KR101480736B1 - 상호 정전용량성 터치 시스템에서의 빠른 터치 감지 - Google Patents

상호 정전용량성 터치 시스템에서의 빠른 터치 감지 Download PDF

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Abstract

터치 패널 디스플레이에서 터치 감지를 위한 방법은 저전력 터치 감지 모드(low power touch detection mode)로 진입하는 단계 그리고 임의의 터치 이벤트(touch event)가 상기 터치 패널 상에서 상기 터치 이벤트 위치를 결정하지 않고서 발생하는지를 결정하기 위한 신호들로 상기 터치 패널을 단속적으로(intermittently) 활성화(stimulating)하는 단계를 포함한다. 만약 터치 이벤트가 감지되면, 상기 터치 패널 상에서 상기 터치 이벤트의 위치를 결정하기 위해서 풀 스캔 모드(full scan mode)로 진입한다. 이것은 터치 패널 디스플레이 및 제어기 회로를 위하여 더 빠른 터치 감지 및 더 낮은 전력 동작 둘 모두를 제공한다.

Description

상호 정전용량성 터치 시스템에서의 빠른 터치 감지{FAST TOUCH DETECTION IN A MUTUAL CAPACITIVE TOUCH SYSTEM}
관련 출원들에 대한 상호 참조(Cross-reference to Related Applications)
본 출원은 U.S.C §119(e) 하에서의 2012년 1 월 9일에 출원된 가출원 미국 특허 출원 일련 번호 61/584,454의 출원일 이익을 주장하고 , 그것의 전체 내용들은 참조로 본원에 통합된다. Asymmetric Multi-Row Touch Panel Scanning 명칭으로 2012년 1 월 9일에 출원된 가출원 미국 특허 출원 일련 번호 61/584,494에 관한 이 출원의 부분들, 그것의 전체 내용들은 참조로 본원에 통합된다.
본 발명은 정전용량성 터치 스크린 디바이스들을 위한 방법들 및 장치들에 관한 것이다.
휴대용 디바이스들에 계속적인 발전 및 빠른 개선은 이런 디바이스들에 터치 스크린(touch screen)들의 통합을 포함한다. 터치 스크린 디바이스들은 터치에 대한 정보를 휴대용 디바이스의 제어 회로로 전달하기 위해 유저의 터치에 응답한다. 터치 스크린은 휴대용 디바이스에 대해 유저 인터페이스를 형성하기 위해 액정 디스플레이(LCD : Liquid Crystal Diode)와 같은 일반적으로 동일 공간의(coextensive) 디스플레이 디바이스와 통상적으로 결합된다. 터치 스크린은 또한 터치 스크린 디바이스를 형성하기 위해 터치 제어 회로와 동작한다. 터치 센싱을 이용한 다른 애플리케이션들에서, 화면상의 이미지와 유저 상호작용을 위한 별도의 마우스를 대신하는 터치 패드(touch pad)들이 또한 퍼스널 컴퓨터(personal computer)와 같은 디바이스를 위한 유저 인터페이스의 일부일 수 있다. 키패드(keypad), 롤러볼(rollerball), 조이스틱(joystick) 또는 마우스(mouse)를 포함하는 휴대용 디바이스들에 관하여, 터치 스크린 디바이스는 감소된 이동 부분들, 내구성, 오염 물질(contaminant)에 대한 내성, 단순화된 유저 상호작용 및 증가된 유저 인터페이스 유연성(flexibility)의 장점들을 제공한다.
이런 장점들에도 불구하고, 통상의 터치 스크린 디바이스들은 유행에 뒤떨어진 그것들의 사용에 한정된다. 일부 디바이스들은, 전류 소모(current drain)가 너무 크다. 전류 소모는 휴대용 디바이스에서 핵심 동작 파라미터인 전력 소비(power dissipation)에 직접적으로 영향을 미친다. 다른 디바이스들에 관하여, 특히 터치 스크린의 표면에서의 패스트 모션(fast motion)하에 있을 때에 응답 시간(response time)과 같은 성능은 매우 열악하다. 일부 디바이스들은 성능에 영향을 줄 수 있는 전자기 간섭(electromagnetic interference) 및 오염 물질들에 관한 극한 상황들의 환경에서 잘 동작하지 못한다.
통상적이고 전통적인 접근법들의 추가적인 제한들 및 단점들은 본 출원의 나머지에 그리고 첨부 도면들과 관련하여 개시되는 본 발명의 측면들을 가진 접근법들과의 비교를 통하여 당업자(one of ordinary skill in the art)에게 명확해질 것이다.
본 발명은 정전용량성 터치 스크린 디바이스들을 위한 방법들 및 장치들에 관한 것이다.
일 측면에 따라서, 터치 패널(touch panel)에서의 터치 감지(touch detection)을 위한 방법이 제공되고, 상기 방법은
저전력 터치 감지 모드(low power touch detection mode)로 진입하는 단계;
임의의 터치 이벤트(touch event)가 상기 터치 패널 상에서 상기 터치 이벤트 위치를 결정없이 상기 터치 패널 상에서 발생하는지를 결정하기 위한 신호들로 상기 터치 패널을 단속적으로(intermittently) 활성화(stimulate)하는 단계; 및
만약 터치 이벤트가 감지되면, 상기 터치 패널 상에서 상기 터치 이벤트의 위치를 결정하기 위해서 풀 스캔 모드(full scan mode)로 진입하는 단계; 그렇지 않으면,
만약 터치 이벤트가 감지되지 않으면, 미리 결정된 시간(predetermined time) 동안 저전력 아이들 모드(idle mode)로 진입하는 단계;를 포함한다.
바람직하게는, 상기 터치 패널 디스플레이(display)를 활성화(stimulate)하는 단계는,
제 1 스텝 스캔(step scan)동안에, 제 1 셋(set)의 활성화 신호(stimulus signal)들을 상기 터치 패널의 제 1 영역에 제공하는 단계;
제 2 스텝 스캔 동안에, 제 2 셋의 활성화 신호들을 상기 터치 패널의 제 2 영역에 제공하는 단계로서, 터치 이벤트를 감지할 수 있도록 하기 위해서 상기 제 2 셋의 활성화 신호들은 상기 제 1 셋의 신호들과 상보적인 관계(complementary)에 있다.
바람직하게는, 상기 방법은
저전력 터치 감지 모드로 진입하는 단계, 상기 제 1 스텝 스캔 및 상기 제 2 스텝 스캔 각각에 대하여 베이스라인(baseline) 정전용량 값들을 획득하기 위해서 베이스라인 스캔을 수행하는 단계;
상기 제 1 스텝 스캔 및 상기 제 2 스텝 스캔 각각 후에, 상기 개별 활성화 신호들에 기인한 스텝 스캔 정전 용량 값들을 상기 베이스라인 정전 용량 값들과 비교하는 단계; 및
상기 비교에 기반하여 터치 이벤트가 감지되었는지를 결정하는 단계;를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 터치 패널 디스플레이를 활성화하는 단계는,
상기 제 1 셋의 활성화 신호들 및 상기 제 2 셋의 활성화 신호들을 상기 터치 패널의 미리 결정된 로우(row)들 각각을 따라서 제공하는 단계;
상기 터치 패널의 컬럼들을 따라서 정전 용량을 표시한 신호들을 센싱하는 단계;및
상기 센싱(sense)된 신호들에 기반하여, 터치 이벤트가 감지 되었는지를 결정하는 단계;를 포함한다.
바람직하게는, 상기 저전력 아이들 모드의 지속기간(duration)은 전력 소모(power dissipation) 과 터치 이벤트 응답 시간(response time)이 균형을 이루도록 선택 가능하다.
일 측면에 따라서, 터치 패널(touch panel)을 위한 방법이 제공되고, 상기 방법은,
상기 터치 패널에 대하여 어떤 터치 활동(touch activity)도 감지되지 않을때, 상기 터치 패널의 터치 감지 스캔(scan)을 주기적으로 수행하는 단계;
상기 터치 감지 스캔이 터치 활동의 표시(indication)를 생성할 때, 상기 터치 패널 상에서 상기 터치 활동의 위치를 결정하기 위해서 상기 터치 패널의 풀 스캔(full scan)을 수행하는 단계;를 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은
미리 결정된 시간 기간 동안에 어떤 터치 활동도 감지되지 않을때, 터치 감지 동작 모드로 진입하는 단계; 및
상기 터치 감지 동작 모드에 있을때, 터치 활동의 새로운 표시가 감지되면, 상기 터치 감지 모드를 빠져 나오는 단계;를 더 포함한다.
바람직하게는, 터치 감지 스캔을 수행하는 단계는
상기 터치 패널의 상호보완적인 관계에 있는 파티션들 각각에 상호 보완적인 관계에 있는 활성화 신호들을 각각 제공하는 단계; 및
상기 제공된 상호 보완적인 활성화 신호들에 기인한 신호 변화를 감지하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은
제 1 활성화 신호들을 상기 터치 패널의 제 1 파티션의 로우들에 제공하는 단계;
제 2 활성화 신호들을 상기 터치 패널의 제 2 파티션의 로우들에 제공하는 단계로서, 상기 제 2 활성화 신호들은 상기 제 1 활성화 신호에 상호 보완적인 관계에 있고 그리고 상기 제 2 파티션은 상기 제 1 파티션에 상호 보완적인 관계에 있는, 상기 제 2 활성화 신호들을 상기 터치 패널의 제 2 파티션의 로우들에 제공하는 단계; 및
상기 터치 패널의 각각의 컬럼들을 따라서 정전용량을 나타내는 신호들을 감지하는 단계;를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은
상기 터치 패널의 상기 각각의 컬럼들을 따라서 정전용량을 나타내는 상기 감지된 신호들로부터 각 개별적인 컬럼에 대한 베이스라인 정전용량 값을 차감하는 단계; 및
논-제로(non-zero) 차이에 응답하여 터치 활동의 표시를 생성하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 터치 패널의 상기 터치 감지 스캔을 수행하는 기간은 전력 소모와 상기 터치 패널 상에서 터치 활동에 대한 응답 시간이 균형을 이루도록 선택 가능하다.
일 측면에 따라서, 터치 패널 제어기 회로는
터치 패널(touch panel)의 선택된 로우(row)들을 활성화하고 상기 활성화에 응답하여 패널을 센싱하는 아날로그 프론트 엔드(front end); 및
상기 아날로그 프론트 엔드와 결합하고 그리고 터치 감지 스캔 절차(touch detection scan procedure)로 상기 터치 패널의 미리 결정된 로우(row)들을 주기적으로 활성화하기 위해 상기 아날로그 프론트 엔드를 제어하도록 구성된 스캔 제어기(scan controller)로서, 어떤 터치 활동(touch activity)도 없는 표시에 응답하여 저전력 모드(low power mode)로 진입하고 터치 활동이 감지될 때까지 후속 터치 감지 스캔들을 가지고 상기 터치 패널의 상기 미리 결정된 로우(row)들을 단속적으로(intermittently) 활성화 하도록 구성된, 상기 스캔 제어기;를 포함한다.
바람직하게는, 상기 스캔 제어기는 상기 터치 패널 상에서 상기 터치 활동 위치를 결정하기 위하여 상기 터치 패널의 모든 로우(row)들을 활성화하도록 상기 아날로그 프론트 엔드를 제어함으로써 활동 감지에 응답하도록 더 구성된다.
바람직하게는, 상기 터치 패드 제어기 회로는 상기 터치 패널의 제 1 서브셋(subset) 로우들을 갖는 제 1 파티션(partition), 상기 터치 패널의 제 2 서브셋 로우들을 갖는 제 2 파티션이 상기 터치 패널의 상기 미리 결정된 로우(row)들임을 식별하도록 상기 스캔 제어기를 제어하는 저장된 데이터를 더 포함하고, 상기 제 1 서브셋 로우들 및 상기 제 2 서브셋 로우들은 상기 터치 감지 스캔 절차 동안에 상기 터치 패널의 모든 영역들이 활성화 되는 것을 확실히 하기 위해 선택된다.
바람직하게는,상기 아날로그 프론트 엔드는 제 1 활성화(stimulus) 신호들을 상기 터치 패널의 제 1 서브셋 로우들에 제공하고 그리고 제 2 활성화 신호들을 상기 터치 패널의 제 2 서브셋 로우들에 제공하기 위해서 상기 스캔 제어기에 응답한다.
바람직하게는, 상기 아날로그 프론트 엔드는 상기 제 1 활성화 신호들 및 상기 제 2 활성화 신호들에 응답하여 상기 터치 패널의 컬럼(column)들 위에 생성된 신호들을 센싱하도록 구성된다.
바람직하게는, 상기 아날로그 프론트 엔드는 상기 센싱된 신호들에 기반하여 디지털 데이터를 생성하는 아날로그-디지털 컨버터 회로들을 포함하고 그리고 상기 터치 패널 상에서 터치 활동을 감지하기 위해서 상기 생성된 디지털 데이터로부터 베이스라인 정전용량 데이터(baseline capacitance data)를 차감하는 회로를 더 포함한다.
바람직하게는, 만약 터치 활동이 상기 터치 패널상에 존재하지 않으면 제 1 활성화 신호 및 제 2 활성화 신호의 동시 제공(simultaneous provision)이 베이스라인(baseline) 레벨로부터 실질적으로 변화가 없도록 하기 위해 상기 제 1 활성화 신호에 상호 보완적인 관계(complementary)에 있는 상기 제 2 활성화 신호를 제공하기 위해서 상기 아날로그 프론트 엔드는 상기 스캔 제어기에 응답한다.
바람직하게는, 상기 터치 패널은 미리 결정된 수의 로우(row)들 및 미리 결정된 수의 컬럼들로 배열되고, 상기 스캔 제어기는 상기 미리 결정된 수의 로우들 및 상기 미리 결정된 수의 컬럼들에 기반하여 터치 패널 파티셔닝(partitioning) 및 터치 패널 구동 패턴들을 결정하도록 구성된다.
본 발명에 따른 상호 정전용량성 터치 시스템에서의 빠른 터치 감지에 의하면, 터치 패널 디스플레이 및 제어기 회로를 위하여 더 빠른 터치 감지 및 더 낮은 전력 동작 둘 모두를 제공한다.
시스템은 아래의 도면들 및 설명을 참고로 하여 더 잘 이해될 수 있다. 도면들에서, 같은 참조 번호들은 상이한 도면들에서 대응하는 부분들을 지정한다.
도 1 은 대표적인 휴대용 디바이스의 블럭도이다.
도 2 는 대표적인 휴대용 디바이스의 평면도(top view)이다.
도 3 은 도 1 및 도 2 의 휴대용 디바이스에서 사용을 위한 대표적인 상호 정전용량성 터치 패널(touch panel)의 개략도(simplified diagram)이다.
도 4 는 도 1 의 휴대용 디바이스의 터치 프론트 엔드(touch front end)의 대표적인 블럭도를 도시한다.
도 5 는 대표적인 제 1 표본 스캔 맵(scan map)을 도시한다.
도 6 는 대표적인 제 2 표본 스캔 맵(scan map)을 도시한다.
도 7 는 도 1 의 휴대용 디바이스의 터치 프론트 엔드(touch front end)의 대표적인 하이레벨 아키텍처(high-level architecture) 를 도시한다.
도 8 은 간략화된 정전용량성 터치 패널(touch panel) 및 관련 회로를 도시한다.
도 9 는 휴대용 디바이스의 제어회로에서 사용하는 대표적인 베이스라인 트랙킹 필터(baseline tracking filter)를 도시한다.
도 10 은 도 9의 베이스라인 트랙킹 필터와 와 결합한 제 2 편차 추정기(variance estimator)를 도시한다.
도 11 은 도 9의 베이스라인 트랙킹 필터와 와 결합한 제 2 편차 추정기(variance estimator)를 도시한다.
도 12 는 도 1 의 휴대용 디바이스의 터치 감지 동작 모드를 위한 타이밍도(timing diagram)를 도시한다.
도 13 는 도 1 의 휴대용 디바이스의 터치 감지 동작 모드를 예시하는 흐름도(flow diagram)이다.
도 14 는 도 1 의 휴대용 디바이스의 표본 스캔 맵의 터치 감지 스캐닝을 도시한다.
이제 도 1 및 도 2 와 관련하여, 도 1 은 휴대용 디바이스(100)의 블럭도를 도시한다. 도 2 는 도 1의 블럭도에 따른 휴대용 디바이스(100)의 일 실시예이다. 도 1 에 도시된 바와 같이, 휴대용 디바이스(100)는 정전용량성 터치 패널(102), 제어기 회로(104), 호스트 프로세서(106), 입력-출력 회로(108), 메모리(110), 액정 디스플레이(112) 및 동작 전력을 제공하는 배터리(114)를 포함한다.
도 2 는 휴대용 디바이스(100)의 평면도를 도시하는 도 2a 및 도 2a의 라인 B-B'을 따라서 휴대용 디바이스(200)의 측단면도(cross-sectional view)를 도시하는 도 2b를 포함한다. 휴대용 디바이스는 태블릿 컴퓨터(tablet computer), 스마트 폰(smart phone) 또는 심지어 터치 감응 표면(touch-sensitive surface) 또는 디스플레이를 가진 고정 디바이스를 포함하는 아주 다양한 디바이스들로 구체화될 수 있다.
휴대용 디바이스(100)은 하우징(housing)(202), 렌즈 또는 투명 터치 표면(204) 및 제어 스위치(206)과 같은 하나이상의 작동 가능한 유저 인터페이스 소자(element)들을 포함한다. 도 1 에 형성된 블럭도에 도시된 바와 같이 인쇄 회로 기판(208), 인쇄 회로 기판(208)상에 배열된 회로 소자(210)들이 하우징내에 수용된다.정전용량성 터치 패널(102)은 드라이브 라인(drive line)(212), 절연체(214) 및 센스 라인(sense line)(216)를 포함하고 스택(stack)으로 배열된다.절연체는 드라이브 라인(212)를 센스 라인(216)들로부터의 드라이브 라인에 병렬로 배열된 다른 드라이브 라인들을 전기적으로 격리시킨다. 신호들이 하나이상의 드라이브 라인(212)들에 제공되고, 투명 터치 표면(204)상에 터치 이벤트 위치를 결정하기 위해 센스 라인(216)들에 의해 센싱(sense)된다. LCD(112)는 인쇄 회로 기판(208)과 정전용량성 터치 패널(102)사이에 위치된다.
도 2a에 자세하게 도시된 바와 같이,정전용량성 터치 패널(102) 및 LCD(112)는 일반적으로 동일 공간에 있고(coextensive), 휴대용 디바이스의 유저 인터페이스를 형성한다. 문자 및 이미지들이 유저에 의한 시청(viewing) 및 상호작용(interaction)을 위해 LCD 상에 디스플레이 될 수 있다. 유저는 휴대용 디바이스(100)의 동작을 제어하기 위해 정전용량성 터치 패널(102)을 터치할 수 있다. 터치는 유저의 단일 손가락에 의해 또는 몇 개의 손가락들에 의해 또는 유저의 손 또는 다른 신체 부분들의 다른 영역들에 의해 이루어질 수 있다. 터치는 또한 유저의 의해 쥐어지는 스타일러스(stylus) 또는 정전 용량 터치 패널(touch panel)와 컨택하게 하는 다른 방식들에 의해 이루어질 수 있다. 터치(touch)들은 의도적(intentional) 이거나 또는 의도적이 아닐(inadvertent)수 있다. 다른 애플리케이션에서, 정전용량성 터치 패널(102)은 컴퓨팅 디바이스의 터치 패드(touch pad)로서 구체화될 수 있다. 이런 애플리케이션에서, LCD(112)는 정전용량성 터치 패널(102)와 동일 공간(coextensive) (또는 같은 장소에 배치된(co-locate)) 필요가 없고 컴퓨팅 디바이스를 제어하기 위해 정전용량성 터치 패널(102)을 터치하는 유저가 볼 수 있는 근처에 위치될 수 있다.
다시 도 1 로 돌아가서, 제어기 회로(104)는 디지털 터치 시스템(120), 프로세서(122), 비 휘발성 메모리(124) 및 판독 기록 메모리(126)를 포함하는 메모리, 테스트 회로(128) 및 타이밍 회로(130)를 포함한다. 일 실시예에서, 제어기 회로(104)는 디지털 논리 및 메모리 및 아날로그 기능들을 포함하는 단일 집적 회로로 구현된다. 다른 실시예들은 제어회로(104)에서 다른 컴포넌트(component)들 또는 기능 블럭들을 포함할 수 있다.
디지털 터치 서브시스템(120)은 터치 프론트 엔드(touch frone end)(TFE)(132) 및 터치 백 엔드(touch back end)(TBE)(134)를 포함한다. 이 분할은 고정되거나 엄격하지 않고, 각 블럭이 수행하는 하이 레벨(high-level) 기능(들), 지정되거나 고려되는 프론트 엔드 또는 백 엔드 기능들에 따라서 변화할 수 있다. TFE(132)는 정전용량성 터치 판넬(102)를 포함하는 정전용량성 센서의 정전용량(capacitance)를 감지하고 그리고 TBE(134)로 높은 신호대 잡음비(SNR : signal to noise ratio) 정전용량성 이미지( 또는 히트맵(heatmap))을 전달하도록 동작한다. TBE(134)는 TFE(132)로부터 이 정전용량성 히트맵(heatmap)을 가져와서, 정전용량성 터치 패널(102)을 터치하는 객체(들)을 식별(discriminate)하고, 분류(classify)하고, 위치를 결정(locate)하고, 그리고 트랙(track)하고, 이 정보를 호스트 프로세서(106)으로 다시 보고한다. TFE(132) 및 TBE(134)는 원하는 바에 따라 예를 들어 어떤 특정 설계 요건들에 따라서 하드웨어, 소프트웨어 또는 펌웨어(firmware) 컴포넌트들 중에 분할 될 수 있다. 일 실시예에서, TFE(132)는 주로 하드웨어 컴포넌트들로 구현될 것이고 그리고 TBE(134)의 기능성의 일부 또는 전부는 프로세서(122)에 의해 구현될 수 있다.
프로세서(122)는 제어회로(104)의 동작을 제어하기 위해서 메모리에 저장된 데이터 및 명령들에 응답하여 동작한다. 일 실시예에서, 프로세서(122)는 예를 들어 ARM 홀딩스(Holdings)로부터 입수 가능한 ARM 프로세서로 구현되는 RISC(Reduced Instruction Set Computer) 아키텍처다. 프로세서(122)는 제어회로(104)의 다른 컴포넌트들로부터 데이터를 수신하고 다른 컴포넌트들로 데이터를 제공한다. 프로세서(122)는 비 휘발성 메모리(124) 및 판독 기록 메모리(126)에 저장된 데이터 및 명령들에 응답하여 동작하고, 동작상태에서 메모리들(124,126)에 데이터를 기록한다. 특별히, 비 휘발성 메모리(124)는 제어회로(104)의 임의의 다른 기능 블럭들에 의해 사용되는 펌웨어 데이터 및 명령들을 저장할 수 있다. 이런 데이터 및 명령들은 후속 사용을 위해 제어회로(104)의 제조시에 프로그램 될 수 있거나 또는 제조 후에 업데이트되거나 프로그램 될 수 있다.
타이밍 회로(130)은 제어회로(104)의 다른 컴포넌트들에 의한 사용을 위해 클럭 신호들 및 아날로그, 시간에 따라 변하는 신호(time-varying signal)들을 생산한다. 클럭 신호들은 프로세서(122)와 같은 디지털 컴포넌트들의 동기화를 위한 디지털 클럭 신호들을 포함한다. 시간에 따라 변하는 신호들은 정전용량성 터치 패널(102)을 구동하기 위한 미리 결정된 주파수 및 진폭의 신호들을 포함한다. 이것과 관련하여, 타이밍 회로(130)는 프로세서(122) 또는 비 휘발성 메모리(124)와 같은 다른 기능 블럭들 제어하에서 또는 다른 기능 블럭들에 응답하여 동작할 수 있다.
도 3 은 상호 정전용량성 터치 패널(mutual capacitance touch panel)(300)의 다이어그램을 도시한다.정전용량성 터치 패널(300)은 도 1 및 도 2 의 휴대용 디바이스의 정전용량성 터치 패널(102)을 모델화한다. 정전용량성 터치 패널(300)은 Nrow 로우(row)들과 Ncol 컬럼(column)들 (도 3에서 Nrow=4, Ncol=5)를 갖는다. 이 방식에서, 정전용량성 터치 패널(300)은 Nrow 로우들과 Ncol 컬럼들사이에서 Nrow X Ncol 상호 커패시터(mutual capacitor)들을 생성한다. 이것들이 제어회로(104)가 보통 터치를 센싱하는데 사용하는 상호 정전용량들이고, 그것들이 제어회로(104)가 정전용량성 히트맵(heatmap)을 생성하는데 사용하는 정전용량성 노드들의 정상 상태 그리드(grid)를 생성한다. 그러나, 만약 정전용량성 터치 패널(300)에서 손가락 또는 스타일러스 터치 및 접지 노드(ground node)가 포함된다면, 전체 (Nrow + Ncol) 또는 (Nrow + Ncol + 2) 노드들인 것에 주목할 가치가 있다. 정전용량(capacitance)는 정전용량성 터치 패널(300)에서 모든 노드들의 쌍(pair)사이에서 존재한다.
활성화 모드들(Stimulus mode)
정전용량성 터치 패널(300)은 몇 개의 상이한 방식들로 활성화(stimulate)될 수 있다. 정전용량성 터치 패널(300)이 활성화되는 방식은 패널내에서 측정되는 상호 정전용량들에 영향을 준다. 동작모드들의 리스트(list)는 아래에서 상세하게 설명된다. 이하에서 정의된 모드들은 단지 TFE(132)가 패널을 활성화하는 방식에서만 설명하는 것에 주목한다.
RC(로우-컬럼) 모드는 상호 정전용량성 센서의 제 1 동작 모드이다. RC 모드에서, 로우들은 TX(송신) 파형들에 의해 구동되고, 그리고 컬럼들은 TFE(132)의 RX(수신)채널들에 연결된다. 따라서, 표준 Nrow X Ncol 정전용량성 히트맵(heatmap)을 산출하는 로우들 및 컬럼들 사이의 상호 커패시터들이 감지된다. 도 3 에 도시된 예에서, RC 모드는 Cr<i>,C<j>로 라벨된 커패시터들을 측정하며, 여기서 <i> 및 <j>는 각각 로우 및 컬럼의 정수 지수들이다. 일반적으로, CR(컬럼-로우) 모드(예, 컬럼들을 구동하고, 로우들을 센싱하는) 지원에서 증분값은 없고, 그것은 RC 모드에서와 같은 결과를 산출한다.
자체-정전용량 컬럼(SC : Self-capacitance column)모드는 제어기(102)에 의해 지원될 수 있는 자체 정전용량 모드이다. SC 모드에서, 하나이상의 컬럼들이 동시에 구동되고 그리고 센싱된다. 결과적으로 구동된 컬럼들에 연결된 모든 구조들의 전체 정전용량이 감지된다.
CL(column-listening) 모드에서, RX 채널들은 정전용량성 터치 패널(102)의 컬럼들에 연결되고, 송신기는 턴 오프(turn off) 된다. 정전용량성 터치 패널(102)의 로우들은 로우-임피던스(low-impedance) 노드(예. AC 그라운드) 또는 플로팅(예, 하이-임피던스(high-impedance) 상태, 어느 하나에 쇼트(short)될 것이다. 이 모드는 패널 컬럼들상에 존재하는 노이즈 및 간섭을 경청하는데 사용된다. RX 채널들의 출력은 사용할 적절한 신호 주파수들을 결정하기 위해서 스펙트럼 추정 블럭(예, FFT 블럭)에 공급될 것이고 최적의 간섭 필터 구성이 아래에 추가로 상세하게 설명될 것이다.
타이밍 용어(Timing Terminology)
일부 용어들은 TFE(132)내에서 생산된 결과들에 다양한 타임스케일(timescale) 이해를 위해 도입된다. TFE(132)는 정전용량성 터치 패널(102)의 모든 희망하는 노드(예, 모든 노드들, 또는 모든 노드들의 일부 특정되거나 또는 관련 서브셋(subset))들을 스캐닝함으로써 정전용량성 히트맵(heatmap)을 생산한다. 이 프로세스는 프레임 스캔(frame scan)으로 언급될 수 있고, 이 프레임 스캔은 프레임 레이트(frame rate)로 언급되는 레이트(rate)에서 동작할 수 있다. 프레임 레이트는 확장가능(scalable)할 수 있다. 일 대표적인 프레임 레이트는 단일 터치(single touch)를 위한 250Hz의 프레임 레이트 및 사이즈(size)에서 5.0인치(inch)이하의 패널 사이즈를 포함한다. 제 2 대표적인 프레임 레이트는 단일 터치(single touch)를 위한 200Hz의 프레임 레이트 및 5.0인치(inch)보다 큰 패널 사이즈이다. 제 3 대표적인 프레임 레이트는 10 터치들을 위한 최소 120Hz 및 10.1인치(inch)의 패널 사이즈이다. 바람직하게는, 제어기(104)는 모든 이런 프레임 레이트들을 지원할 수 있고 그리고 프레임 레이트는 주어진 애플리케이션을 위한 성능과 전력 소모의 트레이드 오프(tradeoff)를 최적화하기 위해서 구성된다. 용어 스캔 레이트(scan rate)는 용어 프레임 레이트와 교환하여 사용될 수 있다.
제어회로(104)는 많은 스텝 스캔(step scan)들을 가져옴으로써 완벽한 프레임 스캔을 집합시킬 수 있다. 질적으로, 비록 이것은 모든 경우들에서 엄격하게 수행되지 않을 수 있지만, 각 스텝 스캔은 수신기들로부터 정전용량성 판독들의 셋에서 비롯될 수 있다. 제어회로(104)는 동일 또는 상이한 스텝 레이트(step rate)에서 각 스텝 스캔을 수행할 수 있다. RC(로우/컬럼)스캔, 송신기들이 로우들에 연결되고, 수신기들이 컬럼들에 연결된,에 대하여, 그것은 완전한 프레임 스캔을 생성하기 위해 Nrow 스텝 스캔들을 가질 것이다. 40 로우들 X 30 컬럼들을 가진 태블릿 사이즈 정전용량성 터치 패널(102)을 가정하면, 200Hz 프레임 레이트를 달성하기 위해서 스텝 레이트(step rate)는 최소 8 kHz일 수 있다.
모든 상호 정전용량 스캔 모드들에 관하여, 터치 이벤트는 측정된 상호 정전용량에서의 감소를 야기할 수 있다. TFE(132)에 의해 생성되는 정전용량성 히트맵(heatmap)은 측정된 정전 용량에 직접 비례할 것이다. 따라서, 이런 스캔 모드들에서 터치 이벤트는 정전용량성 히트맵(heatmap)에서의 감소를 야기할 것이다. 모든 자체 정전용량 스캔 모드들에 관하여, 터치 이벤트는 측정된 정전용량에서의 증가를 야기할 수 있다. TFE(132)에 의해 생성되는 정전용량성 히트맵(heatmap)은 측정된 정전 용량에 직접 비례할 것이다. 따라서, 이런 스캔 모드들에서 터치 이벤트는 정전용량성 히트맵(heatmap)에서의 국부 증가(local increase)를 야기할 것이다.
이제 도 4를 참조하여, 그것은 도 1 의 터치 프론트 엔드(touch frone end)(132)의 블럭도를 도시한다. 예시된 실시예에서, AFE(132)는 48 물리적 송신 채널들 및 32 물리적 수신 채널들을 포함한다. 부가적으로, AFE(132)의 일부 실시예들은 전력 안정화 회로(regulation circuit)들, 바이어스 생성 회로들 및 클럭 생성 회로들과 같은 회로들을 수용할 수 있다. 도면 도식을 과도하게 복잡하게 하는 것을 피하기 위해서, 이런 여러 가지 회로는 도 4 에서 도시되지 않는다.
TFE(132)는 송신 채널들(402), 파형 생성 블럭(404), 수신 채널들(406) 및 I/Q 스캔 데이터 경로들(408)을 포함한다.송신 채널들(402) 및 수신 채널들(406)들은 아날로그 프론트 엔드(AFE: analog front end)(400)으로 집합적으로 언급될 수 있다. TFE(132)는 I/Q 스캔 데이터 경로(I/Q scan data path)로부터의 동위상(in-phase) 결과들을 위한, 수신 데이터 크로스바 다중화기(receive data crossbar multiplexer)(410), 차동 결합기(differential combiner)(412) 및 동위상 채널 결합 블럭(in-phase channel assembly block)(414)를 더 포함한다. 유사하게 직교 결과(quadrature result)들을 위해, TFE(132)는 수신 데이터 크로스바 다중화기(receive data crossbar multiplexer)(416), 차동 결합기(differential combiner)(418) 및 동상 채널 결합 블럭(in-phase channel assembly block)(420)를 포함한다.동위상(in-phase) 결과들 및 직교 결과들은 I/Q 결합기(422)에서 결합된다. 데이터의 절대값은 로우 및 컬럼 정규화기(normalizer)(424)에 제공되고 그런다음에 터치 백 엔드(touch back end)(TBE)(134)에 가용 가능하다. 유사하게, I/Q 결합기(422)로부터의 히트맵 위상 정보는 TBE(134)에 또한 제공된다.
TFE(132)는 스캔 제어기(426), 판독 제어 크로스바 다중화기(428) 및 송신 제어 크로스바 다중화기(430)를 더 포함한다. 추가로, TFE(132)는 이하에서 더 상세하게 설명될 스펙트럼 추정 프로세서(432)를 포함한다. 스펙트럼 추정 프로세서(432)는 TBE(134)에 스펙트럼 추정(spectrum estimate)을 제공한다. 스캔 제어기(426)는 어느 컬럼들에 송신 신호들이 제공되는지 그리고 어느 로우들이 감지되지를 제어하기 위해서 TBE(134)로부터 하이 레벨 제어 신호들을 수신한다.
수신 데이터 크로스바 다중화기(410,416) 및 수신 제어 크로스바 다중화기(428)은 수신 크로스바 다중화기를 함께 형성한다. 이 두개의 다중화기들은 그것들의 제어 입력들 및 데이터 출력들 모두를 재배치(remapping)함으로써 물리적 수신 TFE 채널들을 논리적으로 재배치하는데 사용된다. 엄밀한 의미의, 양자의 다중화기들에 라우팅(route)되는 제어 신호들은 동일 할 수 있어서, 수신 데이터 다중화기(410,416) 및 수신 제어 다중화기(428)에 의해 수행되는 재배치(remapping)은 동일할 필요가 있다.
수신 데이터 크로스바 다중화기(410, 416)는 I/Q 스캔 데이터 경로(408) 및 히트맵 결합 블럭들(414,420)사이에 놓여진다. 수신 데이터 크로스바 다중화기(410, 416)의 목적은 수신 채널들의 논리적 재배치(logical remapping)을 가능하게 하는 것이다. 이것은 차례로 제어기(104)를 포함하는 집적 회로를 휴대용 디바이스(100)의 다른 회로 컴포넌트들에 연결하는 핀(pin)들 또는 볼(ball)들과 같은 전기적 커넥터(connector)들의 논리적 재배치를 고려한다. 이것은 차례로 제어기(104)를 포함하는 집적 회로로부터 인쇄 회로 기판에 라우팅에 있어서 더 큰 유연성(flexibility)을 정전용량성 터치 패널(102)에 가능하게 한다.
I/Q 스캔 데이터 경로(408)는 복잡한 결과들을 출력하기 때문에, 수신 크로스바 다중화기는 스캔 데이터 경로 출력의 I 및 Q 채널들 양자에 라우팅 할 수 있다. 이것은 두개의 별개이며 동일한 크로스바 다중화기(410,416)을 인스턴스화(instantiate)함으로써 쉽게 달성될 수 있다. 이런 두개의 다중화기들은 동일한 제어 입력들을 공유할 것이다.
수신 제어 크로스바 다중화기(428)는 스캔 제어기(426)와 AFE(400)사이에 놓여진다. 이것은 AFE(400)로 들어가는 채널마다(per-channel)의 수신 제어 입력들을 재배치하는데 사용된다. 수신 제어 크로스바 다중화기(428)의 구조는 수신 데이터 크로스바 다중화기(410,416)위한 것과 동일 할 수 있다.
Rx 제어 크로스바(Rx Ctrl crossbar)는 Rx 채널들을 논리적으로 재배치 하기 위해 Rx 데이터 크로스바(Rx Data crossbar)와 결합하여 사용되기 때문에, 그것은 Rx 데이터 크로스바와 함께 프로그램 될 수 있다. 수신 제어 다중화기(428) 및 수신 데이터 크로스바 다중화기(410,416)의 프로그래밍은 동일하지 않다. 대신에, 하나의 다중화기에서 달성된 제어기 채널 재배치로 동일한 AFE가 다른 것에서 구현되도록 하기 위해서 프로그래밍이 구성될 수 있다.
스캔 제어기(426)는 정전용량성 히트맵(heatmap)을 생성하기 위해서 정전용량성 터치 패널(102)의 스캐닝 및 출력 데이터 프로세싱을 용이하게 하는 중앙 제어기(central controller)를 형성한다. 스캔 제어기(426)는 TBE(134)로부터의 제어 신호들에 응답하여 동작한다.
스캔 제어기 동작 모드들(Scan Controller modes of operation)
스캔 제어기(426)는 많은 상이한 모드들을 지원한다. 각 모드의 간단한 설명이 이하에서 열거된다. 이하에서 언급되는 몇 개의 예외들을 가진 모드들 사이에서의 스위칭(switching)은 전형적으로 프로세서(122)의 응답에서 수행된다.
활성 스캔 모드(active scan mode)는 표준 동작모드로 간주되고, 제어기(104)는 정전용량성 히트맵(heatmap)을 측정하기 위해서 정전용량성 터치 패널(102)을 능동적으로 스캐닝 한다. 어떤 형태의 패널 스캔이 이용되는지에 관계없이, 스캔 제어기(426)는 단일 프레임 스캔을 완성하기 위해서 일련의 스텝 스캔(step scan)들을 통하여 단계화한다.
단일 프레임 모드에서, 제어기는 프로세서(122)의 요청에 하나의 단일 프레임 스캔을 개시한다.스캔이 완성된 후에, 정전용량성 히트맵(heatmap) 데이터는 프로세서(122)로 가용가능하게 되고, 스캔 제어기(426)는 추가적인 명령들이 프로세서(122)으로부터 수신될 때까지 추가 동작을 중지한다. 이 모드는 특별히 칩 디버깅(debugging)에 유용하다.
단일 스텝 모드에서, 제어기는 프로세서(122)의 요청에 하나의 단일 스텝 스캔을 개시한다. 스캔이 완성된 후에, 스캔 데이터 경로(408)의 출력들은 프로세서(122)로 가용가능하게 되고, 스캔 제어기(426)는 추가적인 명령들이 프로세서(122)으로부터 수신될 때까지 추가 동작을 중지한다.이 모드는 특별히 칩 테스팅(testing) 및 디버깅에 유용하다.
아이들 스캔 모드(idle scan mode)는 제어기(104)를 낮은 성능 모드에서 동작하도록 하기 위해서 프로세서(122)에 의해 개시되는 모드이다. 전형적으로, 이 모드는 제어기(122)가 정전용량성 터치 패널(102)의 스크린(screen)상의 활성 터치를 감지하지 못할 때 선택될 것이지만, 여전히 새로운 터치에 알맞게 빠른 응답을 원한다. 따라서, 제어기(122)는 여전히 활성 상태이고 그리고 TFE(132)에 의해 생산되는 히트맵 데이터의 처리를 가능하게 한다.
활성 스캔 모드와 아이들 스캔 모드 사이의 주된 차이점들을 두 가지(twofold)이다. 첫 번째, 아이들 스캔 모드의 프레임 레이트는 전형적으로 활성 스캔 모드에서 사용되는 것보다 느릴 것이다. AFE(400)의 듀티 사이클(duty cycling) 및 다른 전력 감소 모드들은 아이들 스캔 동안에 제어기(104)의 전체 전력 소모를 감소시키기 위해서 사용될 것이다. 두 번째, 단일 프레임 스캔을 생성하기 위해 이용되는 시간의 길이는 활성 스캔 모드에서 보다 아이들 스캔 모드에서 더 짧을 것이다. 이것은 스텝 스캔의 지속기간(duration)을 짧게 하거나 또는 프레임 당 더 작은 스텝 스캔들을 수행함으로써 달성될 수 있다. 전체 프레임 스캔 시간을 감소시키는 것은 정전용량성 히트맵 신호 대 잡음비(SNR)의 감소된 손실(expense)에서 추가적으로 전력을 감소할 수 있다.
스펙트럼 추정 모드(spectrum estimation mode)는 수신 채널들로 스펙트럼 커플링하여 간섭 및 노이즈(noise)를 측정하는데 사용된다. 이 측정은 그런 다음 적절한 송신 주파수를 결정하고 스캔 데이터 경로(408)내의 필터들에 대하여 최적의 필터 계수들을 계산하기 위해서 프로세서(122)에 의해 분석된다. 이 모드는 컬럼 청취 모드(Column Listening mode)와 함께 사용된다.
스펙트럼 추정 모드에서 도 4에서의 TFE(132) 대부분의 블럭들은 사용할 수 없다. 스캔 제어기(426), AFE(400) 및 스펙트럼 추정 프리프로세서(spectrum estimation preprocessor)(432)가 사용될 수 있다. AFE(400)의 송신 채널(402)은 전력 차단되고, AFE(400)의 수신 채널(406)은 정전용량성 터치 패널(102)내로 결합하는 백그라운드 노이즈(background noise) 및 간섭 신호들을 기록한다. AFE(400)의 모든 채널들로부터의 수신 데이터는 스펙트럼 추정 프리프로세서(432), 이 데이터에 산술적인 프리프로세싱을 수행하는,로 라우팅된다. 스펙트럼 추정 프리프로세서(432)의 출력은 16비트 결과들의 N-포인트 벡터이며, 여기서 N은 약 200이다. 스펙트럼 추정 프리프로세서(432)의 출력은 추가 분석 및 사용을 위한 적절한 송신 주파수 결정을 위해 프로세서(122)로 핸드오프(hand off)된다. 이 프로세스는 이하에서 더 상세하게 설명된다.
상기에서 설명된 기능적인 모드들에 추가하여, 제어기(104)는 슬립 모드(sleep mode)들 셋을 가질 수 있으며, 여기서 제어기(104)에서의 다양한 기능 블럭들은 사용할 수 없고 및/또는 완전히 전력 차단한다.
프레임 스캔은 일련의 스텝 스캔들을 포함한다. 각 스텝 스캔의 구조는 주어진 프레임 스캔내에서 스텝 스캔에서 다음 것으로 동일할 수 있지만, 그러나 제어 데이터의 정확한 값들은 스텝 스캔에서 스텝 스캔으로 달라진다. 더욱이, 주어진 프레임 스캔의 동작은 구성 파라미터들에 의해 결정될 수 있고 그리고 수신 채널에 의해 측정된 데이터 값들에 의해 영향을 받거나 또는 받지 않을 수 있다. 제어기 회로(104)가 구현할 수 있는 프레임 스캔 로직의 일 예는 이하에 도시된다.
//Initialization
Set DDFS parameters;
Clear heatmap memory;
//Step scan loop
For step_idx = 1 to num_step_scans {
//Configure circuits according to step_idx
Set scan_datapath_control to scan_datapath_parameters[step_idx];
Assert Rx_reset and wait TBD clock cycles;
Set AFE_control_inputs to AFE_parameters[step_idx];
Deassert Rx_reset and wait TBD clock cycles;
// Run step scan and collect data
Send start signal to DDFS and scan data path;
Wait for TBD clock cycles for step scan to complete;
Pass datapath_results[step_idx] to heatmap assembly block
//Incremental heatmap processing
}//step_idx loop
증분 히트맵 프로세싱 동작은 이하에서 더 자세하게 설명된다.
다중 송신 지원 및 블럭 활성화(Multi-transmit Support and Block Stimulation of the Panel)
정전용량성 히트맵(heatmap)에서 개선된 SNR을 달성하기 위해서, 제어기 회로(104)는 정전용량성 제어 패널(102)의 다중 송신(multi-Tx) 활성화(stimulation) 지원을 제공한다. 다중-Tx 활성화(또는 다중-Tx)는 패널의 다수 로우(row)들이 각 스텝 스캔 동안에 송신(Tx) 신호 또는 Tx 신호의 극성 전환된 버전으로 동시에 활성화된다. 활성화되는 로우들의 수 및 극성(polarity)은 제어 레지스터들을 통하여 AFE(400)에서 제어될 수 있다. 다중-Tx 동안에 동시에 활성화되는 로우들의 수는 파라미터 Nmulti로서 정의된다. Nmulti은 주어진 프레임 내에서 스텝에서 스텝으로 그리고 또한 프레임에서 프레임으로 일정한 값일 수 있다.
만약 스텝 스캔 동안에 Nmulti 로우들이 동시에 활성화(stimulated)되면, 그것은 활성화되는 모든 픽셀 정전용량들을 분석하기 위해서 적어도 Nmulti 스텝 스캔들을 얻을 것이다. 스캔 스텝 동안에 각 수신기는 활성화되는 Nmulti 정전 용량들을 갖는다. 여기서, Nmulti 미상의 정전 용량들이 있고, 이 값들을 분석하기 위해서 적어도 Nmulti 측정값들을 요구한다. 이런 Nmulti 스텝들의 각각 동안에, Tx 로우들의 극성 제어는 일련의 하다마드 시퀀스(Hadamard sequence)에 의해 변조될 것이다. 일단 이 셋의 Nmulti(또는 이상의) 스텝 스캔들이 완성되면, 동일한 방식으로 Nmulti 로우들의 다음 셋이 활성화 될 수 있고, Nmulti는 정전용량성 터치 패널(touch panel)(102)에서의 정확한 로우들의 숫자보다 거의 항상 작을 것이다.
이런 식으로 전체 정전용량성 터치 패널(102)의 프로세싱은 블럭들에서 일어나고 픽셀들의 Nmulti 로우들이 한 묶음의 스텝 스캔들 동안에 분석되고 그리고 그런 다음 모든 패널 로우들이 완벽하게 분석될 때 까지 픽셀들의 다음 Nmulti 로우들이 다음 묶음(batch)의 스텝 스캔들에서 분석된다.
대부분 시나리오들에서, 패널 로우들의 숫자는 정확한 복수의 Nmulti가 아닐 것이다. 이런 상황들에서, 로우들의 마지막 블럭동안에 스캔되는 로우(row)들의 숫자는 Nmulti보다 작을 것이다. 그러나,Nmulti 스캔 스탭들은 논스퀘어(non-square) 하다마드 매트릭스들을 이용하여 이런 나머지 로우들 상에서 수행될 수 있다.
차동 스캔 모드(Differential Scan Mode)
차동 스캔 모드는 정상 상태 스캔 모드를 강화하고 그럼으로써, 프레임 스캔 동작은 인접 수신 채널들을 가로질러서 수신된 간섭 신호의 상관관계(correlation)를 활용하도록 변조된다. 이 모드에서, 정상 상태(normal) 프레임 스캔 방법론(methodology) 가 수행되지만, 그러나 단일 프레임을 결합하는데 사용되는 스텝 스캔들의 숫자는 두배이다. 개념적으로, 스캔 시퀀스에서 각각의 스텝 스캔은 두개의 스텝 스캔들이 된다 : 첫번째는 AFE 제어 레지스터들에 대하여 기본값(default value)들로 단일종단(single-ended) 또는 정상상태 스텝 스캔이고, 두번째는 차동 스텝 스캔이다.
NRX 수신 채널들이 주어지면, 차동 스캔 모드는 종합 스캔 스텝마다 전체 2NRX 수신 측정값(예, NRX 단일종단 측정값들 및 NRX 차동 측정값들)들을 산출한다. 이런 2NRX 측정값들은 도 4 에서의 차동 결합기 블럭들(412,418)에서 NRX 정상상태 측정값들로 재결합되고 그리고 와해(collapse)된다.
도 5 및 도 6 은 비대칭(asymmetric) 스캔 맵들(500 및 600)의 예제들을 도시한다.
도 7 는 아날로그 프론트 엔드의 하이 레벨 아키텍처(high-level architecture)(700)를 도시한다. 아키텍처(700)는 정전용량성 터치 패널(102)의 컬럼들에 신호들을 제공하는 송신 채널(702) 및 정전용량성 터치 패널(102) 으로부터 신호들을 센싱(sense)하는 수신 채널(704) 을 포함한다. 송신 채널(702)은 디지털-아날로그 컨버터(converter)(706) , 극성 제어 회로들(708) 및 버퍼들(710) 을 포함한다. 수신 채널(704) 는 전치 증폭기(pre-amplifier)(712) 및 아날로그-디지털 컨버터(714) 를 포함한다.
모든 송신 채널들은 도 7에서의 라벨 TxDAC 공유 송신 데이터 신호에 의해 구동될 수 있다. 각 물리 송신 채널은 송신 디지털-아날로그 컨버터(706) 을 구동하기 위해서 라벨 TxDacClk의 공통 송신 디지털-아날로그 컨버터 클럭을 또한 수신할 수 있다. 클럭 신호는 TFE (132) 내의 주파수고정 루프 블럭으로부터 직접 들어올 것이고, 그리고 이 클럭 신호는 또한 TFE (132) 의 디지털 부분으로 라우팅 될 것이다.
각 물리송신 채널은 또한 인에이블(enable)/디스에이블(disable), 극성 제어, 및 이득(gain)/위상 제어와 같은 송신 채널의 다양한 파라미터들을 적절하게 제어하는 그것 자신의 채널-특정 TxCtrl을 가질 수 있다. 이런 TxCtrl 비트들은 TxDacClk 레이트로 업데이트되지 않지만, 오히려 프레임 스캔 동작동안에 후속 스텝 스캔들 사이에 업데이트될 것이다.
제어 신호는 48 송신 채널들 각각의 송신 극성(polarity)을 제어한다. 이하에서 더 자세하게 설명될 것과 같이, 송신 출력의 극성은 프레임 스캔 동안에 각 스캔 스텝동안에 고정된 극성을 갖는 각 송신 채널을 가지고 직교 시퀀스(orthogonal sequence)로 변조될 수 있다.
모든 수신 채널들은 일련의 공통 클럭 신호들을 수신할 것이다. 이런 클럭 신호는 TFE (132) 내의 주파수고정 루프 블럭으로부터 직접 제공될 것이고, 그리고 이 클럭 신호는 또한 TFE (132) 의 디지털 부분으로 라우팅 된다. RX 채널들로 라우팅되는 이 클럭 신호들은 RxADC를 구동하는 RxADCClk를 포함한다. 이 신호의 전형적인 클럭 주파수는 48MHz이다.
이 물리적 수신 채널은 또한 인에비블(enable)/디스에이블(disable), 및 이득(gain) 제어와 같은 수신 채널의 다양한 파라미터들을 적절하게 제어하는 도 7 에서의 라벨 RxCtrl, 자기 자신의 채널 특정 수신 제어 비트들을 또한 가질 것이다. 이런 수신 제어 비트들은 프레임 스캔 동작동안에 후속 스텝 스캔들 사이에서 업데이트될 것이다.
추가적으로, 동시에 모든 수신 채널들을 제어할 것인 도7 에서의 라벨 RxCtrlUniv의 제어 설정들의 공유 셋(shared set)이 있을 수 있다. 이런 레지스터(register)들은 제어기(104) 의 주어진 구현 동안에 일정하게 유지될 수 있는 포괄적인 제어 비트들로 주로 구성된다.
모든 리셋(reset) 채널들에 공통인 라벨 RxReset 의 하나이상의 리셋 라인들이 또한 있다. 이런 리셋 라인들은 각 스캔 스텝에 앞서 반복가능한 방식으로 주장될 수 있다.
파형 생성(Waveform Generation)
도 4 에서의 파형 생성 블럭(WGB : waveform generation block)(404) 은 Tx 채널(402)들을 위한 송신 파형을 생성한다. WGB(404) 는 디지털 사인파(sine wave)를 생성한다. 추가적으로, WGB(404) 는 프로그램 가능한 상승(rise) 및 하강(fall) 시간들로 에지(edge)들을 갖는 구형파(square wave)들와 같은 다른 단순한 주기적인 파형들을 생성할 수 있다.
WGB(404) 의 주된 출력은 도 4 에서의 라벨 TxDAC인 송신 채널들(402)로의 데이터 입력이다.WGB(404)는 도 4 에서의 라벨 TxDacClk 인 클럭 신호 및 라벨 Start인 신호를 입력 신호들로서 수신한다. 스캔 제어기(426) 로부터 Start 신호를 수신할 때까지, WGB(404)는 단일 스텝 스캔의 지속기간 동안에 디지털 파형들을 생산하는 것을 시작한다. 스텝 스캔의 종결(conclusion)에서, WGB(404)는 동작을 멈추고 그리고 스캔 제어기(426)로부터 다음 start 신호를 기다린다.
WGB(404)는 약간의 진폭 제어를 가질 수 있지만, 그러나 WGB(404)는 전형적으로 최대 출력 진폭에서 동작할 것이다. 따라서, 이하에서 열거된 성능 요건들은 단지 최대 출력 진폭에서 충족될 필요가 있다. 모든 신호 출력들은 두개의 보완 포맷(complement format)에 있을 수 있다. WGB(404)는 스캔 데이터 경로(408) 및 스펙트럼 추정 프리프로세서(432) 을 위하여 임의의 사인(sine)/코사인(cosine) 계산 능력들을 또한 제공할 수 있다.
다음의 테이블은 WGB(404)에 관한 전형적인 성능을 열거한다.
사양(Specification) 최소값
(Min)		 정규화
(Nom)		 최대값
(Max)		 코멘트(Comment)
클럭 레이트(Clock rate) 8MHz TxDacCIk 레이트에서 동작할 것임
출력 주파수
(Output frequency)		 0 Hz 2 MHz
주파수 제어 해상도(Frequency ctrl resolution) 15 비트(bits) 61Hz의 원하는 해상도. 변할 수 있음.
출력 비트들의 수(# of output bits) 8
출력 진폭
(Output amplitude)		 50%
진폭		 100%
진폭		 100%
진폭
진폭 제어 해상도(Amplitude ctrl resolution) 7 비트(bits) 진폭 제어에서 1% 스텝사이즈(stepsize)에 대응
DC 바이어스 제어(bias control) 0 0 0 모든 출력들이 제로(0) 주위에서 균형되어야 한다.
출력(Output) THD -4OdBFs 사인파 모드(Sine wave mode)에서만
상승/하강 시간(Rise/fall time) 1 calk
cycle @
8MHz		 256 calk
cycles @
8MHz		 구형파 모드(Square-wave mode)에서만. 상승 시간 대. 하강 시간의 독립적인 제어가 필요로 되지 않음.
도 4 에서, 차동 결합기 블럭들(412,410)는 차동 모드에서 동작하는 능력을 제공하고 여기서 수신 채널들(406)은 단일 종단 측정값과 차동 측정값들사이에서 스텝 스캔들을 번갈아 한다. 차동 결합기 블럭들(412,418) 의 목적은 NRX 단일 종단(single-ended) 측정값과 (NRX-1) 측정값을 뒤따르는 히트맵 결합 블럭들(414,420) 에서 사용을 위해 NRX 최종 결과값들의 단일 셋으로 결합하는 것이다.
차동 결합기 블럭들(412,418)은 공간 필터(spatial filter)에 유사하다. 벡터(vector), c ,를 추정 정전용량 값들의 Nrx-by-1 벡터로 한다. 차동 모드에서, 단일종단 측정값들의 벡터, s , 및 차동 측정값들의 벡터, d , 를 갖는다. 여기에서, c est 로 불리는 c 의 추정값은 s 및 d 를 최적으로 재결합(recombine)함으로써 찾아질 것이다. 최적의 재결합을 결정하는 것은 실질적인 계산을 필요로 하지만, 그러나 아래의 재결합 기법은 예상되는 동작 조건들의 범위에 대하여 대략 0.5dB의 최적 성능내에서 동작하는 것을 활성화들이 보여준다:
Figure 112013002342289-pat00001
여기서, 아래첨자(subscript) n은 nth 수신기 채널로부터의 결과를 나타내고, 그리고 0≤n≤NRX-1.
게다가, 계수들은 아래의 제한들 대상이다.
Figure 112013002342289-pat00002
이러한 제한들이 주어지면, 상기에서 열거된 수학 동작(math operation)은 두개의 곱셈(multiplication) 동작들로 와해될 수 있는 것을 관찰 할 수 있다.
Figure 112013002342289-pat00003
상기의 방정식들은 데이터들이 nth 수신기의 양쪽(either side)상에 2 수신기들을 위하여 존재하는 것을 가정한다(예, 2≤n≤NRX-3). 따라서, 상기의 방정식들은 양쪽상에 두개의 외부 에지 수신 채널(outer edge receive channel)들에 대하여 변조될 수 있다. 개조(modification)들은 매우 간단하다. 첫번째, 임의의 비-존재(any non-existent) sk 텀(term)을 존재하는 가장 이웃하는 sj 텀(term)과 대체한다. 두번째, 임의의 비-존재 dk 텀(term)을 제로(0)로 대체한다. 이런 규칙들을 함께 두고 그리고 산수값들을 매트릭스(matrix) 형태로 표현하여, 우리는 얻는다:
Figure 112013002342289-pat00004
마지막으로, {al, a2, a3, b1, b2} 최적의 값들은 정확한 노이즈 및 간섭 환경에 의존하지만, 이러한 파라미터들의 아래 값들은 동작 환경들의 예상되는 범위에 대하여 최적 성능 근처에서 동작하는 것을 알 수 있다.
Figure 112013002342289-pat00005
상기의 파라미터들 b1 및 b2 는 다른 파라미터 kADC에 의존한다. 새로운 파라미터 kADC는 이하 테이블에서 상세하게 설명되는 것처럼 차동 측정 스템동안에 사용되는 수신 채널 아날로그-디지털 컨버터 이득(Rx_AdcGain)의 값에 의존한다.
차동 측정 스텝동안에 사용되는 Rx_AdcGain<1:0> kADC
00 1
01 3/4
10 1/2
11 3/8
이런 a 및 b 계수들은 제어기(104)의 일부인 펌웨어와 같은 제어 소스에 의해 프로그램가능하여야 하지만, 그러나 기본값들은 상기에서 열거된 그것들이어야한다. 아래의 테이블은 각 계수들을 위해 제안된 비트 폭(bit width)을 나타낸다.
계수(Coefficient) 비트 폭
a1 5
a2 5
a3 5
b1 6
b2 8
히트맵 결합 블럭들(HAB :heatmap assembly blocks)(414,420) 은 스캔 데이터 경로(408) 또는 사용된다면 차동 결합기들(412,418) 로부터 스텝 스캔 출력들을 가져와서 그리고 프레임 스캔동작에 관한 주요 출력인 완전한 정전용량성 히트맵(heatmap)을 결합한다. 그렇게 하기 위해서, 정전용량성 터치 패널(102) 에 개별적인 정전용량성 픽셀들의 정전용량 값들의 추정값들을 생성하기 위해서 적절한 방식으로 모든 스텝 스캔들의 출력들 산술적으로 결합할 수 있다.
도 4 에 도시된 바와 같이, HAB의 두 개의 별개의 동일한 인스턴스화(instantiation)들이 있다. 제 1 HAB (414)는 I-채널 데이터를 위한 것이고 제 2 HAB (420)는 Q-채널 데이터를 위한 것이다. 각 HAB(414,418)은 I-채널 또는 Q-채널 정전용량성 히트맵을 생성하기 위해서 I-채널 또는 Q-채널 데이터상에서 동작한다.
히트맵 결합(heatmap assembly)을 지원하는 수학적 계산(mathematics)을 입증하기 위해서, 예제 4 x 5정전용량성 터치 패널(800)이 도 8 에 도시된다. 이 예에서, 단지 컬럼 1 에서의 정전용량성 픽셀들이 분석되지만, 그러나 같은 원리들이 예제 정전용량성 터치 패널(800) 에서의 다섯개의 컬럼들 각각에 쉽게 확장될 수 있다. 특별히, 수신 컬럼 j 의 출력은 컬럼 j 에서의 정전 용량 픽셀들에 의해서만 영향을 받는다.
예제 정전용량성 터치 패널(800) 은 터치 패널(802) , 송신 디지털-아날로그 컨버터(TxDAC)(804) , 송신 버퍼들(806, 808, 810, 812) , 및 수신 아날로그-디지털 컨버터(814) 를 포함한다. 송신 버퍼들(806, 808, 810, 812) 개개는 각각 관련된 배율기(multiplier)을 갖는다. 배율기들(816, 818, 820, 822)은 TxDAC로부터 인가된 신호를 +1 또는 -1로 곱하도록 동작한다.
도 8의 예에서, 단일 TxDAC 파형은 모든 네개의 송신 버퍼들(806, 808, 810, 812) 에 발송된다. 그러나, 각 버퍼들은 그것을 터치 패널의 로우 상으로 송신하기 전에 이 파형을 +1 또는 -1 로 곱한다.주어진 스텝 스캔(아래첨자"step_idx"로 표시된)에 대하여, Hi의 개별 값, step_idx는 일정하게 유지된다. 그러나, 스캔 시퀀스에서 후속 스텝 스캔들을 위하여 이런 값들은 변할 수 있다. 따라서, 주어진 스텝 지수(step index)에서, mth Rx 채널에서 수신된 전압은 :
Figure 112013002342289-pat00006
여기서, VTX는 송신 신호의 진폭이고, RxGain m 은 수신 채널 m의 이득(gain)이다. 분석을 용이하게 하기 위해서, 이런 두개의 파라미터들은 1로 같다고 가정하고 후속 계산들에서 무시된다.
상기의 이 방정식에서 볼 수 있는 것처럼, Vstep _ idx ,m은 이 예에서 n=0 내지 3을 갖는 Cn ,m 미지수 값들 NumRows (예, 4) 에 기반하다. 따라서, 만약 네개의 독립적인 스텝 스캔들이 네개의 송신 버퍼들(806, 808, 810, 812) 에 적용되는 네개의 독립적인 H 시퀀스들로 수행된다면, V와 C 사이의 관계는 V로부터 C값들을 추정하기 위해서 인버트(invert)될 수 있다. 매트릭스 형태에서, 이것은 쓰여질 수 있다:
Figure 112013002342289-pat00007
이 공식화(formation)에서, 컬럼 벡터 C m 은 정전용량성 터치 패널의 mth 컬럼에 정전용량성 픽셀들의 정전 용량을 나타낸다. H는 NumSteps x NumRows 매트릭스이며 여기서 H 매트릭스의 nth 컬럼은 nth 송신 로우에 적용되는 곱셈 시퀀스(multiplicative sequence)를 나타낸다. H의 옵션 윗첨자(optional superscript)는 H 매트릭스의 차원들을 나타낸다. V m 은 컬럼 벡터이고, 여기서 매트릭스에서 nth엔트리(entry)는 mth RX 채널의 nth 스템 스캔 출력이다.
본 출원에서, H는 변형된 하다마드 매트릭스(Hadamard matrix)라 불리우는 특정 형태의 매트릭스이다. 이런 매트릭스들은 특성을 갖는다:
Figure 112013002342289-pat00008
여기서 I 는 NumRows x NumRows 항등 매트릭스(identity matrix)이고, H T 는 H의 전치(transpose)이다.
상기의 공식화(formulation) 및 H 매트릭스의 특성들이 주어지면, C m 으로부터 V m 으로 관계는 V m 측정값들로부터 C m 벡터의 값들을 추출하기 위해서 인버트 될 수 있다. 상기에서 정의된 용어를 사용하여:
Figure 112013002342289-pat00009
위의 방정식에서, 패널은 네개의 로우들 및 NumSteps (동등하게 N multi )의 값은 또한 네개로 설정된다. 따라서, 모든 패널 로우들은 매 스텝 스캔동안에 활성화된다. 일반적으로, 패널 로우들의 숫자는 Nmulti의 값보다 더 클 것이다. 이 경우에서, 패널 활성화은 블럭들로 분해된다. Nmulti 스텝 스캔들의 각 블럭동안에, Nmulti 인접 로우들은 상기에서 설명된 하다마드 극성 시퀀싱(suquencing)으로 활성화된다.
히트맵 결합 블럭(414,420) 은 완전한 히트맵 출력을 생성하기 위해서 독립적으로 Nmulti 스캔들의 각 블럭상에서 동작한다. 예를 들어, 12 개의 패널 로우들 및 Nmulti 가 네개로 설정되고, 그런다음에 제 1 네개의 스텝 스캔들은 정전용량성 히트맵의 제 1 네개 로우들을 결합하고 활성화하는데 사용되고, 다음 네개의 스텝 스캔들은 5 내지 8 패널 로우들을 위해서 그리고 마지막 네개의 스텝 스캔들은 9 내지 12 로우들을 위해서 사용된다. 따라서, Nmulti 로우들의 각 블럭에 대하여 히트맵 결합 블럭은 상기에서 정의된 정확하게 동일한 방식에서 동작한다. 그러나, HAB (414,420) 의 출력들은 완전한 정전용량성 히트맵에서 후속 로우들에 매핑(map)된다.
히트맵 결합 블럭(414,420) 은 32-컬럼-와이드(wide) 히트맵을 결합하는 것이 가능하여 일 실시예에서 구현된 전체 32 수신기 채널들이 있다. 그러나, 많은 경우들에서 사용되는 정전용량성 터치 패널은 32 컬럼들을 갖지 않을 것이고 따라서 32 수신 채널들 전부가 사용되지 않는다.
비대칭 패널 스캐닝을 위한 수학적 확장(Mathematical extensions for asymmetric panel scanning)
상기에서 설명된바와 같이, 제어기(104)는 바람직하게는, 비대칭(asymmetric) 패널 스캔들을 수행하는 능력이 있어서 제어기(104)의 동작을 지원하는 펌웨어는 각 로우가 스캔 되어질 시간들의 수를 정의하는 능력을 갖는다. 상기에서 약술된 비대칭 패널 스캐닝을 위한 공식화가 주어지면, 이 특징을 지원하기 위해서 히트맵 결합 동작을 위한 변화들은 최소가 된다.
상기에서 설명된 처럼, 히트맵은 Nmulti 로우들의 블럭들에서 결합된다. 비대칭 스캐닝에서, Nmulti 는 블럭단위(block-by-block) 기준으로 변할 수 있다. 따라서, 예전 방정식은
Figure 112013002342289-pat00010
여전히 유효하다. 그러나, 비대칭 스캐닝으로, C, V, 및 H의 차원들 및 NumSteps 의 값은 블럭단위 기초로 변한다.
도 4 에서 도시된 I/Q 결합기(422) 는 I- 및 Q- 채널 히트맵들을 단일 히트맵으로 결합하는데 사용된다. I/Q 결합기(422) 의 일차(primary) 출력은 크기(예, Sqrt[I2+Q2])의 히트맵이다. 이것은 터치 백 엔드(touch back end)(134) 에 핸드 오프(hand off)되는 히트맵이다.
도 4 에서 도시된 로우/컬럼 정규화기(424)는 패널 응답(panel reponse)에서 임의의 로우-의존 또는 컬럼-의존 변화를 교정(calibrate out)하는데 사용된다. 로우/컬럼 정규화기(424)는 RowFac 및 ColFac로 구별된 두개의 정적 제어 입력 벡터들을 갖는다. RowFac는 Nrow-by-1 벡터이고 여기서 각 엔트리는 1.4 언사인된 수 (unsigned number)(예, LSB = 1/16. 범위는 0 내지 31/16이다) 이다. ColFac는 Ncol-by-1 벡터이고 여기서 각 엔트리는 RowFac와 같은 차원들을 갖는다.
만약 로우/컬럼 정규화기 블럭으로의 입력 데이터가 Heatmapln(m,n)로 라벨되면, 여기서 m은 로우 지수 이고, n은 컬럼 지수(column index), 블럭의 출력은:
Figure 112013002342289-pat00011
이어야 한다.
일 실시예에서, 제어기(104) 는 RowFac 및 ColFac가 OTP 비트들에 의해 또는 펌웨어 구성 파일에 의해 정의 되도록 하는 능력을 갖는다. 만약 제조 플로우(manufacturing flow)가 모듈 당 교정(per-module calibration)을 고려하면 OTP 설정들이 사용될 것이고, 따라서 패널단위(panel-by-panel) 기준으로 제어기(104) 동조시키는 능력이 가능하다. 만약 RowFac 및 ColFac가 단지 플랫폼 당 기준(per-platform basis)으로 동조된다면, 그러면 펌웨어 구성 파일로부터의 설정이 대신 사용될 것이다.
스펙트럼 추정(Spectrum Estimation)
스펙트럼 추정 프리프로세서(432)는 제어기(104)가 비교적 조용하거나 또는 간섭이 없는 송신 주파수들을 적절하게 선택하도록 수신 채널들(406) 에 결합하는 간섭의 백그라운드 레벨들을 결정하도록 동작한다.
스펙트럼 추정 프리프로세서(432) 는 일반적으로 단지 SEM 모드동안에만 사용될 것이고 따라서 그것은 표준 패널 스캔 방법론의 부분은 아니다. 대신, 스펙트럼 추정 프리프로세서(spectrum estimation preprocessor)(432)는 SEM이 실행되어야만 하는 조건들이 표시될 때 사용될 것이다. 다른때에는 스펙트럼 추정 프리프로세서(432)는 다운(down)하여 전력이 공급될 수 있다.
베이스라인 트랙킹 및 제거 필터(Baseline tracking and removal filter)
터치 이벤트는 정전 용량 픽셀( 또는 픽셀들의 그룹)의 측정된 정전 용량이 충분히 짧은 시간 기간 동안에 충분히 큰 값으로 변화할 때 보고되어야 한다. 그러나, 온도, 습도에서의 느린 환경적 천이(shift) , 이동(drift)의 원인때문에, 픽셀(또는 픽셀들의 그룹)의 절대 정전 용량은 실질적으로 훨씬 더 느린 레이트에서 변할 수 있다. 환경적 이동에 기인한 변화들로부터의 터치 이벤트에서의 픽셀 정전 용량의 변화들을 식별하기 위해서, 베이스라인 트랙킹 필터(baseline tracking filter)가 베이스라인에 변화들을 추적하도록 구현될 수 있고 그리고 입력 정전 용량으로부터 베이스라인 정전 용량의 간단한 차감(subtraction)은 터치 이벤트에 기인한 정전 용량에 변화를 산출할 것이다.
도 9 는 베이스라인 트랙킹 필터(900)을 도시한다.필터(900) 은 저역 통과 필터(LPF : low-pass filter)(902), 데시메이터(decimator)(904) , 결합기(906) 를 포함한다. 필터(900)의 입력 신호는 결합기(906) 및 데시메이터 (904)에 제공된다. 데시메이터의 출력 신호는 LPF (902)의 입력으로 제공된다. LPF (902)의 출력 신호는 결합기(906)에서의 입력신호와 결합된다. LPF(902)는 필터(900)의 동작을 제어하기 위한 인에이블(enable) 입력을 갖는다.
베이스라인 트랙킹 필터(900)에서의 LPF(902)는 베이스라인 정전 용량 값의 추정을 개선하는데 사용된다. 일 실시예는 간단한 길이 N의 FIR(finite impulse response) 이동 평균 필터(moving average filter)을 사용하여, 다음과 같은
Figure 112013002342289-pat00012
다른 실시예는 1-탭(tap) IIR(infinite impulse response), 또는 변형된 이동 평균으로서 언급되는, 응답으로:
Figure 112013002342289-pat00013
필터(902)의 FIR 실시예는 베이스라인 값의 스타트 업(startup) 및 재교정(recalibration)을 기반으로 사용될 수 있어서, 그것은 베이스라인 값을 빠르게 획득하고 그리고 추적할 수 있다. 필터(902)의 IIR 실시예는 일단 개시 베이스라인 값이 획득된 후에 사용되어야 하여서, 그것은 특별히 k가 2의 멱수(power)일 것으로 선택되면, 저역 통과 필터를 구현하는데 매우 계산적으로 효율적인 수단일 수 있다. k 값이 증가함에 따라서, 필터의 신호 대역폭을 계산량에서 최소 증가를 갖는 임의의 작은 값으로 변화를 설정할 수 있다.
필터(900)은 도 9에서 라벨 Out 및 Baseline 인 두개의 출력들을 갖는다. 베이스라인 출력은 스캔되는 특정 패털 픽셀(들)의 현재 베이스라인(aka 주변 또는 터치되지 않은) 정전용량의 추정이고 그리고 Out 출력은 해당 정전 용량 측정값의 베이스라인 교정된 값이다. Out 값은 후속 터치 감지 로직에 사용되어야 하는 것이다.
도 9 에서의 LPF(902)는 잠재적인(potential) 터치 이벤트(touch event)가 감지될 때 LPF(902) 를 셧 다운(shut down)하기 위해서 인에이블 신호를 라벨 Enable 입력을 갖는다. 이것은 베이스라인 출력이 위조 데이터(spurious data), 대부분 터치 이벤트에서와 같은,에 의해 훼손되지 않는다. 인에이블 신호가 로 상태(low)이면, LPF(902) 는 입력 데이터를 가지고 그것의 출력을 업데이팅하지 않고 효과적으로 입력 데이터를 무시하여 그것의 이전 출력을 유지할 것이다. 인에이블 신호가 하이상태(high)이면, LPF(902) 는 입력 데이터를 가지고 그것의 출력을 계속하여 업데이트 할 것이다. 인에이블 신호 생성을 위한 로직은 아래 방정식에서 상술된다:
Figure 112013002342289-pat00014
여기서, PosLPFThresh 및 NegLPFThresh 는 구성 파라미터들이다.
상호 정전용량 스캔 모드에서, 터치 이벤트가 입력데이터에서의 감소를 일으키는, NegLPFThresh kT*TouchThresh로 설정되어야 하고, 여기서 0<kT<1 이고 그리고 TouchThresh는 이하에서 정의되는 터치 감지 임계값(touch-detection threshold)이다.
프로그램가능한 업데이트 레이트(Programmable update rate)
대부분 베이스라인 이동 현상(drift phenomena)의 타임스케일(timescale)은 터치 패널 스캔의 프레임 레이트보다 훨씬 느릴 것이다. 예를 들어, 관측된 베이스라인 드리프트 디바이스(drift device)들은 1 시간 또는 이상 차수(order)의 타임스케일을 가지지만, 그러나 전류 디바이스(current device)의 프레임 레이트는 200 프레임들/초(second)의 차수에 있을 것이다. 따라서, 베이스라인 트랙킹의 계산을 줄이기 위해서, 제어기 회로(104)는 베이스라인 트랙킹 필터(900)의 업데이트 레이트 크기를 변경하는 능력을 가져야한다. 디바이스는 필터(900)에 공급되는 데이터를 데시미트(decimate)하는 데시메이터(904)를 이용하여 이것을 수행할 수 있고 그래서 필터(900)는 히트맵 데이터의 매 N_ BTF _ decimate 프레임들상에서만 동작하고, N_BTF_decimate는 프로그램 가능한 파라미터이다. 따라서, 도 9 에서의 Baseline 데이터는 이 더 느려진 레이트로 업데이트 될 것이다. 그러나, 베이스라인 교정된 출력 데이터(도 9 에서 Out) 는 매 프레임마다 계산되어야 한다.
베이스라인 트랙킹은 스펙트럼 추정 모드(SEM)이 실행될때 특별한 주의(care)를 훈련시킬 필요가 있다. SEM은 터치 프론트 엔드(touch front end)의 전송 기능(예, 정전 용량 값들로부터 코드들로)에서의 이득(gain)을 차례로 변경하는 아날로그 프론트 엔드에서의 구성 변화를 일으킬 수 있다. 이것은 차례로 터치 또는 반-터치(anti-touch) 이벤트들로 우연히 해설될 수 있는 것을 일으키는 정전용량성 히트맵에서의 갑작스런 변화들을 일으킬 수 있다.
터치 이벤트는 베이스라인 교정 출력이 상당한 음의 천이(negative shift)를 보일때 감지된다. 출력에서의 이 천이는 TouchThresh라 불리우는 프로그래가능한 파라미터보다 더 클 수 있다. 추가로, 제어기 회로(104)는 200Hz에서 패널을 스캔하고 그리고 인간의 손가락 또는 금속 스타일러스는 훨씬 느린 타임스케일에서 움직이기 때문에, 디바운스(debounce)의 프로그램 가능한 양, 더빙되는TouchDebounce,이 또한 포함되어야 한다. 따라서, 터치가 인식되기 전에, 베이스라인 필터의 출력은 최소 TouchDebounce 프레임들에 대한 TouchThresh보다 더 음의 값일 수 있다. TouchDebounce는 전체 터치 응답 시간이 10ms보다 더 빠르게 하기 위해서 작은 값으로 할 것이다.
히트맵 노이즈 추정(Heatmap Noise Estimation)
터치 백 엔드(touch back end)(134)는 감지 프로세스동안에 적절하게 임계값 터치 발브(blob)들을 위해서 정전용량성 터치 패널(102)에 노이즈 레벨의 추정값을 필요로 한다. 노이즈 레벨은 도 10에 도시된 바와 같이 베이스라인 트랙킹 필터의 출력에서 노이즈를 관측함으로써 감지될 수 있다. 도 10 은 도 9의 베이스라인 트랙킹 필터(900)와 결합한 제 1 편차 추정기(variance estimator)(1000) 를 도시한다. 도 10에서, 베이스라인 트랙킹 필터(900)은 편차 추정기(variance estimator)(1000) 의 입력에 결합된 그것의 Out 출력을 갖는다. 편차 추정기(1000)는 데시메이터(1002), 신호 스퀘어기(squarer)(1004) 및 저역 통과 필터(1006) 를 포함한다. 이 실시예에서, 편차 추정기(variance estimator)(1000)는 단순히 평균 제곱 추정기(mean-square estimator)이어서 베이스라인 트랙킹 필터(900) 의 출력인 제로-평균이다. 따라서, 평균 제곱은 편차와 같다.
편차 추정기(variance estimator)(900)에 대한 계산상의 조건을 낮추기 위해서, 편차 추정기로 진입하는 데이터는 데시메이터(1002)에서 N_ VAR _ decimate 인자에 의해서 데시메이트 될 수 있다. 편차 추정기(1000)에서 저역 통과 필터(1006)는 콤필터(comb-filter) 또는 변형된 이동 평균 필터(moving-average filter)일 수 있다. 필터(1006)의 응답 길이는 프로그램 가능한 파라미터, 100 또는 그 이상의 프레임들에 대한 평균 데이터, 일 수 있다. 낮은 메모리 조건들을 위해서 MMA 필터가 선호될 수 있다.
베이스라인 트랙킹 필터(900) 와 함께, 편차 추정기(1000) 에서 LPF(1006)는 인에이블 신호를 위한 입력을 갖는다. 인에이블 신호는 해당 픽셀이 터치되었을 때 로 상태(low)이다. 그렇지 않으면, 편차 추정은 터치 신호에 의해 훼손될 것이다. 인에이블 신호가 로 상태(low)이면, LPF(1006) 는 편차 추정기(1000) 로 들어오는 데이터를 효과적으로 무시하여 상태(state)를 유지하여야 한다.
편차 추정기(1000) 의 출력은 정전용량성 터치 패널(102)의 하나의 단일 픽셀의 편차이다. 따라서, 이것은 패널에서 각 픽셀의 독립적인 편차 추정을 제공한다. 패널(102) 을 가로질러서 편차의 추정값을 얻기 위해서, 제어기 회로(104)는 전체 프레임을 가로질러서 픽셀당 편차의 평균을 구할 수 있다.
대안적으로, 단지 단일 프레임당 편차 추정이 요구된다면, 제어기 회로(104)는 도 10에 도시된 접근법을 따를 수 있다. 도 11 은 도 9의 베이스라인 트랙킹 필터(1000)와 결합한 제 2 편차 추정기(variance estimator)(1100) 를 도시한다. 도 11 에서, 모든 픽셀당 베이스라인 트랙킹 필터는 도면에서의 왼쪽상의 베이스라인 트랙킹 필터들(900)로 그룹화 된다. 베이스라인 트랙킹 필터들(900)로부터의 베이스라인 교정된 모든 출력들은 편차 추정기(1100)로 전달된다.
도 10에서의 편차 추정기(1000) 과 같이, 편차 추정기(1600)는 데시메이터(1602), 신호 스퀘어기(squarer)(1608), 합파기(summer)(1604) 및 저역 통과 필터(1606) 를 포함한다. 편차 추정기(1600)는 베이스라인 트랙킹 필터(900)의 출력들을 합파기(1604)에 전체 프레임에 걸쳐서 베이스라인 교정된 출력들을 더함으로써 단일 값으로 결합한다. 그런다음,이 평균된 값은 신호 스퀘어기(1608)에 의해 형성되는, 상기에서 설명된 동일한 스퀘어 및 필터(square-and-filter) 추정기 및 저역 통과 필터(1606)로 전달된다. 노이즈가 픽셀에서 픽셀로는 교정되지 않는 것을 가정하여 편차 추정기(1600) 의 출력은 도 4 에서의 블럭도에 의해 보고된 모든 픽셀 편차들의 합과 같다. 패널에 걸쳐서 평균 픽셀 편차를 생성하기 위해서, 이 결과는 정전용량성 터치 패널(102) 의 전체 픽셀들의 수로 나누어질 수 있다. 노이즈의 표준 편차(standard-deviation)의 추정을 생성하기 위해서 , 제어기 회로(104)는 편차(variance)의 제곱값을 갖는다.
빠른 터치 감지(Fast Touch Detection)
상호 정전용량성 터치 시스템들에서, 도 1의 휴대용 디바이스(100)에 의해 사용되는 것과 같은, 터치에 응답이 빠른 시스템이 필요로 된다. 빠른 응답은 또한 짧은 레이턴시(latency)로서 또한 필요로 될 수 있다. Fast response is required in order to improve user experience and convenience. 빠른 응답 터치 패널디바이스는 사용 불만 및 혼란의 원인을 제거하고 그리고 상이한 애플리케이션들을 가지고 동작하는 휴대용 디바이스(100)로 개방될 수 있다. 예를 들어, 유저로부터 빠른 상호작용을 요구하는 게임 애플리케이션은 휴대용 디바이스가 낮은 레이턴시를 가지고 게임에 적절하게 부합하도록 충분히 빠르게 유저 터치에 응답하는 경우에만 가능하게 될 것이다. 차세대 정전용량성 터치 패널들은 감소된 터치 응답 시간(response time)을 가져야만 한다.
동시에, 낮은 시스템 전력 소모가 필요로 된다. 휴대용 디바이스(100)는 배터리(114) 에 의해 전력이 공급된다. 유저의 편의를 위해서 긴 배터리 수명, 또는 배터리 재충전 사이의 더 길어진 시간은 충분히 바람직할 것이다. 배터리 수명을 연장하기 위해서, 휴대용 디바이스를 구성하는 회로들에서 전류 소모(current drain)는 최소화되어야 한다. 전류 소모를 감소시키는 한가지 방법은 현재 사용중이지 않는 회로들 및 컴포넌트들로 전력공급을 감소하거나 또는 디스에이블(disable) 하는 것이다. 이런 회로들 및 컴포넌트들은 사용이 요구되어질 때 전력공급되거나 또는 인에이블될 수 있다. 터치 패널은 유저에 의해서 단지 단속적으로 가동되는 것이다. 따라서, 정전용량성 터치 패널 및 제어기 회로와 같은 그것의 관련된 컴포넌트들은 전력 차단하거나 또는 활성 시간들을 감소시킴으로써 감소된 전력 소모에 대한 좋은 후보군들이다.
시스템 전력을 감소시키기 위한 알려지고 그리고 공통으로 사용되는 한가지 방법은 제어기 회로가 패널을 스캔하고 정전용량성 히트맵을 발전시키는 프레임 레이트를 감소시키는 것이다. 이것은 활동이 없을 때를 센싱하여 스캔 레이트(scan rate)를 줄임으로써 실행될 수 있다. 새로운 활동(activity)이 터치 패널의 표면상에 감지될 때, 제어기 회로는 새로운 활동을 완벽하게 센싱하기 위해서 프레임 레이트를 증가시킴으로써 응답한다. 활동이 중단된 후에, 프레임 레이트는 다시 감소될 수 있다.
그러나, 프레임 레이트를 바로 감소시키는 것은 제어기 회로가 터치 이벤트에 응답할 수 있는 속도에 영향을 준다. 만약 제어기 회로가 그것이 터치에 응답할 수 있는 레이트를 느리게 하면, 터치 이벤트가 정확하게 감지되기 까지 추가적인 지연이 있을 수 있고, 프레임 레이트가 정규화(normalize)되고 그리고 정상상태 프로세싱은 다시 재개될 수 있다. 따라서, 빠른 터치 응답을 제공하면서 시스템 전력을 감소시키기 위한 통상적인 방법들은 모순된다. 요구되는 것은 무활동(no-activity) 전력 소모 및 터치 응답 시간을 분리시킴으로써 문제를 해결하는 해결책이다.
따라서, 제어기 회로(104) (도 1) 는 터치 감지(TD : touch detection) 동작 모드를 제공한다. TD 모드는 정전용량성 터치 패널상의 터치 위치 또는 위치들을 발견하지 못하지만, 정전용량성 터치 패널상에 작용하는 터치의 존재(presence) 또는 부존재(absence)를 감지할 수 있는 감소된 성능(reduced-performance) 모드이다. 활동이 없으면, 터치 제어기 회로(104) 는 전력을 절약하기 위해서 TD 모드로 전환한다. TD 모드에 있는 동안에 터치 제어기 회로(104)는 풀 패널 스캔을 수행하는 대신에 터치 감지 스캔을 주기적으로 수행할 것이다. TD 모드에서의 스캔들은 매우 빠르게 수행될 수 있어서 듀티 사이클(duty cycling)은 여전히 고정된 프레임 레이트들을 유지하면서 전력을 감소시킬 수 있다. 터치 제어기 회로(104) 는 터치가 존재하는지를 자동적으로 감지하고 만약 충분한 시간 길이 동안의 터치들이 없으면, 자동적으로 TD 모드로 자동적으로 전환한다. TD 모드에 있을때, 일단 터치가 감지되면 시스템은 정상상태 동작 모드로 자동적으로 전환한다.
TD 모드를 갖는 제어기 회로(104)를 구현하는 것은 전력 소모와 터치 응답 시간상에서 균형을 이루기 위한 더 많은 유연성 및 세분화(granularity)를 제공한다. 터치 제어기 회로(104)가 TD 모드로 전환하면, 터치 감지 스캔 레이트는 정상상태 스캔 레이트와 독립적으로 구성될 수 있다. 따라서, 전력 소모와 응답 시간사이에서 정교한 제어가 달성될 수 있다.
도 12 는 도 1 의 휴대용 디바이스(100) 의 터치 감지 동작 모드를 위한 타이밍도(timing diagram)(1200)를 도시한다.타이밍도(1200)는 도 4와 결합하여 상기에서 설명된 터치 아날로그 프론트 엔드(TFE : touch analog front end)(400) 및 터치 백 엔드(touch back end)(TBE)(134)에 의해 동작한다. 타이밍도(1200)는 왼쪽으로부터 오른쪽으로 판독된다.
타이밍도(1200) 의 시작에서, 제어기 회로(104)는 터치 감지 모드에 있다. 터치 제어기 회로(104)는 도 14와 결합하여 이하에서 더 상세하게 논의될 것과 같이 주기적으로 또는 단속적으로 터치 감지 스캔을 수행한다. 터치 감지 스캔은 제 1 스캔 시간(1202)에 의해 수행된다. 도 12에서, 터치 감지 스캔의 지속기간은 300마이크로세컨드(microsecond)로 도시된다.그러나, 시간 지속기간(time duration)은 단지 예시적인것이다. 더 긴 시간 또는 더 짧은 시간이 터치 감지 스캔을 위해 필요로 될 수 있다.
TFE에 의한 터치 감지 스캔에 이어서, 제 2 시간 기간(1204) 동안에 TBE는 스캔 출력을 프로세스한다. 프로세싱(processing)은 일반적으로 만약 터치가 발생한지를 결정하기 위한 데이터 프로세싱을 수반한다. 예를 들어, TFE는 터치 패널에 대하여 정전용량성 히트맵을 생성한다. 만약 정전 용량이 현저하게 변화하는지를 결정하기 위해서 베이스라인 정전 용량 값은 정전 용량성 히트맵(capacitive heatmap)으로부터 차감된다. 만일 그렇다면, 터치 이벤트가 감지된다. 도 12에서, 제 1 시간 기간 (1202) 및 제 2 시간 기간 (1204)은 3 밀리세컨드(millisecond)의 지속기간을 가지는 것으로 도시된다. 그러나, 시간은 단지 예시적인것이다.
타이밍도(1200)에서, 제 2 시간 기간(1204)동안에 어떤 터치 이벤트도 감지되지 않아서 후속 제 3 시간 기간(1206)동안에, 제어기 회로는 저전력 아이들 모드(low power idle mode)로 진입한다. 이 모드에서, 임의의 비활성(inactive circuit)들은 디바이스에 전력을 공급하는 배터리에 전력을 보존하기 위해서 전력차단될 수 있다. 타이머가 저전력 아이들 모드의 지속기간 시간을 재기위해 동작할 수 있다. 도 12에서, 저전력 아이들 모드는 7밀리세컨드의 지속기간을 가지는 것으로 도시된다. 이 시간은 단지 예시적인것이다.
제 3 시간 기간(1206)의 만료시에, 제어기 회로는 시간 기간(1208)동안에 터치 감지 스캔을 다시 수행한다. 스캔에 이어서, 시간 기간(1210)동안에, TBE는 스캔된 데이터를 프로세스하고, 그런다음 시간 기간(1212) 동안에 제어기 회로는 다시 저전력 모드로 진입한다. 도 12 에서, TD 스캔, 프로세싱 및 아이들 모드의 반복은 주기적인 것으로 도시된다. 그러나,이것은 필수적인 것은 아니고 그리고 임의의 통상적인 타이밍 배열이 빠른 응답 시간 및 저전력의 두개의 목적들을 충족시키는데 사용될 수 있다.
시간 기간(1214)에서, 제어기 회로는 다른 터치 감지 스캔을 수행한다. 이어서, 시간 기간(1216)에서, 제어기 회로는 히트맵 데이터의 백 엔드 프로세싱을 수행한다. 그러나, 시간(1218)에서, 터치 스캔 및 프로세싱동안에 측정된 정전 용량에서의 변화에 기반하여 터치가 감지된다.
터치 감지 스캔은 잠재적인 터치가 발생한 것을 단지 표시한다. 터치 감지 스캔은 정전용량성 터치 패널상에서 터치의 위치를 결정하지 않는다. 픽셀 정보가 이용가능하지 않고 그리고 터치의 유효성의 표시도 이용가능하지 않다. 잠재적인 터치는 실제 터치(actual touch)일 수 있고 그것은 패널이 전도 소자에 대하여 스칠때와 같은 가짜의 터치일 수 있고 또는 유저의 몇몇의 손가락들에 의하는 것과 같이 그것은 다수의 터치 일 수 있다. 터치 감지 스캔은 패널상의 정전 용량이 상당히 변화한 것을 단지 표시하고 그리고 추가적으로 조사되어야만 한다.
따라서, 터치 이벤트가 시간(1218) 에서 감지되었기 때문에, 시간(1220)에서, 풀 스캔(full scan)이 터치 프론트 엔드(touch front end)에 의해 수행된다. 풀 스캔동안에, 터치 패널의 모든 로우(row)들 및 컬럼들은 활성화(stimulated)되고 그리고 패널이 정확하게 터치된 것을 확인하고 터치 또는 터치들의 위치를 식별하기 위해서 센싱된다. 터치 감지 스캔에 이어서, 시간 (1224)동안에 제어기 회로 백 엔드는 정전용량성 터치 패널의 상태를 완벽하게 분석하기 위해서 히트 맵 데이터를 프로세스 한다.
도 13은 도 1의 휴대용 디바이스의 터치 감지 동작 모드를 예시하는 흐름도이다. 방법은 블럭(1300)에서 시작된다. 블럭(1302)에서는, 터치 패널이 파티션(partition)된다. 패널 크기, 특히, 로우(row)들의 총 수에 기초하여, 패널은 스캐닝을 위해 파티션된다. 스캐닝은 도 14와 함께 이하에서 설명된다. 바람직하게는, 터치 패널은 대략 동일한 수의 로우들의 2개의 파티션들로 분할된다. 로우들은 송신기들의 수에 의해 결정된다. 도 4의 예시적인 실시예와 관련하여 상기 언급된 바와 같이, AFE(132)는 48개의 물리적 송신 채널들 및 32개의 물리적 수신 채널들을 포함한다. 송신 채널들은 터치 패널(102)의 로우들을 따라 배치되고, 수신 채널들은 패널(102)의 컬럼(column)들을 따라 배치된다. 각각의 로우 및 컬럼의 교차점은 패널(102)의 픽셀(pixel)을 정의한다. 다른 구성들은 상이한 수들의 로우들 및 컬럼들을 가질 수 있거나 송신기들을 컬럼들과, 수신기들을 로우들과 연관시킬 수 있지만, 여기에 설명된 원리들은 용이하게 확장될 수 있다. 블럭(1302)의 파티셔닝(partitioning)은 한번 행해질 수 있거나, 제어기 회로(104) 동작을 지원하는 펌웨어에 의해 정의될 수 있다.
블럭(1304)에서는, 풀 터치 감지 스캔(full touch detection scan)이 수행된다. 터치 감지 스캐닝(touch detection scanning)은 도 14와 함께 이하에서 더욱 상세하게 설명된다. 터치 감지 베이스라인(touch detection baseline)을 얻기 위하여, 풀 스캔(full scan)은 터치 감지 스캔 모드에 진입하기 전에 수행된다. 베이스라인 또는 베이스라인 정전용량은 터치 패널을 위한 명목상의 또는 터치되지 않은 정전용량의 측정치이다. 그것은 터치 이벤트(touch event)가 발생하였는지를 결정하기 위하여, 터치 백 엔드에 의해 이용된다. 터치 감지 스캔에 의해 생성된 정전용량 히트맵은 예를 들어, 히트맵 값들로부터 베이스라인 정전용량 값들을 픽셀마다 추출함으로써 베이스라인과 비교된다. 베이스라인 값은 추후의 이용을 위해 저장된다.
블럭(1306)에서, 제어기 회로(104)는 아이들 스캔 모드에 진입한다. 이 모드에서는, 제어기 회로(104)의 비-필수적인(non-essential) 회로들, 컴포넌트들 및 프로세스들이 전력 차단된다. 타이머와 같은 동작을 위해 요구되는 컴포넌트들 및 프로세스들은 전원이 유지된다. 제어기 회로(104)의 성능을 향상시킬 수 있는 다른 회로들 또는 프로세스들도 마찬가지로 전원이 유지될 수 있어서, 저전력 동작 및 고성능 사이의 트레이트오프(tradeoff)가 행해질 수 있다.
블럭(1308)에서는, 터치 감지 스캔이 수행되어야 하는지에 대해 결정된다. 스캐닝은 도 14와 함께 이하에서 설명된다. 블럭(1308)의 결정은 예를 들어, 미리 결정된 시간을 카운트다운(count down)하기 위하여 타이머를 설정함으로써, 임의의 적당한 방식으로 행해질 수 있다. 그 시간은 설정된 지속기간일 수 있거나, 설계 또는 성능 요건들에 따라 변동될 수 있다. 터치 감지 스텝 스캔이 임박하지 않은 경우, 제어는 블럭(1306)으로 복귀하고 제어기 회로(104)는 아이들 모드로 유지된다.
블럭(1310)에서는, 터치 감지 스캔이 수행되어야 한다고 결정되었을 경우, 터치 패널의 모든 섹션들의 스텝 스캔이 수행된다. 섹션들은 상기 설명된 블럭(1302)에서와 같이 정의된다. 스캔 동작의 결과는 터치 패널의 정전용량성 히트맵을 정의하는 데이터이다.
블럭(1312)에서는, 베이스라인 값이 블럭(1310)에서 결정된 히트맵으로부터 차감된다. 터치 이벤트가 발생하지 않은 경우, 블럭(1314)의 차감의 결과는 대략 제로(zero)가 될 것이다. 터치가 존재하지 않거나 다른 변동에 의해, 패널의 정전용량은 대략 베이스라인 값일 것이다. 따라서, 그 경우, 블럭(1314)에서, 제어기 회로(104)는 잠재적인 터치가 감지되지 않았다고 결정하였고, 제어는 블럭(1306)으로 복귀하고 터치 감지 아이들 모드가 재개된다.
다른 한편으로, 잠재적인 터치가 감지되었다고 결정되는 경우, 블럭(1316)에서는, 터치 패널의 풀 스캔이 행해진다. 이것은 임의의 파티션의 임의의 스텝 스캔 동안에 잠재적인 터치가 감지되었을 경우에 발생할 수 있다. 혹은, 이것은 터치 감지 루틴의 모든 스텝 스캔들을 수행한 후에 잠재적인 터치가 감지될 경우에 발생할 수 있다. 더욱 신속한 응답이 일반적으로 바람직하므로, 바람직하게는, 잠재적인 터치가 감지되자마자 터치 스캐닝이 중단되고, 풀 스캔이 시작된다. 풀 스캔은 터치 패널의 모든 로우들을 활성화하는 것과, 모든 컬럼들에서 응답을 감지하는 것을 포함한다. 이것은 터치 패널의 풀 히트맵(full heatmap)을 생성한다.
블럭(1318)에서는, 풀 스캔에 의해 생성된 히트맵이 프로세싱된다. 그 결과는 터치 패널의 임의의 픽셀에서의 임의의 터치 이벤트의 발생의 결정이다. 이러한 방식으로, 잠재적인 터치는 실제적인 터치 이벤트로서 확인될 수 있다. 또한, 패널 상의 터치 이벤트의 위치 또는 위치들은 정밀하게 결정될 수 있다. 프로세스는 블럭(1320)에서 종료되고, 잠재적인 터치 이벤트는 더욱 프로세싱될 수 있다.
도 14는 도 1의 휴대용 디바이스의 샘플 스캔 맵(1402)의 터치 감지 스캐닝을 도시한다. 도 14 (a) 및 도 14 (b)는 제 1 예시적인 터치 패널에 대한 스텝 스캔들을 예시한다. 도 14 (a) 및 도 14 (b)에서는, 스캔 맵이 짝수의 로우들을 가진다. 특히, 이 예에서, 스캔 맵은 8개의 로우들 및 5개의 컬럼들을 가진다.
터치의 위치가 결정될 수 없더라도, 임의의 터치가 감지되도록 하기 위하여, 스캔 맵은 스캐닝을 위해 파티션된다. 도 14 (a)는 스캔 맵(1402)의 제 1 스텝 스캔을 위한 파티셔닝(partitioning)을 도시한다. 제 1 파티션(1404)은 상부의 4개의 로우들을 포함한다. 제 2 파티션(1406)은 하부의 4개의 로우들을 포함한다. 따라서, 제 1 부분(1404) 및 제 2 부분(1406)은 중첩이 전혀 없거나 최소의 중첩을 갖는 스캔 맵(1402)의 모든 로우들을 함께 포함한다는 점에서 상보적인 관계(complementary)이다. 로우 및 컬럼의 교차점에서, 각각의 픽셀은 C0의 베이스라인 정전용량을 가진다. 제 1 스텝 스캔 동안, 제 1 파티션(1404)의 로우들은 도 14 (a)의 플러스 기호(plus sign)들에 의해 표시되는 제 1 신호로 활성화되고, 제 2 파티션(1406)의 로우들은 도 14 (a)의 마이너스 기호(minus sign)들에 의해 표시되는 제 2 신호로 활성화된다. 활성화 신호는 사인파(sine wave) 또는 구형파(square wave)일 수 있다. 플러스 기호 및 마이너스 기호의 신호들은 동기화되지만, 반대의 위상이거나 180도 위상 천이(phase shift) 된다. 터치가 발생하는 곳에서 측정된 정전용량은 CT이다. 제 1 신호 및 제 2 신호는 상보적 관계이므로, 터치 정전용량이 전혀 존재하지 않는 경우, 각각의 컬럼에 대한 결과적인 스캐닝된 신호는 값이 제로(zero)가 되거나 제로에 근접할 것이다. 이것은 도 14 (a)의 하단에 표시되고, 여기서, 각각의 컬럼에 대한 노-터치 또는 베이스라인 값들(1408)은 각각의 컬럼에 대한 제로 값들로서 감지된다. + 신호로 인한 신호 값들은 - 신호에 대한 신호 값들을 효과적으로 상쇄시킨다.
제 1 파티션(1404) 또는 제 2 파티션(1406) 중의 어느 하나의 로우들 중의 하나에서 터치가 발생하는 경우, 정전용량은 베이스라인 값으로부터 변동될 것이고 연관된 컬럼에 대해 감지될 것이다. 감지된 값은 베이스라인 값에 추가되거나 베이스라인 값으로부터 차감될 것이고, 이 변동이 감지될 것이다. 베이스라인 값 대신에, +CT 또는 -CT의 값이 감지될 것이고, CT는 터치로 인한 정전용량 변동이다.
그러나, 제 1 파티션(1404) 및 제 2 파티션(1406) 둘 모두에서 터치가 발생하는 경우, 정전용량 변동은 감지되지 않을 수 있다. 도 14 (a)에서, 터치는 라벨 CT 인 위치에서 제 1 파티션(1404) 및 제 2 파티션(1406) 사이의 라인 상에서 발생한다. 터치 패널이 제 1 파티션(1404)에 대한 + 신호와, 제 2 파티션(1406)에 대한 - 신호로 활성화될 때, 각각의 파티션들의 정전용량에 있어서의 변화들은 상쇄될 것이므로, 각각의 컬럼에 대해 도시된 터치 값들(1410)은 모든 컬럼들에 대해 제로로 합산된다. 베이스라인 값들(1408)로부터의 변동이 전혀 없으므로, 도 14 (a)의 위치에서의 터치는 감지되지 않을 것이다.
이것을 수용하기 위하여, 제 2 스텝 스캔은 도 14의 (b)에서 도시된 바와 같이 파티션된 스캔 맵(1402)으로 수행된다. 베이스라인 값들(1412)은 도 14 (b)의 하단에 도시되어 있고 모든 컬럼들에 대해 모두 제로이다. 도 14 (b)에서, 제 1 파티션(1414)은 상단의 2개의 로우들 및 하단의 2개의 로우들을 포함한다. 제 2 파티션(1406)은 중간의 4개의 로우들을 포함한다. 제 2 스텝 스캔 동안, 제 1 파티션(1414)의 로우들은 도 14의 (b)에서 라벨 + 인 제 1 신호로 활성화되고, 제 2 파티션(1416)의 로우들은 도 14의 (b)에서 라벨 - 인 제 2 신호로 활성화된다. 이 스캔 동안, 라벨 CT 인 위치에서의 터치는 제 2 파티션(1416)의 로우들에서만 존재한다. 제 1 파티션(1414)의 어떤 로우들도 터치되지 않는다. 그 결과, 터치 값들(1418)은 터치 이벤트가 발생한 컬럼을 제외하고는 제로 값들이다. 그 컬럼에 대해서는, 감지된 값이 -CT이다.
도 14 (c) 및 도 14 (d)는 제 2 예시적인 터치 패널에 대한 스텝 스캔들을 예시한다. 도 14 (c) 및 도 14 (d)에서, 스캔 맵(1422)은 홀수의 로우들을 가진다. 특히, 이 예에서는, 스캔 맵(1422)이 7개의 로우들 및 5개의 컬럼들을 가진다. 스캔 맵(1422)은 제 1 파티션(1424) 및 제 2 파티션(1426)으로 파티션된다. 제 1 파티션(1424)은 상부의 4개의 로우들을 포함한다. 제 2 파티션(1426)은 하부의 3개의 로우들을 포함한다. 따라서, 제 1 파티션(1424) 및 제 2 파티션(1426)은 중첩을 전혀 없거나 최소의 중첩을 갖는 스캔 맵(1422)의 모든 로우들을 함께 포함한다는 점에서 상보적 관계이다. 이 예에서는, 오직 하나의 로우가 중첩하거나, 제 1 파티션(1424) 및 제 2 파티션(1426)의 둘 모두에 공통적이다. 제 1 스텝 스캔 동안에는, 공통의 로우에 + 신호가 공급되고, 제 2 스텝 스캔 동안에는, 공통의 로우에 - 신호가 공급된다. 스캔 맵(1422)의 파티션들(1424, 1426)들의 이러한 중첩은 스캔 맵 상의 어딘가에서의 터치, 심지어 도 14 (c) 및 도 14 (d)에서의 라벨 CT 인 위치에서와 같은 터치가 감지되는 것을 보장한다.
스캔 맵(1422)에 대한 베이스라인 값들(1428)은 도 14 (c) 및 도 14 (d)의 하단에서 도시된다. 도 14 (c)에 대하여, 베이스라인 값들은 모든 컬럼들에 대해 C0의 값을 가진다. 제 1 파티션(1424)의 4개의 로우들은 + 신호로 활성화되고, 제 2 파티션(1426)의 3개의 로우들은 - 신호에 의해 활성화되어, 도시된 바와 같이 + C0 값으로 합산된다. 도 14 (c)에서 라벨 CT 인 위치에서 터치가 발생할 때, 터치 값들(1430)은 변화되지 않으므로, 터치는 베이스라인 값에 대해 감지되지 않을 수 있다.
도 14 (d)는 제 2 스텝 스캔을 위한 파티셔닝을 도시한다. 도 14 (d)에서, 제 1 파티션(1424)은 상단의 3개의 로우들을 포함하고 제 2 파티션(1426)은 하단의 4개의 로우들을 포함한다. 제 2 스텝 스캔 동안, 제 1 파티션(1424)은 + 신호로 활성화되고 제 2 파티션은 - 신호로 활성화된다. 베이스라인 값들(1432)은 도 14 (d)의 하단에 도시되고, 각각은 -C0의 값을 가진다. 이 제 2 스텝 스캔 도중에, 도 14 (d)의 라벨 CT 인 위치에서의 터치는 터치 값들(1434)에 의해 도시된 바와 같이 -C0 -CT의 센싱된 값을 생성한다.
따라서, 터치 패널에 대한 스캔 맵을 파티셔닝하고 스캔 맵의 파티션들을 선택적으로 활성화함으로써, 터치 맵의 임의의 영역에서의 터치 이벤트가 감지될 수 있다. 터치 이벤트가 감지될 때, 터치 패널 상에서 터치의 위치를 결정하기 위하여 풀 스캔이 개시될 수 있다.
도 14의 예시적인 스캔 맵들(1402, 1422)은 다른 패널 크기들에도 마찬가지로 용이하게 확장될 수 있다. 예를 들어, 도 14 (a)에서와 같이, 짝수의 로우들을 갖는 패널은 2개의 동일한 크기의 파티션들로 파티션될 수 있고, 패널은 AFE 내의 수신기 회로들 또는 송신기 회로들과 동일한 수의 로우들을 갖는 크기에 이르게 된다. 각각의 로우는 동시에 활성화되어야 하고 각각의 컬럼은 동시에 센싱되어야 한다. 일 실시예에서, 이 특정한 AFE는 16개에 이르는 동시에 활성화된 송신기들을 지원할 수 있으므로, 최대 파티션 크기는 각각의 스텝 스캔에 대해 16개의 로우들이다. 다른 실시예들은 유사한 개념들을 채용하면서 상이하게 크기가 정해지거나 파티션될 수 있다.
16개를 초과하는 로우들을 갖는 패널들에 대하여, 그 패널은 2개의 섹션들로 파티션될 수 있다. N개의 로우들을 갖는 패널에 대하여, 파티셔닝은 다음의 관계에 따라 행해질 수 있다.
16 + 2k = N
다음으로, 제 1 파티션은 16개의 로우들을 가지고 제 2 파티션은 2k개의 로우들을 가진다. k는 2 이상이어야 하고 이것은 패널의 파티셔닝에 영향을 줄 수 있다. 제 1 파티션에 16개의 로우들이 할당되고 제 1 파티션이 k가 1이 되도록 하는 경우, 제 1 파티션은 크기가 14개 또는 그보다 적은 로우들로 감소되어야 하므로, k = 2 이상이다.
16개의 로우들보다 크지만 홀수의 로우들을 갖는 패널들에 대하여, 파티셔닝 프로세스가 마찬가지로 확장될 수 있다. 또한, 패널 스캔 맵은 다음의 관계를 이용하여 홀수의 로우 실시예에 대해 2개의 섹션들로 파티션되어야 한다:
16 + 2k -1 = N
이 예에서, 제 1 파티션은 16개의 로우들을 가지고 제 2 파티션은 2k -1 개의 로우들을 가진다. 또한, k는 2 이상이어야 하고 이것은 제 1 파티션의 크기에 영향을 줄 수 있다. 제 1 파티션이 16개의 로우들을 가지고 k가 1이 되도록 하는 경우, 제 1 파티션은 14개 이하의 로우들로 감소되어야 하므로, k=2 이상이다.
임의의 적당한 파티셔닝 방법이 이용될 수 있다는 것에 더 주목해야 한다. 도 14에서 예시된 파티셔닝은 각각의 파티션에서 로우들의 중첩을 최소화하기 때문에 효율적이다. 모든 로우들은 고유하게 스캐닝되고 어떤 로우들도 누락되지 않는 것을 보장하기 위하여 일반적으로 중첩이 전혀 없거나 최소의 중첩이 있으므로, 2개의 로우들을 중첩하는 임의의 터치가 감지된다. 터치 패널이 어떻게 파티션되거나 활성화될 수 있더라도 동일한 원리들이 적용된다.
상기한 것으로부터, 본 발명은 터치 패널 제어 시스템에서 터치 감지를 위한 향상된 방법 및 장치를 제공한다는 것을 알 수 있다. 터치 패널의 터치 이벤트의 부재 또는 존재를 감지하기 위하여 터치 감지 모드가 도입된다. 터치 감지 스캔은 터치의 위치를 제공하는 것이 아니라 바로 그 발생을 제공한다. 터치 이벤트가 감지되는 경우, 터치 이벤트의 위치를 결정하고 터치 이벤트에 응답하기 위하여 풀 패널 스캔이 수행된다. 터치 이벤트가 감지되지 않는 경우, 터치 제어기는 전류 소모를 감소시키고 배터리 수명을 확장하기 위하여 저전력 아이들 모드로 변환한다. 터치 감지 모드에 있는 동안, 터치 제어기는 터치 감지 스캔을 주기적으로 수행할 것이다. 터치 이벤트의 존재 또는 부재를 감지하기 위하여 모든 로우들의 터치 감지 스캔이 상대적으로 신속하게 행해진다. 터치 이벤트들이 누락되지 않는 것을 보장하지만, 스캔 지속시간 및 전력 소비를 낮게 유지하기 위하여, 2개의 스텝 스캔들이 수행된다. 패널의 모든 영역들이 스캔에 의해 커버(cover)되고 중첩하는 터치 이벤트가 전혀 누락되지 않는 것을 보장하기 위하여, 2개의 스캔들에 대해 터치 패널이 파티션된다. 파티셔닝 및 스캔 기술들은 모든 크기들의 패널들로 확장될 수 있다. 이러한 방식으로, 고성능, 신속한 응답, 낮은 지연시간 및 감소된 전력 소비의 장점들이 터치 패널 응용들에서 합성될 수 있다.
상기 설명된 방법들, 디바이스들, 기술들, 및 로직은 하드웨어, 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어 둘 모두의 많은 상이한 조합들에서 많은 상이한 방식들로 구현될 수 있다. 예를 들면, 시스템의 모두 또는 일부들은 제어기, 마이크로프로세서, 또는 애플리케이션 특정 집적 회로(ASIC)에 회로를 포함할 수 있거나, 또는 이산 로직 또는 구성요소 또는 다른 유형들의 아날로그 또는 디지털 회로의 조합을 갖고 구현될 수 있거나, 또는 단일의 집적 회로 상에 조합되거나 또는 다수의 집적 회로들 가운데 분포될 수 있다. 설명된 로직의 모두 또는 일부는 프로세서, 제어기, 또는 다른 프로세싱 디바이스에 의한 실행을 위한 명령들로서 구현될 수 있으며 플래시 메모리, 랜덤 액세스 메모리(RAM) 또는 판독 전용 메모리(ROM), 삭제가능한 프로그램가능 판독 전용 메모리(EPROM)과 같은 유형의 또는 비-일시적 기계-판독가능하거나 또는 컴퓨터-판독가능한 매체 또는 컴팩트 디스크 판독 전용 메모리(CDROM), 또는 자기 또는 광 디스크와 같은 다른 기계-판독가능한 매체에 저장될 수 있다. 따라서, 컴퓨터 프로그램 제품과 같은 제품은 저장 매체 및 저장 매체 상에 저장된 컴퓨터 판독가능한 명령들을 포함할 수 있으며, 이것은 엔드 포인트에서 실행될 때, 컴퓨터 시스템, 또는 다른 디바이스가 디바이스로 하여금 설명 중 임의의 것에 따라 동작들을 수행하게 한다.
시스템의 처리 능력은 선택적으로 다수의 분배된 처리 시스템들을 포함하여, 다수의 프로세서들 및 메모리들 가운데와 같이, 다수의 시스템 구성요소들 가운데 분배될 수 있다. 파라미터들, 데이터베이스들, 및 다른 데이터 구조들은 별개로 저장되고 관리될 수 있으며, 단일 메모리 또는 데이터베이스로 통합될 수 있고, 많은 상이한 방식들로 논리적으로 및 물리적으로 조직될 수 있으며, 링크드 리스트들, 해시 테이블들, 또는 내포된 저장 메커니즘들과 같은 데이터 구조들을 포함하여, 많은 방식들로 구현될 수 있다., 프로그램들은 단일 프로그램, 별개의 프로그램들의 부분들(예로서, 서브루틴들)일 수 있고, 여러 개의 메모리들 및 프로세서들에 걸쳐 분배될 수 있거나, 또는 공유 라이브러리(예로서, 동적 링크 라이브러리(DLL))와 같은, 라이브러리에서와 같이, 많은 상이한 방식들로 구현될 수 있다. DLL은 예를 들면, 설명된 시스템 프로세싱 중 임의의 것을 수행하는 코드를 저장할 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예들이 설명되었지만, 많은 보다 많은 실시예들 및 구현들이 본 발명의 범위 내에서 가능하다는 것이 당업자들에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구항들 및 그것들의 등가물들을 고려하는 것을 제외하고 제한되지 않는다.

Claims (15)

  1. 터치 패널(touch panel)에서의 터치 감지(touch detection)을 위한 방법에 있어서,
    저전력 터치 감지 모드(low power touch detection mode)로 진입하는 단계;
    임의의 터치 이벤트(touch event)가 상기 터치 패널 상에서 상기 터치 이벤트 위치를 결정없이 상기 터치 패널 상에서 발생하는지를 결정하기 위한 신호들로 상기 터치 패널을 단속적으로(intermittently) 활성화(stimulate)하는 단계; 및
    만약 터치 이벤트가 감지되면, 상기 터치 패널 상에서 상기 터치 이벤트의 위치를 결정하기 위해서 풀 스캔 모드(full scan mode)로 진입하는 단계; 그렇지 않으면,
    만약 터치 이벤트가 감지되지 않으면, 미리 결정된 시간(predetermined time) 동안 저전력 아이들 모드(idle mode)로 진입하는 단계;를 포함하되,
    상기 터치 패널을 단속적으로 활성화하는 단계는,
    제 1 스텝 스캔(step scan)동안에, 제 1 셋(set)의 활성화 신호(stimulus signal)들을 상기 터치 패널의 제 1 영역에 제공하는 단계;
    제 2 스텝 스캔 동안에, 제 2 셋의 활성화 신호들을 상기 터치 패널의 상기 제 1 영역에 중첩되지 않는 제 2 영역에 제공하는 단계로서, 터치 이벤트를 감지할 수 있도록 하기 위해서 상기 제 2 셋의 활성화 신호들은 상기 제 1 셋의 신호들과 상보적인 관계(complementary)에 있고, 상기 제 2 셋의 활성화 신호들이 상기 제 1 셋의 활성화 신호들과 상호 보완적인 관계(complementary)에 있다는 것은 만약 터치 활동이 상기 터치 패널상에 존재하지 않으면 상기 제 1 셋의 활성화 신호들 및 상기 제 2 셋의 활성화 신호들의 동시 제공(simultaneous provision)이 베이스라인(baseline) 레벨과 편차가 없는 것인, 방법.
  2. 삭제
  3. 청구항 1 에 있어서,
    상기 저전력 터치 감지 모드로 진입하는 단계, 상기 제 1 스텝 스캔 및 상기 제 2 스텝 스캔 각각에 대하여 베이스라인(baseline) 정전용량 값들을 획득하기 위해서 베이스라인 스캔을 수행하는 단계;
    상기 제 1 스텝 스캔 및 상기 제 2 스텝 스캔 각각 후에, 각각의 활성화 신호들에 기인한 스텝 스캔 정전 용량 값들을 상기 베이스라인 정전 용량 값들과 비교하는 단계; 및
    상기 비교에 기반하여 터치 이벤트가 감지되었는지를 결정하는 단계;를 더 포함하는, 방법.
  4. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 터치 패널 디스플레이를 활성화하는 단계는,
    상기 제 1 셋의 활성화 신호들 및 상기 제 2 셋의 활성화 신호들을 상기 터치 패널의 미리 결정된 로우(row)들 각각을 따라서 제공하는 단계;
    상기 터치 패널의 컬럼들을 따라서 정전 용량을 표시한 신호들을 센싱하는 단계;및
    상기 센싱(sense)된 신호들에 기반하여, 터치 이벤트가 감지 되었는지를 결정하는 단계;를 포함하는, 방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 터치 패널(touch panel) 제어기 회로(controller circuit)에 있어서,
    터치 패널(touch panel)의 선택된 로우(row)들을 활성화하고 상기 활성화(stimulation)에 응답하여 패널을 센싱하는 아날로그 프론트 엔드(analog front end); 및
    상기 아날로그 프론트 엔드와 결합하고 그리고 터치 감지 스캔 절차(touch detection scan procedure)로 상기 터치 패널의 미리 결정된 로우(row)들을 주기적으로 활성화(stimulate)하기 위해 상기 아날로그 프론트 엔드를 제어하도록 구성된 스캔 제어기(scan controller)로서, 어떤 터치 활동(touch activity)도 없는 표시에 응답하여 저전력 모드(low power mode)로 진입하고 터치 활동이 감지될 때까지 후속 터치 감지 스캔들을 가지고 상기 터치 패널의 상기 미리 결정된 로우(row)들을 단속적으로(intermittently) 활성화하도록 구성된, 상기 스캔 제어기;를 포함하되,
    상기 터치 패널은 미리 결정된 수의 로우(row)들 및 미리 결정된 수의 컬럼들로 배열되고, 상기 스캔 제어기는 상기 미리 결정된 수의 로우들 및 상기 미리 결정된 수의 컬럼들에 기반하여 터치 패널 파티셔닝(partitioning) 및 터치 패널 구동 패턴들을 결정하도록 구성되는, 터치 패널(touch panel) 제어기 회로.
  9. 청구항 8 에 있어서,
    상기 스캔 제어기는 상기 터치 패널 상에서 상기 터치 활동 위치를 결정하기 위하여 상기 터치 패널의 모든 로우(row)들을 활성화하도록 상기 아날로그 프론트 엔드를 제어함으로써 활동 감지에 응답하도록 더 구성된, 터치 패널(touch panel) 제어기 회로.
  10. 청구항 8 또는 청구항 9 에 있어서,
    상기 터치 패널의 제 1 서브셋(subset) 로우들을 갖는 제 1 파티션(partition), 상기 터치 패널의 제 2 서브셋 로우들을 갖는 제 2 파티션이 상기 터치 패널의 상기 미리 결정된 로우(row)들임을 식별하도록 상기 스캔 제어기를 제어하는 저장된 데이터를 더 포함하고, 상기 제 1 서브셋 로우들 및 상기 제 2 서브셋 로우들은 상기 터치 감지 스캔 절차 동안에 상기 터치 패널의 모든 영역들이 활성화되는 것을 확실히 하기 위해 선택되는, 터치 패널(touch panel) 제어기 회로.
  11. 청구항 8 또는 청구항 9 에 있어서,
    상기 아날로그 프론트 엔드는 제 1 활성화(stimulus) 신호들을 상기 터치 패널의 제 1 서브셋 로우들에 제공하고 그리고 제 2 활성화 신호들을 상기 터치 패널의 상기 제 1 서브셋 로우들에 중첩되지 않는 제 2 서브셋 로우들에 제공하기 위해서 상기 스캔 제어기에 응답하는, 터치 패널(touch panel) 제어기 회로.
  12. 청구항 11 에 있어서,
    상기 아날로그 프론트 엔드는 상기 제 1 활성화 신호들 및 상기 제 2 활성화 신호들에 응답하여 상기 터치 패널의 컬럼(column)들 위에 생성된 신호들을 센싱하도록 구성된, 터치 패널(touch panel) 제어기 회로.
  13. 청구항 12 에 있어서,
    상기 아날로그 프론트 엔드는 상기 센싱된 신호들에 기반하여 디지털 데이터를 생성하는 아날로그-디지털 컨버터 회로(analog to digital converter circuit)들을 포함하고 그리고 상기 터치 패널 상에서 터치 활동을 감지하기 위해서 상기 생성된 디지털 데이터로부터 베이스라인 정전용량 데이터(baseline capacitance data)를 차감하는 회로를 더 포함하는, 터치 패널(touch panel) 제어기 회로.
  14. 청구항 11 에 있어서,
    만약 터치 활동이 상기 터치 패널상에 존재하지 않으면 상기 제 1 활성화 신호들 및 제 2 활성화 신호들의 동시 제공(simultaneous provision)이 베이스라인(baseline) 레벨과 편차(variation)가 없도록 하기 위해 상기 제 1 활성화 신호들에 상보적인 관계(complementary)에 있는 상기 제 2 활성화 신호들을 제공하기 위해서 상기 아날로그 프론트 엔드는 상기 스캔 제어기에 응답하는, 터치 패널(touch panel) 제어기 회로.
  15. 삭제
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