TW201333798A - 互電容式觸控系統中的快速觸控檢測 - Google Patents

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Sumant Ranganathan
John S Walley
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Abstract

本公開涉及互電容式觸控系統中的快速觸控檢測。一種用於觸控面板顯示器中的觸控檢測的方法，包括：進入低功率觸控檢測模式並且利用訊號間歇性地激發所述觸控面板顯示器以確定觸控面板上是否發生了任意觸控事件而不對觸控面板上的觸控事件進行定位。如果檢測到觸控事件，進入全掃描模式以定位觸控面板上的觸控事件。這為觸控面板顯示器以及控制電路提供了更快的觸控檢測和更低的功率操作。

Description

互電容式觸控系統中的快速觸控檢測
此公開涉及用於電容式觸控螢幕裝置的方法和裝置。
可攜式裝置上的持續發展和快速改進已包括了這些裝置上觸控螢幕的結合。觸控螢幕裝置響應於用戶的觸控以將關於那個觸控的訊息傳達至可攜式裝置的控制電路。觸控螢幕慣常與諸如液晶顯示器(LCD)的通常共同延伸的顯示裝置結合以形成可攜式裝置的用戶界面。觸控螢幕還與觸控控制器電路一起操作以形成觸控螢幕裝置。在利用觸控傳感的其他應用中，觸控板也是諸如個人計算機的裝置的用戶介面的一部分，代替用戶與螢幕上影像交互的單獨滑鼠。相對於包括鍵盤、滾珠、操縱杆或滑鼠的可攜式裝置，觸控螢幕裝置提供減少的移動部件、持久性、抗污染物、簡化的用戶介面以及增加的用戶介面靈活性的優點。
儘管有這些優點，目前為止傳統的觸控螢幕裝置的使用已受限。對於某些裝置，電流消耗太大。電流消耗直接影響在可攜式裝置中是關鍵操作參數的功率消耗。對於其他裝置，諸如響應時間的性能已很差，尤其是當在觸控螢幕的表面上被進行快速移動時。一些裝置在具有電磁干擾和可影響性能的污染的極端條件的環境中不能工作良好。
通過將傳統的和常規的方法與如在此申請的剩餘部分中所給出的並且參照附圖的本公開的各方面相比較，傳統的和常規的方法的其他局限和缺點對本領域的普通技術人員將變得顯而易見。
(1)一種用於觸控面板中的觸控檢測的方法，所述方法包括：進入低功率觸控檢測模式；利用訊號間歇地激發所述觸控面板，以確定在所述觸控面板上是否發生了任意觸控事件而不對所述觸控面板上的觸控事件進行定位；以及，如果檢測到觸控事件，則進入全掃描模式以對所述觸控面板上的觸控事件進行定位；否則，如果未檢測到觸控事件，則進入低功率閒置模式達預定時間。
(2)根據(1)所述的方法，其中，激發所述觸控面板顯示包括：在第一步進式掃描步進式掃描期間，向所述觸控面板的第一部分提供第一組激發訊號；以及，在第二步進式掃描期間，向所述觸控面板的第二部分提供第二組激發訊號，所述第二組激發訊號與所述第一組訊號互補，使得能夠檢測到觸控事件。
(3)根據(2)所述的方法，進一步包括：進入低功率觸控檢測模式，執行基線掃描以獲得所述第一步進式掃描和所述第二步進式掃描中的每一個的基線電容值；在所述第一步進式掃描和所述第二步進式掃描中的每一個之後，將由於各自的激發訊號而引起的步進式掃描電容值與所述基線電容值進行比較；以及，基於所述比較來確定是否檢測到觸控事件。
(4)根據(1)所述的方法，其中，激發所述觸控面板顯示包括：沿所述觸控面板的各個預定行提供第一組激發訊號和第二組激發訊號；沿所述觸控面板的列感測表徵電容的訊號；以及，基於所感測的訊號，確定是否檢測到觸控事件。
(5)根據(1)所述的方法，其中，所述低功率閒置模式的持續時間能夠被選擇，以平衡功耗和對觸控事件的響應時間。
(6)一種用於觸控面板的方法，所述方法包括：當沒有檢測到所述觸控面板的觸控活動時，週期性地執行所述觸控面板的觸控檢測掃描；以及，當所述觸控檢測掃描產生了觸控活動的指示時，執行所述觸控面板的全掃描，以定位所述觸控活動在所述觸 控面板上的位置。
(7)根據(6)所述的方法，進一步包括：當在預定時間段沒有檢測到觸控活動時，進入操作的觸控檢測模式；以及，當在操作的觸控檢測模式中時，如果檢測到新的觸控活動指示，則退出所述觸控檢測模式。
(8)根據(6)所述的方法，其中，執行觸控檢測掃描包括：將各互補激發訊號提供至所述觸控面板的各互補部分；以及，檢測由於所提供的互補激發訊號而引起的訊號變化。
(9)根據(6)所述的方法，進一步包括：向所述觸控面板的第一部分的行提供第一激發訊號；向所述觸控面板的第二部分的行提供第二激發訊號，所述第二激發訊號與所述第一激發訊號互補，並且所述第二部分與所述第一部分互補；以及，沿所述觸控面板的各列檢測表徵電容的訊號。
(10)根據(9)所述的方法，包括：從沿所述觸控面板的各列檢測到的表徵電容的訊號減去各列的基線電容；以及，響應於非零的差，產生觸控活動的指示。
(11)根據(6)所述的方法，其中，用於執行所述觸控面板的觸控檢測掃描的週期能夠被選擇，以平衡功耗和對所述觸控面板上的觸控活動的響應時間。
(12)一種觸控面板控制器電路，包括：邏輯前端，激發觸控面板的所選擇的行，並且感測面板對激發的響應；以及，掃描控制器，與所述邏輯前端耦合，並且被構造為控制所述邏輯前端以利用觸控檢測掃描進程週期性地激發所述觸控面板的預定行，並且響應於無觸控活動的指示，進入低功率模式並且利用後續觸控檢測掃描間歇地激發所述觸控面板的預定行直到已檢測到觸控活動。
(13)根據(12)所述的觸控面板控制器電路，其中，所述掃描控制器被進一步構造為：通過控制所述邏輯前端以激發所述 觸控面板的所有行來響應於活動的檢測，以對所述觸控面板上的觸控活動進行定位。
(14)根據(12)所述的觸控面板控制器電路，進一步包括：被儲存的資料，以控制所述掃描控制器以將所述觸控面板的具有第一子集行的第一部分和所述觸控面板的具有第二子集行的第二部分識別作為所述觸控面板的所述預定行，所述第一子集行和所述第二子集行被選擇為確保所述觸控面板的所有區域在所述觸控檢測掃描進程期間被激發。
(15)根據(12)所述的觸控面板控制器電路，其中，所述邏輯前端響應於所述掃描控制器以向所述觸控面板的第一子集行提供第一激發訊號並且向所述觸控面板的第二子集行提供第二激發訊號。
(16)根據(15)所述的觸控面板控制器電路，其中，所述邏輯前端被構造成響應於所述第一激發訊號和所述第二激發訊號來感測所述觸控面板的列上產生的訊號。
(17)根據(16)所述的觸控面板控制器電路，其中，所述邏輯前端包括基於所感測的訊號產生數位資料的類比數位轉換器電路，並且進一步包括從所產生的數位資料減去基線電容資料以檢測所述觸控面板上的觸控活動的電路。
(18)根據(15)所述的觸控面板控制器電路，其中，所述邏輯前端響應於所述掃描控制器以提供與所述第一激發訊號互補的第二激發訊號，使得除非在所述觸控面板上存在觸控活動，否則所述第一激發訊號和第二激發訊號的同時提供基本上不產生相對於基線準位的變化。
(19)根據(12)所述的觸控面板控制器電路，其中，所述觸控面板以預定數量的行和預定數量的列來配置，並且其中，所述掃描控制器被構造為基於預定數量的行和預定數量的列來確定觸控面板劃分和觸控面板驅動方式。
100‧‧‧可攜式裝置
102‧‧‧電容式觸控面板
104‧‧‧控制器電路
106‧‧‧主處理器
108‧‧‧輸入-輸出電路(I/O)
110‧‧‧儲存器
112‧‧‧液晶顯示器(LCD)
114‧‧‧電池
120‧‧‧數位觸控(子)系統
122‧‧‧處理器
124‧‧‧快閃儲存器
126‧‧‧讀寫儲存器
128‧‧‧測試電路
130‧‧‧時序電路
132‧‧‧觸控前端(TFE)
134‧‧‧觸控後端(TBE)
202‧‧‧外殼
204‧‧‧透鏡或透明觸控表面
206‧‧‧控制開關
208‧‧‧印刷電路板
210‧‧‧電路元件
212‧‧‧驅動線
214‧‧‧絕緣體
216‧‧‧傳感線
300‧‧‧(互)電容式觸控面板
400‧‧‧模擬前端(AFE)
402‧‧‧發送通道
404‧‧‧波形產生區塊
406‧‧‧接收通道
408‧‧‧I/Q掃描資料路徑
410、416‧‧‧接收(Rx)資料交叉多工器
412‧‧‧差分結合器
414‧‧‧熱圖組合區塊(同相通道組合區塊/I通道熱圖組合/HAB)
418‧‧‧差分結合器
420‧‧‧熱圖組合區塊(同相通道組合區塊/Q通道熱圖組合/HAB)
422‧‧‧I/Q結合器
424‧‧‧行列正規器
426‧‧‧掃描控制器
428‧‧‧讀取(Rx)控制交叉多工器
430‧‧‧發送(Tx)控制交叉多工器
432‧‧‧頻譜估測(預)處理器
500、600‧‧‧非對稱掃描圖
700‧‧‧結構
702‧‧‧發送通道
704‧‧‧接收通道
706‧‧‧類比數位位類比轉換器
708‧‧‧極性控制電路
710‧‧‧緩衝器
712‧‧‧前置放大器
714‧‧‧類比數位轉換器
800‧‧‧電容式觸控面板
802‧‧‧觸控面板
804‧‧‧發送類比數位位類比轉換器(TxDAC)
806、808、810、812‧‧‧發送緩衝器
814‧‧‧接收類比數位轉換器
816、818、820、822‧‧‧多工器
900‧‧‧(基線跟蹤)濾波器
902‧‧‧低通濾波器(LPF)
904‧‧‧抽取濾波器(decimator)
906‧‧‧結合器
1000‧‧‧變化估測器
1002‧‧‧抽取濾波器
1004‧‧‧訊號平方器
1006‧‧‧低通濾波器
1600‧‧‧變化估測器
1602‧‧‧抽取濾波器
1604‧‧‧求和器
1606‧‧‧低通濾波器
1608‧‧‧訊號平方器
1200‧‧‧時序圖
1202、1204、1206、1208、1210、1212、1214、1216、1218、1220、1222、1224‧‧‧時間(時段)
1300~1320‧‧‧框
1402、1422‧‧‧掃描圖
1404、1414‧‧‧第一部分
1406、1416、1426‧‧‧第二部分
1408、1412、1428、1432‧‧‧基線值
1410、1418、1430、1434‧‧‧觸控值
圖1是示例性可攜式裝置的框圖。
圖2是示例性可攜式裝置的俯視圖。
圖3是在圖1和圖2的可攜式裝置中所使用的示例性互電容式接觸面板的簡化圖。
圖4示出了圖1的可攜式裝置的觸控前端的示例性框圖。
圖5示出了示例性第一採樣掃描圖。
圖6示出了示例性第二採樣掃描圖。
圖7示出了圖1的可攜式裝置的觸控前端的示例性高級結構。
圖8示出了簡化的電容式觸控面板和相關電路。
圖9示出了在可攜式裝置的控制器電路中所使用的示例性基線跟蹤濾波器。
圖10示出了與圖9的基線跟蹤濾波器結合的第二變量估測器。
圖11示出了與圖9的基線跟蹤濾波器結合的第二變量估測器。
圖12示出了圖1的可攜式裝置的操作的觸控檢測模式的時序圖。
圖13是示出圖1的可攜式裝置的操作的觸控檢測模式的流程圖。
圖14示出圖1的可攜式裝置的採樣掃描圖的觸控檢測掃描。
現在參照圖1和圖2，圖1示出了可攜式裝置100的框圖。圖2示出了根據圖1的框圖的可攜式裝置100的一種實施方式。如圖1中所示，可攜式裝置100包括電容式觸控面板102、控制器電路104、主處理器106、輸入-輸出電路108、儲存器110、液晶顯示器(LCD)112以及提供操作電力的電池114。
圖2包括示出可攜式裝置100的俯視圖的圖2(A)和示出沿圖2(A)中的線B-B’的可攜式裝置100的截面圖。可攜式裝置可被體現為包括如平板電腦、智能電話，或甚至如具有觸控傳感表面或顯示器的固定裝置的最多樣的裝置。
可攜式裝置100包括外殼202、透鏡或透明觸控表面204以及諸如控制開關206的一個或多個可操作用戶介面元件。外殼內所包含的是印刷電路板208以及被設置在印刷電路板208上的電路元件210並且如在圖2中的框圖形式中所示出的。電容式觸控面板102以堆疊方式設置並且包括驅動線212、絕緣體214以及傳感線216。絕緣體使驅動線212和平行於驅動線設置的其他驅動線與傳感線216電絕緣。訊號被提供至驅動線212中的一條或多條並且被傳感線216感測以定位透明觸控表面204上的觸控事件。LCD 112位於印刷電路板208與電容式觸控面板102之間。
如在圖2(A)中具體示出的，電容式觸控面板102與LCD 112可通常是共同延伸的(coextensive)並且形成可攜式裝置的用戶介面。為了觀看和通過用戶的交互，文本和影像可被顯示在LCD上。用戶可觸控電容式觸控面板102以控制可攜式裝置100的操作。觸控可以是通過用戶的單個手指或通過幾個手指，或通過用戶的手的其他部分或其他身體部位。觸控還可以是通過被用戶手抓握的觸控筆或使得與電容式觸控面板接觸的其他方式。觸控可以是故意的或無意中做的。在其他應用中，電容式觸控面板102可以被體現為計算機裝置的觸控板。在這種應用中，LCD 112無需與電容式觸控面板102是共同延伸的(或一起定位的)，但可以靠近定位，以被觸控電容式觸控面板102以控制計算裝置的用戶觀看。
再參照圖1，控制器電路104包括數位觸控系統120、處理器122、包括快閃儲存器124和讀寫儲存器126的儲存器、測試電路128以及時序電路130。在一種實施方式中，控制器電路104被實 現為包括數位邏輯和儲存器以及模擬功能的單個集成電路。其他實施方式可包括控制器電路104中的其他組件或功能框。
數位觸控子系統120包括觸控前端(TFE)132和觸控後端(TBE)134。此劃分並不是固定的或硬性的，而是可根據每個區塊執行的和被分配或考慮的前端或後端功能的高級別功能來變化。TFE 132進行操作，以檢測構成電容式觸控面板102的電容式傳感器的電容並且將高訊噪比(SNR)電容影像(或熱圖，heatmap)傳遞至TBE 134。TBE 134從TFE 132獲取此電容熱圖並且區別、分類、定位以及跟蹤觸控電容式觸控面板102的物體(多個物體)並且將此訊息報告回主處理器106。例如，TFE 132和TBE 134可如根據任何具體設計要求所期望的被劃分在硬體和軟體或軔體中。在一種實施方式中，TFE 132將大部分以硬體組件實現並且TBE 134中的一部分或全部功能可通過處理器122來實現。
處理器122響應於被儲存在儲存器中的資料和指令來進行操作以控制控制器電路104的操作。在一種實施方式中，例如，處理器122是如可從ARM Holding獲得的ARM處理器中實現的精簡指令集計算機(RISC)結構。處理器122從控制器電路104的其他組件接收資料並且將資料提供給該控制器電路的其他組件。處理器122響應於被儲存在快閃儲存器124和讀寫儲存器126中的資料和指令來進行操作並且在操作期間將資料寫至儲存器124、126。具體地，快閃儲存器124可儲存將被控制器電路104的任意功能區塊所使用的軔體資料和指令。這些資料和指令可為了隨後的使用而在製造控制器104時被編程，或者可在製造之後被更新或編程。
時序電路130產生被控制器電路104的其他組件使用的時序訊號以及模擬、時變訊號。時序訊號包括用於使諸如處理器122的數位組件同步的數位時序訊號。時變訊號包括用於驅動電容式觸控面板102的具有預定頻率和幅度的訊號。在這一點上，時序 電路130可在控制下或響應於諸如處理器122或快閃性儲存器124的其他功能區塊進行操作。
圖3示出了通常的互電容(mutual capacitance)式觸控面板300的示圖。電容式觸控面板300模擬圖1和圖2的可攜式裝置的電容式觸控面板102。電容式觸控面板300具有Nrow行和Ncol列(圖3中Nrow=4，Ncol=5)。電容式觸控面板300在Nrow行和Ncol列之間創建Nrow×Ncol個互電容器。由於它們創建了控制器電路104用以創建通常的電容熱圖的電容節點的自然柵格，所以存在控制器104通常用以感測觸控的互電容。然而，值得注意的是，一共存在(Nrow+Ncol)個節點，或者，如果正觸控的手指和觸控筆和電容式觸控面板300中的地節點被包括，則為(Nrow+Ncol+2)個節點。在電容式觸控面板300中，電容存在於每對節點之間。
激發模式
電容式觸控面板300可以以幾種不同的方式被激發。電容式觸控面板300被激發的方式影響在面板內的哪個互電容被測量。在下面詳述操作模式的列表。應當注意，下面定義的模式僅描述其中TFE 132激發面板的方式。
行列(RC)模式是互電容式傳感器的第一操作模式。在RC模式中，行通過發送(TX)波形而被驅動，而列被連接至TFE 132的接收(RX)通道。因此，行與列之間的互電容器被檢測，產生出標準的Nrow×Ncol電容熱圖。在圖3中所示的實例中，RC模式對標記為Cr<i>，C<j>的電容器進行測量，其中，<i>和<j>分別是行和列的整數索引。通常，在支持行列(CR)模式中不存在增加的值，(例如，驅動列並且感測行)，由於其產生了與RC模式一樣的結果。
自電容列(SC)模式是可被控制器102支持的自電容(self-capacitance)模式。在SC模式中，一個或多個列被同時驅 動並被感測。結果，可檢測被連接至被驅動列的所有結構的總電容。
在列傾聽(CL：column-listening)模式中，RX通道被連接至電容式觸控面板102的列並且發送器被斷開。電容式觸控面板102的行將被短路至低阻抗節點(例如，AC地)，或者保持浮置(例如，高阻抗)。此模式被用於傾聽面板列上存在的噪音和干擾。為了確定要使用的適當訊號頻率和最佳的干擾濾波器結構，RX通道的輸出將被送至頻譜估測區塊(例如，FFT區塊)，稍後將詳述。
時序術語
為了理解通過其在TFE 132內產生結果的各種時間尺度而引入了某些術語。TFE 132通常掃描電容式觸控面板102的所有期望節點(例如，所有節點，或所有節點的某些特定或相關子集)來產生電容熱圖。此處理可被稱為幀掃描；幀掃描可在被稱為幀速率的速率下進行。幀速率是可伸縮的。一種示例性幀速率包括針對單個觸控並且面板尺寸在大小上小於或等於5英寸的幀速率250 Hz。第二種示例性幀速率包括針對單個觸控並且面板尺寸大於5.0英寸的200 Hz。第三種幀速率是針對10個觸控並且面板尺寸10.1英寸的最小值120 Hz。優選地，控制器104可支持所有這些幀速率，並且該幀速率可被構造成最優化給定應用的性能和功耗的折中。術語掃描速率可與術語幀速率交替使用。
控制器電路104可通過採取多個步驟的掃描來組成完整的幀掃描。品質上來說，每一步進式掃描可引起來自接收器的一組電容讀取，儘管並不是在所有情況中都嚴格如此。控制器電路104可以以相同或不同的步驟速率執行每一步的掃描。對於行/列(RC)掃描，其中，發送器被連接至行，而接收機被連接至列，將採用Nrow步進式掃描以創建全部幀掃描。假定具有尺寸40行×30列的平板尺寸的電容式觸控面板102，步驟速率至少是8 kHz以達到200 Hz幀速率。
對於所有的互電容掃描模式，觸控事件造成所測量的互電容的降低。TFE 132所創建的電容熱圖將與所測量的電容成正比。因此，在這些掃描模式中的觸控事件將導致電容熱圖上的降低。對於所有自電容掃描模式，觸控事件造成所測量的電容的增加。TFE 132所創建的電容熱圖將與所測量的電容成正比。因此，在這些掃描模式中的觸控事件將造成電容熱圖上的局部增加。
現在參照圖4，其示出了圖1的觸控前端(TFE)132的框圖。在所示出的實施方式中，AFE 132包括48個物理發送通道和32個物理接收通道。另外，AFE 132的某些實施方式可包含諸如功率調節電路、偏壓產生電路以及時序產生電路的電路。為了避免使所畫示圖過度擁擠，在圖4中未示出這些各式電路。
TFE 132包括發送通道402、波形產生區塊404、接收通道406以及I/Q掃描資料路徑408。發送通道402和接收通道406可合稱為模擬前端(AFE)400。TFE 132還包括用於來自I/Q掃描資料路徑的同相結果(in-phase result)的接收資料交叉多工器410、差分結合器412以及同相通道組合區塊414。類似地，TFE 132包括用於正交結果(quadrature result)的接收資料交叉多工器416、差分結合器418以及同相通道組合區塊420。同相結果和正交結果在I/Q結合器422中結合。資料的絕對值被提供至行列正規器424，之後被提供至觸控後端(TBE)134。類似地，將來自I/Q結合器422的熱圖相位訊息也提供至TBE 134。
TFE 132還包括掃描控制器426、讀取控制交叉多工器428以及發送控制交叉多工器430。此外，TFE 132包括如在下面進一步詳細描述的掃描控制器426。頻譜估測處理器向TBE 134提供頻譜估測。掃描控制器426接收來自TBE 134的高準位控制訊號，以控制哪一列被提供了發送訊號以及哪一行被感測。
接收資料交叉多工器410、416和接收控制交叉多工器428一起形成了接收交叉多工器。這兩個多工器通過重映射其控制輸入 和資料輸出二者來邏輯上重映射物理接收TFE通道。這樣，路由至兩個多工器的控制訊號會是相同的，正如通過接收資料多工器410、416以及接收控制多工器428執行的重映射必須是相同的。
接收資料交叉多工器410、416位於I/Q掃描資料路徑408的輸出與熱圖組合區塊414、420之間。接收資料交叉多工器410、416的目的是使能接收通道的邏輯重映射(remap)。這又允許諸如插腳或球(其將包括控制器104的集成電路連接至可攜式裝置100的其他電路組件)的電連接器的邏輯重映射。這又在將印刷電路板從包括控制器104的集成電路路由至電容式觸控面板102的期間提供更大的靈活性。
由於I/Q掃描資料路徑408輸出綜合的結果，所以接收交叉多工器可能夠路由掃描資料路徑輸出的I和Q通道。這可以通過將兩個分開的並且相同的交叉多工器410、416實例化來容易地實現。這兩個多工器將共享相同的控制輸入。
接收控制交叉多工器428位於掃描控制器426與AFE 400之間。其被用於重映射進入AFE 400的每通道接收控制輸入。接收控制交叉多工器428的結構可以與接收資料交叉多工器410、416相同。
由於Rx Ctrl交叉與Rx Data交叉結合使用以邏輯重映射RX通道，其可與Rx資料交叉結合編程。接收控制多工器428與接收資料交叉多工器410、416的編程是不相同的。而是，編程可被構造成使得在一個多工器中實現的對控制器通道映射相同的AFE在另一個中被實施。
為了創建電容熱圖，掃描控制器426形成便於電容式觸控面板102的掃描和輸出資料的處理的中心控制器。掃描控制器426響應於來自TBE 134的控制訊號進行操作。
掃描控制器操作模式
掃描控制器426可支持許多種不同的模式。在下面列出每種模式的簡略描述。除了下面指出的幾個例外，模式之間的切換通常在處理器122的請求下執行(圖1)。
主動掃描(active scan)模式被作為操作的標準模式，其中，為了測量電容熱圖，控制器104主動掃描電容式觸控面板102。不論利用哪種形式的面板掃描，為了完成單個幀掃描，掃描控制器426通過一系列的步進式掃描(step scan，步進式掃描)步進。
在單幀模式中，控制器在處理器122的請求下發起一個單幀掃描。在掃描完成之後，電容熱圖資料被提供至處理器122，並且掃描控制器426暫停進一步的操作直至接收到來自處理器426的其他指令。這種模式在晶片調試期間尤其有用。
在單步模式中，控制器在處理器122的請求下發起一個單個步進式掃描。在掃描完成之後，掃描資料路徑408的輸出被提供至處理器122，並且掃描控制器426暫停進一步的操作直至接收到來自處理器122的其他指令。此模式在晶片測試和調試期間尤其有用。
閒置掃描模式是為了在較低性能模式中運行控制器104而由處理器122發起的一種模式。通常，當控制器122並沒有檢測電容式觸控面板102的螢幕上的主動觸控，但仍想適當快速響應於新接觸時將選擇此模式。因此，控制器122仍是主動的並且能夠處理由TFE 132產生的熱圖資料。
主動掃描模式與閒置掃描模式之間的主要差別是兩方面。首先，閒置掃描模式中的幀速率將通常低於主動掃描模式中所使用的。為了在閒置掃描期間降低控制器104的總功耗，將使用AFE 400的占空週期(duty cycling)和其他功率降低模式。第二，用於產生單個幀掃描的時間長度在閒置掃描模式中可比在主動掃描模式中更短。這可以通過縮短步進式掃描的持續時間或通過每個 幀執行更少的步進式掃描來實現。降低總的幀掃描時間可進一步降低功率，代價是降低的電容熱圖訊噪比(SNR)。
頻譜估測模式用於測量耦合進接收通道的干擾和噪音頻譜。此測量然後被處理器122分析以確定適當的發送頻率並計算掃描資料路徑408內的濾波器的最優濾波係數。此模式通常與列傾聽模式一起使用。
在頻譜估測模式中，圖4中的TFE 132的多數區塊被禁用。可使用掃描控制器426、AFE 400以及頻譜估測(預)處理器432。AFE 400的發送通道402被降低功率，而AFE 400的接收通道406記錄耦合進電容式觸控面板102的背景噪音和干擾訊號。來自AFE 400的所有通道的接收資料被路由至對此資料執行數學處理的頻譜估測預處理器432。頻譜估測預處理器432的輸出將是16位結果的N點向量，其中，N約為200。頻譜估測處理器432的輸出被交給處理器122，用於進一步的分析以及要使用的適當傳輸頻率的確定。在下面更詳細的描述此處理。
除了上面描述的功能模式，控制器104可具有一組睡眠模式，其中，控制器104中的各種功能區塊被禁用和/或完全無功率。
幀掃描包括一系列的步進式掃描。在給定的幀掃描內，每個步進式掃描的結構可以彼此相同；然而，控制資料的準確值在步進式掃描之間變化。此外，給定幀掃描操作可通過構造參數來確定並且受或者不受通過接收通道測量的資料值的影響。在下面示出控制器電路104可實現的幀掃描邏輯的一個實例。
//初始化 Set DDFS parameters; Clear heatmap_memory; //步進式掃描循環 For step_idx = 1 to num_step_scans { //根據step_idx構造電路 Set scan_datapath_control to scan_datapath_parameters[step_idx]; Assert Rx_reset and wait TBD clock cycles; Set AFE_control_inputs to AFE_parameters[step_idx]; Deassert Rx_reset and wait TBD clock cycles; //運行步進式掃描並收集資料 Send start signal to DDFS and scan data path; Wait for TBD clock cycles for step scan to complete; Pass datapath_results[step_idx] to heatmap assembly block //遞增熱圖處理 } // step_idx loop
下面更詳細的描述遞增熱圖處理操作。
多發送支持及面板的區塊激發
為了在電容熱圖中實現改善的SNR，控制器電路104為電容式控制面板102的多發送(多Tx)激發提供支持。多Tx激發(或多Tx)意味著，在每個步進式掃描期間，通過發送(Tx)訊號或Tx訊號的極性反轉版本同時激發面板的多個行。可通過AFE 400中的控制暫存器來控制被激發的行的數量和極性。在多Tx期間被同時激發的行的數量被定義為參數Nmulti。Nmulti在給定幀內的各步驟之間以及在幀之間可以是常數。
如果在一個步進式掃描期間同時激發Nmulti個行，則至少要用Nmulti個步進式掃描來解決被激發的所有畫素電容。在一個掃描步驟期間，每個接收器具有Nmulti個被激發的電容。因此，存在Nmulti個未知電容，需要至少Nmulti次測量以解決這些值。在這些Nmulti個步驟中的每一個中，將通過一組Hadamard序列來調製Tx行的 極性控制。一旦這組Nmulti(或更多)個步進式掃描完成，則會以相同的方式激發下一組Nmulti個行，因為在電容式觸控面板102中Nmulti幾乎總是少於實際行的數量。
以這種方式，整個電容式觸控面板102的處理成區塊發生，其中，在一批步進式掃描期間解決Nmulti行畫素，然後在下一批步進式掃描期間解決下一個Nmulti行畫素，直到所有的面板行被完全解決。
在多數情形中，面板行的數量不正好是Nmulti的倍數。在這些情況中，在行的最後區塊的期間掃描的行的數量將少於Nmulti。然而，可利用特定的非正方Hadamard矩陣對這些剩餘的行執行Nmulti個掃描步驟。
差分掃描模式
差分掃描模式是對正常掃描模式的增強，藉此修改了幀掃描模式以開發跨相鄰接收通道接收的干擾訊號的相關性。在此模式中，執行正常幀掃描技術；然而，用於組合單個幀的步進式掃描的數量被加倍。概念上講，在掃描序列中的每個步進式掃描變成兩個步進式掃描：第一個是利用AFE控制暫存器的默認值的單端或正常步進式掃描，而第二個是差分步進式掃描。
給定NRX個接收通道，差分掃描模式在每一個集合的掃描步驟產生總共2NRX個接收器測量(例如，NRX個單端測量和NRX個差分測量)。在圖4中所示的差分結合區塊412、418中，這些2NRX個測量被重組並且分解成NRX個正常測量。
圖5和圖6示出了非對稱掃描圖500和600的實例。
圖7示出了模擬前端的高級結構700。結構700包括將訊號提供至電容式觸控面板102的列的發送通道702和感測來自電容式觸控面板102的訊號的接收通道704。發送通道702包括類比數位位類比轉換器706、極性控制電路708以及緩衝器710。接收通道704包括前置放大器712和類比數位轉換器714。
所有的發送通道可通過在圖7中標注為TxDAC的共用發送資料訊號來驅動。每個物理發送通道還可接收標注為TxDacClk的公共發送類比數位位類比轉換器時序訊號以驅動發送類比數位位類比轉換器706。時序訊號將直接來自TFE 132內的頻率鎖定環區塊，並且此時序訊號還將被路由至TFE 132的數位部分。
每個物理發送通道還可具有適當控制發送通道的各種參數的其自己的一組通道專用TxCtrl位元，諸如，使能/禁用、極性控制以及增益/相位控制。這些TxCtrl位元並不以TxDacClk速率被更新，而是在幀掃描操作期間在後續步進式掃描之間被更新。
控制訊號控制48個發送通道中的每一個的發送極性。如在下面將更詳細描述的，發送輸出的極性可在正交系列中被調製，其中在幀掃描期間的每個掃描步驟期間每個發送輸出具有固定的極性。
所有接收通道將接收一組公共時序訊號。這些時序訊號直接提供自TFE 132內的頻率鎖定環區塊，並且此時序訊號還被路由至TFE 132的數位部分。被路由至RX通道的時序訊號包括驅動RxADC的訊號RxADCClk。此訊號的通常頻率是48 MHz。
每個物理接收通道也將具有適當控制接收通道的各種參數(諸如使能/禁用以及增益控制)的其自己的一組通道專用接收控制位元(在圖7中標記為RxCtrl)。這些接收控制位元在幀掃描操作期間的後續步進式掃描之間被更新。
另外，可存在共用的一組控制設定，在圖7中被標注為RxCtrlUniv，其將同時控制所有接收通道。這些暫存器主要由對於控制器104的給定實現方式將保持常數的通用控制位元組成。
還存在一條或多條重置線，對所有重置通道公共地標記為RxReset。這些重置線可以以可重複的方式在每個掃描步驟之前被聲明(assert)。
波形產生
圖4中的波形產生區塊(WGB)404產生用於TX通道402的發送波形。WGB 404產生數位正弦波。另外，WGB 404可產生其他簡單的週期波形；諸如，具有可編程的上升和下降次數的沿的方波。
WGB 404的主要輸出是對發送通道402的資料輸入，在圖4中被標注為TxDAC。WGB 404接收圖4中被標注為TxDacClk的時序訊號以及被標注為Start訊號作為輸入訊號。一旦接收到來自掃描控制器426的Start訊號，WGB 404開始產生用於單個步進式掃描的持續時間的數位波形。在步進式掃描結束時，WGB 404停止操作並且等待來自掃描控制器426的下一開始訊號。
WGB 404可具有一定量的幅度控制。但WGB 404將通常被操作在最大輸出幅度。因此，下面列出的性能要求僅需在最大輸出幅度時符合。所有訊號輸出可以是以兩個互補的形式。WGB 404還可提供用於掃描資料路徑408和頻譜估計預處理器432的任意正弦/餘弦計算能力。
下面的列表列出了WGB 404的通常性能
在圖4中，差分組合區塊412、410提供了以差分模式操作的能力，其中，接收通道406在單端測量與差分測量之間交替步進式掃描。差分組合區塊412、418的目的是將NRX個單端測量和(NRX-1)個差分測量結合成在隨後的熱圖組合區塊414、420中使用的單組NRX個最終訊號。
差分組合區塊412、418類似於空間濾波器。假設向量c是要估計的電容的NRX×1向量。在差分模式中，可具有單端測量的向量s和差分測量的向量d。因此，通過最佳地重組s和d可找到c的被稱為cest的估計值。確定最佳的重組要求大量的計算，但仿真已示出，下面的重組方案工作在操作條件的期望範圍上的最佳性能的約0.5dB內：c est,n =a 1．s n-2+a 2．s n-1+a 3．s n +a 2．s n+1+a 1．s n+2+b 1．d n-1+b 2．d n -b 2．d n+1-b 1．d n+2
其中，下標n表示來自第n個接收器通道的結果，並且0 n NRX-1。
此外，係數受到下式約束： 0 a 1,a 2,a 3 1
a 3=1-2a 1-2a 2
b 1=a 1
b 2=a 1+a 2
給定這些限制，可發現，上面列出的數學操作可被分解成兩個乘法操作：c est,n =s n + a1．(s n-2-2s n +s n+2+d n-1+d n -d n+1-d n+2)+a 2．(s n-1-2s n +s n+1+d n -d n+1)
上面的等式假設資料存在以用於第n個接收器的任一側上的2個接收器(例如，2nNRX-3)。因此，對於任一側上的兩個外邊緣接收通道可變形上面的等式。該變形非常簡單。首先，用存在的最近相鄰的sj項代替任一不存在的sk項。第二，用0代替任一不存在的dk項。把這些規則放在一起並且以矩陣形式表示該數學式，得到：
最後，{a1,a2,a3,b1,b2}的最佳值取決於準確的噪音和干擾環境，已發現，這些參數的下列值在操作環境的期望範圍的最佳性能附近操作。
上面的參數b1和b2取決於另一參數kADC。新參數kADC取決於在差分測量步驟期間使用的接收通道類比數位轉換器增益(Rx_AdcGain)的值，如在下面的表中所描述的。
這些係數a和b應通過諸如是控制器104的一部分的軔體的控制源可編程，但默認值應是在上面列出的那些。下面的表指示每個系統的建議位元寬度：
熱圖組合區塊(HAB)414、420獲取來自掃描資料路徑408或差分結合器412、418(如果使用的話)的步進式掃描輸出，並且組合成作為幀掃描操作的主要輸出的完整電容熱圖。為了這樣做，可以以適當的方式數學結合所有的步進式掃描輸出，以創建電容式觸控面板102中的各個電容畫素的電容值的評價。
如圖4中所示，存在HAB的兩個分開的並且相同的示例。第一HAB 414用於I通道資料，第二HAB 420用於Q通道資料。每個HAB 414、418針對I通道或Q通道資料中的任一個操作，以創建I通道或Q通道電容熱圖。
為了示出可應用於熱圖組合的數學式，在圖8中示出了4×5電容式觸控面板800的實例。在此實例中，僅分析列1中的電容畫素，但可將相同的原理容易地擴展至實例電容式觸控面板800中的五列中的每一列。具體地，接收列j的輸出僅受列j中的電容畫素的影響。
實例電容式觸控面板800包括觸控面板802、發送數位類比轉換器(TxDAC)804、發送緩衝器806、808、810、812以及接收類比數位轉換器814。發送緩衝器806、808、810、812分別具有相關聯的多工器816、818、820、822。多工器816、818、820、822進行操作以使從TxDAC施加的訊號乘以+1或-1。
在圖8的實例中，單個TxDAC波形被發送至所有四個發送緩衝器806、808、810、812。然而，每個緩衝器將此波形在其被發送到觸控面板802的列上之前乘以+1或-1。對於給定的步進式掃描(通過下標“step_idx”指示)，Hi、step_idx中的每個值保持為常數。但是對於在掃描序列中的後續步進式掃描，這些值可變化。 因此，在給定的步驟索引，第m個Rx通道處接收的電壓是：
其中，VTX是發送訊號的幅度，RxGainm是接收通道m的增益。為了簡化分析，這兩個參數假定等於1並且在後面的計算中被忽略。
如通過上面的等式看出的，Vstep_idx,m基於NumRow(例如，4)，未知值Cn,m，其中在此實例中n=0至3。因此，如果利用被應用於四個發送緩衝器806、808、810、812的四個獨立H序列來執行四個獨立步進式掃描，則為了根據V估計C值，V和C之間的關係可反過來。以矩陣形式，這可書寫為：V m =H．C m
在此公式中，列向量Cm表示在電容式觸控面板的第m列中的電容畫素的電容。H是NumSteps×NumRows(步驟數×行數)矩陣，其中H矩陣的第n列表示被施加於第n發送行的乘法序列(倍數序列)。Vm是列向量，其中矩陣中的第n個條目是輸出第m RX通道的第n步進式掃描輸出。
在本申請中，H是特殊形式矩陣，被稱為變形的Hadamard矩陣。這些矩陣具有如下性質：H T ．H=NumSteps．I
其中，I是行數×行數(NumRows×NumRows)的單位矩陣，而HT是H的轉置矩陣。
給定上面的公式以及H矩陣的特性，從Cm至Vm的關係可被反轉以從Vm測量值提取出Cm的值。利用上面定義的術語：
在上面的實例中，面板具有四行並且步驟數的值(等於Nmulti)也被設定為4。因此，在每個步進式掃描期間所有面板行被激發。通常，面板行的數量將大於Nmulti的值。在那種情況下，面板激發被分解成區塊。在每個區塊的Nmulti個步進式掃描中，通過上面描述的Hadamard極性序列來激發Nmulti個相鄰行。
熱圖組合區塊414、420獨立地針對每個區塊的Nmulti個掃描工作，以創建完整的熱圖輸出。例如，如果存在十二個面板行並且Nmulti被設定為4，則第一個四步進式掃描將用於激發並且組合電容熱圖的第一個四行；下一個四步進式掃描將用於第五至第八面板行；最後一個四步進式掃描將用於第九至第十二行。因此，對於Nmulti行的每個區塊，熱圖組合區塊以與上面定義的嚴格相同的方式進行操作。然而，HAB 414、420的輸出被映射至完整電容熱圖中的後續行。
熱圖組合區塊414、420能夠組合32列寬的熱圖，正如在一種實施方式中實現的總共32個接收器通道。然而，在許多情況中，所使用的電容式觸控面板將不具有32列，因此並不使用所有的32個接收通道。
非對稱面板掃描的數學擴展
如上所述，控制器104優選地具有執行非對稱面板掃描的能力，其中，支持控制器104的操作的軔體具有定義每一行要被掃描的次數的能力。假設上面概述的用於非對稱面板掃描的公式，為了支持此特徵而對熱圖組合操作的改變是最小的。
如上所述，在Nmulti行的區塊中組合熱圖。在非對稱掃描中，Nmulti可逐個區塊不同。因此，下面的舊等式仍有效：
然而，通過非對稱掃描，C、V以及H的維度以及步驟數(NumSteps)的值逐個區塊變化。
圖4中示出的I/Q結合器422用於將I和Q通道熱圖結合成單個熱圖。I/Q結合器422的主要輸出是幅度的熱圖(例如，Sqrt[I2+Q2])。這是被提供至觸控後端134的熱圖。
圖4中示出的行/列正規器424在面板響應中被用於校準出任意獨立於行(row-dependent)或獨立於列(column-dependent)的變化。行/列正規器424具有兩個靜態控制輸入向量，被標示為RowFac和ColFac。RowFac是Nrow×1向量，其中每一項是無符號數1.4(例如，LSB=1/16。範圍是從0至31/16)。ColFac是Ncol×1向量，其中每一項具有與RowFac相同的維度。
如果對行/列正規器區塊的輸入資料被標注為HeatmapIn(m,n)，其中，m是行索引並且n是列索引，則區塊的輸出應是：HeatmapOut(m,n)=HeatmapIn(m,n)．RowFac(m)．ColFac(n)
在一種實施方式中，控制器104具有允許通過OTP位元或通過軔體配置文件來定義RowFac和ColFac的能力。如果製造流程允許按模區塊校準，則將使用OTP設置，從而使能了逐個面板調諧控制器104的能力。如果RowFac和ColFac僅能按平臺調諧，則取而代之使用來自軔體配置文件的設置。
頻譜估測
頻譜估測預處理器432進行操作以確定耦合進接收通道406的干擾的背景級別，從而控制器104可適當地選擇相對安靜或無干擾的發送頻率。
頻譜估測預處理器432通常僅用於SEM模式期間，因此其不是標準面板掃描方法的一部分。而是，當條件指示應調用SEM時將使用頻譜估測預處理器432。在其他時間，可使頻譜估測預處理器432斷電。
基線跟蹤和去除濾波器(Baseline tracking and removal filter)
當所測量的電容畫素(或畫素組)的電容在足夠短的時間段內改變了足夠大的量時，應報告觸控事件。然而，由於溫度、濕度或漂移因素引起的緩慢環境偏移，畫素(或畫素組)的絕對電容實質上可以以慢得多的速率變化。為了將畫素電容的由於觸控事件的變化與由於環境漂移的變化區分開，基線跟蹤濾波器可被實現為跟蹤基線上的變化(例如，電容的非觸控的或周圍的值)，從輸入電容簡單地減去基線電容將得到電容的由於觸控事件的變化。
圖9示出了基線跟蹤濾波器900。濾波器900包括低通濾波器(LPF)902、抽取濾波器(decimator)904以及結合器906。至濾波器900的輸入訊號被提供至結合器906和抽取濾波器904。抽取濾波器的輸出訊號被提供至LPF 902的輸入。LPF 902的輸出與輸入訊號在結合器906處結合。LPF 902具有用於控制濾波器900的操作的使能輸入。
基線跟蹤濾波器900中的LPF 902被用於改善基線電容值的估測。一種實施方式使用長度為N的簡單有限脈衝響應(FIR)移動平均濾波器(還稱為梳狀濾波器)，諸如：
另一實施方式，一種1階(1-tap)無限脈衝響應(IIR)濾波器，還稱為改進的移動平均，具有響應：
濾波器902的FIR實施方式可在啟動以及基線值的重校準時被使用，這是因為其能快速地獲得並跟蹤基線值。一旦要求初始基線值則應使用濾波器902的IIR實施方式，這是因為其是一種用以實現低通濾波器的非常有計算效率的手段，尤其是在k被選為是2的冪(乘冪)的情況下。通過增加k的值，可將濾波器的訊號頻寬變化設定成計算複雜性具有最小增加的任意小值。
濾波器900具有兩個輸出，標注為圖9中的“輸出”和“基線”。“基線”輸出是被掃描的特定面板畫素的電流基線(周圍的或未觸控的)電容的估計，“輸出”輸出是電容測量的基線修正值。“輸出”值是在後續觸控檢測邏輯中應被使用的。
圖9中的LPF 902具有被標注為“使能”的輸入以接收使能訊號，以在檢測潛在觸控事件時關斷LPF 902。提供此，使得基線輸出不會由於假的資料(更可能來自觸控事件)而劣化。如果使能訊號是低，LPF 902將保持其原來的輸出而不會用進來的資料更新其輸出，有效地忽略進來的資料。一旦使能訊號為高，LPF 902將持續用進來的資料更新其輸出。在下面的等式中詳述用於產生使能訊號的邏輯：Enable=(Out PosLPFThresh)& &(Out NegLPFThresh)
其中，PosLPFThresh和NegLPFThresh是配置參數。
在互電容掃描模式中，其中，觸控事件造成輸入資料的降低，NegLPFThresh應被設定為k T *TouchThresh，其中，0<k T <1且TouchThresh是下面定義的觸控檢測臨界值。
可編程更新速率
多數基線漂移現象的時間尺度比觸控面板掃描的幀速率慢得多。例如，被觀察的基線漂移裝置具有1小時以上的級別的時間尺度，而電流裝置的幀速率可以為200幀/秒的級別。因此，為了減少基線跟蹤的計算，控制器電路104應具有縮放基線跟蹤濾波器900的更新速率的能力。該裝置可通過利用抽取濾波器904以 抽取(decimate)被送至濾波器900的資料來這樣做，使得濾波器900僅對熱圖資料的每個N_BTF_decimate幀進行操作，其中N_BTF_decimate是可編程參數。因此，圖9中的基線資料將以此更低速率被更新。然而，必須針對每個幀來計算基線校正輸出資料(圖9中的“輸出”)。
當調用頻譜估測模式(SEM)時，需要特別關注基線跟蹤。SEM會造成邏輯前端上的配置變化，其又會改變觸控前端的傳遞函數(例如，從電容值到代碼)上的增益。這又會造成發生電容熱圖上的突然變化，其會被偶然解釋為觸控或反觸控事件。
當基線校正輸出表現出明顯的負向偏移時檢測觸控事件。在此輸出上的偏移可大於被稱為TouchThresh的可編程參數。此外，由於控制器電路104會以200 Hz以上掃描面板並且人手指或金屬觸控筆以慢得多的時間尺度移動，所以還應包括被稱為TouchDebounce的反跳的可編程量。因此，在識別觸控之前，基線濾波器的輸出可比TouchThresh更負達至少TouchDebounce幀。很可能TouchDebounce將是一個小值，從而總的觸控響應時間快於10 ms。
熱噪音估測
為了在檢測處理期間適當地限定觸控點的臨界值，觸控後端134要求估測電容式觸控面板102中的噪音水平。可通過觀察如圖10中所示的基線跟蹤濾波器的輸出處的噪音來檢測噪音水平。圖10示出了與圖9的基線跟蹤濾波器900結合的第一變化估測器1000。在圖10中，基線跟蹤濾波器900具有被耦合至變化估測器1000的輸入的“輸出”輸出。變化估測器1000包括抽取濾波器1002、訊號平方器1004以及低通濾波器1006。在此實施方式中的變化估測器1000僅是均方估測器，因為基線跟蹤濾波器900的輸出是零平均(zero-mean)。因此，均方等於該變化。
為了降低變化估測器900的計算需求，進入變化估測器的資料可通過因子N_VAR_decimate在抽取濾波器中被抽取。變化估測器1000中的低通濾波器1006可以是梳狀濾波器或改進的移動平均濾波器。濾波器1006的響應長度可以是可編程參數，在多達100以上個幀上平均資料。為了降低儲存器需求，MMA濾波器是優選的。
正如基線跟蹤濾波器900，變化估測器1000中的LPF 1006具有用於使能訊號的輸入。當所關注的畫素被接觸時使能訊號是低。另外，變化估測將被觸控訊號破壞。當使能訊號低時，LPF 1006應保持狀態，有效地忽略進入變化估測器1000的資料。
變化估測器100的輸出是電容式觸控面板102中的一個單個畫素的變化。因此，這提供了面板中的每個畫素的獨立變化估測。為了獲得面板102上的變化的估測，控制電路104可在整個幀對按畫素的變化進行平均。
可選地，如果僅需要單個的按幀變化估測，控制器電路104可採取圖10中所示的方法。圖11示出了與圖9的基線跟蹤濾波器900結合的第二變化估測器1100。在圖11中，在圖的左邊，所有的按畫素基線跟蹤濾波器被分組為基線跟蹤濾波器900。來自基線跟蹤濾波器900的所有基線校正輸出被傳輸至變化估測器1100。
就像圖15的變化估測器1500，變化估測器1600包括抽取濾波器1602、訊號平方器1608、求和器1604以及低通濾波器1606。變化估測器1600通過在求和器1604中在整個幀對基線校正輸出求和來將基線跟蹤濾波器900的輸出結合成單個值。此平均值之後被傳遞至由訊號平方器1608和低通濾波器1606形成的上述的相同平方濾波估測器。假定畫素之間噪音無關聯，則變化估測器1600的輸出等於通過圖4中的區塊圖所報告的所有畫素變化的總和。為了產生整個面板的平均畫素變化，此結果可除以電容式觸 控面板102中的畫素總數。為了產生噪音的標准偏差的估測，控制器電路104可對該變化取平方根。
快速觸控檢測
在互電容式觸控系統(諸如，被圖1的可攜式裝置100使用的)中，需要對觸控進行快速系統響應。還可要求快速響應為短的延時(latency)。為了改善用戶體驗和方便性，要求快速響應。更快響應的觸控目標裝置消除了使用受挫和混亂的根源，並且開啟了可攜式裝置100與不同應用一起操作。例如，如果可攜式裝置具有低的延時並且足夠迅速地響應於用戶觸控以適當地參與遊戲，則要求來自用戶的快速交互的遊戲應用就會變得可能。下一代電容式觸控面板必須具有降低的觸控響應時間。
同時，要求低的系統功率消耗。可攜式裝置100由電池114供電。為了用戶的方便，長的電池壽命或對電池再充電之間的更長的時間是非常優選的。為了延長電池壽命，在形成可攜式裝置的電路中使電流消耗最小化。降低電流消耗的一種方式是降低功率或使目前不使用的電路或組件無效。這種電路或組件可在要求使用時被供電或被使能。觸控面板僅間歇地被用戶激發。這樣，電容式觸控面板及諸如控制器電路的其相關的組件是用於通過停止供電或減少主動時間來降低功率消耗的好候選。
一種用以降低系統功率的已知的和通常使用的方法是降低控制器電路掃描面板並且形成電容熱圖的幀速率。這可通過感測何時不存在活動並且減慢掃描速率來進行。當在觸控面板的表面檢測到新活動時，控制器電路通過將幀速率增加至充分地感測新活動來進行響應。在活動停止之後，可再次降低幀速率。
然而，降低幀速率直接影響控制器電路能響應於觸控事件的速度。如果控制器電路已減慢了其可響應於觸控的速率，則在觸控事件被實際檢測之前存在附加的延遲，幀速率被歸一化並且恢復正常的處理。因此，用於在提供快速的觸控響應的同時降低系 統功率的傳統方法已是相矛盾的。所需要的是通過解除無活動功耗和觸控響應時間的聯繫來解決該問題的解決方案。
因此，控制器電路104(圖1)提供了觸控檢測(TD)操作模式。TD模式是能檢測碰到電容式觸控面板上的觸控存在或不存在但是卻不能定位電容式觸控面板上的觸控的位置或多個位置的性能降低模式。當不存在活動時，觸控控制器電路104轉變成TD模式以節省功率。而在TD模式中，觸控控制器電路104將週期性地執行觸控檢測掃描而不是執行整個面板掃描。在TD模式中的掃描會非常快速地執行，從而占空週期可被用於降低功率，同時仍保持固定的幀速率。觸控控制器電路104自動地檢測是否存在觸控，如果不存在時間足夠長的觸控，則自動轉換成TD模式。當在TD模式中時，一旦檢測到觸控則系統自動轉換回正常操作模式。
實施具有TD模式的控制器電路提供了更多的靈活性和粒度以在功率消耗與觸控響應時間之間進行平衡。當觸控控制器電路104轉換成TD模式時，觸控檢測掃描速率可被構造成獨立於正常的掃描速率。因此，可實現功率消耗與響應時間之間的精細控制。
圖12示出了用於圖1的可攜式裝置100的操作的觸控檢測模式的時序圖1200。時序圖1200示出了通過上述的觸控邏輯前端(TFE)400和觸控後端(TBE)134結合圖4的操作。從左至右看時序圖1200。
在時序圖1200的開始，控制器電路104處於觸控檢測模式。控制器電路104週期地或間歇地執行觸控檢測掃描，如在下面結合圖14詳細討論的。在第一掃描時間1202期間，由TFE執行觸控檢測掃描。在圖12中，示出了觸控檢測掃描的持續時間為300微秒。然而，該持續時間僅是示例性的。對於觸控檢測掃描可要求更長時間或更短時間。
在TFE進行的觸控檢測掃描後，在第二時段1204期間TBE處理掃描輸出。處理通常涉及資料處理以確定是否發生了觸控。 例如，TFE產生觸控面板的電容熱圖。從電容熱圖減去基線電容值以確定是否電容已明顯變化。如果已明顯變化，則檢測到觸控事件。在圖12中，將第一時段1202和第二時段1204示出為具有3微秒的時間長度。此時間僅是示例性的。
在時序圖1200中，在第二時段1204期間未檢測到觸控事件，從而在隨後的第三時段1206期間，控制器電路進入低功率閒置模式。在此模式中，任意不主動的電路都會被斷電以保存對裝置供電的電池中的電力。計數器可運作以對低功率閒置模式的持續時間進行計時。在圖12中，低功率閒置模式被示出為持續7微秒。此時間僅是示例性的。
在第三時段1206結束時，在時段1208期間控制器電路再次執行觸控檢測掃描。在該掃描之後，在時段1210期間，TBE處理掃描資料，然後在時段1212期間，控制器電路再次進入低功率模式。在圖12中，TD掃描、處理以及閒置模式的重複被示出為是週期性的。然而，這不是必須的，任何方便的時序設置可被用於滿足快速響應和低功率這兩個目的。
在時段1214，控制電路執行另一觸控檢測掃描。隨後，在時段1216，控制器電路執行熱圖資料的後端處理。然而，在時間1218，基於在在觸控掃描和處理期間測量的電容的變化而檢測到觸控。
觸控檢測掃描僅指示已發生了潛在觸控。觸控檢測掃描並不定位電容式觸控面板上的觸控。得不到畫素訊息並且得不到觸控的有效性的指示。潛在觸控可以是實際觸控，其可以是虛假的觸控，正如當面板被傳導性元件刷過時一樣，或者其可以是諸如通過用戶的幾個手指的多個觸控。觸控檢測掃描僅指示面板上的電容已明顯變化並且應被進一步研究。
因此，因為在時間1218檢測到觸控事件，所以在時間1220通過觸控前端執行全掃描(full scan，完整掃描)。在全掃描期間， 觸控面板的所有行和列被激發並且被感測，以驗證面板被實際觸控以及識別觸控或多個觸控的位置。在觸控檢測掃描之後，在時間1222期間，控制器電路後端處理熱圖資料以充分地分析電容式觸控面板的狀態。
圖13是示出圖1的可攜式裝置的操作的觸控檢測模式的流程圖。該方法在框1300開始。在框1302，觸控面板被劃分。基於面板尺寸(具體地，總行數)，面板被劃分用於掃描。在下面結合圖14描述掃描。優選地，觸控面板被劃分成行數大致相等的兩部分。通過發送器的數量來確定行。正如上面結合圖4的示例性實施方式所表明的，AFE 132包括48個物理發送通道和32個物理接收通道。沿觸控面板102的行佈置發送通道，沿面板102的列佈置接收通道。行和列的交叉點限定了面板102的畫素。其他構造可具有不同數量的行和列或者可將發送器與列以及接收器與行相關聯，但是可輕易擴展本文所掃描的原理。框1302的劃分可一次完成或者可通過支持控制器電路104操作的軔體來定義。
在框1304，執行全觸控檢測掃描。下面結合圖14更詳細地描述觸控檢測掃描。在進入觸控檢測掃描模式之前執行全掃描以獲得觸控檢測基線。基線或基線電容是觸控面板的標稱或非接觸電容的度量。其被觸控後端用來確定是否發生了觸控事件。通過觸控檢測掃描產生的電容熱圖與基線相比較，例如，通過從熱圖值逐個畫素地減去基線電容值。將基線值進行儲存用於後面的使用。
在框1306，控制器電路104進入閒置掃描模式。在此模式中，控制器電路104的不重要的電路、組件以及處理被斷電。操作所需的組件和處理(諸如計時器)保持被供電。可改善控制器104的性能的其他電路或處理也可保持被供電使得可在低功率操作與高性能之間進行折中。
在框1308，確定是否應執行觸控檢測。下面結合圖14描述掃描。可以以任意合適方式(諸如，通過設定定時器以倒計時預定 時間)進行框1308的確定。該時間可以是設定的時間或者可以根據設計或性能要求而變化。如果觸控檢測步進式掃描並不是應當的，則控制返回框1306並且控制器電路104保持在閒置模式。
在框1310，如果確定應執行觸控檢測掃描，則對觸控面板的所有部分執行步進式掃描。如上所述，如在框1302中那樣定義各部分。掃描操作的結果是限定觸控面板的電容熱圖的資料。
在框1312，從在框1310確定的熱圖減去基線值。如果沒有發生觸控事件，則框1314的減的結果將約為0。由於沒有觸控存在或其他變化，所以面板的電容將約是基線值。因此，在那種情況下，在框1314，控制器電路104確定未檢測到潛在觸控，控制返回框1306並且恢復觸控檢測閒置模式。
在另一方面，如果確定出已檢測到潛在觸控，則在框1316執行觸控面板的全掃描。如果在任意劃分的任意步進式掃描期間檢測到潛在觸控則這就會出現。或者如果在執行了觸控檢測例程的所有步進式掃描之後檢測到潛在觸控，則這就會出現。由於更快的響應通常是優選的，所以優選一檢測到潛在觸控就中斷觸控掃描並且開始全掃描。全掃描涉及激發觸控面板的所有行並且檢測在所有列中的響應。這產生了觸控面板的完整熱圖。
在框1318，對通過全掃描產生的熱影像進行處理。結果是確定在觸控面板的任意畫素所發生的任意觸控事件。以這種方式，潛在觸控事件可被證實為是實際觸控事件。此外，可精確地確定面板上的觸控事件的位置或多個位置。在框1320處理結束並且可進一步處理潛在觸控事件。
圖14示出了圖1的可攜式裝置的採樣掃描圖1402的觸控檢測掃描。圖14(a)和圖14(b)示出了用於第一示例性實施方式的觸控面板的步進式掃描。在圖14(a)和圖14(b)中，掃描圖具有偶數行。具體地，在此實例中，掃描圖具有8個行和5個列。
即使不能確定觸控的位置，但為了檢測任意觸控也將掃描圖進行劃分用於掃描。圖14(a)示出了針對掃描圖1402的第一步進式掃描的劃分。第一部分1404包括上面的四行。第二部分1406包括下面的四行。因此，第一部分1404和第二部分1406互補之處在於它們在一起包括掃描影像1402的所有行而無重疊或最小的重疊。在行與列的交叉處的每個畫素具有基線電容C0。在第一步進式掃描期間，第一部分1404的行通過由圖14(a)中的加號指示的第一訊號激發，而第二部分1406的行通過由圖14(a)中的減號指示的第二訊號激發。激發訊號可以是正弦波或方波。符號為加和符號為減的訊號是同步的，但是相位相反或具有180度的相移。 觸控發生的地方測量的電容是CT。第一訊號和第二訊號是互補的，使得如果不存在觸控電容，則每個列所得到的掃描訊號在值上將為零或接近零。這在圖14(a)的下部被指示，其中，每一列的無接觸或基線值1408被檢測為每一列的零值。由於+訊號的訊號值有效地抵消了-訊號的訊號值。
如果觸控發生在第一部分1404或第二部分1406的行中的一行中，則對於相關聯的列，電容將不同於基線值並且被檢測到。檢測值將被加入至基線值或從基線值減去，並且將檢測到此變化。將檢測到+CT或-CT的值，而不是基線值，其中CT是由於觸控而引起的電容變化。
然而，如果觸控發生在第一部分1404和第二部分1406二者中，則可能檢測不到電容變化。在圖14(a)中，觸控發生在被標記為CT的位置處、第一部分1404和第二部分1406二者之間的線上。當觸控面板通過第一部分1404的+訊號以及第二部分1406的-訊號被激發時，在各自部分上的電容的變化將被抵消，使得每一列所示的觸控值1410對於所有列總和為零。由於不存在相對於基線值1408的變化，所以將不能檢測到在圖14(a)中的位置處的觸控。
為了調和這種情況，通過如圖14(b)所示劃分的掃描圖1402來執行第二步進式掃描。基線值1412在圖14(b)的底部示出並且對於所有列都為零值。在圖14(b)中，第一部分1414包括頂部的兩行和底部的兩行。第二部分1406包括中間的四行。在第二步進式掃描期間，通過在圖14(b)中被標注為+的第一訊號來激發第一部分1414的行，而通過在圖14(b)中被標注為-的第二訊號來激發第二部分1416的行。在此掃描期間，在被標注為CT的位置處的觸控只在第二部分1416的行中。第一部分的行沒有受到觸控的影響。結果，除了觸控事件出現的列中之外，觸控值1418是零值。對於那一列，檢測值是-CT。
圖14(c)和圖14(d)示出了用於第二示例性觸控面板的步進式掃描。在圖14(c)和14(d)中，掃描圖1422具有奇數個行。具體地，在此實例中，掃描圖1422具有7行和5列。掃描圖1422被劃分成第一部分1424和第二部分1426。第一部分1424包括上面的四行。第二部分1426包括下面的三行。因此第一部分1424和第二部分1426互補之處在於它們在一起包括掃描影像1422的所有行而無重疊或最小的重疊。在此實例中，僅一個行重疊或對第一部分1424和第二部分1426二者是公共的。在第一步進式掃描期間，公共行被提供有+訊號，並且在第二步進式掃描期間，公共行被提供有-訊號。掃描影像1422的部分1424、1426的重疊確保了掃描圖上任意位置的觸控被檢測到，即使諸如在通過圖14(c)和14(d)中的標注CT指示的位置處的觸控。
掃描圖1422的基線值1428在圖14(c)和圖14(d)的底部被示出。對於圖14(c)，基線值對於所有列具有值C0。第一部分1424的四行通過+訊號來激發，第二部分1426的三行通過-訊號來激發，總和為如所示的+C0值。當在圖14(c)中的被標注為CT處發生觸控時，觸控值1430是不變的，使得不能相對於基線值檢測到觸控。
圖14(d)示出了第二步進式掃描的劃分。在圖14(d)中，第一部分1424包括上部的三行，而第二部分1426包括下部的四行。在第二步進式掃描期間，第一部分1424通過+訊號來激發，第二部分通過-訊號來激發。基線值1432在圖14(d)的底部示出並且均具有值-C0。在進行第二步進式掃描時，在圖14(d)中的在被標注為CT的位置處的觸控產生了如通過觸控值1434示出的感測值-C0-CT。
因此，通過劃分觸控面板的掃描圖並且選擇性地激發掃描圖的多個部分，可檢測到掃描圖的任意區域的觸控事件。當檢測到觸控事件時，可發起全掃描以定位觸控面板上的觸控。
圖14的示例性掃描圖1402、1422還可容易地被擴展至其他面板尺寸。例如，具有偶數行的面板如在圖14(a)中一樣可被劃分成兩個相等尺寸的部分，直至利用與AFE中的接收器電路或發送器電路相同的數量的行設定尺寸的面板。每一行應被同時激發並且每一列應被同時感測。在一種實施方式中，專用的AFE可支持多達十六個被同時激發的發送器，使得每個步進式掃描的最大劃分尺寸是十六行。其他實施方式在採用類似原理的同時可被不同地設定尺寸或劃分。
對於具有多於十六行的面板，面板可被劃分成兩個部分。對於具有N行的面板，可根據如下關係來進行劃分：16+2k=N
從而，第一部分具有16行，第二部分具有2k行。k應等於或大於2，這會影響面板的劃分。在第一部分被分配成16行並且使k是1的情況中，則第一部分在尺寸上應減小至14以下，使得k=2或更大。
對於大於16行但是具有奇數行的面板，也可擴展劃分處理。同樣，面板掃描圖應被劃分成兩部分，對於奇數行的實施方式，利用下面的關係： 16+2k-1=N
在此實例中，第一部分具有16行，第二部分具有2k-1行。另外，k應大於或等於2並且這會影響第一部分的尺寸。如果第一部分具有16行並且使k為1，則第一部分應被減小至14行以下使得k=2以上。
還應注意的是，可使用任意合適的劃分方法。圖14中所示的劃分由於其在各個劃分中使行的重疊最小所以是有效的。通常存在無重疊或最小重疊以確保所有行被唯一的掃描並且不會遺漏行，使得檢測到重疊兩個行的任意觸控。無論觸控面板會被如何劃分或激發都應用相同的原理。
從上文中可看出，本發明提供了一種用於觸控面板控制系統中的觸控檢測的改進方法和裝置。觸控檢測模式被引入以檢測觸控面板的觸控事件的存在或不存在。觸控檢測掃描不會提供觸控的定位而只是其發生。如果檢測到觸控事件，全面板掃描被執行以定位並響應於觸控事件。如果沒有檢測到觸控事件，則觸控控制器轉變至低功率閒置模式以降低電流消耗並延長電池壽命。而在觸控檢測模式中，觸控控制器將週期性地執行觸控檢測掃描。相對快速地對所有行基線進行觸控檢測掃描以檢測觸控事件的存在或不存在。執行兩個步進式掃描以確保不遺漏觸控事件但卻保持掃描時段和功耗低。針對兩個掃描來劃分觸控面板以確保面板的所有區域被該掃描所覆蓋並且不會錯過重疊的觸控事件。劃分和掃描技術可被擴展至所有尺寸的面板。以這種方式，在觸控面板應用中可將高性能、快速響應、低延時以及降低的功耗的優點結合。
上述的方法、裝置以及邏輯可以許多種不同的方式被實現在硬體、軟體或硬體和軟體二者的許多不同的結合中。例如，系統的全部或一部分可包括控制器、微處理器或專用集成電路(ASIC)中的電路，或者可通過被結合在單個集成電路上或分佈在多個集 成電路之間的離散的邏輯或組件或其他類型的模擬或數位電路的結合來實現。上述的全部或部分邏輯可被實現為用於通過處理器、控制器或其他處理裝置執行的指令並且可被儲存進有形的或快閃的機器可讀或計算機可讀介質(諸如，閃存、隨機存取儲存器(RAM)或唯讀儲存器(ROM)，可抹除可編程唯讀儲存器(EPROM))或其他機器可讀介質(諸如，唯讀光碟(CDROM)或磁碟或光碟)。因此，諸如計算機程式產品的產品可包括儲存介質和被儲存在介質上的計算機可讀指令，其在端點被執行時，計算機系統或其他裝置使該裝置根據任意上面的任意描述來執行操作。
系統的處理能力可在多個系統組件之間(諸如在多個處理器和儲存器之間)分佈，並且優選地包括多個分佈處理系統。參數、資料庫和其他資料指令可被分開儲存或管理，可被結合進單個儲存器或資料庫中，可以以許多種不同的方式來進行邏輯地和物理地組織，並可以許多方式(包括諸如鏈接列表、哈希表或隱儲存機制的資料結構)來實現。程式可以是諸如在庫(諸如共享庫(例如，動態鏈接庫(DLL)))中跨幾個儲存器或處理器分佈或以許多不同的方式實現的單個程式、分開的程式的一部分(例如，子程式)。例如，DLL可儲存執行上述的任意系統處理的代碼。儘管已描述了發明的各種實施方式，但本領域的普通技術人員顯而易見的是，在發明的範圍內存在更多的實施方式和實現。因此，本發明不受除根據所附申請專利範圍和其等價物之外的限制。
100‧‧‧可攜式裝置
102‧‧‧電容式觸控面板
104‧‧‧控制器電路
106‧‧‧主處理器
108‧‧‧輸入-輸出電路(I/O)
110‧‧‧儲存器
112‧‧‧液晶顯示器(LCD)
114‧‧‧電池
120‧‧‧數位觸控(子)系統
122‧‧‧處理器
124‧‧‧快閃儲存器
126‧‧‧讀寫儲存器
128‧‧‧測試電路
130‧‧‧時序電路
132‧‧‧觸控前端(TFE)
134‧‧‧觸控後端(TBE)

Claims (10)

  1. 一種用於觸控面板中的觸控檢測的方法，所述方法包括：進入低功率觸控檢測模式；利用訊號間歇地激發所述觸控面板，以確定在所述觸控面板上是否發生了任意觸控事件而不對所述觸控面板上的觸控事件進行定位；以及如果檢測到觸控事件，則進入全掃描模式以對所述觸控面板上的觸控事件進行定位；否則，如果未檢測到觸控事件，則進入低功率閒置模式達預定時間。
  2. 如請求項1所述的方法，其中，激發所述觸控面板顯示包括：在第一步進式掃描期間，向所述觸控面板的第一部分提供第一組激發訊號；以及在第二步進式掃描期間，向所述觸控面板的第二部分提供第二組激發訊號，所述第二組激發訊號與所述第一組訊號互補，使得能夠檢測到觸控事件。
  3. 如請求項2所述的方法，進一步包括：進入低功率觸控檢測模式，執行基線掃描以獲得所述第一步進式掃描和所述第二步進式掃描中的每一個的基線電容值；在所述第一步進式掃描和所述第二步進式掃描中的每一個之後，將由於各自的激發訊號而引起的步進式掃描電容值與所述基線電容值進行比較；以及基於所述比較來確定是否檢測到觸控事件。
  4. 一種用於觸控面板的方法，所述方法包括：當沒有檢測到所述觸控面板的觸控活動時，週期性地執行所述觸控面板的觸控檢測掃描；以及 當所述觸控檢測掃描產生了觸控活動的指示時，執行所述觸控面板的全掃描，以定位所述觸控活動在所述觸控面板上的位置。
  5. 如請求項4所述的方法，進一步包括：當在預定時間段沒有檢測到觸控活動時，進入操作的觸控檢測模式；以及當在操作的觸控檢測模式中時，如果檢測到新的觸控活動指示，則退出所述觸控檢測模式。
  6. 如請求項4所述的方法，其中，執行觸控檢測掃描包括：將各互補激發訊號提供至所述觸控面板的各互補部分；以及檢測由於所提供的互補激發訊號而引起的訊號變化。
  7. 一種觸控面板控制器電路，包括：邏輯前端，激發觸控面板的所選擇的行，並且感測面板對激發的響應；以及掃描控制器，與所述邏輯前端耦合，並且被構造為控制所述邏輯前端以利用觸控檢測掃描進程週期性地激發所述觸控面板的預定行，並且響應於無觸控活動的指示，進入低功率模式並且利用後續觸控檢測掃描間歇地激發所述觸控面板的預定行直到已檢測到觸控活動。
  8. 如請求項7所述的觸控面板控制器電路，其中，所述掃描控制器被進一步構造為：通過控制所述邏輯前端以激發所述觸控面板的所有行來響應於活動的檢測，以對所述觸控面板上的觸控活動進行定位。
  9. 如請求項7所述的觸控面板控制器電路，進一步包括：被儲存的資料，以控制所述掃描控制器以將所述觸控面板的具有第一子集行的第一部分和所述觸控面板的具有第二子集行的第二部分識別作為所述觸控面板的所述預定行，所述第一子 集行和所述第二子集行被選擇為確保所述觸控面板的所有區域在所述觸控檢測掃描進程期間被激發。
  10. 如請求項7所述的觸控面板控制器電路，其中，所述邏輯前端響應於所述掃描控制器以向所述觸控面板的第一子集行提供第一激發訊號並且向所述觸控面板的第二子集行提供第二激發訊號。
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