RU2602744C2 - Применение способа измерения rlc-параметров по патенту ru 2100813 в устройствах, имеющих сенсорную панель или экран - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к сенсорной технике и может найти применение в сенсорных экранах, сенсорных панелях и других устройствах, где необходимо указывать координаты выбранных мест на экране и отслеживать эти координаты или выбранные графические элементы. На резистивно-емкостную цепь, емкостный элемент которой расположен в сенсорной матрице панели или экрана, подают возмущающее напряжение, изменяющееся в функции времени, имеющей по меньшей мере одну пару идентичных участков, каждый из которых содержит два линейных измерительных участка с нулевой крутизной и два возмущающих участка, одновременно формируют соответствующее паре опорное напряжение, изменяющееся в функции времени, имеющей линейные опорные участки с нулевой крутизной, каждый из которых определен в течение времени соответствующего линейного измерительного участка пары. Напряжение на элементе резистивно-емкостной цепи в рамках интервалов времени первого и второго линейных измерительных участков пары сравнивают с опорным напряжением. При этом между моментами равенства напряжений формируют интервал времени, затем эти напряжения сравнивают в рамках интервалов времени третьего и четвертого линейных измерительных участков пары. При этом формируют второй интервал времени, определенный между моментами равенства сравниваемых напряжений, для сформированных интервалов времени или их эквивалентов находят разность, которую используют для определения указанных координат. Технический результат заключается в уменьшении электропотребления устройств, имеющих емкостную сенсорную панель или экран. 9 ил.

Description

Применение способа измерения RLC-параметров по патенту RU 2100813 в устройствах, имеющих сенсорную панель или экран

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к сенсорной технике и может найти применение в устройствах, имеющих емкостную сенсорную панель или экран, где необходимо вводить в устройство координаты выбранных мест или выбирать графические элементы или вводить команды с помощью жестов путем касания поверхности панели или экрана пальцами рук или стилусом.

Такими устройствами, в частности, являются некоторые сенсорные экраны персональных компьютеров, планшетные компьютеры, игровые приставки, промышленные сенсорные панели, электронные книги, спутниковые навигаторы, смартфоны и мобильные телефоны, сенсорные панели бытовой техники.

Уровень техники

Известен способ измерения RLC-параметров [Способ измерения RLC-параметров. Патент России RU 2100813 С1, 24.03.1995], основанный на измерении длительностей переходных процессов в резистивно-емкостной или резистивно-индуктивной измерительной цепи, отличающийся тем, что на измерительную цепь подают возмущающее напряжение, изменяющееся в функции времени, имеющей по меньшей мере одну пару участков с одинаковыми характеристиками, каждый из которых содержит два линейных измерительных участка с нулевой крутизной и два возмущающих участка, расположенных соответственно перед началами линейных

измерительных участков и обеспечивающих ненулевые неустановившиеся напряжения на элементе измерительной цепи к моментам начал линейных измерительных участков, одновременно формируют соответствующее паре опорное напряжение, изменяющееся в функции времени, имеющей линейные опорные участки с нулевой крутизной, каждый из которых определен в течение времени соответствующего линейного измерительного участка пары и имеет соответствующую для каждого участка характеристику, обеспечивающую во всем расчетном диапазоне измерений разные знаки разностей напряжений напряжения на элементе измерительной цепи и опорного напряжения в моменты времени начала и конца соответствующего линейного измерительного участка, напряжение на элементе измерительной цепи в рамках интервалов времени первого и второго линейных измерительных участков пары сравнивают с опорным напряжением, при этом между моментами равенства напряжений формируют интервал времени, затем эти напряжения сравнивают в рамках интервалов времени третьего и четвертого линейных измерительных участков пары, при этом формируют второй интервал времени, определенный между моментами равенства сравниваемых напряжений, для сформированных интервалов времени или их эквивалентов, выраженных в форме другой физической величины и полученных путем линейного однообразного преобразования интервалов, находят разность, которую используют для определения величины измеряемого параметра.

Известное изобретение относится к измерительной технике и предназначено для применения в приборах для измерения неэлектрических физических величин посредством емкостных, индуктивных или резистивных датчиков.

Сущностью предлагаемого изобретения является применение способа измерения RLC-параметров по патенту RU 2100813, в части резистивно-емкостной цепи, по другому назначению - в сенсорной технике, в устройствах, имеющих емкостную сенсорную панель или экран, для осуществления ввода в устройство координат мест касаний поверхности панели или экрана пальцами рук или стилусом и отслеживания координат мест касаний.

Широко известны устройства, имеющие в своей конструкции емкостную сенсорную панель или экран. В число этих устройств входят, в частности, некоторые сенсорные экраны персональных компьютеров, планшетные компьютеры, игровые приставки, промышленные сенсорные панели, некоторые электронные книги, спутниковые

навигаторы, смартфоны и мобильные телефоны, сенсорные панели бытовой техники. Например, таким устройством является смартфон «iPhone» фирмы «Apple».

Конструкция данных устройств включает в себя сенсорную панель или экран и контроллер сенсорной панели или экрана.

Предлагаемое изобретение касается его использования, прежде всего, в электронной схеме контроллера сенсорной панели или экрана.

Известен контроллер емкостного устройства фирмы «Texas Instrumens» модели FS1004, предназначенный для зондирования емкости.

[http://www.ti.com/lit/an/snoa927/snoa927.pdf http://www.ti.com/lit/ds/symlink/fdc004.pdf].

Структурная схема контроллера для зондирования емкости содержит схему из двух коммутаторов и сигма-дельта АЦП. Недостатком устройства при его использовании в сенсорной технике совместно с сенсорными панелями или экранами для определения координат мест касаний является сложность канала преобразования емкости в цифровой код, требующего наличия коммутаторов и АЦП, а также низкое быстродействие в случае применения для большого количества каналов, т.к. преобразование выполняется последовательно. Дополнительно, с увеличением количества каналов коммутатора увеличивается «паразитная» емкость отдельного канала, связанная с суммированием емкостей всех незамкнутых электронных ключей в каналах коммутатора на его выходе.

Известен контроллер сенсорной панели или экрана, фирмы «Microchip» выполненный для сенсорной панели или экрана по проекционно-емкостной РСТ (Projected Capacitive Touch) технологии с собственной емкостью, модели МТСН6102

[http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/40001750A.pdf].

Недостатком контроллера является его относительно высокое электропотребление в активном режиме 0,7…1,17 мА, при относительно небольшом количестве каналов преобразования емкостей электродов в цифровой код - 15 каналов.

Известен контроллер сенсорной панели или экрана, фирмы «Microchip», выполненный для сенсорной панели или экрана на основе проекционно-емкостной (РСТ) технологии с взаимной емкостью, модели МТСН6301

[http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/40001663B.pdf].

Недостатком контроллера является его относительно большое электропотребление в активном режиме - 19…25 мА.

Раскрытие изобретения

Сущность изобретения раскрыта на основе вариантов использования способа в емкостных сенсорных устройствах.

В случае использования способа в устройстве, в конструкции которого имеется сенсорная панель или экран на основе технологии с собственной емкостью электродов, основной технический результат изобретения заключается в уменьшении электропотребления сенсорного устройства. Уменьшение электропотребления сенсорного устройства связано со свойствами способа измерения RLC-параметров по патенту RU 2100813 (в дальнейшем - способ), а также с особенностями применения способа по новому назначению.

Вместе с уменьшением электропотребления при использовании способа в сенсорных устройствах данного типа проявляются дополнительные положительные свойства, улучшающие характеристики устройств, а именно:

- Повышение чувствительности сенсорной панели или экрана;

- Увеличение стабильности работы сенсорной панели или экрана в сложных климатических условиях.

В случае использовании способа в устройствах, содержащих сенсорную панель или экран, на основе технологии с взаимной емкостью, а также на основе поверхностной емкости, один из технических результатов изобретения заключается в повышении точности определения усилия нажатия на сенсорную панель или экран пальцев рук. Другой технический результат - уменьшение электропотребления устройством.

Сущность изобретения заключается в использовании способа применительно к резистивно-емкостной цепи, по другому назначению - в сенсорной технике, в устройствах имеющих емкостную сенсорную панель или экран, для цели ввода в устройство координат мест касаний поверхности панели или экрана пальцами рук или стилусом и отслеживания координат мест касаний.

Как показано в разделе раскрытие изобретения и в описании осуществления изобретения, способ может быть использован в устройствах совместно с панелями или экранами основных типов. Преимущественная область использования способа - в сенсорных устройствах, имеющих сенсорную панель или экран на основе проекционно-емкостной (РСТ) технологии с собственной емкостью электродов. Помимо сенсорных устройств на основе собственной емкости, способ предлагается использовать в устройствах, содержащих сенсорную панель или экран, выполненных по проекционно-емкостной (РСТ) технологии на основе взаимной емкости, а также в сенсорных устройствах с панелями на основе поверхностной емкости.

Необходимо отметить, что область использования способа не исчерпывается описанными устройствами. Например, способ может быть использован в панелях на основе собственной емкости или взаимной емкости, с расположением электродов в плоскости панели или экрана произвольным образом, не обязательно в виде регулярной матрицы, включая панели, в которых электроды не пересекают друг друга. В качестве примера расположения электродов не в виде прямоугольной матрицы можно привести сенсорную панель, выполненную в форме круга, в которой электроды расположены на концентрических окружностях. Электронная схема устройства, реализующая способ, также может иметь множество вариантов.

Способ предназначен для использования в сенсорных устройствах емкостного типа, для реализации целевой функции - ввода в устройство координат мест касаний поверхности панели или экрана пальцами рук или стилусом и отслеживания координат мест касаний, включая использование способа для реализации целевой функции совместно с другими способами, комбинация с которыми улучшает технические показатели сенсорного устройства в части реализации этой функции.

В описанных устройствах, в зависимости от особенностей сенсорных устройств, использование способа позволяет улучшить технические характеристики сенсорных устройств, как за счет непосредственных свойств способа, так и за счет проявления дополнительных положительных свойств в результате использования способа в этих устройствах.

В последующем описании раскрыта сущность использования способа в сенсорных устройствах имеющих панели или экраны различных типов.

Сенсорная панель или экран на основе технологии с собственной емкостью электродов содержит матрицу электродов. В одном из вариантов, матрица выполнена в виде горизонтальных и вертикальных электродов, пересекающих друг друга на разных слоях диэлектрика. В случае приближения пальца или стилуса близко к поверхности панели, увеличиваются емкости электродов. Для нахождения координат мест касаний выполняют измерение емкости каждого из электродов. При этом место касания определяют по координатам строки и столбца с наибольшей емкостью. Этот метод дает сильный сигнал, но имеет ограничения на распознавание нескольких одновременных касаний поверхности панели или экрана.

Известны сенсорные панели и экраны на основе собственной емкости, в которых электроды расположены в виде матрицы без взаимного пересечения. Каждый электрод матрицы имеет индивидуальный вывод. Координаты мест касаний в этом случае определяют по увеличению емкости электродов за счет касаний к поверхности панели или экрана в местах расположения электродов. Эти сенсорные устройства обладают высокой чувствительностью и позволяют определить полную карту прикосновений. В тоже время, в сенсорных устройствах необходимо иметь большое количество выводов для электродов и большое количество каналов преобразования емкости.

В варианте №3 осуществления изобретения предложена сенсорная панель, выполненная на основе РСТ технологии с собственной емкостью, дифференциального типа, которая с использованием предложенного способа, позволяет определить координаты двух одновременных касаний к сенсорной панели.

Для панелей или экранов с собственной емкостью электродов реализацию функции по определению и отслеживанию координат мест касаний панели или экрана в данном изобретении осуществляют путем выполнения следующих обобщенных этапов.

Используют сенсорную панель или экран, выполненную по технологии с собственной емкостью электродов, которая содержит расположенные на изолирующих слоях панели или экрана электроды. Формируют резистивно-емкостные цепи из электродов панели или экрана и дополнительных резисторов. Преобразуют величины емкостей электродов в разности интервалов времени, выраженные в виде цифрового кода, на основе предложенного способа. Затем, с учетом величин разностей интервалов, отображающих величины емкостей других электродов, находят координаты мест касаний с помощью известных методов.

Для отдельно взятой резистивно-емкостной цепи преобразование емкости электрода в разность интервалов времени выполняют на основе следующей последовательности действий.

На резистивно-емкостную цепь подают возмущающее напряжение, изменяющееся в функции времени. График возможной функции возмущающего напряжения U_В(t) показан на фиг. 1. Функция имеет пару участков с одинаковыми характеристиками. Интервалы времени первого и второго участков пары обозначены соответственно τ_1УЧ и τ_2УЧ. Каждый из участков пары содержит два линейных измерительных участка, имеющих нулевую крутизну. Интервал времени первого линейного измерительного участка пары обозначен τ_1Л, второго τ_2Л, третьего τ_3Л, четвертого τ_4Л. Дополнительно, каждый участок пары содержит расположенные перед соответствующими линейными измерительными участками возмущающие участки, которые предназначены для формирования ненулевых неустановившихся напряжений на элементе резистивно-емкостной цепи к моментам начал линейных измерительных участков, т.е. напряжений, изменение которых характеризует переходные процессы установления напряжений и которые в сумме с некоторыми постоянными составляющими образуют полные напряжения на элементе резистивно-емкостной цепи. В данном случае неустановившиеся напряжения формируются за счет быстрого смещения уровней возмущающего напряжения перед линейными измерительными участками, при этом перед моментами смещения уровней имеются относительно длительные линейные участки. Возмущающий участок включает в себя весь участок от начала участка пары до момента начала соответствующего линейного измерительного участка, так как любое изменение напряжения на этом участке влияет на начальное напряжение на элементе цепи к моменту начала линейного участка. В то же время определяющая часть возмущающего участка расположена непосредственно перед линейным измерительным участком, поскольку влияние предшествующих изменений возмущающего напряжения уменьшается в степенной функции от разделяющего интервала времени. Длительность каждого возмущающего участка выбирают большей, чем пятикратная величина постоянной времени резистивно-емкостной цепи.

Необходимо отметить, что характер функции возмущающего напряжения и особенности схемной реализация подачи возмущающего напряжения на резистивно-емкостную цепь не важны для реализации способа. Важно, чтобы в пределах первого и второго участков пары, функция возмущающего напряжения имела одинаковые характеристики и, к

моментам начал линейных измерительных участков пары, на элементе измерительной цепи были сформированы ненулевые неустановившиеся напряжения. Это условие соблюдается для всех вариантов использования способа.

Одновременно с возмущающим напряжением формируют соответствующее паре опорное напряжение, изменяющееся в функции времени, имеющей линейные опорные участки с нулевой крутизной, каждый из которых определен в течение времени соответствующего линейного измерительного участка пары и имеет характеристику, обеспечивающую гарантированное для всего расчетного диапазона измерений изменение знака разности напряжений напряжения переходного процесса на элементе резистивно-емкостной цепи и опорного напряжения при их сравнении в пределах интервалов времени соответствующих линейных измерительных участков.

Условие для выбора характеристики опорного напряжения связано с необходимостью обеспечения не превышения величин напряжений на входах компаратора напряжения взаимно допустимых пределов, в условиях действия различных факторов. В число этих факторов входят: неравенство величин параметров RC-цепи для различных пар участков возмущающего напряжения, неравенство параметров функции возмущающего напряжения для различных пар участков возмущающего напряжения и неравенство коэффициента передачи делителя напряжения, включенного между элементом измерительной цепи и входом компаратора напряжения, для различных пар участков возмущающего напряжения. Изменение указанных факторов в пределах интервала времени пары участков возмущающего напряжения считается медленным и в расчетах не учитывается.

Совмещенный график опорного напряжения U_ОП1(t) и напряжения U_С(t) переходных процессов на емкостном элементе резистивно-емкостной цепи на фиг. 1 показан ниже графика возмущающего напряжения. Напряжение переходных процессов на элементе резистивно-емкостной цепи во время линейных измерительных участков сравнивают с опорным напряжением, при этом между моментами равенства напряжений во время первого участка пары формируют первый τ_1ИР, а во время второго участка пары второй τ_2ИР интервалы времени. Для сформированных интервалов времени или их эквивалентов находят разность. Полученную разность используют для определения координат мест касаний сенсорной панели или экрана.

Можно предположить, что во время пары дополнительно формируют второе напряжение U_ОП2(t), характеристика первого линейного опорного участка которого равна характеристике третьего линейного опорного участка первого опорного напряжения, характеристика второго линейного опорного участка равна характеристике четвертого, характеристика третьего опорного линейного участка равна характеристике первого, а характеристика четвертого линейного опорного участка равна характеристике второго линейного опорного участка первого опорного напряжения. При этом формируют первый условный интервал времени τ_1ИУ во время первого участка пары и второй условный интервал времени τ_2ИУ во время второго участка пары.

Для длительностей интервалов справедливо равенство

где: τ_1ИР - длительность первого (реального) интервала времени;

τ_2ИР - длительность второго (реального) интервала времени;

τ_1ИУ - длительность первого условного интервала времени;

τ_2ИУ - длительность второго условного интервала времени;

τ_1П, τ_2П, τ_3П, τ_4П длительности переходных процессов в границах между первым и вторым опорными напряжениями во время первого, второго, третьего и четвертого линейных измерительных участков соответственно.

Выражение (1) можно записать в виде

где:

Величина ε определяет дополнительную погрешность способа.

В случае если параметры элементов RC-цепи за время измерения практически не изменяются, кривая напряжения на элементе цепи во время первого и второго линейных измерительных участков существенно не отличается от кривой во время третьего и четвертого линейных измерительных участков. Следовательно, первый интервал времени равен второму условному интервалу τ_1ИР=τ_2ИУ, а второй интервал времени

равен первому условному интервалу τ_2ИР=τ_1ИУ. Поэтому разность первого и второго интервалов равна

В случае измерения интервала времени переходного процесса, определенного между моментами равенства напряжения на элементе резистивно-емкостной цепи с двумя постоянными (фиксированными) напряжениями, при поддержании во время сравнения на резистивно-емкостной цепи постоянного напряжения, зависимость интервала времени от величины параметра одного из элементов резистивно-емкостной цепи является линейной. Для резистивно-емкостной цепи линейность обеспечивается между интервалом и сопротивлением или интервалом и емкостью, причем сравнение напряжения переходных процессов с фиксированными напряжениями можно осуществлять на любом из элементов резистивно-емкостной цепи. Поскольку разность сформированных согласно способа интервалов времени эквивалентна полусумме четырех интервалов (4), каждый из которых сформирован между моментами равенства напряжения на элементе резистивно-емкостной цепи с опорными напряжениями, которые во время сравнения зафиксированы, при подаче на резистивно-емкостную цепь неизменяющегося во время сравнения возмущающегося напряжения, то разность интервалов линейно связана с величиной параметра одного из элементов резистивно-емкостной цепи. Если величины параметров обеих элементов резистивно-емкостной цепи неизвестны, то разность интервалов линейно связана с постоянной времени RC-цепи.

Преобразование разности интервалов в сигнал напряжения или преобразование в цифровой код выполняют с помощью известных методов.

В одном из вариантов формируют сигнал напряжения, например, исходя из условия положительного логического уровня напряжения в интервале между моментами равенства сравниваемых напряжений на отрезке времени, покрывающем первый и второй линейные измерительные участки, а на отрезке времени, покрывающем третий и четвертый линейные измерительные участки пары из условия положительного логического уровня вне интервала времени между моментами равенства сравниваемых напряжений. Величина среднего значения напряжения в этом сигнале пропорциональна разности интервалов времени. Выполняют усреднение (фильтрацию) сигнала. Затем этот сигнал подают вход АЦП.

Для сенсорной панели или экрана в примерах осуществления изобретения использован метод преобразования интервалов времени в цифровой код путем записи в параллельный регистр сдвига или буфер из оперативной памяти, организованный по принципу FIFO (первым вошел, первым вышел), формируемых таймером отметок времени в моменты изменения выходного сигнала компаратора напряжения. Буфер необходим для синхронизации потоков отметок времени нескольких каналов преобразования с входным потоком процессора. Затем, в процессоре на основе отметок времени производят вычисление величин разностей интервалов. В варианте использования способа для нахождения относительных величин разностей интервалов времени или с другой целью в связи с особенностями применения способа, в буфер дополнительно записывают отметки времени начал и концов измерительных участков.

Конкретные примеры использования способа в сенсорных устройствах, содержащих панель или экран на основе РСТ технологии с собственной емкостью электродов, приведены в описании вариантов №1, 2 и 3 сенсорных устройств, в разделе осуществления изобретения.

Уменьшение электропотребления сенсорными устройствами данного типа связано с компенсацией нестабильности временных задержек прохождения сигналов в схеме устройства, с уменьшением общей частоты работы электронной схемы и повышением чувствительности преобразования емкостей. Уменьшение электропотребления объясняется следующим.

Погрешности формирования первого и второго интервалов времени, обусловленные задержками прохождения сигналов в процессе сравнения напряжения переходных процессов на элементе резистивно-емкостной цепи с изменяющимся опорным напряжением имеют одинаковую величину и знак, так как сравнение напряжений осуществляется с помощью одного устройства сравнения, что возможно в результате разделения во времени процессов сравнения, а характеристики устройства сравнения (компаратора напряжения) во время первого и второго участков пары существенно не отличаются друг от друга. Вследствие того, что результат формируется путем вычитания этих двух интервалов или их эквивалентов, погрешности компенсируются.

Участки функции опорного напряжения вблизи моментов сравнения напряжений имеют одинаковую (нулевую) крутизну, а напряжение переходных процессов для первого и второго участков пары во время соответствующих возмущающих участков пары

изменяется с близкими скоростями за счет того, что первый и второй участки пары имеют одинаковые характеристики. Поэтому условия сравнения напряжений во время первого и второго участков пары существенно не отличаются, что обеспечивает максимальную степень компенсации указанной погрешности.

Следствием компенсации погрешности формирования разности интервалов времени является уменьшение электропотребления, так как для реализации функции сравнения напряжений могут быть использованы маломощные компараторы напряжения, например, компаратор LMC6762 фирмы National Semiconductor [http://www.nscrus.ru/content/catalog/pdf/LMC6762.pdf], отличающиеся малой величиной тока питания (<10 мкА) и относительно большими задержками прохождения сигналов, а также нестабильностью этих задержек.

Дополнительно, использование способа позволяет снизить электропотребление за счет следующих особенностей его использования.

Применение способа характеризуется тем, что используют большое количество каналов преобразования емкостей электродов в цифровой код при относительно низкой точности преобразования.

Способ позволяет реализовать схему отдельного канала преобразования емкости электрода сенсорной панели или экрана в цифровой код, как показано в примерах осуществления изобретения, состоящую из относительно небольшого количества элементов, которая отличается низкой стоимостью. В связи с низкой стоимости канала преобразования, имеется возможность реализовать относительно дешевое устройство с параллельным преобразованием емкостей всех электродов в цифровой код, без применения мультиплексора на входе. За счет параллельного преобразования и снижения требования к точности преобразования появляется возможность снизить общую частоту работы электронной схемы. Снижение общей частоты электронной схемы дополнительно уменьшает ее электропотребление.

Повышение чувствительности сенсорной панели или экрана и повышение стабильности работы связано со следующими особенностями использования способа.

В устройствах для реализации способа, как показано в примерах осуществления изобретения, используется схема канала преобразования емкости электрода сенсорной панели или экрана в цифровой код на основе компаратора напряжения на входе канала,

без использования мультиплексора и дополнительных элементов. Эта схема имеет относительно низкую «паразитную» входную емкость, образованную емкостью одного входа компаратора и, соответственно, относительно небольшой температурный дрейф этой емкости. В результате, увеличиваться чувствительность каналов преобразования для сенсорных панелей или экранов с электродами, имеющими относительно небольшую собственную емкость, выполненными, например, в виде проводников из проволоки малого диаметра, например 0,01…0,05 мм.

Для вариантов сенсорных панелей или экранов с собственной емкостью (варианты №1, №2, №3) применение способа позволяет повысить стабильность работы сенсорной панели или экрана в сложных климатических условиях - в условиях расширенного диапазона температур и влажности, а также изменения характеристик электронных компонентов в результате старения.

Повышение стабильности объясняется пониженной чувствительностью выходного сигнала электронной схемы канала преобразования к смещению «нуля» и резистивным утечками тока на входе компаратора напряжения и электродах.

Для симметричной относительно потенциала средней точки прямоугольной волны возмущающего напряжения и симметричной прямоугольной волны опорного напряжения, как показано на фиг. 3, величина разности интервалов времени связана с параметрами элементов RC-цепи, сопротивлением активных утечек тока и смещением «нуля» компаратора напряжения следующей зависимостью.

где: τ_1И-1-τ_2И-1 - величина разности интервалов времени;

С_Х - емкость электрода сенсорной панели, образующего емкостный элемент RC-цепи;

R_Х - сопротивление резистора RC-цепи;

R_Ш - сопротивление резистора, имитирующего утечки тока электрода панели и входной цепи канала преобразования на среднюю точку схемы;

U_В-1 - амплитудное значение волны возмущающего напряжения;

U_ОП-1 - амплитудное значение волны опорного напряжения;

U_СМ - напряжение смещения «нуля» компаратора напряжения.

Расчеты по формуле (5) показывают, что величина сигнала разности интервалов времени, для U_В-1=5 В и U_ОП-1=0,5 В, при изменении величины смещения «нуля» компаратора напряжения на 25 мВ, изменяется на 0,002%. В случае активных утечек тока на среднюю точку схемы, выраженных в виде подключения к входу канала преобразования сопротивления R_Ш=5R_Х, величина сигнала разности интервалов времени изменяется на 0,15%. Величина изменения сигнала в случае действия указанных факторов, с учетом низких требований к точности преобразования (приблизительно 0,5%), не влияет на реализацию целевой функций сенсорного устройства.

Следует отметить, что повышение чувствительности сенсорной панели или экрана и повышение стабильности ее работы также позволяет уменьшить электропотребление. В этом случае появляется возможность уменьшить собственную емкость электродов панели или экрана и уменьшить величину изменений этой емкости в случае касаний. Уменьшение емкости электродов уменьшает, в свою очередь, затраты энергии на перезаряд электродов панели или экрана.

Таким образом, применение способа в сенсорных устройствах, выполненных по технологии на основе собственной емкости электродов, позволяет создать сенсорные устройства, отличающиеся низким электропотреблением, повышенной стабильностью работы в сложных климатических условиях и повышенной чувствительностью к касаниям.

Способ может быть использован в устройствах, имеющих в своем составе панель или экран, выполненные по технологии с взаимной емкостью электродов, с целью ввода в устройство координат мест касаний панели или экрана и отслеживания координат, на основе точного измерения величин взаимных емкостей электродов.

Панели на основе взаимной емкости основаны на использование того факта, что большинство проводящих предметов способно удерживать заряд, если они расположены

очень близко друг к другу. В панелях на основе взаимной емкости конденсатор неотъемлемо образован в каждой области сближения вертикальных и горизонтальных электродов. Для определения координат касаний к панели, подают возмущающее напряжение на электроды строк или столбцов. При этом, в случае приближения пальца или стилуса близко к поверхности панели, изменяется местное электростатическое поле, которое уменьшает взаимную емкость между электродами срок и столбцов. Изменение взаимной емкости в каждый индивидуальный этап на решетке можно измерить, и определить положение касания путем измерения напряжения в другой оси.

Величина выходного сигнала канала преобразования в виде напряжения в этих устройствах, при подаче на вертикальный электрод возмущающего напряжения и снятия сигнала с горизонтального электрода, зависит не только от величины взаимной емкости вертикального и горизонтального электрода, но и от общей емкости горизонтального электрода, включая взаимную емкость со всеми вертикальными электродами и емкость пальцев рук, которые приближены к горизонтальному электроду сенсорной панели или экрана. В связи с тем, что общая емкость электродов точно неизвестна и может меняться, например, в результате множественных касаний к горизонтальному электроду, изменения температуры окружающей среды и других факторов, величина сигнала взаимной емкости в виде напряжения является неточной.

Использование данного изобретения позволяет устранить этот недостаток и реализовать с помощью одной и той - же схемы одновременное измерение двух величин - измерение общей емкости горизонтального электрода и косвенное измерение величины напряжения в виде скачка напряжения на горизонтальном электроде. Отличия в определении этих величин касаются только алгоритма их вычисления. На основе измеренных величин появляется возможность точно определить величину взаимной емкости электродов в каждой области сближения вертикального и горизонтальных электродов, величина которой не зависит от общей емкости горизонтального электрода.

Для точного определения взаимной емкости между горизонтальным и вертикальным электродами сенсорной панели на единичном этапе измерения реализуют операции в соответствие с предложенным способом. Описание последовательности операций преобразования величины емкости горизонтального электрода в разность интервалов времени в виде цифрового кода аналогично описанию, приведенному для варианта сенсорного устройства с собственной емкостью. Измеренную с помощью способа величину емкости горизонтального электрода используют для вычисления начальных и

конечных величин напряжения переходного процесса в RC-цепи, в моменты времени начала и конца каждого линейного измерительного участка возмущающего напряжения. Далее, на основе начальных и конечных величин напряжения переходного процесса вычисляют величины скачков напряжения на горизонтальном электроде, которые сформировались под воздействием быстрого смещения возмущающего напряжения перед началами линейных измерительных участков. Затем, на основе вычисленных величин скачков напряжения на горизонтальном электроде и емкости горизонтального электрода находят точную величину взаимной емкости электродов.

Одним из технических результатов использования способа в сенсорных устройствах данного типа является повышение точности определения усилия нажатия пальцев рук на сенсорную панель. При этом повышается стабильность определения координат мест касаний, и улучшаются эргономические характеристики сенсорных устройств, т.к. у пользователя сенсорного устройства появляется возможность за счет тактильных ощущений прогнозировать моменты фиксации устройством вводимых координат касаний.

Технический результат объясняется следующим. Известно, что взаимная емкость электродов практически пропорциональная величине усилия нажатия пальца на сенсорную панель. Поэтому с повышением точности измерения взаимной емкости повышается точность измерения усилия нажатия пальцев рук на поверхность сенсорной панели или экрана.

Другим техническим результатом использования способа в сенсорных устройствах данного типа является снижение электропотребления. Снижение электропотребления связано с возможностью определения на основе способа скорости нарастания напряжения во время сравнения напряжений на входах компаратора напряжения и последующего введения поправок при измерении интервалов времени, что позволяет применять в сенсорном устройстве маломощные компараторы.

Подробное описание использования способа в устройстве, имеющем сенсорную панель или экран на основе взаимной емкости, приведено в описании варианта №4 осуществления изобретения.

Способ также предлагается использовать в устройствах, имеющих в своем составе экран или панель на основе поверхностно-емкостной технологии. Сущность использования способа в этом случае, заключается в следующем.

Сенсорный экран на основе поверхностно-емкостной технологии представляет собой панель из прозрачного диэлектрического материала, например, стекла, покрытую практически прозрачным резистивным материалом, например, из сплава оксида индия и окиси олова. Сверху резистивного материала расположен слой прозрачного диэлектрического материала, защищающий резистивный слой от прямого прикосновения. В углах панели расположены электроды для зондирования напряжения или тока. В процессе определения координат на резистивный слой панели подают возмущающее напряжение. В случае касания к панели экрана пальца руки или стилуса изменяется электрическое поле резистивного слоя панели. В ряде известных устройств по величине изменения напряжения на электродах или тока, проходящего через электроды, определяют координаты места касания.

Непосредственное измерение величины напряжения переходного процесса на зондирующих электродах, с помощью известных методов, позволяет вычислить координаты места касания. В тоже время, величина емкости касания остается неизвестной, при этом уменьшается точность определения усилия нажатия на сенсорный экран пальца рук.

Использование данного изобретения позволяет устранить этот недостаток и реализовать с помощью одной и той - же схемы, как показано в описании варианта №5 осуществления изобретения, измерение двух величин - косвенное измерение величины напряжения переходного процесса на зондирующих электродах и измерение емкости касания.

В данном варианте сенсорного устройства, с целью определения координат места касания, с использованием предложенного способа измеряют величину постоянной времени RC-цепи. Описание последовательности операций преобразования величины постоянной времени RC-цепи в разность интервалов времени в виде цифрового кода аналогично описанию, приведенному для варианта сенсорного устройства с собственной емкостью. Величину постоянной времени используют для косвенного измерения величин напряжений отклика переходного процесса в RC-цепи на зондирующих электродах. С учетом измеренных величин напряжений на зондирующих электродах,

формы резистивного слоя и расположения электродов, на основе известных методов вычисляют координаты места касания. Далее, на основе координат места касания вычисляют величину эквивалентного резистора элемента RC-цепи. Затем, с учетом ранее измеренной постоянной времени RC-цепи, находят величину емкости касания.

Измерение емкости касания позволяет более точно определить усилие нажатия пальца руки или стилуса на поверхность панели. При этом повышается стабильность определения координат мест касаний, и улучшаются эргономические характеристики сенсорного устройства, т.к. у пользователя сенсорного устройства появляется возможность за счет тактильных ощущений прогнозировать моменты фиксации устройством вводимых координат касания.

Дополнительно, использование способа позволяет снизить электропотребление устройства. Снижение электропотребления, также как в варианте №4, связано с возможностью определения скорости нарастания напряжения во время сравнения напряжений на входах компаратора напряжения и последующего введения поправок при измерении интервалов времени, что позволяет применять в сенсорном устройстве маломощные компараторы.

Подробное описание использования способа в устройстве, имеющем сенсорную панель или экран на основе поверхностной емкости, приведено в описании варианта №5 осуществления изобретения.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - графики возмущающего напряжения, напряжения на элементе сенсорной панели и опорного напряжения.

Фиг. 2 - структурная схема устройства с сенсорной панелью на основе проекционно-емкостной (РСТ) технологии с собственной емкостью.

Фиг. 3 - графики напряжений для варианта устройства с сенсорной панелью на основе проекционно-емкостной (РСТ) технологии с собственной емкостью.

Фиг. 4 - структурная схема устройства с сенсорной панелью, относящейся к панелям с собственной емкостью, типа «мультитач», выполненного для распознавания и отслеживания множественных касаний.

Фиг. 5 - структурная схема устройства с сенсорной панелью на основе проекционно-емкостной технологии (РСТ) с собственной емкостью, типа «мультитач», дифференциального типа, выполненного для реализации одновременного распознавания и отслеживания двух касаний.

Фиг. 6 - структурная схема устройства с сенсорной панелью на основе проекционно-емкостной (РСТ) технологии, с взаимной емкостью электродов, типа «мультитач».

Фиг. 7 - графики напряжений для устройства с сенсорной панелью на основе проекционно-емкостной (РСТ) технологии, с взаимной емкостью электродов.

Фиг. 8 - структурная схема устройства с сенсорным экраном на основе поверхностно-емкостной технологии.

Фиг. 9 - графики напряжений для устройства с сенсорным экраном на основе поверхностно-емкостной технологии.

Осуществление изобретения

Осуществление изобретения раскрыто на примерах использования способа в вариантах устройств, имеющих емкостную сенсорную панель или экран.

Вариант №1. Устройство с сенсорной панелью на основе проекционно-емкостной (РСТ) технологии с собственной емкостью

Вариант устройства на основе сенсорной панели, выполненной по РСТ технологии с собственной емкостью, показан на фиг. 2. На фиг. 3 показаны временные диаграммы напряжений, поясняющие работу устройства.

Устройство содержит емкостную сенсорную панель 1, выполненную по РСТ технологии, выводы Y1…Y4 вертикальных и выводы X1…Х6 горизонтальных электродов которой подключены к входам каналов преобразования электрических емкостей электродов контроллера 2 сенсорной панели. Выход контроллера 2 подключен к ведущему контроллеру устройства.

Сенсорная панель содержит расположенную на разных слоях диэлектрического материала матрицу с пересекающимися электродами. Электроды на одном из слоев расположены горизонтально, вдоль ширины матрицы, а электроды на другом слое - вертикально, вдоль высоты матрицы. На фиг. 2 один из горизонтальных электродов обозначен цифрой 3, а вертикальный - цифрой 4. Каждый из горизонтальных электродов выполнен в виде геометрических фигур - ромбов, соединенных между собой тонкими проводящими перемычками. Вертикальные электроды также выполнены в виде ромбов, соединенных проводящими перемычками. Вертикальные и горизонтальные электроды выполнены и расположены друг относительно друга таким образом, что геометрические фигуры ромбов, если смотреть на панель сверху, не пересекают друг друга и расположены с зазором относительно друг друга. Пересечения электродов осуществляются только в местах тонких перемычек. Верхняя сторона панели покрыта слоем диэлектрического материала и защищает электроды от прямого прикосновения.

В ряде устройств электроды и слои диэлектрического материала выполнены практически прозрачными, а под сенсорной матрицей расположен жидкокристаллический дисплей. В этом случае следует читать, что в устройстве используется сенсорный экран.

Контроллер сенсорной панели содержит каналы (1 канал … 10 канал) преобразования величин емкостей электродов сенсорной панели в код отметок времени, выполненные по одинаковой схеме, а также общие элементы. Схема каждого канала содержит резистор 12(R_Х), который совместно с конденсатором, одна из обкладок которого выполнена в виде электрода сенсорной панели подключенного к входу канала, а другие обкладки созданы окружающими электрод проводящими элементами, пальцами рук или стилусом, образуют резистивно-емкостную цепь. Один из выводов резистора 12 подключен к инверсному входу компаратора 5 напряжения, и к соответствующему выводу электрода сенсорной панели. Дополнительно, каждый канал содержит блок 6 преобразования

отметок времени в цифровой код, второй вход которого подключен к выходу компаратора напряжения.

Схема общих элементов содержит генератор 7 импульсов, выход которого связан с входом источника 8 возмущающего напряжения и с входом блока 9 формирования опорного напряжения, таймер 10 и процессор 11 контроллера сенсорной панели. Для каждого канала преобразования, выход источника 8 возмущающего напряжения подключен к свободному выводу резистора 12 RC-цепи канала преобразования, выход блока 9 формирования опорного напряжения подключен к прямому входу компаратора 5 напряжения, выход таймера 10 связан первым входом блока 6 преобразования отметок времени в цифровой код. К третьему входу блока 6 подключен синхронизирующий выход с блока 9 формирования опорного напряжения, а четвертый вход блок 6 связан с синхронизирующим выходом источника 8 возмущающего напряжения. Выходы всех блоков 6 преобразования отметок времени в цифровой код через цифровую шину подключены к процессору 11 сенсорной панели.

В варианте сенсорного устройства генератор 7 импульсов отсутствует, а входы источника 8 возмущающего напряжения и блока 9 формирования опорного напряжения подключены к дополнительному выходу таймера. В этом случае, сигнал, подаваемый на входы источника 8 возмущающего напряжения и блока 9, формируется таймером.

Устройство работает следующим образом.

В случае приближения (или касания) пальца руки или стилуса к поверхности сенсорной панели 4 в зоне приближения увеличивается емкость электродов панели. Причем, в зоне приближения увеличивается емкость как вертикальных, так и горизонтальных электродов.

Электронная схема устройства реализует цепочку преобразований емкостей каждого из электродов в цифровой код отметок времени, затем, в процессорном модуле контроллера сенсорной панели, реализуется вычисление интервалов времени и их разностей. Для каждого электрода цифровой код разности интервалов времени отображает величину емкости электрода. Затем на основе массива величин емкостей всех электродов, отбирается пара (или несколько пар) горизонтальных и вертикальных электродов обладающих максимальной добавленной емкостью, выше заданного порогового значения. На основе информации о парах электродов в каждый заданный

отрезок времени фиксируется отсутствие касания или запоминаются координаты пересечения вертикальных и горизонтальных электродов, которые соответствуют координатам приближения пальца руки или стилуса к поверхности панели. Информация по координатам передается по цифровому каналу в ведущий контроллер устройства с сенсорной панелью. Цепочка преобразований величин емкостей в цифровой код в данном устройстве выполнена в соответствие с предлагаемым способом.

Работа схемы описана на примере преобразования величины емкости первого вертикального электрода 4 сенсорной панели в цифровой код. На вход источника 8 возмущающего напряжения с генератора 7 поступают импульсы прямоугольного напряжения. В простейшем случае источник 8 возмущающего напряжения представляет собой электронный переключатель, выход которого под управлением сигнала с генератора 7 попеременно подключается к положительному и отрицательному потенциалам напряжения источника питания, генерируя тем самым серию периодически повторяющихся импульсов возмущающего напряжения U_В-1(t) (см. фиг. 3) крайние уровни напряжения которых симметричны относительно потенциала напряжения средней точки. Интервал времени первого возмущающего участка на графике обозначен τ_1УЧ-1, интервал времени второго возмущающего участка - τ_2УЧ-1. Серия импульсов возбуждает переходные процессы U_С-1(t) заряда-разряда емкости электрода 4 сенсорной панели 1, в резистивно-емкостной цепи, образованной электродом панели и резистором 12. Напряжение U_С(t) переходного процесса на электроде, подключенного к инверсному входу компаратора напряжения, сравнивается с опорным напряжением U_ОП-1(t), подаваемым на прямой вход компаратора 5 с выхода блока 9 формирования опорного напряжения. При этом величины опорных напряжений относительно средней точки источника питания во время первого τ_1Л-1 и второго τ_2Л-1 линейных измерительных участков выбраны равными между собой с условием не превышения уровней напряжения переходного процесса в крайних точках на этих участках в расчетном диапазоне измерений емкости горизонтального электрода. Уровень напряжения третьего и четвертого опорного участка выбран симметричным уровню напряжения первого и второго участка относительно средней точки источника питания.

На выходе компаратора 5 напряжения формируется сигнал напряжения, имеющий положительный логический уровень в случае превышения опорного напряжения в сравнении с напряжением переходного процесса. Сигнал с выхода компаратора 5 напряжения поступает на второй вход блока 6 преобразования отметок времени в

цифровой код. Блок 6 содержит параллельный регистр сдвига или буфер оперативной памяти, организованной по принципу FIFO, на вход которого подается сигнал с выхода таймера 10. В простейшем случае таймер 10 состоит из генератора импульсов и счетчика импульсов, при этом цифровой код на счетчике импульсов отражает течение времени. Цифровой код с выхода таймера записывается в параллельный регистр сдвига в виде отметки времени в моменты времени изменения сигнала на выходе компаратора напряжения, а также в моменты времени начал и концов линейных измерительных участков. Одновременно, в регистр сдвига записываются значения сигналов со вторых, синхронизирующих, выходов источника 8 возмущающего напряжения и блока 9 формирования опорного напряжения с целью, чтобы можно было определить положение отметок времени относительно положения участков возмущающего напряжения.

С выхода параллельного регистра сдвига код отметок времени по цифровой шине, поступает в процессор 11 сенсорной панели. На основе информации о значении отметок времени и их положения, алгоритм процессора реализует вычисление первых интервалов τ_1И-1 времени во время действия первого τ_1Л-1 и второго τ_2Л-1 линейных измерительных участков возмущающего напряжения, а также вторых интервалов τ_2И-1, во время действия третьего τ_3Л-1 и четвертого τ_4Л-1 линейных измерительных участков возмущающего напряжения. Затем вычисляется разность интервалов времени τ_1И-1 и τ_2И-1. Эта разность отображает величину емкости электрода на протяжении фиксированного интервала времени. В дальнейшем, с учетом массива разностей интервалов других электродов разность используется при вычислении координат мест касаний к поверхности сенсорной панели или экрана и изменений этих координат с течением времени. Координаты мест касаний по цифровому интерфейсу передаются в ведущий контроллер сенсорного устройства.

Достоинством рассмотренного устройства является его потенциально низкое электропотребление, высокая чувствительность, повышенная стабильность работы в сложных климатических условиях, связанные со свойствами способа и применением способа в рассмотренном устройстве.

Недостатком устройства по варианту №1 является возможность распознавания только однократных касаний. Этот недостаток связан с конструкцией сенсорной панели. В панелях, описанных ниже, этот недостаток отсутствует.

Вариант №2. Устройство с сенсорной панелью, относящейся к панелям с собственной емкостью, типа «мультитач», выполненное для распознавания и отслеживания множественных касаний.

Конструкция данного устройства показана на фиг. 4.

Устройство включает в себя сенсорную панель 21 выполненную технологии с собственной емкостью электродов, выводы электродов X1…Х9 которой подключены к контроллеру 22 панели. Выход контроллера 22 подключен к ведущему контроллеру устройства с сенсорной панелью.

Сенсорная панель 21 содержит расположенную на слое диэлектрического материала матрицу из непересекающихся электродов 23, выполненных в виде геометрических фигур - квадратов. Каждый элемент матрицы имеет свой вывод. Верхняя сторона панели покрыта слоем диэлектрического материала и защищает электроды от прямого прикосновения.

В некоторых устройствах электроды и слои диэлектрического материала выполнены практически прозрачными, а под матрицей расположен жидкокристаллический дисплей. В этом случае следует читать, что в устройстве используется сенсорный экран.

Данная сенсорная панель полностью совместима с контроллером сенсорной панели, приведенном на фиг. 2 и описанном в предыдущем примере использования способа. В этом случае выводы X1…Х8 панели подключаются к входам каналов контроллера панели. Для этой панели конструкция контроллера будет отличаться только программой алгоритма определения координат. Это связано с другим расположением электродов на сенсорной панели 21, где используются непересекающиеся электроды.

Достоинство устройства с данной панелью является относительно низкое электропотребление, возможность распознавания множественных касаний (технология «мультитач»), высокая чувствительность и высокая стабильность в сложных климатических условиях.

Недостатком является большое количество выводов с сенсорной панели. В тоже время этот недостаток сглаживается за счет простой схемы каналов преобразования,

обусловленной свойствами способа и устройства, являющихся темой изобретения. В результате чего, для панели с большим количеством электродов, стоимость контроллера сенсорной панели может составлять относительно небольшую величину, по отношению к стоимости всего устройства.

Вариант №3. Устройство с сенсорной панелью на основе проекционно-емкостной (РСТ) технологии с собственной емкостью, типа «мультитач», дифференциального типа, выполненное для одновременного распознавания и отслеживания двух касаний

Вариант устройства с сенсорной панелью показан на фиг. 5. Устройство включает в себя сенсорную панель 31 дифференциального типа, выполненную по РСТ технологии с собственной емкостью электродов, выводы горизонтальных Х1.1…Х3.2, а также выводы вертикальных Y1.1…Y3.2 электродов которой подключены к контроллеру 32 панели. Выход контроллера 32 подключен к ведущему контроллеру устройства с сенсорной панелью.

Сенсорная панель содержит расположенную на разных слоях диэлектрического материала матрицу с пересекающимися электродами. Электроды на одном из слоев расположены горизонтально, вдоль ширины матрицы, а электроды на другом слое - вертикально, вдоль высоты матрицы. Верхняя сторона панели покрыта слоем диэлектрического материала и защищает электроды от прямого прикосновения.

Горизонтальные, а также вертикальные электроды, сгруппированы по два и составляют группу. При этом группы вертикальных и горизонтальных электродов на пересечениях образуют сенсорные площадки. Каждая площадка, на виде сверху, образована непересекающимися геометрическими фигурами - треугольниками со скошенными основаниями. Треугольники распложены с зазорами друг относительно друга. На фиг. 5 зазоры между треугольниками электродов условно не показаны. Вершины треугольников направлены во внутреннюю сторону площадки. Причем верхние треугольники каждой площадки принадлежат верхним горизонтальным электродам групп, нижние треугольники - нижним горизонтальным электродам групп. Левые треугольники площадки принадлежат левым вертикальным электродам групп, правые треугольники - правым вертикальным электродам групп. Треугольники вписаны в квадраты, которые образуют матрицу чувствительных элементов в виде сенсорных

площадок панели. Центры вершин треугольников всех площадок смещены относительно центров квадратов и имеют уникальные для каждой площадки координаты. В одном из вариантов, центры вершин треугольников площадок горизонтальных и вертикальных электродов расположены на пересечениях линии, разделяющих огибающие фигуры групп вертикальных электродов на две равные по площади трапеции, ориентированные в противоположных направлениях и линий, разделяющих огибающие фигуры групп горизонтальных электродов на две равные по площади трапеции, ориентированные в противоположных направлениях. Треугольники соответствующих электродов соединены тонкими электропроводящими перемычками.

В ряде устройств электроды и слои диэлектрического материала выполнены практически прозрачными, а под матрицей расположен жидкокристаллический дисплей. В этом случае следует читать, что в устройстве используется сенсорный экран.

Данную панель можно отнести к «дифференциально-емкостным» панелям. Для определения координат мест касаний в этой панели используют разности величин емкостей электродов, входящих в группы, деленные на суммы избыточных емкостей этих электродов. Для пояснения метода определения координат рассмотрим группу горизонтальных электродов, расположенных в строке X1. Эту группу образуют части сенсорных площадок, состоящие их верхних 33 и нижних 34 треугольников. В связи с тем, что вершины этих треугольников расположены на линии 35, разделяющей огибающую фигуру пары горизонтальных электродов на две равные по площади трапеции, ориентированные в противоположных направлениях, как показано на фиг. 5, площади верхних треугольников верхнего электрода группы увеличиваются в направлении увеличения координаты X, а нижних - уменьшаются. В связи с чем, разности емкостей при одиночном касании электродов группы, будут возрастать в направлении оси X. При этом будет возрастать величина разности их электрической емкости, деленная на сумму емкостей электродов. Исходя из величины этой разности, можно определить координату места касания по оси X. Таким же образом определяют координаты места касания с помощью других групп горизонтальных, а также вертикальных электродов. При этом, при прикосновении к поверхности панели для любой сенсорной площадки, электронная схема фиксирует уникальную комбинацию величин относительных разностей емкостей, которая однозначно связана с конкретным площадкой. В качестве дополнения, электронная схема фиксирует место касания на

основе измерения избыточных сумм емкостей вертикальных и горизонтальных электродов групп.

В случае использования для определения координат мест касаний устройства и сенсорной панели, описанных в варианте №1, показанных на фиг. 2, при двойном касании электронная схема устройства фиксирует четыре места касания. Реальные координаты мест касаний можно условно расположить в противоположных вершинах четырехугольника, при этом электронная схема фиксирует еще два места ложных касаний, координаты которых находятся в других вершинах этого прямоугольника. В предложенном устройстве с использованием описанного метода определения координат имеется возможность исключить ложные координаты мест касаний, т.к. они не будут подтверждаться с использованием дифференциального метода определения координат. Таким образом, предложенное сенсорное устройство в состоянии определить, по меньшей мере, координаты двух мест одновременных касаний.

Описанная сенсорная панель полностью совместима с контроллером сенсорной панели, приведенным в варианте №1 устройства (см. фиг. 2). В этом случае выводы горизонтальных и вертикальных электродов панели подключены к входам каналов преобразования контроллера. Для этой панели конструкция контроллера будет отличаться количеством каналов преобразования и программой алгоритма определения координат. Это связано с другим расположения электродов на сенсорной панели и другим алгоритмом определения координат касаний.

Вариант №3 устройства имеет тот же перечень положительных свойств, что и вариант №1. Дополнительно, предложенное устройство в состоянии определить и отслеживать координаты, по меньшей мере, двух одновременных касаний сенсорной панели, что достаточно для большинства мультимедиа устройств.

Из недостатков можно отметить удвоенное количество электродов и каналов преобразования величин емкостей по сравнению с вариантом №1. В тоже время, количество электродов и каналов в данном варианте при использовании матрицы электродов с заданным разрешением и большим количеством электродов (например, 15×12), существенно меньше, чем в панели по варианту №2 (см. фиг. 4).

Вариант №4. Устройство с сенсорной панелью на основе проекционно-емкостной (РСТ) технологии с взаимной емкостью электродов, типа «мультитач»

Вариант устройства на основе сенсорной панели, выполненной по РСТ технологии с взаимной емкостью электродов, показан на фиг. 6. На фиг. 7 показаны временные диаграммы напряжений, поясняющие работу устройства.

Устройство содержит емкостную сенсорную панель 41, выполненную по РСТ технологии с взаимной емкостью, выводы вертикальных электродов Y1…Y4 которой подключены к выходам, а выводы горизонтальных электродов X1…Х6 подключены к входам контроллера 42 сенсорной панели. Выход контроллера 42 подключен к ведущему контроллеру устройства с сенсорной панелью.

Сенсорная панель содержит расположенную на разных слоях диэлектрического материала матрицу с пересекающимися изолированными электродами. Электроды на одном из слоев расположены горизонтально, вдоль ширины матрицы, а электроды на другом слое - вертикально, вдоль высоты матрицы. На фиг. 6 один из горизонтальных электродов обозначен цифрой 43, а вертикальный электрод - цифрой 44. В одном из возможных вариантов каждый из горизонтальных электродов выполнен в виде геометрических фигур - ромбов, соединенных между собой тонкими проводящими перемычками. Вертикальные электроды также выполнены в виде ромбов, соединенных проводящими перемычками. Ромбы вертикальных и горизонтальных электродов, если смотреть на панель сверху, расположены с зазором относительно друг друга. Пересечения электродов осуществляются только в местах тонких перемычек. Верхняя сторона панели покрыта слоем диэлектрического материала и защищает электроды от прямого прикосновения.

В ряде устройств электроды и слои диэлектрического материала выполнены практически прозрачными, а под матрицей расположен жидкокристаллический дисплей. В этом случае следует читать, что в устройстве используется сенсорный экран.

Контроллер сенсорной панели содержит каналы (1 канал … 6 канал) преобразования величин взаимных емкостей электродов сенсорной панели в цифровой код отметок времени, выполненные по одинаковой схеме, а также общие элементы. Схема каждого канала содержит резистор 52, который совместно с конденсатором, одна из обкладок

которого выполнена в виде подключенного к входу канала горизонтального электрода сенсорной панели, а другая обкладка образована вертикальными электродами в областях их сближений с горизонтальным электродом, приближенными к электроду пальцами рук или стилусом и другими окружающими электрод проводящими элементами, образуют резистивно-емкостную цепь.

Один из выводов резистора 52 подключен к инверсному входу компаратора напряжения и к соответствующему горизонтальному электроду сенсорной панели. Второй вывод резистора 52 подключен средней точке источника питания, которая связан с корпусом устройства. Дополнительно, каждый канал содержит блок 46 преобразования отметок времени в цифровой код, второй вход которого подключен к выходу компаратора 45 напряжения.

Схема общих элементов содержит генератор 47 импульсов, выход которого связан с входом источника 48 возмущающего напряжения и с входом блока 49 формирования опорного напряжения, таймер 50 и процессор 51 контроллера сенсорной панели. Для каждого канала преобразования, выход блока 49 формирования опорного напряжения подключен к прямому входу компаратора 45 напряжения, выход таймера 50 связан с первым входом блока 46 преобразования отметок времени в цифровой код. К третьему входу блока 46 подключен синхронизирующий выход источника 48 возмущающего напряжения, а четвертый вход связан с синхронизирующим выходом блока 49 формирования опорного напряжения. Выходы источника 48 возмущающего напряжения подключены к соответствующим вертикальным электродам. Выходы всех блоков 46 преобразования отметок времени в цифровой код через цифровую шину подключены к процессору 51 сенсорной панели.

В варианте сенсорного устройства генератор 47 импульсов отсутствует, а входы источника 48 возмущающего напряжения и блока 49 формирования опорного напряжения подключены к дополнительному выходу таймера. В этом случае, сигнал, подаваемый на входы источника 48 возмущающего напряжения и блока 49, формируется таймером.

Устройство работает следующим образом.

Работа устройства основана на использование того факта, что большинство проводящих предметов способно удерживать заряд, если они расположены очень близко друг к

другу. В панелях на основе взаимной емкости конденсатор неотъемлемо образован в каждой области сближения вертикальных и горизонтальных электродов. Для определения координат касаний к панели, в показанном на фиг. 6 устройстве, подают возмущающее напряжение с соответствующих выходов источника 48 возмущающего напряжения на электроды столбцов. При этом, в случае касания пальцев рук или стилуса поверхности панели, изменяется местное электростатическое поле, которое уменьшает взаимную емкость между электродами срок и столбцов. Уменьшение взаимной емкости связано с тем, что в случае касания пальца к поверхности панели, в промежуток между вертикальным и горизонтальным электродами, по существу, вводится дополнительный электрод в виде пальца руки, подключенный к корпусу устройства. Этот электрод экранирует электрическое поле вертикального электрода, таким образом, уменьшая поле на горизонтальном электроде. В связи с этим уменьшается напряжение на горизонтальном электроде.

Величина скачка напряжения 60 на горизонтальном электроде (см. фиг. 7), генерируемого в моменты быстрого изменения величины возмущающего напряжения во время возмущающего участка, практически пропорциональна величине взаимной емкости между электродами и обратно пропорциональна общей емкости горизонтального электрода.

Величина общей емкости горизонтального электрода в общем случае величина непостоянная и может изменяться, например, в связи с множественными касаниями к горизонтальному электроду, изменения температуры окружающего воздуха и других факторов. В результате определение величины взаимной емкости только на основе измерения скачка напряжения, приводит к существенной погрешности.

Использование данного изобретения позволяет устранить этот недостаток и реализовать с помощью одной и той - же схемы одновременное измерение двух величин - косвенное измерение величины скачка напряжения на горизонтальном электроде и измерение общей емкости горизонтального электрода. На основе этих величин можно точно определить величину взаимной емкости электродов в каждой области сближения вертикального и горизонтальных электродов, величина которой не зависит от общей емкости горизонтального электрода. Для точного определения взаимной емкости электронная схема устройства реализуют последовательность операций в соответствие с предложенным способом и дополнительные операции.

Работа схемы описана на примере преобразования величины взаимной емкости первого горизонтального электрода 43 сенсорной панели и вертикального электрода 44 в цифровой код. На вход источника 48 возмущающего напряжения с генератора 47 поступают импульсы прямоугольного напряжения. Источник 48 возмущающего напряжения содержит четыре электронных переключателя, выходы которых попеременно подключается к положительному и отрицательному потенциалам напряжения источника питания, а также замыкаются на общую точку источника питания, генерируя на выводах Y1, Y2, Y3, Y4 серии неперекрывающихся во времени периодически повторяющихся импульсов возмущающего напряжения U_B-Y1(t), U_B-Y2(t), U_B-Y3(t), U_B-Y4(t) (см. фиг. 7). Серии импульсов возбуждают переходные процессы U_RX1(t) заряда-разряда емкости электрода 43 сенсорной панели 41, в резистивно-емкостной цепи, образованной резистором 52 и конденсатором, в виде горизонтального электрода и окружающих электрод элементов, включая вертикальные электроды в области их сближения и пальцы рук или стилус, приближенные к области горизонтального электрода.

Напряжение U_RX1(t) переходного процесса на выводе резистора 52 (R_X1), который подключен к горизонтальному электроду, подаваемое на инверсный вход компаратора 45 напряжения, сравнивается с опорным напряжением U_ОП-2(t), подаваемым на прямой вход компаратора 45 с выхода блока 49 формирования опорного напряжения. При этом величины крайних уровней линейных измерительных участков волны возмущающего напряжения выбраны симметричными относительно потенциала средней точки источника питания. Величины опорных напряжений 54 и 55 относительно средней точки источника питания во время первого τ_1Л-2 и третьего τ_3Л-2 линейных измерительных участков выбраны не равными между собой с условием не превышения уровней напряжения переходного процесса в крайних точках на этих участках в расчетном диапазоне измерений. Уровень напряжения второго опорного участка выбран симметричным уровню напряжения третьего опорного участка относительно средней точки источника питания, а уровень напряжения четвертого опорного участка - симметричным уровню напряжения первого участка.

На выходе компаратора 45 напряжения формируется сигнал напряжения, имеющий положительный логический уровень в случае превышения опорного напряжения в сравнении с напряжением переходного процесса. Сигнал с выхода компаратора 45 напряжения поступает на второй вход блока 46 преобразования отметок времени в

цифровой код. Блок 46 содержит параллельный регистр сдвига или буфер оперативной памяти, организованной по принципу FIFO, на вход которого в моменты изменения сигнала на выходе компаратора 45 напряжения, а также в моменты времени начал и концов линейных измерительных участков записывается цифровой код отметок времени, поступающих с выхода таймера 50. Одновременно, в регистр сдвига записываются значения сигналов с синхронизирующих выходов источника 48 возмущающего напряжения и блока 49 формирования опорного напряжения.

С выхода регистра сдвига, код отметок времени по цифровой шине совместно с отметками положения относительно участков возмущающего напряжения и отметками номеров отсканированных вертикальных электродов матрицы, поступает в процессор 51 сенсорной панели.

На основе информации о значении отметок времени и их положения, в процессоре осуществляется вычисление первых интервалов τ_1И-2 времени во время действия первого τ_1Л-2 и второго τ_2Л-2 линейных измерительных участков возмущающего напряжения, а также вторых интервалов τ_2И-2, во время действия третьего τ_3Л-2 и четвертого τ_4Л-2 участков возмущающего напряжения. Затем вычисляют разность интервалов τ_1И-2 и τ_2И-2. Разность интервалов времени отображает величину общей емкости горизонтального электрода.

Далее, в процессоре вычисляются величины интервалов τ₁, τ₂, τ₃, τ₄ времени между началами линейных измерительных участков и моментами равенства сравниваемых напряжений U_ОП-2(t) и U_RX1(t).

С учетом известной величины резистивного элемента и вычисленной на предыдущих этапах величины емкостного элемента RC-цепи, известных величин опорных напряжения и вычисленных в предыдущей операции интервалов времени, вычисляется величина начального и конечного напряжения на резистивном элементе RC-цепи в момент начала и конца первого линейного измерительного участка.

где: U_1RX1 - сумма величин начального

и конечного

напряжений на резистивном элементе измерительной цепи в моменты начала и конца первого линейного измерительного участка;

U_1ОП-2 - величина опорного напряжения на первом линейном измерительном участке;

R_Х1 - величина резистивного элемента RC-цепи;

С_Х1 - величина емкостного элемента RC-цепи;

τ₁ - интервал времени между началом первого измерительного участка и момента равенства напряжений;

T - длительность первого измерительного участка.

Характер зависимости между интервалом времени τ₁ и величинами начального и конечного напряжения показан на фиг. 7, где приведен график напряжения на горизонтальном электроде в присутствии прикосновения 56, также в отсутствии прикосновения 57. На графике показаны величины начального 58

и конечного 59

напряжения, и величина скачка напряжения 60

. На графике видно, что в случае увеличения начального напряжения 58 в момент начала первого измерительного участка τ_1Л-2 и увеличения конечного напряжения 59, увеличивается интервал времени с величины $${\tau }_1^1$$

до величины $${\tau }_1^2$$

. На графике также видно, что сумма величин начального 58 и конечного 59 напряжения практически равна величине скачка напряжения 60 на горизонтальном электроде

Скачек напряжения формируется в результате быстрого заряда конденсатора, образованного горизонтальным электродом, через конденсатор, образованный обкладками в виде горизонтального и вертикального электродов в области их сближения, за счет подачи на этот конденсатор быстро изменяющегося фронта возмущающего напряжения. По существу, эти конденсаторы представляют собой емкостный делитель напряжения. При этом величина скачка напряжения на резистивном элементе связана с величиной возмущающего напряжения перед началом линейного измерительного участка, взаимной емкостью электродов и емкостью, образованной

горизонтальным электродом и окружающими электрод элементами, следующей зависимостью

где:

- величина скачка напряжения на горизонтальном электроде;

U_B-Y1 - величина амплитудного значения возмущающего напряжения;

С_1ВЗ - величина взаимной емкости между вертикальным и горизонтальным электродами, измеренная во время первого линейного участка;

С_X1 - величина емкости горизонтального электрода.

Необходимо отметить, что величина С_X1 емкости горизонтального электрода тождественно равна емкости емкостного элемента RC-цепи и включает в себя также взаимную емкость С_1ВЗ.

Исходя из зависимости (8), с учетом (7), получаем

Аналогично в процессоре контроллера сенсорного устройства вычисляются величины взаимных емкостей на втором, третьем и четвертом измерительных участках, затем вычисляется средняя величина результатов вычислений.

При этом, для определения мест касаний, после завершения цикла сканирования с последовательной подачей на все вертикальные электроды возмущающего напряжения, и определения взаимных емкостей во всех областях сближения вертикальных и горизонтальных электродов на основе известных методов в процессоре реализуют вычисление координаты мест касаний.

Координаты касаний и усилия касаний по цифровому интерфейсу передаются в ведущий контроллер сенсорного устройства.

Измерение величины взаимной емкости, независящее от величины общей емкости электрода, позволяет увеличить точность определения усилия нажатия пальца на панель. Величина усилия касания используется в процессоре контроллера сенсорной панели для

определения порога чувствительности. В случае превышения порога чувствительности фиксируется факт касания.

Техническим результатом использования способа в сенсорном устройстве является увеличение точности определения усилия нажатия пальцев рук на сенсорную панель. При этом повышается стабильность определения координат мест касаний, и улучшаются эргономические характеристики сенсорного устройства, т.к. у пользователя устройства появляется возможность за счет тактильных ощущений прогнозировать моменты фиксации устройством вводимых координат касаний.

Дополнительно, использование способа в устройстве, позволяет уменьшить электропотребление сенсорного устройства. Снижение электропотребления связано с возможностью определения скорости нарастания напряжения во время сравнения напряжений на входах компаратора напряжения и последующего введения поправок при измерении интервалов времени, что позволяет применять в сенсорном устройстве маломощные компараторы.

Снижение электропотребления объясняется следующим.

Известно, что задержки времени прохождения сигнала через компаратор напряжения связаны со скоростью нарастания дифференциального напряжения на входах компаратора одной из основных зависимостей. На каждом линейном измерительном участке скорость изменения сигнала вблизи момента сравнения напряжений можно вычислить на основе постоянной времени RC-цепи, найденной с использованием способа, и величины опорного напряжения. При этом, на основе типовой зависимости величины задержки времени прохождения сигнала через компаратор напряжения от скорости нарастания дифференциального напряжения на входах компаратора можно найти величину задержки прохождения сигналов через компаратор. Затем, из измеренного на каждом линейном участке значения интервала времени, например из интервала времени τ₁ для первого участка, вычитают найденную задержку времени прохождения сигнала через компаратор. В этом случае, в результате вычислений взаимной емкости, например по формуле (9) для первого линейного участка, а также по аналогичным формулам для других участков, в значительной степени скомпенсирована погрешность, обусловленная задержками времени прохождения сигнала через компаратор напряжения.

В результате, появляется возможность, без существенного снижения точности измерения взаимной емкости, применения в сенсорном устройстве маломощных компараторов, отличающихся высокими задержками прохождения сигналов.

Вариант №5. Устройство с сенсорным экраном на основе поверхностно-емкостной технологии.

Вариант устройства на основе сенсорного экрана, выполненного по поверхностно-емкостной технологии, показан на фиг. 8. На фиг. 9 показаны временные диаграммы напряжений, поясняющие работу устройства.

Устройство содержит поверхностно-емкостный сенсорный экран 61, выводы которого подключены к выводам контроллера 62 сенсорного экран. Выход контроллера 62 подключен к ведущему контроллеру устройства.

Сенсорный экран представляет собой стеклянную панель, покрытую практически прозрачным резистивным материалом, например, из сплава оксида индия и окиси олова. По периметру панели расположен электрод 63, предназначенный для подачи на резистивный слой панели возмущающего напряжения. В углах панели, с зазором от возмущающего электрода, расположены электроды 64, 65, 66, 67 для зондирования напряжения. Электроды и резистивный материал сверху покрыты слоем прозрачного диэлектрика, защищающего панель от прямых прикосновений.

Выводы X1…Х4 электродов подключены к входам каналов контроллера сенсорного экрана. Вывод возмущающего электрода Y1 подключен к выходу источника возмущающего напряжения.

Контроллер сенсорного экрана содержит каналы (1 канал … 4 канал) преобразования напряжения переходного процесса на электродах зондирования напряжения в цифровой код отметок времени, выполненные по одинаковой схеме, а также общие элементы. Схема каждого канала содержит компаратор 75 напряжения, прямой вход которого подключен к выходу блока 79 формирования опорного напряжения, а инверсный вход - к соответствующему электроду для зондирования напряжения. Дополнительно, каждый

канал содержит блок 76 преобразования отметок времени в цифровой код, второй вход которого подключен к выходу компаратора напряжения.

Схема общих элементов содержит генератор 77 импульсов, выход которого связан с входом источника 78 возмущающего напряжения и с входом блока 79 формирования опорного напряжения, таймер 80 и процессор 81 контроллера сенсорного экрана. Для каждого канала преобразования, выход блока 79 формирования опорного напряжения подключен к прямому входу компаратора 75 напряжения, выход таймера 80 связан первым входом блока 76 преобразования отметок времени в цифровой код, к третьему входу блока 76 подключен синхронизирующий выход источника 78 возмущающего напряжения, а четвертый вход связан с синхронизирующим выходом блока 79 формирования опорного напряжения. Выход источника 78 возмущающего напряжения подключен к электроду 63 экрана. Выходы всех блоков 76 преобразования отметок времени в цифровой код через цифровую шину подключены к процессору 81 сенсорной панели.

В варианте сенсорного устройства генератор 77 импульсов отсутствует, а входы источника 78 возмущающего напряжения и блока 79 формирования опорного напряжения подключены к дополнительному выходу таймера. В этом случае, сигнал, подаваемый на входы источника 78 возмущающего напряжения и блока 79, формируется таймером.

Устройство работает следующим образом.

На фиг. 9 показаны временные диаграммы напряжений, поясняющие работу устройства, где приняты следующие обозначения:

U_В-3(t) - график функции возмущающего напряжения;

τ_1УЧ-3, τ_2УЧ-3 - первый и второй возмущающие участки;

τ_1Л-3, τ_2Л-3, τ_3Л-3, τ_4Л-3 - первый, второй, третий и четвертый линейные измерительные участки соответственно;

U_ОП-3(t) - график функции опорного напряжения;

U_Х1-3(t) - график функции напряжения на зондирующем электроде 64;

U_1Х1(t) - график напряжения отклика переходного процесса в RC-цепи на зондирующем электроде 64 во время первого линейного измерительного участка;

τ_1И-3 - первый интервал времени, сформированный во время первого и второго измерительных участков;

τ_2И-3 - второй интервал времени, сформированный во время третьего и четвертого измерительных участков;

τ₁, τ₂, τ₃, τ₄ - первый, второй, третий и четвертый интервалы времени, сформированные между началом первого, второго, третьего, четвертого измерительных участков и моментами равенства функций напряжения на зондирующем электроде и опорного напряжения;

92 - амплитудная величина отклика напряжения переходного процесса на зондирующем электроде 64, между потенциалами отклика переходного процесса в крайних точках первого линейного измерительного участка;

93 - величина опорного напряжения о время первого линейного измерительного участка;

94 - величина потенциала возмущающего напряжения на электроде 63 во время первого линейного измерительного участка.

На возмущающий электрод 63 с выхода источника 78 возмущающего напряжения поступает волна прямоугольного напряжения, верхний и нижний уровни которой симметричны относительной потенциала средней точки источника питания. Эта волна формирует периодически изменяющийся и практически равномерный по поверхности резистивного материала потенциал электрического поля.

В случае касания пальцем или стилусом поверхности панели, в области касания формируется конденсатор 82, одна из обкладок которого образована проводящим материалом в области 83 касания, другая обкладка образована пальцем или стилусом. Человеческое тело обладает электропроводностью и собственной емкостью, поэтому эта обкладка оказывается заземленной, а также связанной с корпусом устройства.

В связи с подключением заземленного конденсатора к поверхности резистивного слоя панели, уменьшается величина напряжения и изменяется характеристика переходного процесса на поверхности панели в области касания. В результате чего между возмущающим электродом и областью касания возникает напряжение переходного процесса заряда - разряда емкости этого конденсатора.

Напряжение переходного процесса в точке касания имеет отклик на зондирующих электродах 64, 65, 66, 67. Величина напряжения переходного процесса на каждом из

зондирующих электродов зависит от величины напряжения переходного процесса в области касания, от сопротивления между областью касания и соответствующим зондирующим электродом и сопротивления между возмущающим электродом и зондирующим электродом.

На фиг. 8 показаны область 83 касания и эквивалентные резисторы 84, 86, 88, 90, величины сопротивлений которых практически пропорциональны расстояниям между областью касания и местами расположения зондирующих электродов. Дополнительно, показаны условные эквивалентные резисторы 85, 87, 89, 91, сопротивление которых равно сопротивлению между соответствующим зондирующим электродом и возмущающим электродом 63.

Связанные с зондирующими электродами цепочки резисторов, по существу, являются делителями напряжения, каждый из которых уменьшает величину напряжения переходного процесса в области 83 касания на соответствующем зондирующем электроде.

При этом можно записать уравнение

где: U_СХ - величина напряжения переходного процесса на конденсаторе 82;

U_1Х1, U_1Х2,, U_1Х3, U_1Х4 - величины напряжений откликов переходного процесса на зондирующих электродах 64, 65, 66, 67 соответственно;

R_Х1.1, R_Х2.1, R_Х3.1, R_Х4.1 - величины эквивалентных резисторов 84, 86, 88, 90 между зондирующими электродами и возмущающим электродом 63;

R_Х1.2, R_Х1.2, R_Х3.2, R_Х4.2 - величины эквивалентных резисторов 85, 87, 89, 91 между областью 83 касания и зондирующими электродами 64, 65, 66, 67 соответственно.

Непосредственное измерение величины напряжения переходного процесса на зондирующих электродах относительно потенциала возмущающего электрода, с помощью известных методов, позволяет вычислить координаты места касания. В тоже

время, величина емкости касания остается неизвестной, при этом уменьшается точность определения усилия нажатия на сенсорный экран пальца рук.

Использование данного изобретения позволяет устранить этот недостаток и реализовать с помощью одной и той - же схемы одновременное измерение двух величин - косвенное измерение величины напряжения переходного процесса на зондирующих электродах и измерение емкости касания.

Для определения координат и емкости касания электронная схема устройства реализуют последовательность операций в соответствие с предложенным способом и дополнительные операции.

Ниже описана работа схемы показанной на фиг. 8, осуществляющей указанную последовательность операций. Работа схемы рассмотрена на примере первого канала преобразования величины постоянной времени переходного процесса в RC-цепи, а также величины напряжения переходного процесса в цифровой код, которые, совместно с измеренными величинами по другим каналам затем используются для определения координат касания и вычисления усилия касания.

Напряжение U_Х1-3(t) на выводе зондирующего электрода 64, который подключен к инверсному входу компаратора 75 напряжения, сравнивается с опорным напряжением U_ОП-3(t), подаваемым на прямой вход компаратора 75 с выхода блока 79 формирования опорного напряжения. При этом, величины опорных напряжений относительно потенциала возмущающего электрода 63 во время первого τ_1Л-2 и третьего τ_3Л-2 линейных измерительных участков выбраны не равными между собой с условием не превышения уровней напряжения переходного процесса в крайних точках на этих участках в расчетном диапазоне измерений. Уровень напряжения второго опорного участка выбран симметричным уровню напряжения третьего опорного участка относительно потенциала возмущающего электрода 63, а уровень напряжения четвертого опорного участка - симметричным уровню напряжения первого участка. На выходе компаратора 75 напряжения формируется сигнал напряжения, имеющий положительный логический уровень в случае превышения опорного напряжения в сравнении с напряжением переходного процесса. Сигнал с выхода компаратора 75 напряжения поступает на второй вход блока 76 преобразования отметок времени в цифровой код. Блок 76 содержит параллельный регистр сдвига или буфер оперативной памяти, организованной по принципу FIFO, на вход которого в моменты изменения

сигнала на выходе компаратора 75 напряжения, а также в моменты времени начал и концов линейных измерительных участков записывается цифровой код отметок времени, поступающих с выхода таймера 80. Одновременно, в регистр сдвига записываются значения сигналов с синхронизирующих выходов источника 78 возмущающего напряжения и блока 79 формирования опорного напряжения.

С выхода регистра сдвига, код отметок времени по цифровой шине совместно с отметками положения относительно участков возмущающего напряжения и отметками номеров отсканированных вертикальных электродов матрицы, поступает в процессор 81 контроллера сенсорной панели.

На основе информации о значении отметок времени и их положения, в процессоре осуществляется вычисление первых интервалов τ_1И-3 времени во время действия первого τ_1Л-3 и второго τ_2Л-3 линейных измерительных участков возмущающего напряжения, а также вторых интервалов τ_2И-3, во время действия третьего τ_3Л-3 и четвертого τ_4Л-2 участков возмущающего напряжения. Затем вычисляется разность интервалов τ_1И-3 и τ_2И-3.

Разность интервалов времени в этом случае отображает постоянную времени RC-цепи, образованной конденсатором 82 и эквивалентным резистором, сопротивление которого равно сопротивлению между областью касания 83 и возмущающим электродом 63.

Для последующих вычислений используется среднее значение постоянной времени RC-цепи от результатов измерений всех каналов преобразования.

Далее, процессор контроллера сенсорного устройства вычисляет интервалы времени τ₁, τ₂, τ₃, τ₄ между моментами начал линейных измерительных участков и моментами равенства напряжения переходного процесса с опорными напряжениями. Затем производит вычисление величины напряжения U_1Х1 переходного процесса на зондирующем электроде 64 на основе следующей зависимости.

где: U_1X1 - величина 92 напряжения отклика переходного процесса U_1X1(t) на зондирующем электроде 64, определенная между потенциалами напряжения в крайних точка первого линейного измерительного участка;

U_1ОП-3 - величина 93 опорного напряжения на первом линейном измерительном участке;

R_XC_X - постоянная времени RC-цепи;

С_Х - величина емкостного элемента RC-цепи;

R_Х - величина эквивалентного резистивного элемента RC-цепи;

τ₁ - интервал времени между началом первого измерительного участка и момента равенства напряжений;

τ_1Л-3 - длительность первого измерительного участка.

Аналогично выполняются вычисления величин U_1X2, U_1X3, U_1X4 напряжений переходного процесса на других зондирующих электродах.

На основе уравнения (10), функциональной зависимости величин эквивалентных сопротивлений от координат места касания, с учетом измеренных величин напряжений переходного процесса на зондирующих электродах, формы резистивного слоя и расположения электродов, на основе известных методов в процессоре вычисляются координаты места касания.

Далее, на основе функциональной зависимости между координатами касания и сопротивлением между областью касания и возмущающим электродом, с учетом известного удельного поверхностного сопротивления резистивного слоя, формы резистивного слоя и расположения электродов, процессор вычислят величину R_Х эквивалентного резистора элемента RC-цепи. Затем вычисляет величину емкости С_Х касания, на основе измеренной ранее величины постоянной времени RC-цепи.

С увеличением усилия нажатия пальца на экран, увеличивается площадь обкладки конденсатора 82, связанная с пальцем и, соответственно, увеличивается емкость конденсатора. Поэтому измерение емкости касания позволяет определить усилие нажатия пальца на экран. Величина усилия касания используется в процессоре контроллера сенсорного экрана для определения порога чувствительности экрана. В случае превышения порога чувствительности фиксируется факт касания.

Координаты касания и усилие касания по цифровому интерфейсу передаются в ведущий контроллер сенсорного устройства.

Техническим результатом использования способа в предложенном сенсорном устройстве является повышение точности определения усилия нажатия пальца руки или стилуса на сенсорную панель или экран. При этом повышается стабильность определения координат мест касаний, и улучшаются эргономические характеристики сенсорного устройства, т.к. у пользователя устройства появляется возможность за счет тактильных ощущений прогнозировать моменты фиксации устройством вводимых координат касаний.

Дополнительно, использование способа в устройстве, позволяет уменьшить электропотребление сенсорного устройства. Снижение электропотребления связано с возможностью определения скорости нарастания напряжения во время сравнения напряжений на входах компаратора напряжения и последующего введения поправок при измерении интервалов времени, что позволяет применять в сенсорном устройстве маломощные компараторы напряжения.

Claims (1)

1. Применение способа измерения RLC-параметров применительно к резистивно-емкостной цепи, основанного на измерении длительностей переходных процессов, в устройствах, имеющих емкостную сенсорную панель или экран, для цели ввода в устройство координат мест касаний панели или экрана и отслеживания координат, заключающегося в том, что на резистивно-емкостную цепь подают возмущающее напряжение, изменяющееся в функции времени, имеющей по меньшей мере одну пару участков с одинаковыми характеристиками, каждый из которых содержит два линейных измерительных участка с нулевой крутизной и два возмущающих участка, расположенных соответственно перед началами линейных измерительных участков и обеспечивающих ненулевые неустановившиеся напряжения на элементе резистивно-емкостной цепи к моментам начал линейных измерительных участков, одновременно формируют соответствующее паре опорное напряжение, изменяющееся в функции времени, имеющей линейные опорные участки с нулевой крутизной, каждый из которых определен в течение времени соответствующего линейного измерительного участка пары и имеет соответствующую для каждого участка характеристику, обеспечивающую во всем расчетном диапазоне измерений разные знаки разностей напряжений напряжения на элементе резистивно-емкостной цепи и опорного напряжения в моменты времени начала и конца соответствующего линейного измерительного участка, напряжение на элементе резистивно-емкостной цепи в рамках интервалов времени первого и второго линейных измерительных участков пары сравнивают с опорным напряжением, при этом между моментами равенства напряжений формируют интервал времени, затем эти напряжения сравнивают в рамках интервалов времени третьего и четвертого линейных измерительных участков пары, при этом формируют второй интервал времени, определенный между моментами равенства сравниваемых напряжений, для сформированных интервалов времени или их эквивалентов, выраженных в форме другой физической величины и полученных путем линейного однообразного преобразования интервалов, находят разность, которую используют для определения указанных координат на сенсорной панели или экране.

Images