TWI527377B - 電容式接觸感測及發光二極體驅動矩陣 - Google Patents

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Description

電容式接觸感測及發光二極體驅動矩陣
本發明係關於感測電容式接觸鍵及驅動發光二極體(LED)。電容式接觸鍵與LED可以一矩陣配置並對於許多不同類型之用具、電氣及電子設備等用作一資訊顯示與控制面板。
本申請案主張於2009年1月12日申請由Chien-Yi Lin共同擁有的美國臨時專利申請案第61/143,845號之標題為「電容式接觸鍵與發光二極體矩陣感測與驅動方法、系統及裝置(Capacitive Touch Key and Light Emitting Diode Matrix Sensing and Drive Method,System and Apparatus)」的優先權，且為了所有目的，其以引用之方式併入本文中。
用於電容式接觸鍵感測電子之一工業標準係微晶科技公司之併入各種微控制器之充電時間測量單元(CTMU)，由微晶科技公司製造。見「用於電容式接觸之微晶CTMU之申請案，微晶申請案註釋AN1250(2009)」，為了所有目的，其以引用之方式併入本文中。電容式接觸鍵被用於偵測一手指或其他物體的存在，當手指或其他物體與接觸鍵產生緊密接近時(例如，使用該手指或物體接觸該鍵)，手指或其他物體增加接觸鍵之電容。CTMU要求一恆定電流源、使用功率及佔據有價值的積體電路晶片面積。
CTMU藉由使用一恆定電流源對於有效的電容充電且因而在一確定時間週期之後測量電容上之電壓而感測一接觸鍵之電容之一變化。在該確定時間週期期間對於一較大的電容充電導致在電容上之一較低的電壓，因而在相同的恆定電流下充電且在該確定時間週期對於一較小的電容充電。CTMU對於控制矩陣中之電容式接觸鍵之各者上之各自電壓進行取樣，且當偵測到一較低電壓時則在一未接觸鍵上將通常係一非較低電壓，CTMU及關聯的軟體偵測到該鍵之致動。
然而，當未接觸及/或接觸時，許多因素影響接觸鍵之電容，諸如在接觸鍵上之濕氣(例如，濕度或水)。當接觸鍵矩陣之僅若干者上具有濕氣時，其中之電容可係不同而足以造成CTMU錯誤感測該等鍵具有由濕氣誘發之較高電容。
在對於控制與顯示之許多應用中，亦可期望與電容式接觸鍵之各者相關聯之LED。然而，必須驅動LED，且藉此要求除接觸鍵所要求之該等連接之外的額外連接。可能多工處理感測及驅動操作，且藉此對於LED與接觸鍵電路使用共同連接，但當兩者被耦接在一起時，LED部分傾向於降低接觸鍵之操作。
一先前技術電容式接觸鍵矩陣電路每個接觸鍵使用一額外的電容器與電阻器，且要求一雙斜率偵測演算法與計時器捕獲執行一單一接觸偵測。因而要求電路複雜性及顯著的時間來偵測一接觸鍵電容式變化。
所需要的是對潮/濕環境之較佳免疫力、實施之較低成本、較短的電容式變化偵測時間(接觸感測)及當使用分時多工處理共同連接(要求最小數量之積體電路器件連接(接針))的電容式接觸鍵與LED顯示器時之改良的操作。
根據本發明之一特定實例實施例，一種用於感測一電容式接觸感測器之致動之系統包括：一取樣電容器；耦接至該取樣電容器之一類比至數位轉換器(ADC)，該ADC轉換該取樣電容器上之一類比電壓至其之一數位表示；耦接至該ADC之一數位輸出之一數位處理器；耦接至該取樣電容器之一電容式接觸感測器；耦接至該電容式接觸感測器之一脈衝產生器，其中來自該脈衝產生器並經由該電容式接觸感測器之一電壓脈衝對於該取樣電容器充電至與其之一電容比成比例之一第一電壓，其中當具有一電容之一物體與該電容式接觸感測器緊密接近時，經由該電容式接觸感測器之電壓脈衝之一些係自該取樣電容器轉向，且藉此當該物體與該電容式接觸感測器緊密接近時，該取樣電容器被充電至一第二電壓，該第二電壓係小於該第一電壓。
根據本發明之另一特定實例實施例，一種用於感測複數個電容式接觸感測器之一或多者之致動之系統，該系統包括：一取樣電容器；耦接至該取樣電容器之一類比至數位轉換器(ADC)，該ADC轉換該取樣電容器上之一類比電壓至其之一數位表示；耦接至該ADC之一數位輸出之一數位處理器；具有耦接至該取樣電容器之一輸出之一多工器；複數個電容式接觸感測器，該複數個電容式接觸感測器之各者被耦接至該多工器之一各自輸入；耦接至該複數個電容式接觸感測器之經選擇者之一脈衝產生器，其中來自該脈衝發生器並經由該複數個電容式接觸感測器之該經選擇者之一電壓脈衝對於該取樣電容器充電至與其之一電容比成比例之一第一電壓，其中當具有一電容之一物體與該複數個電容式接觸感測器之該經選擇者緊密接近時，經由該複數個電容式接觸感測器之該經選擇者之電壓脈衝之一些係自該複數個電容式接觸感測器之該經選擇者轉向，且藉此當該物體與該複數個電容式接觸感測器之該經選擇者緊密接近時，該取樣電容器被充電至一第二電壓，該第二電壓係小於該第一電壓。
根據本發明之又另一特定實例實施例，一種用於感測複數個電容式接觸感測器之任一者之致動之方法，該方法包括以下步驟：將被耦接至複數個電容式接觸感測器之所有積體電路器件輸入-輸出(I/O)設定至一邏輯低；設定該等I/O之一者至一輸入模式且所有其他I/O至邏輯高輸出；對於耦接至該輸入模式中之I/O之一取樣電容器充電；使用一類比至數位轉換器(ADC)轉換在該取樣電容器上充電之一類比電壓至一數位表示；判定該數位表示是否係在一臨限值以上或以下，其中若小於該臨限值則與在該輸入模式中之I/O相關聯之複數個電容式接觸感測器之一者被致動；並對於複數個電容式接觸感測器之各者重複以上步驟。
本發明其一更完全的理解可係藉由參考與附圖結合之以下描述獲得。
雖然本發明容許各種修改與替代形式，但其中之特定實例實施例已被展示在圖式中且本文詳細描述該等特定實例實施例。然而，應瞭解本文描述之特定實例實施例不意欲將本發明限制至本文所揭示之特定形式，但相反的，本發明將包含如藉由附屬申請專利範圍所界定之所有修改與等效物。
現參閱圖式，其等示意性地繪示特定實例實施例之細節。圖式中之同樣的元件將由同樣的數字表示，且類似元件將由具有一不同小寫字母下標之同樣數字表示。
參閱圖1，其描繪根據本發明之一特定實例實施例之一電容式接觸感測器鍵致動偵測與LED顯示電路之一示意圖。一積體電路器件102包括一類比至數位轉換器(ADC)104、具有一記憶體(圖中未繪示)之一數位處理器106、可係該ADC 104之一部分之一取樣電容器108及開關110、112與114。開關110可係一內部多工器等之一部分。開關112與114可係輸出驅動器，例如，圖騰柱連接之CMOS、開路集極NMOS等。為繪示之目的展示一單一電容式接觸感測器鍵118及LED顯示器120。如本文將描述，複數個電容式接觸感測器鍵118與LED 120可經組態而成一控制及顯示面板。積體電路器件102可係一混合的信號微控制器，例如同時具有類比與數位之電路。
來自開關114之一脈衝124被施加至電容式接觸感測器鍵118(電容器Ck)且所得之電壓脈衝穿過電容式接觸感測器鍵118之電容而對於取樣電容器108(電容器Ca)充電。在取樣電容器108上之電壓電荷將係由電容式接觸感測器鍵118與取樣電容器108之電容比所得之分壓。在取樣電容器108上所得之電壓電荷係由ADC 104測量。
當一手指致動(例如，以實體碰觸、接觸等發生)電容式接觸感測器鍵118時，產生用來接地的一分路電容116(Cf)，其減小到達取樣電容器108並由ADC 104測量之電壓脈衝之振幅。當在取樣電容器108上測量之電壓電荷係小於一先前所測量的電壓電荷及/或一基極參考電壓電荷時，則假定具有用來接地或共同之電容之一手指或其他物體已致動電容式接觸感測器鍵118。
圖1中所示之該實施例之一優點為濕氣大體上不影響此電容式接觸感測器鍵致動偵測電路，因為濕氣可增加電容式接觸感測器鍵118之電容值Ck，因而導致易於由ADC 104測量之取樣電容器108上之一較大的電壓電荷。圖1中所示之實施例減少成本並致能更快的偵測時間，因為沒有要求額外的電子組件。同時，可在一單一低至高電壓階梯內(例如脈衝124之上升邊緣)執行接觸偵測，且因而不需耗時之電流整合，如一CTMU電容式接觸偵測電路中所要求。
在沒有要求對於積體電路器件102之額外連接(接針)之情況下亦可輕易地實施一LED顯示器120之控制。當期望開啟LED顯示器120時，閉合開關112與114兩者。此完成一電路供電流流過LED顯示器120，該電流受電流限制電阻器122限制。亦可使用一控流電壓源，因而消除對於電流限制電阻器122之要求。因此，可以一分時多工處理方式使用連接(接針)126與128，以用於電容式接觸感測器鍵118之致動之偵測及LED顯示器120之控制兩者。
參閱圖2，其描繪根據本發明之一特定實例實施例之一電容式接觸感測器鍵之平面圖及正面圖之示意圖形。一電容式接觸感測器鍵118包括在一絕緣基板232之一面上之電容器板230與234。電容器板230與234各自被耦接至連接(接針)128與126。當一手指236與電容器板230與234發生緊密接近時，手指236之固有電容(圖1之電容器116)將分路穿過電容式接觸感測器鍵118在至取樣電容器108之途中之電壓電荷之一些。換言之，手指分路電容器116使意欲用於取樣電容器108之電壓電荷之一些轉向，藉此減少由ADC 104所測量之所得之電壓電荷。
參閱圖3與4，圖3中描繪根據本發明之一特定實例實施例之電容式接觸鍵與LED之一矩陣之一示意方塊圖，且圖4中描繪圖3中所展示之電容式接觸鍵與LED之該矩陣之一更詳細的示意圖。藉由分時多工處理鍵118與LED 120之各者之感測與驅動操作，與積體電路器件102之開關矩陣338組合，可在共同連接(相同器件接針)上使電容式接觸鍵118被感測且LED 120(在圖4中展示)被驅動。圖1至圖4中所揭示之電路的一優點係當發送低至高階梯信號(脈衝124)時，與串聯連接之電阻器122與LED 120之阻抗相比較，電容式接觸鍵118(電容器Ck)之阻抗非常低(小)。因此，在鍵致動偵測之瞬時，電阻器122與LED 120之存在可被忽略。開關矩陣338可係(例如但不限於)一多工器。
在完成鍵致動偵測操作之後，為開啟一LED 120，連接至該LED之一行被設定成高且連接至該LED之一列被設定成低。藉由以時間交替(分時多工處理)接觸感測與LED驅動操作，可利用極相同的連接(126與128)連至積體電路器件102。因而，根據本發明之教示，一三乘四矩陣面板將僅要求七(7)個連接(例如，匯流排336)、一四乘五矩陣將僅要求九(9)個連接等連至積體電路器件102以用於一控制及顯示面板之感測與LED顯示驅動兩者。
例如：
1)　設定行C1至C3及列R1至R4至邏輯低，
2)　設定列R1至R4至輸入模式同時致能ADC功能，
3)　設定行C1至C3至邏輯高，
4)　若列Rx(x=1、2、3或4)取得一低於其他列的ADC輸入電壓值，則列Rx被接觸，
5)　設定行C1至C3及列R1至R4至邏輯低，
6)　設定行C1至C3至輸入模式同時致能ADC功能，
7)　設定列R1至R4至邏輯高，且
8)　若行Cx(x=1、2或3)取得一低於其他行的ADC輸入電壓值，則行Cx被接觸，
9)　組合步驟4)與8)，其中具有較低ADC輸入電壓值之列Rx與行Cx之交叉判定哪個鍵被接觸。
雖然本發明之實施例已被描繪、描述且參考本發明之實例實施例被定義，此等參考不暗示限制本發明，且將不推斷此限制。所揭示之標的在形式與功能上可具有相當大的修改、變更及等效物，如一般有關技術者並從本發明獲益者將想到。本發明所描繪與描述的實施例僅為實例，且未詳盡本發明之範圍。
102．．．積體電路器件
104．．．類比至數位轉換器(ADC)
106．．．數位處理器
108．．．取樣電容器
110．．．開關
112．．．開關
114．．．開關
116．．．分路電容
118．．．電容式接觸感測器鍵
120．．．LED顯示器
122．．．電流限制電阻器
124．．．脈衝
126．．．連接
128．．．連接
230．．．電容器板
232．．．絕緣基板
234．．．電容器板
236．．．手指
336．．．匯流排
338．．．開關矩陣
圖1繪示根據本發明之一特定實例實施例之一電容式接觸感測器鍵致動偵測與LED顯示電路之一示意圖；
圖2繪示根據本發明之一特定實例實施例之一電容式接觸感測器鍵之平面圖及正面圖之示意圖形；
圖3繪示根據本發明之另一特定實例實施例之電容式接觸鍵與LED之一矩陣之一示意方塊圖；及
圖4繪示圖3中所展示之電容式接觸鍵與LED之該矩陣之一更詳細的示意圖。
102．．．積體電路器件
104．．．類比至數位轉換器(ADC)
106．．．數位處理器
108．．．取樣電容器
110．．．開關
112．．．開關
114．．．開關
116．．．分路電容
118．．．電容式接觸感測器鍵
120．．．LED顯示器
122．．．電流限制電阻器
124．．．脈衝
126．．．連接
128．．．連接

Claims (11)

  1. 一種用於感測及指出一電容式接觸感測器之致動之系統，該系統包括：一取樣電容器，該取樣電容器具有連接至一參考電位之一第一端子，且該取樣電容器具有一第二端子；連接至該取樣電容器的該第二端子之一類比至數位轉換器(ADC)，該ADC轉換該取樣電容器上之一類比電壓至其之一數位表示；耦接至該ADC之一數位輸出之一數位處理器；一電容式接觸感測器，該電容式接觸感測器具有經過一取樣開關且經過一埠開關以連接至該取樣電容器之具有該參考電位之一第一端子，且該電容式接觸感測器具有一第二端子；耦接至該電容式接觸感測器的該第二端子之一脈衝產生器，及與該電容式接觸感測器並聯耦接之一發光二極體(LED)，其中當該埠開關完成通過該LED之一電流路徑時由該脈衝產生器開啟該LED；其中當無物體接近該電容式接觸感測器時，來自該脈衝產生器並通過該電容式接觸感測器之一單獨電壓脈衝對該取樣電容器充電至與該電容式接觸感測器之一電容及該取樣電容器之一電容之比值成比例之一第一電壓，其中當具有一電容之一物體與該電容式接觸感測器 在一特定距離內時，通過該電容式接觸感測器之該電壓脈衝之一些係自該取樣電容器轉向，其中當該物體與該電容式接觸感測器在該特定距離內時，該取樣電容器被充電至一第二電壓，其中該第二電壓係小於該第一電壓，且其中該電容式接觸感測器與該LED使用共同連接。
  2. 如請求項1之系統，其中該物體係一手指。
  3. 如請求項1之系統，其中該脈衝產生器係自該數位處理器之一輸出驅動器。
  4. 如請求項1之系統，其中該數位處理器在其一記憶體中儲存來自該ADC之電壓之數位表示，當儲存在記憶體中之電壓之該等數位表示之至少一者小於其他之電壓之數位表示時，產生指示該電容式接觸感測器被致動之一信號。
  5. 如請求項1之系統，其中在該取樣電容器上之該電壓藉由該ADC取樣且該LED在交替時間週期期間被開啟。
  6. 如請求項1之系統，其中該取樣電容器、ADC、脈衝產生器及數位器件係在一積體電路器件中製造。
  7. 如請求項6之系統，其中該積體電路器件係一混合信號微控制器。
  8. 如請求項1之系統，其中該取樣開關為具有耦接至該取樣電容器之一輸出之一多工器的一部分；且該系統包含複數個並聯耦接之電容式接觸感測器以及 相關聯的LED的組合，該複數個電容式接觸感測器之各者被耦接至該多工器之一各自輸入；其中該脈衝產生器係耦接至該複數個電容式接觸感測器之經選擇者。
  9. 如請求項8之系統，其中該複數個電容式接觸感測器以及LED的組合係配置於具有C行連接及R列連接之一矩陣中。
  10. 如請求項9之系統，其中該等C行連接及該等R列連接係各與該微控制器的一各自I/O埠耦接且其中可操作該多工器以將各I/O埠選擇地與該ADC耦接。
  11. 如請求項10之系統，其中該微控制器經程式化以隨後：設定該等列連接至邏輯低，設定該等行連接至邏輯高，判定列是否已被接觸且儲存已被接觸的列，設定該等行連接至邏輯低，設定該等列連接至邏輯高，且判定行是否已被接觸且儲存已被接觸的行；且結合結果以判定已被接觸的電容式接觸感測器(118a…l)。
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