TWI460641B - A touch detection method and detection circuit of capacitive touch screen - Google Patents

A touch detection method and detection circuit of capacitive touch screen Download PDF

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一種電容式觸摸屏的觸摸檢測方法和檢測電路
本發明涉及電容式觸摸屏，尤其是一種電容式觸摸屏的觸摸檢測方法和檢測電路。
第1圖為電容觸摸的檢測一般流程圖，其中110為等效電容觸摸屏。為了降低微處理器的負載，電容觸摸屏一般按照逐行或者逐列的方式進行掃描，也即每個時刻掃描一行或者一列。為了表徵觸摸前後電容大小的變化量，需要將掃描行或者列的電容值線性轉換成類比電路可以分辨的量，如時間或者頻率，然後在對這個量進行模數轉換，將轉換結果送給微處理器來判斷是否有觸摸的發生。
目前電容式觸摸屏的觸摸檢測方法有兩種，一種以SiliconLab為代表，利用RC作振盪器的時間常數，不同的電容C對應不同的週期或者頻率。具體實現電路見第2圖(摘自Silicon Lab的公司網站www.silabs.com/MarcomDocuments/Training Documents/Capacitive Touch Sense_Technology_SPKR.pdf)。另一種以Cypress為代表，利用開關電容等效電阻的特性，先將觸摸電容轉換成電阻，然後利用該電阻對恒定電容充電或者放電，檢測對應電壓的變化。具體實現電路見第4圖(摘自Cypress公司網站www.cypress.com的資料csa_csd_chinesel.zip)。
第2圖中，Ct為待檢測電容。當比較器Vout輸出高電壓Vdd時，比較器正端電壓為2/3Vdd，Vdd通過R4對Ct充電。當Ct上電壓充至2/3Vdd時，比較器Vout輸出零電壓，此時比較器正端電壓為1/3Vdd，Ct通過R4對地放電。當Ct上電壓放電至1/3Vdd時，Vout輸出Vdd，重複上面的過程。第3圖為vout和Ct電壓波形。
第4圖中，Ct為待檢測電容，等效電阻(f為開關頻率)，Cm為固定電容，Iref為恒定充電電流。Ct越大，Rt越小，在相同時間Cm充電電壓越低。這樣即將Ct的大小轉換成了對應電壓。
SiliconLab和Cypress的兩種觸摸檢測方法將觸摸電容的變化轉換成頻率或者週期或者電壓的變化，通過這些變化來判斷觸摸電容的變化。這兩種檢測方法在每個時間都只能針對單行或者單列進行操作，而屏的干擾在每個時間段不一樣，可能將觸摸被當作未觸摸、未觸摸當作觸摸或者檢測座標相對觸摸點漂移，導致抗干擾性能差，產生誤判別。
本發明要解決的技術問題是提供一種電容式觸摸屏能夠提高抗干擾能力的觸摸檢測方法。
本發明另一個要解決的技術問題是提供一種實現上述方法的檢測電路。
為了解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是，一種電容式觸摸屏的觸摸檢測方法，包括分別對觸摸屏電容矩陣的行和列進行掃描，在對觸摸屏電容矩陣的行或列進行掃描時，或每次同時掃描兩行或兩列，獲取兩行或兩列的電容差值，或每次掃描一行或一列，獲取行或列與基準電容的電容差值；然後對獲取的電容差值資料進行處理。
以上所述的電容式觸摸屏的觸摸檢測方法，所述的獲取的電容差值資料進行處理包括取得各行和各列的絕對電容等效值，在每次同時掃描兩行或兩列，任一行或列的絕對電容等效值等於另一行或列的絕對電容等效值與兩行或兩列之間的電容差值的代數和；當每次掃描一行或一列時，任一行或列的絕對電容等效值等於基準電容值與所述的行或列與基準電容的電容差值的代數和。
以上所述的電容式觸摸屏的觸摸檢測方法，包括取得行和列的相對電容等效值的步驟：任一行或列的相對電容等效值等於某一行或列的相對電容等效值與這兩行或兩列之間電容差值的代數和。
以上所述的電容式觸摸屏的觸摸檢測方法，所述獲取電容差值的步驟包括充電步驟、電荷分享步驟、電荷求差步驟、採樣和放大步驟。
以上所述的電容式觸摸屏的觸摸檢測方法，所述的充電步驟由電源向第一電容和第二電容充電，所述的電荷分享步驟將第一電容和第二電容充電的電量分享到分別與第一電容和第二電容並接的2個中間電容上，所述的電荷求差步驟將2個中間電容在與第一電容和第二電容斷開的情況下反接保留剩餘電荷；所述的採樣和放大步驟將剩餘電荷值轉換為與剩餘電荷值成正比的電壓值輸出；所述的第一電容為行或列的觸摸電容，所述的第二電容為另一行或另一列的觸摸電容或基準電容。
以上所述的電容式觸摸屏的觸摸檢測方法，包括自校驗步驟，所述的自校驗步驟在觸摸屏沒有觸摸發生時，獲取行或列的電容差值作為初始電容值；在有觸摸發生時，獲取行或列的電容差值作為過渡電容差值，將過渡電容差值減去對應的初始電容差值得到有效電容差值，然後對有效電容差值資料進行處理。
以上所述的電容式觸摸屏的觸摸檢測方法，包括取平均步驟，所述的取平均步驟為對觸摸屏電容矩陣的行和列進行掃描至少進行2次後，對各行和各列的獲取的至少2個電容差值資料的平均值作為電容差值資料終值進行處理。
以上所述的電容式觸摸屏的觸摸檢測方法，包括以下步驟：801)獲取初始電容閾值，將各行和各列的相對電容等效值資料分別減去初始電容閾值後，得到各行各列的計算電容值；802)判斷行和列計算電容值曲線中是否存在電容值大於零的曲線段，如有，則計算每段電容值大於零的曲線段的重心作為該曲線段對應的接觸點座標；如無，則認定為沒有觸摸；803)將各接觸點列座標和行座標發送給處理器進行處理。
一種上述方法的檢測電路的技術方案是，包括第一電容、第二電容，第一中間電容、第二中間電容，第一開關、第二開關、第三開關、第四開關，第五開關、第六開關，第七開關、第八開關，第九開關；第一電容的第一端經第一開關接電源，第二電容的第一端經第二開關接電源；第一電容的第一端經第五開關接第一中間電容的第一端，第二電容的第一端經第六開關接第二中間電容的第一端；第一電容的第二端和第二電容的第二端分別接地，第一中間電容的第二端經第七開關接地，第二中間電容的第二端經第八開關接地；第一中間電容的第一端、第三開關、第四開關、第二中間電容的第二端依次串接，第一中間電容的第二端經第九開關接第二中間電容的第一端；第一開關、第二開關、第三開關、第四開關在第一時段和第二時段接通；第五開關、第六開關，第七開關、第八開關在第三時段接通；第九開關在第一時段接通。
以上所述的檢測電路，包括運算放大器、第五電容、第十開關、第十一開關和第十二開關；所述的第五電容、第十開關並接後，一端接運算放大器的反相輸入端，另一端接運算放大器的輸出端；運算放大器的反相輸入端接第三開關與第四開關的接點，運算放大器的同相輸入端接基準電平；第一中間電容第二端與第九開關的接點經第十一開關接基準電平，第二中間電容第一端與第九開關的接點經第十二開關接基準電平；第十開關在第一時段接通；第十一開關和第十二開關在第二時段接通。
本發明的方法在對觸摸屏電容矩陣的行進行掃描時，或每次同時掃描兩行或兩列，獲取兩行或兩列的電容差值，或每次掃描一行或一列，獲取行或列與基準電容的電容差值；然後對獲取的電容差值資料進行處理，為消除共模干擾創造了條件，極大程度的增加了電容觸摸屏的抗干擾能力。
下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明。
本發明即面向第1圖中的120，提出了一種新的電容大小檢測方法。這種檢測方法既可同時檢測兩行或者兩列，即按照差分的方式工作，也可以每次只檢測一行或者一列，即單端工作模式。如果按照差分的工作模式，則第10圖中的Ct1和Ct2則為兩行或者兩列的觸摸電容。如果按照單端工作模式，則第10圖中Ct1和Ct2中有一個為內置的基準電容，另一個為行或列的觸摸電容。由於這兩種模式的實施方式基本一樣，這裏只描述差分模式的工作原理，即同時檢測兩行或者兩列。具體實現可以分為5步：充電、電荷分享、電荷求差、採樣和放大。
第一步，充電步驟：如第5圖所示，電源Vdriver對觸摸電容Ct1和Ct2充電，充電完成後V out 1 =V out 2 =V driver ，Ct1和Ct2上的電荷分別為Q t 1 =C t 1 *V driver 和Q t 2 =C t 2 *V driver 。
第二步，電荷分享步驟：如第6圖所示，將Ct1和Ct2的電荷分享到Cs1和Cs2(C s 1 =C s 2 =C s )，如下第6圖，根據電荷守恆，V o ut 1 *(C t 1 +C s )=C t 1 *V driver ，故，也即Cs1上的電荷為，同理，Cs2上的電荷為
第三步：電荷求差步驟：如第7圖所示，斷開Ct1和Ct2，將Cs1的正極接Cs2的負極，將Cs1的負極接Cs2的正極。這樣Cs1和Cs2上剩餘電荷為，化簡為，則Cs1正極相對於負極的電壓差為
為了提高電路的信噪比，應盡可能的提高△V。對於自電容觸摸屏，C t 1 -C t 2 ±(2~5)%C t 1 或者C t 1 -C t 2 ±(2~5)%C t 2 ，可以作如下工程等效：C t 1 +C s =C t 2 +C s =C t +C s ，C t 1 -C t 2 =δC t ，則，求導可以得到當Cs=Ct時，△V具有最大值V driver /8δ，其中δ為觸摸電容的變化比例。這個求差的過程，可以減去外接信號對觸摸屏干擾。
第四步，採樣步驟：如第8圖所示，由於Cs1和Cs2沒有電流通路，兩端的電壓差△V將不會改變，此時V out =V ref 。
第五步，放大步驟：如第9圖所示，由於運放的“虛短”作用，在Cs1和Cs2上的剩餘電荷全部轉移到Co上，見下第9圖，Co兩端壓差為
此時，根據上面的分析，當C s =C t 、C t 1 -C t 2 =δCt 、C t 1 +C s C t +C s 、C t 2 +C s C t +C s 時，。從這個等式可以看出，電容的變化量與Vout的變化成正比，這樣即可以通過檢測Vout的大小來檢測觸摸電容的變化大小。
這樣，當V driver =18V 、C t =50pF 、C s =50pF 、δ=-3%、C o =10pF 時，V out =V ref ，處於放大階段時，V out =V ref +0.675V ，即對應於3%的電容變化轉換成了0.675V的電壓變化。
本發明電容式觸摸屏的觸摸檢測方法檢測電路的單元電路如第10圖所示：包括運算放大器，第一電容Ct1、第二電容Ct2(若為單端模式，則Ct1和Ct2中一個為觸摸電容，一個為內置的基準電容；若為差分模式，Ct1和Ct2都是觸摸電容)。第一中間電容Cs1、第二中間電容Cs2和第五電容C0，第一開關P1a、第二開關P1b、第三開關P1c、第四開關P1d，第五開關P2a、第六開關P2b，第七開關P3a、第八開關P3b，第九開關P4a；第十開關P4b、第十一開關P5a和第十二開關P5b。第一電容Ct1、第二電容Ct2，分別是觸摸屏電容矩陣相鄰的兩行或兩列的觸摸電容。
第一電容Ct1的第一端經第一開關P1a接電源Vdriver，第二電容Ct2的第一端經第二開關P1b接電源Vdriver；第一電容Ct1的第一端經第五開關P2a接第一中間電容Cs1的第一端，第二電容Ct2的第一端經第六開關P2b接第二中間電容Cs2的第一端；第一電容Ct1的第二端和第二電容Ct2的第二端分別接地，第一中間電容Cs1的第二端經第七開關P3a接地，第二中間電容Cs2的第二端經第八開關P3b接地；第一中間電容Cs1的第一端、第三開關P1c、第四開關P1d、第二中間電容Cs2的第二端依次串接，第一中間電容Cs1的第二端經第九開關P4a接第二中間電容Cs2的第一端；第五電容C0、第十開關P4b並接後，一端接運算放大器的反相輸入端，另一端接運算放大器的輸出端；運算放大器的反相輸入 端接第三開關P1c與第四開關P1d的接點，運算放大器的同相輸入端接基準電平Vref；第一中間電容Cs1第二端與第九開關P4a的接點經第十一開關P5a接基準電平Vref，第二中間電容Cs2第一端與第九開關P4a的接點經第十二開關P5b接基準電平Vref。
第一開關P1a、第二開關P1b、第三開關P1c、第四開關P1d在第一時段t1和第二時段t2接通；第五開關P2a、第六開關P2b，第七開關P3a、第八開關P3b在第三時段t3接通；第九開關P4a和第十開關P4b在第一時段t1接通；第十一開關P5a和第十二開關P5b在第二時段t2接通。
第一開關至第十二開關可為MOS電晶體，其通斷由時序電路控制，當開關的控制端為高電平時，該開關導通，對應的時序圖如第11圖所示。
在第一時段t1和第二時段t2電源Vdriver向相鄰2行或2列觸摸電容Ct1和Ct2充電；在第三時段t3觸摸電容Ct1和Ct2的電量分享到分別與2觸摸電容並接的2個中間電容Cs1和Cs2上(電荷分享)；在下一個週期的第一時段t1，2個中間電容Cs1和Cs2在與2觸摸電容Ct1和Ct2斷開的情況下反接保留剩餘電荷(電荷求差，同時採樣)；在下一個週期的第二時段將中間電容Cs1和Cs2上的剩餘電荷值轉換為與剩餘電荷值成正比的電壓Vout輸出。
第1圖中的130主要由模數轉換器構成，考慮到觸摸屏檢測需要的精度，可以選擇8位以上的ADC。配合圖11的時序，可以在P3高電平期間進行採樣，P4高電平期間進行轉換和輸出。為了提高信噪比，可以多次轉換，然後對轉換結果取平均值。
為了防止電容觸摸屏由於生產工藝導致的行或(和)列電容的不一致，可以對電容初值進行自校驗，即沒有觸摸時，記錄檢測的兩行或者兩列通道間的差值如x0，觸摸時這兩個通道的差值為x1，則由於觸摸導致的有效差值為x1-x0。
差分模式實施例：
如結構第1圖中所示，共n行m列。首先掃描行電容矩陣，每次掃描兩行，得到相鄰行電容之間的差值，對於n行，需要掃描n-1次，得到n-1個資料，同理對於列電容矩陣，可以得到m-1個資料。如果沒有觸摸，則這n+m-2個資料為行列電容失配數據。如果有觸摸，則這n+m-2個資料減去未觸摸時的n+m-2個資料即為由觸摸導致的相鄰行或者列之間的電容差值。
設掃描第n-1行和n行電容的差值為Rn-(n-1) ，第n行的絕對電容等效值為Rn，則可以通過下述方法還原各行的絕對電容等效值：如第12圖所示，以第一行絕對電容等效值R1為基準，可以得到第二行的絕對電容等效值為R2=R1+R2-R1=R1+R2-1 ，第三行的絕對電容等效值為R3=R2+R3-R2=R1+R2-1 +R3-2 ,第四行的絕對電容等效值為R4=R3+R4-R3=R1+R2-1 +R3-2 +R4-3 ，依次類推第n行的絕對電容等效值為Rn=Rn-1+Rn-Rn-1=R1+R2-1 +R3-2 +R4-3 ……+Rn-(n-1) ，如第12圖所示，1200即代表對應行的絕對電容等效值。
如第12圖所示，對於自電容屏，觸摸後的電容值大於觸摸前的電容值。只要有一行未觸摸到，該行即具有最小電容值1210，即對應第12圖中的1210。以1210為基準求值，可以得到第13圖的相對電容資料1300、1310、1320。採用下面的辦法，可以求出列座標，將行列座標組合即可以得到觸摸座標。
上面的掃描模式中，為了方便描述，每次掃描時均選擇相鄰的兩行或者兩列，其實也可以在行與行之間或者列與列之間進行任意組合，只要每行或者每列均掃描到，都可以獲得需要的資料。
在對電容資料進行處理時，為了減小資料的處理量，可以首先獲取一個初始電容閾值，初始電容閾值大於上述的最小電容值。將各行和各列的相對電容等效值資料分別減去初始電容閾值後，得到各行各列的計算電容值，保留大於零的計算電容值。然後判斷行和列計算電容值曲線中是否存在電容值大於零的曲線段，如有，則計算每段電容值大於零的曲線段的重心作為該曲線段對應的接觸點座標；如無，則認定為沒有觸摸；最後，將各接觸點列座標和行座標發送給處理器進行處理。因為觸摸點的資料量很少，通過初始電容閾值的篩選後，處理器最後處理的資料大為減少。
110．．．等效電容觸摸屏
120．．．將電容線性轉化為可測量
130．．．模擬-數字轉換
第1圖是現有技術電容觸摸屏檢測方法流程圖
第2圖是現有技術SiliconLab觸摸電容大小檢測方法的電路圖。
第3圖是第2圖方法Vout和Ct的電壓波形圖。
第4圖是現有技術Cypress觸摸電容大小檢測方法的電路圖。
第5圖是本發明觸摸檢測方法充電階段的電路圖。
第6圖是本發明觸摸檢測方法電荷分享階段的電路圖。
第7圖是本發明觸摸檢測方法電荷求差階段的電路圖。
第8圖是本發明觸摸檢測方法電壓採樣階段的電路圖。
第9圖是發明觸摸檢測方法電壓放大階段的電路圖。
第10圖是本發明觸摸檢測方法實現電路的單元電路圖。
第11圖是本發明觸摸檢測方法的時序圖。
第12圖是本發明觸摸檢測方法絕對電容等效值圖。
第13圖是本發明觸摸檢測方法相對電容值圖。

Claims (5)

  1. 一種電容式觸摸屏的觸摸檢測方法，包括：分別對觸摸屏電容矩陣的行和列進行掃描，其特徵在於，在對該觸摸屏電容矩陣的行或列進行掃描時，或每次同時掃描兩行或兩列，獲取兩行或兩列的電容差值，或每次掃描一行或一列，獲取行或列與基準電容的電容差值；然後對獲取的該電容差值資料進行處理；該獲取該電容差值的步驟包括充電步驟、電荷分享步驟、電荷求差步驟、採樣和放大步驟；該充電步驟由電源向第一電容和第二電容充電，該電荷分享步驟將第一電容和第二電容充電的電量分享到分別與第一電容和第二電容並接的2個中間電容上，該電荷求差步驟將2個中間電容在與第一電容和第二電容斷開的情況下反接保留剩餘電荷；該採樣和放大步驟將剩餘電荷值轉換為與剩餘電荷值成正比的電壓值輸出；該第一電容為行或列的觸摸電容，該第二電容為另一行或另一列的觸摸電容或基準電容；更包括取得行和列的相對電容等效值的步驟：任一行或列的相對電容等效值等於某一行或列的相對電容等效值與這兩行或兩列之間電容差值的代數和；包括，801)獲取初始電容閾值，將各行和各列的相對電容等效值資料分別減去初始電容閾值後，得到各行各列的計算電容值；802)判斷行和列計算電容值曲線中是否存在電容值大於零的曲線段，如有，則計算每段電容值大於零的曲線段的重心作為該 曲線段對應的接觸點座標；如無，則認定為沒有觸摸；803)將各接觸點列座標和行座標發送給處理器進行處理。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的電容式觸摸屏的觸摸檢測方法，其中，該獲取的電容差值資料進行處理包括取得各行和各列的絕對電容等效值，在每次同時掃描兩行或兩列，任一行或列的絕對電容等效值等於另一行或列的絕對電容等效值與兩行或兩列之間的電容差值的代數和；當每次掃描一行或一列時，任一行或列的絕對電容等效值等於基準電容值與該行或列與基準電容的電容差值的代數和。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的電容式觸摸屏的觸摸檢測方法，其中，包括自校驗步驟，該自校驗步驟在觸摸屏沒有觸摸發生時，獲取行或列的電容差值作為初始電容值；在有觸摸發生時，獲取行或列的電容差值作為過渡電容差值，將過渡電容差值減去對應的初始電容差值得到有效電容差值，然後對有效電容差值資料進行處理。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的電容式觸摸屏的觸摸檢測方法，其中，包括取平均步驟，該取平均步驟為對觸摸屏電容矩陣的行和列進行掃描至少進行2次後，對各行和各列的獲取的至少2個電容差值資料的平均值作為電容差值資料終值進行處理。
  5. 一種用於實現如申請專利範圍第1項所述的方法的檢測電路，其中，包括第一電容、第二電容，第一中間電容、第二中間電 容，第一開關、第二開關、第三開關、第四開關，第五開關、第六開關，第七開關、第八開關，第九開關及運算放大器、第五電容、第十開關、第十一開關和第十二開關；第一電容的第一端經第一開關接電源，第二電容的第一端經第二開關接電源；第一電容的第一端經第五開關接第一中間電容的第一端，第二電容的第一端經第六開關接第二中間電容的第一端；第一電容的第二端和第二電容的第二端分別接地，第一中間電容的第二端經第七開關接地，第二中間電容的第二端經第八開關接地；第一中間電容的第一端、第三開關、第四開關、第二中間電容的第二端依次串接，第一中間電容的第二端經第九開關接第二中間電容的第一端；第一開關、第二開關、第三開關、第四開關在第一時段和第二時段接通；第五開關、第六開關，第七開關、第八開關在第三時段接通；第九開關在第一時段接通；所述的第五電容、第十開關並接後，一端接運算放大器的反相輸入端，另一端接運算放大器的輸出端；運算放大器的反相輸入端接第三開關與第四開關的接點，運算放大器的同相輸入端接基準電平；第一中間電容第二端與第九開關的接點經第十一開關接基準電平，第二中間電容第一端與第九開關的接點經第十二開關接基準電平；第十開關在第一時段接通；第十一開關和第十二開關在第二時段接通。
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