有故障检测装置的采用多频电容检测的多点触控触敏装置制造方法
【专利摘要】本发明公开一种有故障检测装置的采用多频电容检测的多点触控触敏装置。本发明的一般领域为采用投射电容检测的触摸屏设备（1），其包括触敏矩阵面板（10），所述触敏矩阵面板（10）包括多个导电行（11）和导电列（12），所述面板连接至电子控制装置（20）。电子控制装置生成在两个不同频率处传输的两个周期传输电压。接收电压的分析用于确定包括当行或列被切断时在触敏面板上的按压的位置。通过计算对应于该切断行或列的接收电压中的“虚拟”凹陷的重心基本地确定在切断行或列上按压。
【专利说明】有故障检测装置的采用多频电容检测的多点触控触敏装置
【技术领域】
[0001] 本发明的领域为采用电容检测的触敏或"触摸屏"表面，并且更具体地为用于检测 两个同时按压的"多点触控"触敏表面。例如，该功能对于"缩放"或图像旋转是必要的。本 发明的更具体的领域为在所述触敏表面上检测故障。本发明可应用于不同用途，但特别适 合于航空和飞机仪表板的领域的约束，其中检测失灵对确保飞行安全至关重要。
【背景技术】
[0002] "投射"电容检测在于实现由导电行和导电列组成的检测矩阵，该导电行和导电列 排列成检测通过用户手指的接近或任何其他导电指向物引入的电容的局部变化。"投射电 容"技术出现两种主要变型，其为：
[0003] - "自电容"检测，"自电容"检测在于读取矩阵触摸网络的行然后读取列；
[0004] - "互电容"检测，"互电容"检测在于读取矩阵触摸网络的每个交叉点。
[0005] "互电容"技术需要读取整个面板。因此，如果矩阵包括N行和Μ列，必须进行NX Μ 次采集，使实现具有低响应时间的大型、高分辨率面板成为问题。此外，以"互电容"测量的 能力比在"自电容"检测中获得的能力弱，这使用户使用手套成为问题。
[0006] "自电容"检测的优点在于，对于前述面板，系统仅需要Ν+Μ次采集来读取矩阵。图 1Α、图1Β和图1C示出了该原理。在该图1Α、图1Β和图1C中，第一手指按压在列Q和行Lj 的第一交叉点上并且第二手指按压在列CK和行U的第二交叉点上。行和列的输出电压VTOT 显示容易识别的电平的降低。每个电平的降低周围电压的测量可用于精确地识别所需要的 行和列。
[0007] 然而，后面的这种技术具有缺点。这是因为借助于包含在玻璃衬底中的导电且透 明的行和列的网络来检测按压或多个按压。行或列的缺损产生不可用的死区。这种缺陷更 加严重的是，仅在用户需要使用死区的时候它才出现。因此，它是通过系统无法检测的潜在 故障。在用于大众消费应用的产品（比如，触摸板）中，这种缺陷不一定非常麻烦，但在另一 方面，该缺陷在某些【技术领域】中变得非常严重，比如航空学，其中可靠性的需求是非常重要 的并且在其中必须确保系统的有效性至少直到飞行或任务的结束。
[0008] 该技术还具有其他缺陷。它并不总是易于将检测到的行和列分配给由用户的手 指实际触摸的正确交叉点。不是实际触摸的可能交叉点一般被成为"幻影"。为了对抗最 后的这个困难， 申请人:已开发一种技术，该技术在于在两个不同采集频率处执行矩阵的扫 描。在 2012 年六月的"SID2012DIGEST"中登出的公布"Eliminating Ghost Touches on a Self-Capacitive Touch-Screen (消除自电容触摸屏上的幻影触摸)"中描述了该技术。
【发明内容】
[0009] 本发明的主题为利用在两个不同采集频率处扫描矩阵的原理构建用于检测"自电 容"检测设备中的行或列的适当的装置。更精确地，本发明涉及一种采用投射电容检测的触 摸屏设备，包括触敏矩阵面板，所述触敏矩阵面板包括多个导电行和导电列，所述面板连接 至为每个导电行和导电列生成传输电压的电子控制装置和接收和分析源自每个导电行和 导电列的接收电压的电子装置，
[0010] 电子控制装置，所述电子控制装置为每个导电行和导电列生成在第一频率处传输 的第一周期传输电压和在第二频率处传输的第二周期传输电压，所述第一频率被表示为工 作频率，所述第二频率被表示为与所述第一频率不同的鉴别频率：
[0011] 在不存在任何按压时，工作频率的值足够低以在该工作频率处的接收电压中产生 非常小的变化，并且鉴别频率的值足够高以在该鉴别频率处在根据行和列的接收电压中产 生显著的变化；
[0012] 接收装置被排列成为每个行和为每个列确定在工作频率处的第一接收电压的值 和在鉴别频率处的第二接收电压的值；
[0013] 其特征在于，所述电子分析装置包括：
[0014] -在不存在任何按压时，在每个行和每个列的工作电压处的接收电压的存储值的 表；
[0015] -比较装置，所述比较装置为每个行和为每个列建立接收电压的测量值和接收电 压的存储值之间的差值，以便确定测量的差值是否表示切断行或列和/或按压在完好无损 的行或列上。
[0016] 有利地，分析装置包括第一分析装置，所述第一分析装置排列成使得：
[0017] 如果行的集合的接收电压显示表示按压的"凹陷"并且列的集合的接收电压未显 示表示按压的"凹陷"，则列被诊断为切断，所述故障列和按压的位置通过测量在位于所述 按压处的行的工作频率处和鉴别频率处获得的接收电压的差值确定；以及
[0018] 如果列的集合的接收电压显示表示按压的"凹陷"并且行的集合的接收电压未显 示表示按压的"凹陷"，则行被诊断为切断，所述故障行和按压的位置通过测量在位于所述 按压处的列的工作频率处和鉴别频率处获得的接收电压的差值确定。
[0019] 有利地，分析装置包括：
[0020] 第二分析装置，所述第二分析装置用于在检测切断行或列的情况下，如果行或如 果列是完好无损的，则基于在位于切断行或列附近的行或列的工作频率处和鉴别频率处的 接收电压的值，计算所获得的虚拟电压值，所述虚拟值给出电压中的"虚拟凹陷"；
[0021] 第三分析装置，所述第三分析装置用于计算电压中的"虚拟凹陷"的重心；
[0022] 第四分析装置，所述第四分析装置用于基于所述重心的信息确定按压的精确位 置。
[0023] 有利地，工作频率在100kHz和500kHz之间并且鉴别频率在500kHz和5MHz之间。
【专利附图】
【附图说明】
[0024] 根据阅读非限制性给出的以下描述以及由于所附附图，本发明将更容易理解并且 进一步的优点将变得明显，其中：
[0025] 图1A、图1B和图1C显示在两种不同按压的情况下"自电容"触敏面板的一般操 作；
[0026] 图2显示根据所施加的频率，针对根据现有技术的设备中三个不同按压位置的行 或列的输出信号的变化；
[0027] 图3A和图3B显示对于两个不同频率，依据在根据现有技术的设备中的按压位置 的行或列的输出信号的变化；
[0028] 图4显示根据本发明的投射电容触敏设备的概括视图；
[0029] 图5A和图5B显示在不存在任何按压的情况下而存在切断列（cut column)时输 出电压的变化；
[0030] 图6A、图6B和图6C显示按压在切断列上的情况下"自电容"触敏面板的操作；
[0031] 图7显示根据本发明的校正故障行或列的电压值的原理。
【具体实施方式】
[0032] 根据本发明的采用投射电容检测的触摸屏设备包括用于在两个不同采集频 率处扫描行和列的矩阵的电子设备。在已经引用的"SID2012DIGEST"中登出的公布 "Eliminating Ghost Touches on a Self-Capacitive Touch-Screen (消除自电容触摸屏 上的幻影触摸)"中描述了该扫描技术。
[0033] 在图2以及图3A和图3B中示出了该技术。触摸屏包括导电行L和导电列C的网 络。在下文中，导电行或导电列被理解为不仅表示位于触敏面板下的电阻式的行，还表示将 这些电阻式的行连接至电子控制设备的电连接。这些电连接一般安装在被称为"柔性"电 路的柔性印刷电路上。
[0034] 每个行L和每个列C具有长度1的电阻R。因此，在行的一端和接触点A之间存在 电阻R A。电阻RA小于R。当在接触点产生之处扫描行或列时，该电阻值改变输出电压VTOT。 每个行和每个列最初可被看作网络RC的一部分，其中与手指和矩阵之间的耦合的电容C d 相关联的电阻R形成一阶低通滤波器。图2显示根据所施加的频率，针对三个不同按压位 置的行的输出信号VOTT的变化，第一曲线C1针对位于行的旁边的按压、第二曲线C2针对在 行的中间的按压，第三曲线C3针对在行的端部处的按压。图2的刻度在两轴上都是对数 的。如图2所示，因此存在频率F MIN使得不管按压的位置如何，RA的变化导致VOTT的最小变 化。相反，存在频率F MX使得RA的变化根据按压的位置引起VOTT的显著衰减。因此，在该频 率F MX处，通过测量该衰减，则容易发现电阻RA的值，并因此确定在行上的接触的点的位置。
[0035] 图3A和图3B显示沿着导电行根据按压的位置对于频率FMIN和Fg的输出信号V QUT 的变化。该图3A和图3B分别包括一个曲线图。图3A的曲线图显示在行的起始处的变化。 图3B的曲线图显示在行的结束处输出信号V QUT的变化。在图3A和图3B中，以虚线显示的 曲线表示在频率FMX处VOTT信号的变化并且以连续线显示的曲线表示在频率F MIN处VTOT信 号的变化。通过测量在两个频率FMIN和F MX处的VTOT，基于行的电阻RA的值获得信息，行的 电阻R A的值用于确定在行上的接触点的位置，并因此确定所需的列，使得按压被完全定位。
[0036] 通过非限制示例的方式，图4显示采用投射电容检测的触敏面板设备1。它基本包 括：
[0037] -触敏面板10,触敏面板10包括第一衬底和第二衬底，该第一衬底包括互相平行 的第一系列的导电行11，该第二衬底包括互相平行的第二系列的导电列12 ;
[0038] -操作触敏设备所必需的各种传输和接收信号的控制和分析装置20 ;
[0039] -高频可变频率正弦波发生器30,高频可变频率正弦波发生器30经由数模转换器 "DAC"31、放大器32和注入电容33为触敏面板提供交流电压V IN。通常，频率在几百kHz和 几 MHz之间。
[0040] -多路复用器40。它将输入电压VIN依次施加至触敏面板10的每个列12然后施 加至每个行11并且将对应于所施加的电压V IN的每个输出电压VTOT指向电子处理链50 ;
[0041] -电子处理链50,电子处理链50包括缓冲存储器或"缓冲" 51、模数转换器或 ADC52、连接至频率发生器30的同步解调器53和电子滤波装置54。经滤波的信号被发送至 分析装置20 ;
[0042] -传输一接收装置60或"UART"（表示"通用异步收发器")，传输一接收装置60或 "UART"确保由分析装置20处理的信号向外部的转发，所述外部通常为与触敏面板联接的 显示设备并且显示控制、修改或验证所需的信息。
[0043] 该设备如下操作。在标称模式中下，在第一工作频率FMIN处和在第二"鉴别频 率"F MX处通过输入电压VIN连续并且依次地扫描面板的行和列。该电压通过由装置30、31、 32和33组成的电子组件生成。
[0044] 在不存在接近的手时，触敏控制器在频率FMIN处连续创建面板的图像并由此通 过滑动平均推导静态的阻抗表。从阻抗的瞬时值的表55中减去该图像以形成差值表，根 据该差值表可以分配交叉点中的每个点的状态。在标题为"Process for operating a capacitive tactile keyboard (用于操作电容式触感键盘的过程)"的专利EPO 567 364 中部分地描述了该方法。
[0045] 当存在由图4中的手指象征性地表示的按压时并且根据该按压的位置，在接触点 和地之间产生一定的电容，该电容主要经由行和列的电阻连接至多路复用器40。
[0046] 该电阻和电容分量将导致系统的总阻抗Z的变化，并且对输出信号VTOT起作用，该 输出信号V QUT等于Z. VIN并且Z=A+Bj。然后通过电子链50解调信号VQUT，以通过同步解调 器53提取有效值V QUT=Z. VIN并且Z=A+Bj以及j=sin (2 π . F. t)。同步解调用于通过作为具 有高品质因数的带通滤波器来过滤电磁干扰"EMI"，这避免了使用不是非常有选择性的无 源滤波器。
[0047] 进行至少两个测量，一个在工作频率处FMIN，以及一个在鉴别频率Fmx处。对于大 尺寸的面板，可使用若干鉴别频率F mx。有利地，通过两个同步解调器53分别地调制和解调 频率FMIN和FMX，使得能够在单次测量中获得表示按压的位置的电容C和电阻R的值。
[0048] 最后，源自解调器53的经滤波的连续信号通过滤波器54进行滤波。
[0049] 如果触敏面板是完好无损的，即，如果所有行和所有列都是完好无损的，则在单次 按压期间，根据在最大偏差的行信号和列信号周围的加权重心来计算该单次按压的行和列 的位置，点的双重线（doub 1 et)给出按压的坐标。
[0050] 在对齐的多个按压的情况下，以相同的方式计算共同的行或列，点的三重线 (triplet)给出两个按压的坐标。
[0051] 在非对齐的多个按压的情况下，先在频率FMIN处然后在频率FMX处测量点的四重 线（quadruplet)。由频率的变化造成的信号的变化用于确定对幻影的抑制并且点的四重线 给出不同按压的坐标。
[0052] 当行或列被切断时，即使不存在任何按压，在切断行或列处的输出电被中断 以至于该有缺陷的行或列和与之交叉的行或列之间的电容互耦合消失。图5A和图5B示出 了这种电压的变化。行q被切断。电压V OTT在该行具有峰值。根据本发明的设备包括比较 装置200,比较装置200对于每个行和对于每个列在表55中建立接收电压的测量值和接收 电压的存储值之间的差值，以便确定测量的差值是否表示切断行或列。恒定阈值可设置为 超过存储值，以便考虑信号在时间上的正常漂移和分散以及测量噪声。因此，通过该装置， 系统确定有缺陷的行或列。当然，假设在接收电压被存储在表55中之后行或列被切断，其 一般在触敏面板的操作实施之前或在启动测试时发生。之后在按压在切断行或列上时该信 息将被确认。
[0053] 当行或列被切断时，如果按压发生在该行或列处，则有关的电压VTOT中断。通过图 6A、图6B和图6C所不的不例，屏幕包括由导电行L和导电列C组成的触敏矩阵面板。用户 将他的手指放置在行h和列(^的交叉点的附近。列Q被切断并且行h是完好无损的。在 这种情况下，行的电压V TOT是正常的并且如图6A、图6B和图6C所示在行h处具有凹陷。另 一方面，由于列Q被切断，列的电压VOTT在切断列处仅具有轻微的变化。
[0054] 而且，根据本发明的触摸屏设备具有另外的用于处理被切断的行或列的这种问题 的分析和数字信号处理装置。它们在图4中通过附图标记201、202、203和204显示。它们 基本上包括：
[0055] -第一分析装置201，第一分析装置201排列成使得：
[0056] -如果行的集合的接收电压显示表示按压的"凹陷"并且列的集合的接收电压未显 示表示按压的"凹陷"，则列被诊断为切断，所述故障列和按压的位置通过测量在位于所述 按压处的行的工作频率处和在鉴别频率处获得的接收电压的差值确定；以及
[0057] -如果列的集合的接收电压显示表示按压的"凹陷"并且行的集合的接收电压未显 示表示按压的"凹陷"，则行被诊断为切断，所述故障行和按压的位置通过测量在位于所述 按压处的列的工作频率处和鉴别频率处获得的接收电压的差值确定。
[0058] -第二分析装置202,第二分析装置202用于在检测切断行或列的情况下，如果行 或如果列是完好无损的，基于在位于切断行或列附近的行或列的工作频率处和鉴别频率处 的接收电压的值，计算所获得的虚拟电压值，所述虚拟值给出电压中的"虚拟凹陷"。该重构 是基于通过紧邻切断行或列的行或列所传递的电压信号的一部分信息以及基于通过位于 有缺陷的行或列的位置处的完好无损的行或列上的按压产生的理论信号信息。图7显示该 分析的结果。例如，虚线曲线显示存在切断列时电压的变化。细线曲线显示在所述切 断列的情况下，列的电压V _的经重构的"虚拟"变化；
[0059] -第三分析装置203,第三分析装置203用于计算电压中的"虚拟凹陷"的重心；
[0060] -第四分析装置204,第四分析装置用于基于所述重心的信息确定按压的精确位 置。
[0061] 可以看出，根据本发明的在触敏设备中实现的电子装置是简单的，并且不仅有效 地解决了投射电容检测的主要问题，即，幻影按压的检测，其由于同步检测对外部电磁干扰 不灵敏，通过使用没有谐波的纯正弦波信号不存在来自电子环境的干扰，而且也有效地解 决了切断行的检测和当该检测被证实时干净的虚拟信号的重构。
【权利要求】
1. 一种采用投射电容检测的触摸屏设备（1 )，其包括触敏矩阵面板（10)，所述触敏矩 阵面板（10)包括多个导电行（11)和导电列（12)，所述面板连接至为每个导电行和导电列 生成传输电压（V IN)的电子控制装置（20)以及源自每个导电行和导电列的接收电压（VQUT) 的接收和分析的电子装置（50 )， 电子控制装置，所述电子控制装置为每个导电行和导电列生成在第一频率（FMIN)处 传输的第一周期传输电压和在第二频率（Fjm)处传输的第二周期传输电压，所述第一频率 (FMIN)被表示为工作频率，所述第二频率（F MX)被表示为与所述第一频率不同的鉴别频率： 在不存在任何按压时，所述工作频率的值足够低以在该工作频率处的接收电压中产生 非常小的变化，并且所述鉴别频率的值足够高以在该鉴别频率处在根据行和列的接收电压 中产生显著的变化； 接收和分析装置被排列成为每个行和为每个列确定在工作频率处的第一接收电压的 值和在鉴别频率处的第二接收电压的值； 其特征在于，所述电子分析装置包括： -在不存在任何按压时，在每个行和每个列的工作电压处的接收电压的存储值的表； -比较装置，所述比较装置为每个行和为每个列建立接收电压的测量值和接收电压的 存储值之间的差值，以便确定测量的差值是否表示切断行或列和/或按压在完好无损的行 或列上； -第一分析装置，所述第一分析装置排列成使得： ?如果行的集合的接收电压显示表示按压的"凹陷"并且列的集合的接收电压未显示表 示按压的"凹陷"，则列被诊断为切断，所述故障列和按压的位置通过测量在位于所述按压 处的行的工作频率处和鉴别频率处获得的接收电压的差值确定； ?如果列的集合的接收电压显示表示按压的"凹陷"并且行的集合的接收电压未显示表 示按压的"凹陷"，则行被诊断为切断，所述故障行和按压的位置通过测量在位于所述按压 处的列的工作频率处和在鉴别频率处获得的接收电压的差值确定。
2. 根据权利要求1所述的采用投射电容检测的触摸屏设备，其特征在于，所述分析装 置包括： 第二分析装置，所述第二分析装置用于在检测切断行或列的情况下，如果行或如果列 是完好无损的，则基于在位于切断行或列附近的行或列的工作频率处和鉴别频率处的接收 电压的值，计算所获得的虚拟电压值，所述虚拟值给出电压中的"虚拟凹陷"； 第三分析装置，所述第三分析装置用于计算电压中的"虚拟凹陷"的重心； 第四分析装置，所述第四分析装置用于基于所述重心的信息确定按压的精确位置。
3. 根据前述权利要求中的一项所述的采用投射电容检测的触摸屏设备，其特征在于所 述工作频率在l〇〇kHz和500kHz之间并且在于所述鉴别频率在500kHz和5MHz之间。
【文档编号】G06F3/044GK104111763SQ201410159970
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年4月21日 优先权日:2013年4月19日
【发明者】P·柯尼, J-C·阿巴迪, Y·桑塔格 申请人:泰勒斯公司