TWI841427B

TWI841427B - 光電式鍵盤

Info

Publication number: TWI841427B
Application number: TW112123654A
Authority: TW
Inventors: 李立仁; 宋維展
Original assignee: 達方電子股份有限公司
Priority date: 2023-06-26
Filing date: 2023-06-26
Publication date: 2024-05-01

Abstract

一種光電式鍵盤包含微控制器、多個紅外線產生器、多個偵測元件以及上拉電路。微控制器用以產生M個掃描訊號。多個紅外線產生器排行成M列，而多個偵測元件排行成N行，M和N都為大於1的整數。每一偵測元件對應其中一紅外線產生器。上拉電路包含第一反相器、第二反相器以及N個上拉電晶體。第一反相器的輸入端用以接收M個掃描訊號。第二反相器的輸入端耦接於第一反相器的輸出端。每一上拉電晶體包含耦接於一第一電壓源的第一端、耦接於N行偵測元件中的一行的第二端，以及耦接於第二反相器的輸出端的控制端。

Description

光電式鍵盤

本發明係有關於一種光電式鍵盤，尤指一種可達成高每秒點擊次數(Clicks Per Second；CPS)的光電式鍵盤。

光電式鍵盤(或稱：光軸鍵盤)係利用紅外線產生器所產生之紅外線以及相對應用以感測紅外線的偵測元件(例如：光電晶體(phototransistor,PT))來運作。然而，因為偵測元件的特性，其從低電位轉態為高電位的過程所需花的上拉時間很長，而使得偵測元件必須等待長時間的上拉時間結束後，才能再次偵測紅外線，進而導致光電式鍵盤的掃描頻率無法有效地提升。如以一來，光電式鍵盤的應用將受到限制，而使其無法被使用在需要高每秒點擊次數(CPS)之場景(例如：電競比賽)中。

本發明一實施例提供一種光電式鍵盤，其包含微控制器(Microcontroller Unit；MCU)、多個紅外線產生器、多個偵測元件以及上拉電路。微控制器用以產生M個掃描訊號，而M為大於1的整數。多個紅外線產生器排行成M列，而每一列紅外線產生器從微控制器接收M個掃描訊號中一對應的掃描訊號。多個偵測元件排行成N行，而每一偵測元件對應其中一紅外線產生器， N為大於1的整數。上拉電路包含第一反相器、第二反相器以及N個上拉電晶體。第一反相器的輸入端用以接收M個掃描訊號。第二反相器的輸入端耦接於第一反相器的輸出端。每一上拉電晶體包含耦接於一第一電壓源的第一端、耦接於N行偵測元件中的一行的第二端，以及耦接於第二反相器的輸出端的控制端。

10、50:光電式鍵盤

20:微控制器

30:光電電路

40:上拉電路

41:第一反相器

42:第二反相器

D:紅外線發光二極體

D1、D2、D3:二極體

IR11至IR33:紅外線產生器

PT11至PT33:偵測元件

R11至R33、Ra、Rb、R_IR、Rx、Ry:電阻

S1、S2、S3:掃描訊號

S4:混合訊號

S5:控制訊號

Q1、Q2、Q3:上拉電晶體

Qa、Qb:NPN型雙極性電晶體

VCC、GND:電壓源

Vc:系統電壓

V”_PT:模擬偵測元件電壓

V_SC:掃描電壓

Vr:分壓

V_PT:偵測元件電壓

△T1、△T2:反應時間

第1圖為本發明一實施例之光電式鍵盤的電路圖。

第2圖為第1圖之光電式鍵盤的訊號時序圖。

第3圖為第1圖之光電式鍵盤的上拉電晶體、紅外線產生器及偵測元件的電路圖。

第4圖為一模擬偵測元件電壓和第3圖中的掃描訊號及偵測元件電壓的時序圖。

第5圖為本發明另一實施例之光電式鍵盤的電路圖。

請參考第1圖，第1圖為本發明一實施例之光電式鍵盤10的電路圖。光電式鍵盤10包含微控制器(Microcontroller Unit；MCU)20、光電電路30以及上拉電路40。微控制器20用以產生多個掃描訊號S1、S2和S3，並接收光電電路30所回傳的訊號。光電電路30包含多個紅外線產生器IR11至IR33以及多個偵測元件PT11至PT33。在本實施例中，紅外線產生器IR11至IR33排行成三列，而每一列紅外線產生器從微控制器20接收掃描訊號S1、S2和S3中一對應的掃描訊號。例如：第一列的紅外線產生器IR11、IR12及IR13從微控制器20接收掃描訊號S1，第二列的紅外線產生器IR21、IR22及IR23從微控制器20接收掃描訊號S2，而第三列的紅外線產生器IR31、IR32及IR33從微控制器20接收掃描訊號S3。偵測元件PT11至PT33排行成三行，而每一偵測元件對應其中一個紅外線產生器。雖然在第1圖中，光電電路30包含排列成三列的九個紅外線產生器IR11至IR33以及排列成三行的九個偵測元件PT11至PT33，但本發明並不以此為限。光電電路30可以包含其他數目的多個紅外線產生器及多個偵測元件，多個紅外線產生器可排列成兩列、四列或更多列，而多個偵測元件可排列成兩行、四行或更多行。微控制器20所產生的掃描訊號之數目會等於紅外線產生器的列數，故當多個紅外線產生器排列成M列時，微控制器20所產生的掃描訊號之數目會等於M，而每一列的紅外線產生器會從微控制器20接收M個掃描訊號當中的一個掃描訊號，其中M為大於1的整數。此外，光電式鍵盤10還可包含M個二極體，而微控制器20所產生的M個掃描訊號會經過M個二極體後傳送至上拉電路40。以第1圖為例，光電式鍵盤10即包含三個二極體D1、D2及D3，而掃描訊號S1、S2和S3會分別經過二極體D1、D2及D3而被傳送至上拉電路40。各二極體D1、D2或D3的陽極耦接紅外線產生器IR11至IR33中的一列，而各二極體D1、D2或D3的陰極耦接於第一反相器41的輸入端。

上拉電路40包含第一反相器41、第二反相器42以及多個上拉電晶體Q1至Q3。第一反相器41的輸入端用以接收微控制器20所產生的掃描訊號S1、S2及S3，而第二反相器42的輸入端耦接於第一反相器41的輸出端。第一反相器41可包含由電阻Rx和Ry所構成的分壓電路、NPN型雙極性電晶體(NPN Bipolar Junction Transistor；NPN BJT)Qa以及電阻Ra。NPN型雙極性電晶體Qa的基極連接於電阻Rx和Ry，以接收掃描訊號S1、S2和S3混合後的混合訊號S4。NPN型雙極性電晶體Qa的射極連接於電壓源GND，NPN型雙極性電晶體Qa的集極連接於電阻Ra的一端，而電阻Ra的另一端連接於電壓源VCC。電壓源VCC的電壓高於電壓源GND的電壓。例如：電壓源VCC的電壓可以等於3.3伏特，而電壓源GND的電壓可以等於零伏特。電阻Rb的一端連接於電壓源VCC，NPN型雙極性電晶體Qb的集極連接於電阻Rb的另一端並輸出控制訊號S5，NPN型雙極性電晶體Qb的基極連接於NPN型雙極性電晶體Qa的集極，而NPN型雙極性電晶體Qb的射極連接於電壓源GND。在本發明另一實施例中，第一反相器41可不必包含電阻Rx及Ry，而NPN型雙極性電晶體Qa的基極直接連接於二極體D1、D2及D3，且不連接至電壓源GND，以接收掃描訊號S1、S2和S3。

如第1圖所示，上拉電晶體Q1、Q2及Q3中的每一個上拉電晶體為一PNP型雙極性電晶體(PNP Bipolar Junction Transistor；PNP BJT)。上拉電晶體Q1、Q2及Q3的基極分別通過電阻R11、R21及R31接收第二反相器42所輸出的控制訊號S5。上拉電晶體Q1、Q2及Q3的集極分別透過電阻R12、R22及R32連接至一對應行的偵測元件。例如，上拉電晶體Q1的集極連接至第一行的偵測元件PT11、PT21及PT31，上拉電晶體Q2的集極連接至第二行的偵測元件PT12、PT22及PT32，而上拉電晶體Q3的集極連接至第三行的偵測元件PT13、PT23及PT33。上拉電晶體Q1、Q2及Q3的射極連則接於電壓源VCC。此外，上拉電路40還包含多個電阻R13、R23及R33。電阻R13、R23及R33中的每一電阻耦接於電壓源VCC及其中一行的偵測元件PT11至PT33。

請參考第2圖，第2圖為第1圖之光電式鍵盤10的訊號時序圖。其中，V_SC、Vr和Vc分別表示掃描電壓、分壓及電壓源VCC所提供的系統電壓。在本實施例中，掃描訊號S1至S3的電壓會介於掃描電壓V_SC和零伏特之間。分壓Vr則等於(V_SC×(ry/rx+ry))，其中rx為電阻Rx的電阻值，而ry為電阻Ry的電阻值。系統電壓Vc可以等於3.3伏特。如第2圖所示，掃描訊號S1至S3在任一時間至多只有單一掃描訊號為高電位(即掃描電壓V_SC)，亦即微控制器20在任一時間至多只會對其中一列的紅外線產生器進行掃描。詳言之，當掃描訊號S1等於掃描電壓V_SC時，第一列的紅外線產生器IR11、IR12及IR13會作動而產生紅外線，而其他列的紅外線產生器則不作動；當掃描訊號S2等於掃描電壓V_SC時，第二列的紅外線產生器IR21、IR22及IR23會作動而產生紅外線，而其他列的紅外線產生器則不作動；當掃描訊號S3等於掃描電壓V_SC時，第三列的紅外線產生器IR31、IR32及IR33會作動而產生紅外線，而其他列的紅外線產生器則不作動。

為更進一步地說明紅外線產生器IR11至IR33、偵測元件PT11至PT33以及上拉電晶體Q1、Q2及Q3的操作，以下將以紅外線產生器IR11、偵測元件PT11以及上拉電晶體Q1的操作來說明。請參考第3圖及第4圖，第3圖為第1圖之光電式鍵盤10的上拉電晶體Q1、紅外線產生器IR11及偵測元件PT11的電路圖，而第4圖為一模擬偵測元件電壓V”_PT和第3圖中的掃描訊號S1及偵測元件電壓V_PT的時序圖。其中，偵測元件電壓V_PT為偵測元件PT11耦接於電阻R13之一端的電壓；模擬偵測元件電壓V”_PT是透過軟體模擬的方式將第3圖中的上拉電晶體Q1和電阻R11及R12去除後，偵測元件PT11耦接於電阻R13之一端的電壓。透過比較偵測元件電壓V_PT與模擬偵測元件電壓V”_PT，即可以明白上拉電晶體Q1在提升偵測元件電壓V_PT的影響。

紅外線產生器IR11包含電阻R_IR及紅外線發光二極體(infrared light emitting diode；IR LED)D，而偵測元件PT11為一光電晶體(phototransistor；PT)。電阻R_IR的一端用以接收掃描訊號S1，電阻R_IR的另一端耦接於紅外線發光二極體D的一端，而紅外線發光二極體D的另一端耦接於電壓源GND。偵測元件PT11的一端耦接於電阻R12和R13，而偵測元件PT11的另一端耦接於電壓源GND。其他的紅外線產生器IR12至IR33以及其他的偵測元件PT12至PT33的結構和連接方式，都與紅外線產生器IR11及偵測元件PT11的相似，在此即不再贅述。

紅外線產生器IR11及偵測元件PT11係用於光電式鍵盤10當中的某一按鍵。當使用者按下此按鍵時，紅外線產生器IR11所產生的紅外線可照射到偵測元件PT11，而使偵測元件電壓V_PT產生變化；而當使用者未按下此按鍵時，紅外線產生器IR11所產生的紅外線則不會照射到偵測元件PT11，而使偵測元件電壓V_PT維持不變。第1圖中的微控制器20藉由偵測元件電壓V_PT的變化，即可判斷紅外線產生器IR11及偵測元件PT11所對應的按鍵是否被按壓。請再參考第2圖、第3圖及第4圖，當掃描訊號S1從零伏特被拉升至掃描電壓V_SC時，紅外線產生器IR11會產生紅外線，且控制訊號S5會等於系統電壓Vc，而使得上拉電晶體Q1不導通。當紅外線產生器IR11所產生紅外線照射到偵測元件PT11時，偵測元件PT11逐漸地導通，進而使得偵測元件電壓V_PT由系統電壓Vc逐漸地被降至零伏特。當掃描訊號S1從掃描電壓V_SC降至零伏特時，控制訊號S5會從系統電壓Vc降至零伏特，且紅外線產生器IR11會停止產生紅外線，而使得偵測元件PT11從導通狀態變成不導通。由於控制訊號S5降至零伏特，故上拉電晶體Q1會導通，而使得偵測元件電壓V_PT快速地由零伏特被提升至系統電壓Vc。

請再參考第4圖。如上所述，模擬偵測元件電壓V”_PT是透過軟體模擬的方式將第3圖中的上拉電晶體Q1和電阻R11及R12去除後，偵測元件PT11耦接於電阻R13之一端的電壓。透過比較偵測元件電壓V_PT與模擬偵測元件電壓V”_PT，即可以明白上拉電晶體Q1在提升偵測元件電壓V_PT的影響。當掃描訊號S1從掃描電壓V_SC降至零伏特後，偵測元件電壓V_PT從零伏特被提升至(0.9×Vc)所需的反應時間為△T1。相對地，模擬偵測元件電壓V”_PT從零伏特被提升至(0.9 ×Vc)所需的反應時間為△T2，而反應時間△T2遠大於反應時間△T1。由此可知，由於上拉電路40的上拉電晶體Q1的作用，可大幅地降低光電式鍵盤10的按鍵的反應時間，進而大幅地提升光電式鍵盤10可達成的每秒點擊次數(Clicks Per Second；CPS)。

請參考第5圖，第5圖為本發明另一實施例之光電式鍵盤50的電路圖。光電式鍵盤50與第1圖的光電式鍵盤10之間的差異在於：光電式鍵盤50的上拉電路40中的上拉電晶體Q1、Q2及Q3以P型金氧半場效電晶體(P-type Metal-Oxide-Semiconductor；PMOS)來取代原本的PNP型雙極性電晶體。除此之外，光電式鍵盤50的其他元件和操作方式都與光電式鍵盤10的一樣，在此即不再贅述。

根據上述各實施例的說明，本發明藉由上拉電路之上拉電晶體的作用，可大幅地降低光電式鍵盤的按鍵的反應時間，進而大幅地提升光電式鍵盤可達成的每秒點擊次數。因此，本發明的光電式鍵盤可被應用在更多需要高每秒點擊次數的場合(例如：電競比賽)當中。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

10:光電式鍵盤