird, mit der Kapazität, die durch den mindestens einen weiteren Stimulus bestimmt wird, um die wahre Kapazität des Knotens zu bestimmen, Anwenden eines Mehrheit-gewinnt-Algorithmus auf die Kapazitäten umfasst, die durch den ersten, zweiten und dritten Stimulus bestimmt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 20, wobei Vergleichen der Kapazität, die durch den ersten Stimulus bestimmt wird, mit der Kapazität, die durch den mindestens einen weiteren Stimulus bestimmt wird, um die wahre Kapazität des Knotens zu bestimmen, Nehmen des Medians der Kapazitäten umfasst, die durch den ersten, zweiten, und dritten Stimulus bestimmt werden.
Ladungsverstärker, umfassend: einen Operationsverstärker, der einen invertierenden Eingabeanschluss hat, einen nicht-invertierenden Eingabeanschluss und einen Ausgabeanschluss; einen Rückführungskondensator, der zwischen dem Ausgabeanschluss und dem invertierenden Eingabeanschluss angeschlossen ist, wobei der Rückführungskondensator programmierbar ist, um eine Spanne an Werten anzunehmen; und einen Rückführungswiderstand, der zwischen dem Ausgabeanschluss und dem invertierenden Eingabeanschluss angeschlossen ist, wobei der Rückführungswiderstand so programmierbar ist, dass er eine Spanne an Werten annimmt.
Ladungsverstärker gemäß Anspruch 24, wobei der Ladungsverstärker weiterhin einen Widerstand aufweist, der zwischen dem nicht-invertierenden Eingabeanschluss und einem Eingang angeschlossen ist, um ein Anti-Alias Filter in Kombination mit dem Rückführungswiderstand und dem Kondensator zu bilden.
Ladungsverstärker gemäß Anspruch 24, wobei der nicht-invertierende Eingang des Verstärkers mit Masse verbunden ist.
Verfahren des Betriebs einer Mehrfachberührungsoberfläche, wobei die Mehrfachberührungsoberfläche mindestens eine Treiberelektrode aufweist, mindestens eine Abtastelektrode und mindestens einen Knoten, der an einer Kreuzung der mindestens einen Treiberelektrode und der mindestens einen Abtastelektrode angeordnet ist, wobei das Verfahren umfasst: Detektieren einer Wellenform an der mindestens einen Abtastelektrode, die durch kapazitives Koppeln einer Treiberwellenform am mindestens einen Knoten hervorgerufen wird, wobei die Wellenform auf die mindestens eine Treiberelektrode angewendet wurde; Verstärken der detektierten Wellenform; und Demodulieren der verstärkten Wellenform, um ein Objekt zu detektieren, das sich in der Nähe des mindestens einen Knotens befindet.
Verfahren gemäß Anspruch 27, weiterhin aufweisend Subtrahieren eines Offsets von der verstärkten Wellenform, wobei das Offset als eine Funktion der statischen Kapazität des mindestens einen Knotens bestimmt wird, wobei der Schritt des Demodulierens der verstärkten Wellenform nach dem Subtrahieren des Offsets stattfindet.
Verfahren gemäß Anspruch 27, wobei: Detektieren einer Wellenform an der mindestens einen Abtastelektrode umfasst: Detektieren einer ersten Wellenform an der mindestens einen Abtastelektrode, die durch kapazitives Koppeln einer ersten Treiberwellenform am mindestens einen Knoten hervorgerufen wird, wobei die erste Treiberwel lenform auf die mindestens eine Treiberelektrode angewendet wurde und eine erste vorbestimmte Frequenz hat; und Detektieren mindestens einer weiteren Wellenform an der mindestens einen Abtastelektrode, die durch kapazitives Koppeln mindestens einer weiteren Treiberwellenform am mindestens einen Knoten hervorgerufen wurde, wobei die mindestens eine weitere Treiberwellenform auf die mindestens eine Treiberelektrode angewendet wurde und eine weitere vorbestimmte Frequenz hat; und Demodulieren der verstärkten Wellenform umfasst: Demodulieren jeweils der ersten Wellenform und der mindestens einen weiteren Wellenform und Vergleichen der demodulierten Wellenformen, um eine Kapazität des Knotens zu bestimmen.
Verfahren gemäß Anspruch 29, wobei Vergleichen der demodulierten Wellenformen Bilden eines Durchschnitts umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 29, wobei Vergleichen der demodulierten Wellenformen Auswählen eines Medians umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 29, wobei Vergleichen der demodulierten Wellenformen Anwenden eines Mehrheit-gewinnt-Algorithmus umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 27, wobei Demodulieren der verstärkten Wellenform Mischen der verstärkten Wellenform mit einer Gauß-eingehüllten Sinuswelle umfasst.
Offsetkompensationsschaltung zur Verwendung in Verbindung mit einem kapazitiven Berührungssensor, wobei der kapazitive Berührungssensor durch Messen kapazitiven Koppelns einer Treiberwellenform von einer Treiberelektrode zu einer Abtastelektrode betrieben wird, wobei die Offsetkompensationsschaltung umfasst: einen programmierbaren Offset Digital-nach-analog-Wandler, der dazu angepasst ist, ein Offsetsignal zu erzeugen, das einer statischen Komponente des kapazitiven Koppelns zwischen der Treiberelektrode und der Abtastelektrode entspricht; und eine Subtrahiererschaltung, die so konfiguriert ist, dass sie das Offsetsignal von einem gemessenen Signal subtrahiert, das das kapazitive Koppeln zwischen der mindestens einen Treiberelektrode und der mindestens einen Abtastelektrode anzeigt.