专利名称：操作触摸屏系统的方法
技术领域：
本发明一般涉及触摸屏，更具体地说，涉及调整触摸屏控制器的频率，以便使控制器与特定触摸屏的具体工作特性匹配的方法和装置。
背景技术：
触摸屏配合各种显示器类型、包括阴极射线管(即CRT)和液晶显示屏(即LCD屏)，用作将信息输入到数据处理系统的装置。当触摸屏被置于显示屏之上或集成到显示屏中时，可以供用户通过触摸屏幕上的目标图标或元素所对应的位置来选择所显示的图标或元素。在各种不同的应用中，包括例如销售点系统、信息公告亭、自动出纳机(即ATM)、数据输入系统等，触摸屏已经成为常用之处。
在一种特定类型的触摸屏、声学触摸屏中，产生声波或超声波，并且利用表面声波现象如瑞利波、拉夫波或其他波直接将其通过触摸屏表面传播。一般来说，触摸屏的各个轴包括单一的发射换能器和单一的接收换能器以及一对反射阵列。发射换能器和接收换能器连接到控制器，该控制器产生施加到发射换能器的驱动信号，并放大、调整和响应从接收换能器得到的信号。各发射换能器产生的声波被位于触摸屏边缘附近的反射阵列反射。反射阵列通常沿阵列全长成直角反射声波，从而形成在触摸屏的有效区域传播的表面声波模式。传播的表面声波具有基本是振幅均匀的线性波前。相对的反射阵列将表面传播的声波反射到接收换能器。通过监视沿触摸屏各个轴的传播声波的到达时间和振幅，可以确定触摸屏表面上任何波衰减点的位置。衰减可能因手指或指示笔或其他媒体接触屏幕所导致。
触摸屏系统的制造商通常制造或购买具有预定振荡频率的控制器，所述预定振荡频率处于界限明确的频率范围内，而晶体振荡器提供参考频率。这样在制造过程中，根据需要，确定和调整各个触摸屏的特征频率，以便确保触摸屏与控制器的振荡频率之间充分匹配。
让我们来更仔细地定义触摸屏的特征频率。这里作为要关注类型的声学触摸屏具有窄带通滤波器的属性。窄带的中心频率由反射器的间距和声波的速度来决定。结果，在声波以最短可能路径传到接收换能器所对应的时间延迟之后，施加到发射换能器的短脉冲串就会以长的拉长波列的形式出现。由于脉冲串的持续时间短，输入脉冲串的频谱通常相当宽，而输出波列的频谱会很理想，非常窄并且在特定频率有突出的峰值。所述特定频率称为触摸屏的特征频率。最好是触摸系统的工作频率与触摸屏的特征频率匹配。
原则上，理想触摸屏具有单一特征频率。原则上，制造上的变化可能导致多个特征频率或一定范围的特征频率。目前的实践包括在触摸屏制造工艺上进行足够的投资，使得有效地仅存在单一的触摸屏特征频率并且该特征频率与控制器的参考振荡器所确定的频率匹配。为了达到对触摸屏制造工艺期望的控制，需要阵列设计的精确配位，仔细监视输入材料的供应链以及对反射阵列的迅速电子测试。此外，当发现未预想到的更改或变化时，还需要快速的校正动作。例如，阵列可能需要重新设计和制造新的印刷掩模。维持对触摸屏特征频率的控制所要求的配位、监视和测试程度增加了加工成本，并且使生产仅限于在具有声学触摸屏制造的复杂性上受过良好培训的工人的工厂来完成。这对现有声学触摸屏技术是主要的限制。
一般来说，频率失配在性质上可以归类为全局性的或局部性的。在频率失配为全局性的情况中，失配源会影响整个触摸屏。例如，如果控制器的参考振荡器漂移，或者如果玻璃基板具有所不期望的声速(例如，因为由不同玻璃供应商制造的玻璃基板)，触摸屏和控制器之间的频率匹配都会受损，而与触摸屏上关注的位置无关。相比而言，在频率失配为局部性的情况中，仅有触摸屏的特定区域可能呈现出与控制器的失配。
全局性或局部性频率失配都可能由不同源所导致。虽然一些失配源可以通过充分的质量控制来克服，但是此类控制的成本通常会很高。例如，触摸屏玻璃基板方面的变化可能改变声波速度，从而导致全局频率失配，充分控制玻璃供应链和制造工艺来确保所有基板的声波速度都处于窄范围内可能在经济上是不可行的。控制玻璃供应链和制造工艺在如下情况下更成问题声反射阵列被直接印刷到阴极射线管(即CRT)的面板上。难以控制到避免全局频率失配所要求的程度的特定玻璃特征包括化学组成和受热历程(例如，退火时间和温度等)。
另一个频率失配源是由于印刷在触摸屏基板上的反射阵列内的非期望的变化引起的。这些变化可能是例如屏幕印刷工序中阵列掩模变形所致。如果阵列要直接印刷到CRT面板上，则印刷掩模变形尤其成问题。诸如压印之类的其它阵列印刷技术也会遇到印刷工序中引入的配准误差，这可能导致进一步的频率失配。再一个频率失配源可能来自于对非平面基板表面的球面几何效应的不恰当校正。
现有技术中需要一种用于使控制器振荡频率适应特定触摸屏的工作频率要求的方法和装置。本发明提供了这种方法和装置。
发明内容
本发明提供一种用于使控制器的频率适应特定触摸屏基板的工作频率要求的方法和装置，其中触摸屏基板包括反射阵列。更具体地说，调整控制器，使得它将脉冲串信号输出到触摸屏的发射换能器或者调节来自触摸屏的接收换能器的信号，从而适应触摸屏基板的特定工作频率特性。
在本发明的一种应用中，首先确定特定触摸屏的一个或多个特征频率。然后调整将要配合这个基板使用的控制器频率以匹配基板的一个或多个测量的特征频率，从而使这两个组件配对成匹配组。在另一种应用中，在使触摸屏基板与控制器的工作频率匹配之前，将这两个组件配对。配对之后，系统在确定触摸屏基板的频率特性期间进行初始化。然后调整控制器的频率特性以便与基板的频率特性匹配。如果需要的话，系统可以定期重新测试基板的频率特性，并且在认为必要时重新调整控制器的输出。
在本发明的主要为对全局频率失配误差进行补偿而设计的一个实施例中，本发明的自适应控制器采用模拟信号处理和晶体参考振荡器。采用数字乘法器来修改参考振荡器的输出，以便产生发送到发射换能器的音频脉冲串的期望频率和/或改变接收电路所用的频率来生成基带信号。脉冲串长度由脉冲串电路决定。期望的工作频率由混频器包含电路决定，该电路将数字乘法器的输出与接收换能器的适当调节的输出信号进行比较。混频器包含电路的输出被用于确定期望的工作频率。
在本发明的为同时对全局和局部频率变化进行补偿而设计的另一个实施例中，本发明的自适应控制器采用数字信号处理和晶体参考振荡器。在该实施例中，数字信号处理器从一对混频器接收数字化和滤波后的输出。送至混频器的输入是一对参考信号，其中之一已经被90度相移，以及适当滤波和放大的接收换能器RF信号。此实施例是采用对相位敏感的控制器的实例，其中将接收的信号的完全数学的内容、例如相位和振幅进行数字化。由于完全数字化的信息可供数字信号处理器算法来处理，所以可以将软件可调谐频率滤波器运用于接收的信号。基于存储器中所含的校正值的数字信号处理器运用具有特定中心频率的频率滤波器，所述特定中心频率最好是根据自上次发送脉冲串起的延迟时间而变化。由此，系统可以适应于由声波反射阵列中的局部变化所导致的变化。
在本发明的另一个实施例中，采用非晶体本机振荡器来提供自适应控制器中的参考信号。利用这种振荡器可使控制器最小化到足以直接安装在触摸屏基板上的程度。反馈环路用于补偿振荡器的漂移。在这个实施例中，来自触摸屏接收换能器的调节后的RF信号与本机振荡器的输出进行混频。混频器的IF输出通过鉴频器电路，该电路生成一个电压，所述电压的符号取决于频率高于还是低于期望值，而其振幅取决于与期望频率的偏离程度。鉴频器的输出被用于调整本机振荡器的频率，使其跟踪触摸屏的频率。为了得到期望的脉冲串频率，将本机振荡器的稳定输出与IF振荡器的输出进行混频。
在本发明的再一个实施例中，脉冲串是足够宽带的，使得足以通过电压控制的可变频率带通滤波器来只调整处理接收电路的电路的中心频率。
参考本说明书的以下部分和附图，可以进一步理解本发明的特征和优点。
图1是根据先有技术的声学触摸屏的图解说明；图2是关于先有技术的触摸屏的一条轴、由表面声波换能器所接收的信号振幅-时间的波形图；图3是图2中所示波形的示意图，其中该波形已被触摸屏上的触摸所扰动；图4是在与图2和图3所示波形正交的方向上经过触摸屏表面的扰动波形的示意图；图5是说明利用本发明的一种方法的流程图；图6是说明利用本发明的另一种方法的流程图；图7示意说明根据本发明用于校正全局变化的自适应控制器；图8是说明用于调谐图7所示数字乘法器的频率的技术的流程图；
图9示意说明正交和检测器；图10是说明与图11所示的本发明另一个实施例相关的方法的流程图；图11示意说明根据本发明用于校正全局和局部变化的自适应控制器；图12示意说明配合图11和图15所示自适应控制器使用的数字脉冲串处理器；图13示意说明可以直接安装在触摸屏基板上的控制器；图14是说明与图15所示的本发明另一个实施例相关的方法的流程图；图15示意说明根据本发明、对全局和局部变化都进行有效校正的自适应控制器；图16示意说明根据本发明、只调整接收器中心频率的自适应控制器；以及图17是利用附加的用于触摸屏特征化的换能器组的声学触摸屏的图解说明。
具体实施例方式
图1是利用根据先有技术的表面声波的触摸屏100的图解说明。这种触摸屏适合于配合阴极射线管(即CRT)显示器、液晶显示器(即LCD)或其它显示器类型使用。常见的声学触摸屏采用瑞利波，这里所用的术语包含准瑞利波。涉及瑞利波触摸屏的作为举例说明的公开包括Adler的美国专利4642423、4645870、4700176、4746914、4791416以及Re 33151；Adler等人的美国专利4825212、4859996以及4880665；Brenner等人的美国专利4644100；Davis-Cannon等人的美国专利5739479；以及Kent的美国专利5708461和5854450。采用其他类型的声波(如兰姆波或切变波)或者不同类型声波的组合(包括含瑞利波的组合)的声学触摸屏也是已知的，作为举例说明的公开包括Kent的美国专利5591945和5854450；Knowles的美国专利5072427、5162618、5177327、5243148、5329070和5573077；以及Knowles等人的美国专利5260521。本段落所提及的这些文件全部通过引用结合于本文中以用于各种目的。这里将详细讨论表面声波触摸屏，以便可以更全面地理解本发明。
触摸屏100包括适合于传播表面声波、例如对表面上触摸敏感的瑞利波、洛夫波及其它波的基板101。为了确定沿x-轴103的触摸坐标，所采用的系统包括发射换能器105、接收换能器107以及一对分别与之相关的反射阵列109和111。采用类似的系统来确定沿y-轴113的坐标，它包括发射换能器115、接收换能器117以及与之相关的反射阵列119和121。发射换能器105和115连接到控制器123，控制器通常是在处理器125的控制下。接收换能器107和117还连接到控制器123，所述控制器123包括信号处理系统127。虽然可以同时将信号施加到换能器105和115，但是最好是依次把信号加到这些换能器，由此减少两个坐标检测通道之间的干扰和串音。依次检测法还降低了电路复杂性，因为这两个检测通道中可以交替使用许多必需电路，从而免除不必要的电路重复。为了进一步降低电路复杂性，通常先有技术向发射换能器105和115发送相同频率的脉冲串。
下面更详细地说明检测通道之一。对这个通道所作的说明同样适用于第二个检测通道。为了确定沿基板101的x-轴103的触摸坐标，发射换能器105沿着路径129发送脉冲串声波(例如，约5微秒的脉冲串)。因为与此脉冲串声波相关的带宽相对较宽，所以频率不是非常界限分明。反射阵列109包括多个沿路径129设置的反射元件131，各个元件131与路径129成大致45度角。元件131被设计为从沿路径129传播的声波中抽取多个声波分量133，并沿基板表面101传送分量133，方向最好与y-轴113平行。阵列109的图案设计是这样的，使得各个反射器131反射的各个分量相干地加在一起，从而形成具有均匀振幅的基本线性的波前。声波分量133通过阵列111内的多个反射元件135进行重新组合，元件135将沿路径137的声波分量引导到接收换能器107。各个阵列元件135被沿着路径137设置并且取向与该路径约成45度角。由于与基板101相关的声音速度而引起换能器105所传送的声波的时间延迟，所以接收换能器107接收到相对较长持续时间的信号(例如约150微秒的持续时间)，而非短脉冲串。
接收换能器107将沿路径137接收到的波形信息转换为电信号。例如通过执行接收声波的到达时间分析，分析此电信号。图2是说明这种声波的典型时间分析的图。如图所示，振幅、即所接收的波的RF信号的包络是对应于时间绘制的。在时间t1，由源123将信号提供给换能器105。时间t2是换能器107接收的波的开始时间。t1和t2之间的时间延迟源于换能器105发出的波到达阵列109的第一元件139、通过板101表面传播、以及被阵列111的第一元件141反射之间的时间延迟。在时间t3，声波的末尾到达换能器107。由于阵列元件的间距和设计，假设声波未受扰动，时间t2和t3之间曲线的振幅相对恒定。
图3是换能器107所接收的第二波形的曲线。如图所示，波形的振幅在时间t1存在下降301。下降301是由于基板101上位置143处的声波衰减所致。通过分析t1和t2之间的时间延迟，信号处理器127与处理器125结合可以计算触摸143的x坐标。同样，处理器125和127连同源123、换能器115和117以及反射阵列119和121可以计算触摸143的y坐标。图4是换能器117所接收的波形的曲线，其中表示了因触摸143而导致的衰减下降401。
图5-6是说明与本发明的自适应控制器相关的基本方法的流程图。图5所示的方法最适合用于触摸屏系统制造工艺过程中，虽然在用户位置也可以采用此方法。在步骤501，特定触摸屏的一个或多个特征频率是利用各种众所周知的测试技术中的任一种来确定的。例如，如果制造商一方在测试触摸屏，则可以将其置于测试夹具中，可以在基板表面上发出声波。一旦知道触摸屏的一个或多个特征频率，则可调整控制器的设计用于该触摸屏的频率，以便与被测触摸屏频率匹配(步骤503)。通常调整控制器的频率，直到获得期望的频率为止。或者，控制器可以包括一个查找表，其中记录了控制器设置以及得出的输出频率。最好该查找表专用于给定的控制器，即每个控制器都有一个考虑了各个控制器内变化的查找表。一旦确定触摸屏的工作频率，就用与该给定触摸屏配对的控制器的查找表进行适当控制器设置。无论采用哪种方法来调整控制器，一旦将其调整成与基板匹配，就可以组装触摸屏系统(步骤505)。
在图6所示的方法中，在尝试使控制器与触摸屏的频率匹配之前，将两者配对(步骤601)。然后，完成触摸屏系统的安装(步骤603)并且开始系统初始化(步骤605)。在系统初始化过程中，测试触摸屏来确定其一个或多个特征频率(步骤607)。该测试步骤最好采用以单脉冲串测试模式工作的普通触摸屏发射器/接收换能器(即105/107和/或115/117)。或者，也可采用专用的换能器对。一旦确定基板的一个或多个特征频率，就调整控制器的频率(步骤609)，从而对普通操作而言，系统已准备就绪(步骤611)。
作为图6所示的上述方法的变体，将系统设计为在触摸操作过程中定期调整控制器，以便确保最优的频率匹配。但是，与先前所述系统不同，执行定期测试程序，其中重新测试触摸屏并重新调整控制器(步骤613)。可以将控制器的重新调整设置为在每次系统进入上电程序时或者在经过预定时段之后执行。通常在触摸屏基板或控制器倾向于温度相关的波动时，需要定期控制器调整。例如，如果采用聚合物基板，基板的声波速度很可能随环境温度变化而改变。同样，如果控制器不采用晶体振荡器，可能会使频率参考受到漂移影响，因此需要主动的控制器调整。
在由于触摸屏基板的故障(例如有意破坏)或者控制器故障所导致的在用户位置触摸屏系统失效的情况下，都会发现上述的自适应控制器的明显优点。由于控制器的频率自适应质量的原因，可以很容易地在现场安装新触摸屏或新控制器，这种解决方案优于将整个触摸屏系统发回给制造商进行修理，或者将已匹配的触摸屏/控制器发送到用户位置进行现场更换。例如，如果现有触摸屏系统的触摸屏需要更换，旧的控制器可以执行一个新初始化测试，其中确定新触摸屏的一个或多个特征频率，并重新设置控制器的频率以使之与所述一个或多个特征频率匹配。或者，可以利用上述查找表使用新触摸屏的标识码来设置控制器的频率。同样，如果用户位置需要新的控制器，可以通过初始化测试使新的控制器与现有触摸屏匹配，或者可以利用查找表方法和旧触摸屏的标识码来设置它。在后一种方法中，既可以在制造商处，也可以在用户处设置控制器。
本发明的实施例有很多，它们各自提供使控制器的频率适应触摸屏要求的功能。这些实施例在自适应控制器校正的频率失配类型上有所不同。图7所示实施例设计用于受到“全局”频率失配误差、即均匀地影响控制器和触摸屏之间的频率兼容性的误差影响的系统。例如玻璃片的声波速度通常随其确切成分而有所不同。这样，由于各批玻璃或者各玻璃制造商之间成分是不同的，并且假定其他影响频率的因素得到足够的控制，则成分不同所引入的误差会由于声波速度上各批产品间的差异而均匀地影响整个触摸屏的特征频率。在特定实例中，触摸屏制造工序期间，通常需要进行玻璃回火步骤。随玻璃回火步骤的时间和温度特性而定，各个触摸屏之间的特征频率可能有所不同。
在受到非时变全局频率失配误差(例如，玻璃成分不同)影响的触摸屏中，本发明的自适应控制器最好是采用单一自适应频率算法。在此方案中，不需要多次或连续的频率适配，因为控制器和触摸屏之间的失配不随时间而变化。相反，此实施例的意图是使得在最终系统组装或系统维修期间随机选择的触摸屏和随机选择的控制器(即非配对的触摸屏/控制器组)可以成功配对。由此，最好在配对的触摸屏/控制器的初试上电程序期间执行此自适应频率算法。
图7所示的自适应控制器的实施例采用模拟信号处理。但是，显然也可在此实施例中采用数字信号处理。控制器700内有以接近期望频率的频率振荡的晶体振荡器701。此参考振荡器701的输出被馈送到控制器700内的数字乘法器703(也称为数字分频器)以及微处理器705。数字乘法器703以数学方式修改晶体振荡器的输出(例如，把晶体振荡器频率乘以有理数A/B)，以便根据微处理器705发送给它的命令生成期望频率。由此，数字乘法器703与晶体振荡器701结合而构成与触摸屏相关的模拟系统的主振荡器704。
数字乘法器703的输出被用于生成音频脉冲串，该音频脉冲串沿线路707输出到触摸屏的发射换能器(例如图1的换能器105和115)。音频脉冲串处于乘法器703输出的频率，并且具有与微处理器705连接的脉冲串电路709所确定的脉冲串长度。在音频脉冲串被传送到发射换能器之前，通常经脉冲串放大器711调节和放大。
为了确定期望的工作频率，接收换能器的输出(例如图1的107和117)沿线路713发送到混频器包含电路715。换能器输出最好首先通过带通滤波器717和RF放大器719。带通滤波器717，通常是固定宽带滤波器，主要用作噪声抑制电路，调节RF输入。RF放大器719将信号放大到期望的电平。混频器包含电路715将来自接收换能器的调节和放大后的信号的频率分量与数字乘法器703的输出信号进行比较，从而输出相对缓慢变化且基本为直流的基带信号。混频器包含电路715的输出由模数转换器723进行数字化，并被馈送到微处理器705。作为选择方案，低通滤波器721在混频器包含电路的输出被数字化之前对其提供额外的调节，但是通常混频器包含电路提供有限窄带滤波。
如前面所述，项目703最好是A/B数字乘法器。但是，应该理解，笼统地说，项目703仅仅是频率修改电路，因此可以包括响应来自微处理器705的控制信号修改晶体振荡器频率的任何数字、模拟或数/模混合电子电路。
随应用而定，仅调整脉冲串中心频率或接收中心频率可能就足够了。在仅调整脉冲串中心频率就足够的那些情况中，电路715无需来自数字乘法器703的输入。因此，可以替代为更标准的检测器元件，如现有控制器中常见的那些元件。在仅调整接收中心频率就足够的那些情况中，数字乘法器703和脉冲串电路709之间的连接不再是必需的。
图8是说明用于调谐数字乘法器703的频率以与要连接的触摸屏的频率匹配的技术的流程图。如上所述，该实施例最好只在上电时将控制器的频率与触摸屏匹配(步骤801)。或者，可以将系统设计成定期地或者只在第一次上电周期中执行控制器频率调整。
在上电步骤801，微处理器705使数字乘法器703的输出在预定频率范围中扫描(步骤803)。控制器最好先执行粗调谐操作，然后执行精调谐操作，但是可以将这两个操作组合在单一扫描程序中。因此，在步骤803中，采用相对较大频率跃变扫描预定的频率范围。将各个频率跃变的A-D转换器723的输出求和(步骤805)，并选择最大信号振幅(步骤806)，它指示了主振荡器的输出和触摸屏之间最接近的匹配。然后重复执行此扫描/优化过程(步骤807-809)，采用较小频率跃变在先前选择的频率附近扫描主振荡器的输出频率。然后将步骤809中确定的最接近触摸屏固有频率的频率输入存储器中(步骤811)，由此确保主振荡器的输出维持在期望的频率。
虽然图8中表示了两步频率扫描法，但是本领域的技术人员应当知道，还有许多其他技术可用于确定期望的输出频率。例如，本发明还可以利用抖动或者逐次逼近法。
图8的基本算法不需要使用A-D转换器求和。一般来说，步骤805和808表示收集对频率失配度敏感的任何可测量的量，而步骤806和809表示选择对应于小到可接受的频率失配的可测量的量。例如，对于给定的时间间隔，微处理器705可以在接收的信号和数字乘法器703的输出中统计RF周期数。RF周期数之间的差异提供了频率失配的量度。对于本领域的技术人员来说，还有其他众所周知的电路和技术来实现同一目的。
图9示意说明作为混频器包含电路715的说明性实例的正交和检测器。在混频器903中，调节后的RF输入信号901与来自数字乘法器703中的振荡器输出进行混频。混频器903输出两个输入频率的和频率与差频率。利用低通滤波器905滤除约10MHz处的和频率。其余频率接近于零，即基带。虽然可以采用上述单个混频器电路提供基带信号，但是输出随振荡器输出和RF输入信号的相对相位而定。为了实现相对相位不相关性，即避免A-D转换器723所数字化的波形中出现拍频波形图，正交和检测器具有图9所示的两个信道。如图所示，采用第二混频器907，其中来自振荡器的频率输入按90度进行相移。第二混频器907的输出，在通过另一个低通滤波器905之后，与来自正交和电路909的第一通道的输出相加。电路909的输出是一个基带信号911，它免于拍频波形图并且与接收的信号的确切相位无关。图9的正交和检测器有效地提供窄带带通滤波器，其中心频率可由数字乘法器703输出的频率进行调整和控制。
图9所示的混频器903和907是正交和检测器以及其他可能的混频器包含电路的基本组件。例如，混频器903将线路713上始发的信号与源704的输出组合，得到与这两个输入信号及其频率间差异存在函数关系的期望输出。在某些情况中，可能不需要全部正交和检测器。例如，如果所需要的只是调整脉冲串频率，要关注的输出量是来自线路713和来自源704的信号之间差异的拍频。这种差频率信号可容易地由二极管混频器生成。当然，先有技术中还有其他常用混频设备，也可以在本发明中作为一种修改形式被采用。
在图10-12所示的本发明另一个实施例中，控制器可以如下方式编程使之既可以适应全局变化、即均匀地影响整个触摸屏的特征频率的频率变化，也可以适应局部变化，即触摸屏的局部区域内的频率变化。仅为了说明的目的，本实施例采用数字信号处理。但是应该理解，本实施例也可以采用模拟信号处理来实现。
图10是说明与本发明实施例相关的方法的流程图。触摸屏基板制造(包括任何所需的阵列淀积和玻璃回火工序)完成之后，测量该触摸屏的特征频率，包括任何局部阵列变形的影响(步骤1001)。这些测量最好在制造工厂中利用生产现场的测试设备来完成。根据这些测量，计算一系列的频率校正值(步骤1003)，它们通常与x和y坐标的延迟时间成函数关系。然后将各个触摸屏所特有的这组校正值装入自适应控制器1100的存储器中(步骤1005)，该控制器与此特定触摸屏配对(步骤1007)。应当理解，步骤1005和1007可以在次序上颠倒，可以将触摸屏基板频率变化测量步骤1001与校正值计算步骤1003组合起来。
对图10所示的方法稍作改变，每个触摸屏基板设有一个标识码。然后将标识码和各标识码所特定的相关校正值的表归档，最好由制造商、经销商或二者一起来完成。由此，若例如由于破损而需要更换控制器，用户只需要提供标识码，以便得到已经预先装入必需的校正值的新控制器。
在图11和图12所示的本发明实施例中，自适应控制器1100采用振荡器1101作为参考。最好采用稳定的晶体振荡器作为频率源。振荡器1101的输出被传送到分频器/移相器1103，它将频率从约22MHz分频为约5.53MHz的期望频率，并将一部分输出移相90度。然后在混频器1109和1111中将未移相的振荡器频率1105和移相的振荡器频率1107与适当滤波并放大的接收换能器RF信号进行混频。与在控制器700中一样，来自触摸屏的接收换能器的RF信号通过带通滤波器1113、通常是固定宽带滤波器进行滤波，从而除去各种噪声分量，然后通过放大器1115进行放大，以便获得期望的信号电平。
混频器1109和1111的输出在复平面中表示x和y信号振幅。由此，利用一对混频器和一对参考信号(其中之一已经移相90度)，可以确定相位以及与相位有关的复数幅度。混频器1109和1111的输出分别通过一对低通滤波器1117和1119，然后分别通过A-D转换器1121和1123进行数字化。然后将这些信号发送到数字信号处理器(即DSP)1125。
DSP 1125充当频率滤波器，其中可以数学方式控制中心频率和带宽。以数学方式控制DSP 1125来获得可控制带宽和中心频率的方法是本领域的技术人员众所周知的，因此不作详细讨论。连接到DSP1125的有存储器1127。存储器1127包含通过测量特定触摸屏(即要与控制器1100配对的触摸屏)的频率特性获得的校正值。根据存储器1127中所含校正值，DSP 1125对特定的中心频率作出响应。DSP 1125最好对根据延迟信号变化的中心频率作出响应，由此考虑声波反射阵列中局部变化所导致的变化。
图11的项目1125在通常意义上是指数字信号处理器(即DSP)。它表示对来自A-D转换器1121和1123的数字化信号进行的数学或数字处理。DSP 1125可以多种方式实现。例如，DSP 1125可以是由微处理器1131执行的代码。或者，DSP 1125可以是为声学触摸屏控制器专门设计的数字电路。再者，数字信号处理可以在封装的硅芯片中执行，此类芯片通常被电子工程师称为“DSP芯片”，但是应当理解它并不仅限于此。
为了提供发射换能器脉冲串，将晶体振荡器1101的输出馈送到数字脉冲串电路1129。脉冲串电路1129根据从微处理器1131接收的指令处理此信号，而微处理器1131从永久存储器1127接收有关所需中心频率的指令。如果需要的话，在将数字脉冲串电路1129的输出沿线路1135发送到发射换能器之前，通过脉冲串放大器1133放大。
图12是数字脉冲串电路1129的一个实例的示意图。在脉冲串电路1129内，有连接到微处理器1131的位寄存器1201(例如64×8位寄存器)。微处理器1131将所需的位组合(即，微处理器1131响应永久存储器1127的输出而生成的数字图案)装入寄存器1201，该位组合确定脉冲串的中心频率。对于每个脉冲串，装入寄存器1201中的位组合被锁存到移位寄存器1203中，为了产生脉冲串，移位寄存器要时钟同步(clocked out)。应该理解，可以采用不同的位组合来确定触摸屏的x坐标和y坐标的脉冲串中心频率，由此将这两个轴之间的变化纳入考虑。应该指出，位组合可以由微处理器1131响应从存储器1127获得的频率校正数据来计算，也可以直接存储在存储器1127中。
在可以采用自适应控制器的这个实施例的另一个实例中，触摸屏采用光栅换能器。在光栅换能器中，将压电元件运用于基板的背面，并将光栅运用于基板前面。光栅用来相干衍射压电元件所产生的压力波，由此生成沿表面的面传播的声波。这种光栅换能器证明在工作频率对应于玻璃厚度谐振时最有效。因为基板的玻璃厚度谐振频率取决于基板厚度，所以最好先测量玻璃厚度，然后计算最佳工作频率，并运用针对该最佳工作频率设计的适当反射阵列和光栅。然后利用本发明的自适应控制器、例如1100，将控制器的频率与触摸屏的频率特性匹配。但是不同于本实施例的一些应用，此实例要求该自适应控制器能够对脉冲串频率从参考振荡器频率作出10-20％的改变。任何接收带通滤波器、如滤波器1113需要是可调谐的或者足够宽带的，以便涵盖触摸屏频率特性的整个变动范围。
图13示意说明自适应控制器的另一个实施例，它可以直接安装到触摸屏基板上，因此提供了尺寸和成本效益。在此实施例中，晶体振荡器被替换为本机振荡器1301，由此提供所需的尺寸。例如，本机振荡器1301可以完全由硅芯片上的电路元件来构成。假定本机振荡器1301相对于晶体振荡器有漂移，则需要反馈环路来提供必要的频率稳定性。由于有反馈环路，控制器1300主动地、即反复地将振荡器频率调整到期望频率。
根据先前的实施例，来自触摸屏接收换能器的RF信号首先通过带通滤波器1303和放大器1305以进行调节。调节后的RF信号在混频器1307中与来自本机振荡器1301的输出进行混频。振荡器1301是可变频率振荡器，其中频率由例如输入电压控制。利用电容器1308和振荡器1301之间适当的缓冲电路，振荡器1301可以提供其他类型的电输入，比如电流。在此实施例中，本机振荡器或参考振荡器工作在比触摸屏频率高的频率上。例如，对于5.5MHz的标称触摸屏频率，振荡器1301可以工作在大约6MHz的频率上。混频器1307的输出则是在大约500kHz的IF频率上。
混频器1307的IF输出在进入鉴频器1311之前先通过带通滤波器1309。鉴频器1311生成一个电压，其符号根据该频率是高于还是低于鉴频器1311的中心频率而定，其振幅取决于与鉴频器中心频率之间偏离的程度。然后利用鉴频器1311的输出调整本机振荡器1301的频率，例如利用变容二极管来将鉴频器输出电压降低到零附近。连接到控制处理器1314的开关1313是样本和保持电路的一部分，它使本机振荡器1301可保持在脉冲串/接收周期之间先前确定的频率上。在接收周期中，开关1313是闭合的。
系统上电过程中，本机振荡器1301可能偏离期望频率相当大的差额，从而阻止反馈环路有效地稳定振荡器。为此，控制器1300最好包括逐渐地调整本机振荡器1301的频率的斜坡处理功能，直到反馈环路可以接管为止。在一种工作方式中，上电期间，开关1313断开而第二开关1315闭合。数-模转换器(即DAC)1317在微处理器1314的控制下调整振荡器1301的频率，增大(或减小)该频率同时利用检测器1319观测混频器1307的输出。检测器1319通过A-D转换器1321与微处理器1314连接。当检测器1319的输出超过预定阈值、从而指示本机振荡器1301接近期望频率时，微处理器1314断开开关1315并闭合开关1313，使反馈环路可以微调本机振荡器的频率。或者，在上电过程中，可以将开关1313和开关1315都闭合。在此方式中，一旦振荡器频率处于带通滤波器1303的带宽内，微处理器1314就断开开关1315，从而使反馈环路可以自此点向前微调频率。
与先前所述实施例不同，不将本机振荡器1301的频率调整到期望的脉冲串频率。而是，本机振荡器1301的频率跟踪触摸屏的频率，以便维持两个频率之间的固定差(在本例中为500kHz)。因此，为了获得期望的脉冲串频率，在第二混频器1323中将本机振荡器1301的稳定输出与IF振荡器1325的输出进行混频。IF振荡器1325工作于与IF带通滤波器1309相同的频率(即本例中约为500kHz)。混频器1323的输出处于期望的脉冲串频率(即本例中约为5.5MHz)。带通滤波器(未显示)可以插入到混频器1323和脉冲串电路1327之间，以便只从混频器1323通过期望的和或差频率。与先前的实施例一样，此频率上的音频脉冲串的长度由连接到微处理器1314的脉冲串电路1327控制。音频脉冲串通常在沿线路1331输出到触摸屏发射换能器之一之前被脉冲串放大器1329放大到期望的振幅。
图13中的电路是一种电路实例，它将接收信号从RF频率移频到较低的不一定是基带的频率，例如500kHz。对于自适应频率控制器的设计人员，有一种通用技术可用。这种较低频率可以选在RF频率与基带之间的任何位置。它的最优值取决于特定电路的具体特性、噪声源等。
图14-15说明对于使用过程中存在基板声波速度上的变化的触摸屏较理想的本发明另一个实施例。例如，如先前提到的，聚合物基板的声波速度特性可能与温度相关。因此，在使用过程中，基于聚合物基板的触摸屏可能会呈现全局变化(例如整个房间温度的变化所引起的)或局部变化(例如屏幕不同部分的温度不同引起的)。图14和15所示的实施例被设计为适应这种变化。
图14是说明其中控制器1500与需要主动适配的触摸屏相连的实施例的方法的流程图。在此实施例中，第一步骤是确定触摸屏是否感应到触摸(步骤1401)。如果未感应到触摸，控制器1500执行测试程序以确定触摸屏的频率特性。此程序中的第一步骤最好是确定自从上次测试程序之后经过了多长时间(步骤1403)。如果未超过预置时段(步骤1405)，则系统循环返回到起始点。如果超过预置时段，系统则测量基板x和y坐标的基板频率特性(步骤1407)，并确定一组校正值(步骤1409)。这些校正值被装入控制器1500的存储器(步骤1411)，系统循环返回到起始点(步骤1413)。然后，一旦感应到触摸(步骤1415)，系统则确定触摸坐标(步骤1417)并且将这些坐标发送到操作系统(步骤1419)。
主动自适应控制器1500如图15所示。此控制器基本上与控制器1100相同，不同之处是一些小的改变。例如，将永久存储器1127替换为暂时存储器1501。与控制器1100中一样，存储器1501存储校正触摸屏的特征频率变化所需的频率校正值。本实施例中需要暂时存储器，因为控制器1500定期更新如上所述的校正值。此外，因为存储器必须定期更新，它是双向链接到微处理器1131的。因此，在特性测试程序期间，微处理器1131利用DSP 1125的输出来确定期望的频率校正值，将它们存储在存储器1501。
与图11所示的实施例一样，数字脉冲串处理器1129输出期望脉冲串频率的脉冲串。此外，还根据存储在暂时存储器1501中的校正值对输出脉冲串的功率谱进行修整。可以采用各种技术来调整脉冲串功率谱，包括对各个RF脉冲的相位进行时间调制(例如，基于sin(x)/x曲线的脉冲相位调整)，对脉冲串进行振幅调制(例如不同长度的数字脉冲串的梯形包络或叠加)，或者利用以RF周期为单位的非整数脉冲串长度。
在图16所示的实施例中，只调整用于处理接收信号的中心频率，即不调整脉冲串的频率。本实施例适用于无需调整脉冲串频率的情况，如脉冲串非常短，例如持续时间少于10个RF周期，因此足够宽带以涵盖触摸屏特征频率中预期的变化。
如图16所示，微处理器1601接受标称RF工作频率，并触发脉冲串电路1603，从而激励发射换能器(未显示)。与先前的实施例一样，脉冲串放大器1605可用于调节脉冲串电路1603的输出。接收器电路链中最窄的带通滤波器是可变带通滤波器1607。可变带通滤波器1607的中心频率由D-A转换器1609所提供的电压控制，D-A转换器又由微处理器1601来控制。针对可变带通滤波器、如滤波器1607设计的相应电路是本领域的技术人员众所周知的，因此不作进一步的说明。来自接收换能器(未显示)的信号可以被传递通过相对较宽的带通滤波器1611，并在被传递通过可变带通滤波器1607之前由放大器1613进行放大，所述滤波器1607定义中心频率。然后通过检测器1615将信号从RF转换成基带，并利用A-D转换器1617将其数字化。微处理器1601确定D-A转换器1609的最优设置，例如利用图8所示的处理程序。然后将最优D-A转换器设置存储在存储器1619中，微处理器1601在一般触摸操作过程中使用所存储的值。对于x信号和y信号，可以分别存储D-A转换器的值。
在上面公开的各个实施例中，最好触摸感应过程中所用的换能器如换能器105、107、115和117也用于将控制器与触摸屏适配。由此，例如换能器105发出的和换能器107接收的声波所产生的接收信号都可以用作本发明的自适应控制器的频率参考，或者以与常规触摸屏相同或相似的方式提供触摸信息。但是，应该理解，这些用于确定触摸屏特征频率以便调整控制器的换能器不需要与用于检测触摸和信息收集的换能器相同。例如，如图17所示，换能器对1701和1703用于延迟线路反馈振荡器(未显示)中以确定触摸屏的特征频率，这些换能器作为对触摸感应过程中使用的换能器105、107、115和117的附加物。或者，可以在触摸屏基板背面设置具有单独反射阵列的单独换能器。最好附加的换能器的输入和输出与控制器700的线路707和713复用，或者与控制器1100、1300或1500的对应线路复用。这种方法提供了优化频率参考信号的性质的自由，而与触摸感应声路的需要无关。
虽然上面描述和说明了本发明的多个实施例，但是应该理解，可以设想利用本发明的自适应方法的其他实施例。此外，还应该理解，上述实施例的各个方面在不背离本发明的前提下可以更改。例如，可以采用图13所示的实施例中所用的非晶体参考振荡器和反馈环路来替代图11-12所示的实施例中所用的晶体振荡器。因此，在不背离本发明精神和基本特征的前提下，本发明可以其他特定形式来实施。因此，本文的公开内容和描述仅用于说明，而非作为限定，本发明的范围由下列权利要求书来陈述。
权利要求
1.一种操作触摸屏系统的方法，所述方法包括如下步骤为所述触摸屏系统提供电力，所述触摸屏系统包括触摸屏基板和自适应触摸屏控制器；在所述触摸屏基板上发出声波；接收所述声波；分析所述声波以确定所述触摸屏基板的特征频率的测量值；以及调整所述自适应触摸屏控制器的频率，以便基本与所述触摸屏基板的所述特征频率匹配。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调整步骤是自动进行的。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调整步骤调整所述控制器的可变带通滤波器的中心频率。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，重复所述发出、接收、分析以及调整的步骤，以便获得所述自适应触摸屏控制器的所述频率和所述触摸屏基板的所述特征频率之间的最佳匹配。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分析和调整步骤在每次向所述触摸屏系统提供电力时执行。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分析和调整步骤是定期进行的。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分析和调整步骤在所述触摸屏系统初始上电期间执行。
全文摘要
提供一种使声学触摸屏控制器适应特定触摸屏的工作频率要求的方法和装置。自适应控制器可以利用查找表获得所期望的输出频率或者可以采用多步处理，其中首先确定触摸屏的频率要求，然后根据触摸屏要求调整脉冲串频率特性、接收器电路中心频率或两者。在一个实施例中，自适应控制器对全局频率失配误差进行补偿。在此实施例中，采用数字乘法器修改晶体参考振荡器的输出。采用参考振荡器输出控制来自接收换能器的信号的频率和/或生成发送到发射换能器的音频脉冲串的期望频率。在设计为同时补偿全局和局部频率变化的另一实施例中，自适应控制器采用数字信号处理器。数字信号处理器根据存储器中包含的校正值，定义最好根据信号延迟变化的特定中心频率，从而考虑声波反射阵列中局部变化所导致的变化。在再一个实施例中，采用非晶体本机振荡器来提供自适应控制器中的参考信号。使用这种振荡器使控制器能够最小化到可直接安装至触摸屏基板的足够程度。采用反馈环路来补偿振荡器漂移。鉴频器电路确定与期望频率的偏离程度。利用鉴频器的输出调整本机振荡器的频率，使得它跟踪触摸屏的频率。
文档编号G06F3/043GK1722073SQ200510085929
公开日2006年1月18日 申请日期2000年11月21日 优先权日2000年11月21日
发明者R·阿德勒, A·拉维, P·I·戈梅斯, 蒲原茂树, 金田宏, J·肯特, J·L·夏普, G·D·威尔逊 申请人:伊罗接触系统公司