專利名稱：電容式觸摸檢測(cè)裝置及其檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種人體接近探測(cè)裝置，尤其是涉及基于電容檢測(cè)原理的觸摸探 測(cè)裝置。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，電容式觸摸探測(cè)技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。采用這項(xiàng)技術(shù)的產(chǎn)品以其 更長(zhǎng)壽命、更美觀的結(jié)構(gòu)和更舒適的操作方式得到了市場(chǎng)的認(rèn)同，也代表著現(xiàn) 代產(chǎn)品在人機(jī)交互方面的發(fā)展方向。
參見(jiàn)圖l，電容式觸摸探測(cè)技術(shù)的微觀原理是人體組織中含有大量的電解 液(淋巴液、血液等)，當(dāng)人手靠近感應(yīng)電極時(shí)，改變了原有電場(chǎng)的分布，從而 改變了等效的分布電容參數(shù)。
參見(jiàn)圖2，目前的電容式觸摸探測(cè)技術(shù)方案，都是通過(guò)檢測(cè)感應(yīng)電極上等效 電容的電容量Cs隨著接近物體的特性和接近程度而發(fā)生的變化來(lái)判斷觸摸動(dòng) 作。但是，單純靠檢測(cè)電容容值的變化，使得現(xiàn)有的電容式觸摸檢測(cè)技術(shù)和產(chǎn) 品面臨的普遍問(wèn)題是抗干擾性能不夠好。首先，在存在水覆蓋情況下識(shí)別手觸 摸，因?yàn)樗褪?人體)都是容易被極化的物質(zhì)，其實(shí)際表現(xiàn)出來(lái)的效果(檢 測(cè)到的數(shù)值)是相似的，也就是無(wú)法可靠地區(qū)分手按鍵和水覆蓋。另一方面， 在某些產(chǎn)品(如電磁爐)中，電磁干擾相當(dāng)嚴(yán)重大功率線圈輻射出來(lái)的能量 容易耦合到觸摸檢測(cè)的電極和其它檢測(cè)回路上面，干擾到采樣數(shù)據(jù)，導(dǎo)致無(wú)法 準(zhǔn)確識(shí)別出觸摸按鍵動(dòng)作。尤其是在面板上面還有水覆蓋時(shí)，由于水具有一定 的導(dǎo)電能力，將使干擾信號(hào)引入觸摸檢測(cè)電路，表現(xiàn)出的干擾現(xiàn)象尤其明顯。 此外，溫度與濕度變化到一定程度的時(shí)候，電容參數(shù)會(huì)產(chǎn)生較大的變化。如何 適應(yīng)這些環(huán)境引起的不確定性，是現(xiàn)有電容式觸摸檢測(cè)技術(shù)尚未解決好的問(wèn)題。
可見(jiàn)，如果要求電容式觸摸檢測(cè)裝置適應(yīng)高溫、高濕、水覆蓋、和強(qiáng)電磁 輻射環(huán)境，可靠地應(yīng)用到家電和工業(yè)產(chǎn)品領(lǐng)域中，就有必要提出新的技術(shù)方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是設(shè)計(jì)一種可以在比較惡劣的環(huán)境下可靠工作的 電容式觸摸檢測(cè)裝置。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案是，設(shè)計(jì)一種電容式觸摸檢測(cè)裝 置，包括LC探測(cè)回路、振蕩控制電路和信號(hào)處理電路；其特征在于所述LC 探測(cè)回路由感應(yīng)電極與感性元件以串聯(lián)或并聯(lián)模式組合而成；所述LC探測(cè)回路 連接到振蕩控制電路。
所述信號(hào)處理電路通過(guò)頻率檢測(cè)電路和內(nèi)阻檢測(cè)電路連接到振蕩控制電 路。頻率檢測(cè)電路先將與感應(yīng)電極等效電容Cs相關(guān)的頻率信號(hào)整形為脈沖信號(hào)， 然后通過(guò)計(jì)數(shù)或計(jì)時(shí)的方法轉(zhuǎn)換為對(duì)頻率或者周期的檢測(cè)。內(nèi)阻檢測(cè)電路在所 述LC振蕩模塊中采樣，通過(guò)整形濾波，獲取代表振蕩回路內(nèi)阻的模擬值，以間 接的方式檢測(cè)LC探測(cè)回路的內(nèi)阻變化。
對(duì)于觸摸檢測(cè)功能而言，上述的頻率和內(nèi)阻檢測(cè)結(jié)果的相對(duì)變化才是真正 有意義的。因此，所述的頻率檢測(cè)電路和內(nèi)阻檢測(cè)電路的實(shí)質(zhì)作用是其輸出量 能夠反映出LC探測(cè)回路信號(hào)頻率以及回路內(nèi)阻的變化量或變化的比例。試驗(yàn)表 明，通過(guò)對(duì)頻率和內(nèi)阻這兩個(gè)參數(shù)的采集處理，可以區(qū)分水覆蓋和人體觸摸的 情況，從而解決了已有觸摸檢測(cè)技術(shù)抗水覆蓋差的難題。
讓所述振蕩控制電路與所述LC探測(cè)回路組合構(gòu)成自激諧振式振蕩電路。諧 振信號(hào)的頻率和幅度可以反映出LC探測(cè)回路的物理特性，在人體接近和觸摸感 應(yīng)電極時(shí)將發(fā)生改變。在諧振情況下，LC探測(cè)回路內(nèi)部的信號(hào)電壓或信號(hào)電流 達(dá)到最大幅度，外來(lái)的電磁干擾對(duì)探測(cè)信號(hào)的影響被相對(duì)壓縮，因此具有良好 的抗干擾能力。
作為自激振蕩方式的一種特例，應(yīng)當(dāng)考慮非平穩(wěn)的阻尼振蕩方式。阻尼振 蕩是LC探測(cè)回路在激發(fā)后自由振蕩情況下，由其中的電阻損耗造成衰減振蕩。 LC探測(cè)回路的電阻越大，損耗就越大，振蕩信號(hào)的衰減越快。通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂?電路也可以利用這個(gè)特性檢測(cè)內(nèi)阻的變化。
所述LC探測(cè)回路中的感性元件通常為一電感器或等效電路模塊；在有些應(yīng) 用中，此感性元件采用晶體，可以明顯提高檢測(cè)靈敏度。
為了把單點(diǎn)的電容式觸摸檢測(cè)裝置擴(kuò)展成為多點(diǎn)電容式觸摸檢測(cè)裝置，所述感應(yīng)電極為由多個(gè)感應(yīng)電極單元所組成的感應(yīng)電極組，該感應(yīng)電極組經(jīng)由多 路選擇模擬開(kāi)關(guān)接入觸摸檢測(cè)電路中的振蕩控制電路。通常所述模擬開(kāi)關(guān)受MCU 微處理器控制。
需要特別說(shuō)明的是，整個(gè)觸摸檢測(cè)電路的各個(gè)部分電路都可以是獨(dú)立的電 路模塊或組合制成專用的集成電路芯片。所述的信號(hào)處理電路還可以是集成在
微處理器MCU或信號(hào)處理器DSP中的單元電路。當(dāng)前的集成電路技術(shù)還允許將 觸摸檢測(cè)電路、多路選擇模擬開(kāi)關(guān)和MCU的部分或全部集成在一起。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案還包括基于上述電容式觸摸檢 測(cè)裝置的電容式觸摸檢檢測(cè)方法，該檢測(cè)方法包括如下步驟
i、 所述振蕩控制電路讓所述LC探測(cè)回路實(shí)現(xiàn)諧振；
ii、 所述頻率檢測(cè)電路將LC探測(cè)回路的諧振頻率F作為表征所述感應(yīng)電極 等效電容Cs的數(shù)字量送到所述信號(hào)處理電路；所述內(nèi)阻檢測(cè)電路將LC探測(cè)回
路的諧振信號(hào)幅度作為表征所述回路內(nèi)阻R的模擬量送到所述信號(hào)處理電路；
iii、 所述信號(hào)處理電路獲取LC探測(cè)回路的當(dāng)前頻率F和內(nèi)阻R后，與原 設(shè)定的基準(zhǔn)閾值進(jìn)行比較，對(duì)當(dāng)前觸摸狀態(tài)做出分析判斷，并適當(dāng)更新基準(zhǔn)。
同現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明的電容式觸摸檢測(cè)裝置具有如下優(yōu)點(diǎn)由于將采 集觸摸信號(hào)的感應(yīng)電極置于LC探測(cè)回路，令LC探測(cè)回路工作在自有諧振頻點(diǎn)， 較高的諧振電壓或電流提高了探測(cè)信號(hào)的信噪比，最大程度地抑制外來(lái)的耦合 干擾，從而大大地增強(qiáng)了抗電磁干擾能力；通過(guò)對(duì)頻率和內(nèi)阻這兩個(gè)參數(shù)的采 集處理，可以區(qū)分水覆蓋和人體觸摸的情況，從而解決了已有觸摸檢測(cè)技術(shù)的 抗水覆蓋差的難題。因此，本發(fā)明裝置可以在比較惡劣的環(huán)境下，特別是在水 覆蓋、電磁干擾和高溫高濕條件下可靠工作。


圖1是觸摸檢測(cè)基本原理示意圖； 圖2是現(xiàn)有觸摸檢測(cè)技術(shù)原理框圖； 圖3是本發(fā)明實(shí)施例的總體原理框圖4是本發(fā)明采用串聯(lián)式LC探測(cè)回路實(shí)施例的原理框圖； 圖5是本發(fā)明采用并聯(lián)式LC探測(cè)回路實(shí)施例的原理框圖；圖6是本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例的電子線路圖； 圖7是本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例的信號(hào)處理流程圖； 圖8是擴(kuò)展多通道探測(cè)的結(jié)構(gòu)示意圖。 上述附圖的附圖標(biāo)記說(shuō)明如下
101:感應(yīng)電極；102:感性元件103:觸摸檢測(cè)電路104:人體手指或 其它類似物理特性客體；105: LC探測(cè)回路；106:多路選擇模擬開(kāi)關(guān)； 1031:振蕩控制電路；1032:頻率檢測(cè)電路；1033:內(nèi)阻檢測(cè)電路；1034:信 號(hào)處理電路。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖及附圖所示之最佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳述。
參見(jiàn)圖3、圖4、圖5，電容式觸摸檢測(cè)裝置，包括LC探測(cè)回路105和觸摸 檢測(cè)電路103:所述LC探測(cè)回路105由感應(yīng)電極101與感性元件102以串聯(lián)或 并聯(lián)模式組合而成；所述觸摸檢測(cè)電路103包括振蕩控制電路1031、頻率檢測(cè) 電路1032、內(nèi)阻檢測(cè)電路1033和信號(hào)處理電路1034，所述LC探測(cè)回路105連 接到所述振蕩控制電路1031;所述信號(hào)處理電路1034通過(guò)所述頻率檢測(cè)電路 1032和內(nèi)阻檢測(cè)電路1033連接到所述振蕩控制電路1031。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的原理框圖如圖4所示感應(yīng)電極101與感性元件102 串聯(lián)構(gòu)成LC探測(cè)回路；此感應(yīng)電極隨著人體或其它類似物理特性的物體104的 接近程度改變其等效電容與等效電阻，從而引起LC探測(cè)回路的固有頻率和內(nèi)阻 參數(shù)發(fā)生變化；所述LC探測(cè)回路連接到觸摸檢測(cè)電路103，此觸摸檢測(cè)電路103 包括振蕩控制電路1031、頻率檢測(cè)電路1032、內(nèi)阻檢測(cè)電路1033和信號(hào)處 理電路1034。
參見(jiàn)圖6，這是一個(gè)實(shí)際的實(shí)施例電路。自激振蕩電路由圍繞集成電路 MAX907_A的偏置元件加上電感L和感應(yīng)電極KEY構(gòu)成；觸摸檢測(cè)電路通過(guò)R4對(duì) 振蕩電路進(jìn)行參數(shù)采樣；圖中的含集成電路MAX907—B的這個(gè)分支電路對(duì)振蕩信 號(hào)進(jìn)行整形成為脈沖信號(hào)以便于后續(xù)信號(hào)處理電路對(duì)信號(hào)的頻率做出檢測(cè)；圖 中的包含集成電路IC2的這個(gè)分支對(duì)信號(hào)進(jìn)行整流、積分濾波和適當(dāng)放大，得 到反映信號(hào)幅度的模擬電平，送給后續(xù)的信號(hào)處理電路的進(jìn)行對(duì)模擬量的轉(zhuǎn)換和檢測(cè)。S1 S3是集成模擬開(kāi)關(guān)，用于完成積分控制和放電任務(wù)。用于同相積 分，在這里也可以用簡(jiǎn)單的濾波替代，或在信號(hào)處理軟件中使用軟件累加積分。 圖中的MCU表示為一個(gè)帶一定信號(hào)處理功能的微處理器，可以在內(nèi)部完成頻率
檢測(cè)和模擬量檢測(cè)。由于這個(gè)模擬量實(shí)際上對(duì)應(yīng)的是由LC探測(cè)回路內(nèi)阻決定的 振蕩電路的信號(hào)幅度，因此對(duì)于此模擬量的檢測(cè)結(jié)果也就反映了 LC探測(cè)回路內(nèi) 阻。
當(dāng)人體接近感應(yīng)電極時(shí)，感應(yīng)電極KEY的等效電容增大，LC探測(cè)回路諧振 頻率變低，振蕩信號(hào)周期變長(zhǎng)。此時(shí)，微處理器MCU檢測(cè)到經(jīng)整形和分頻后的 信號(hào)周期變大。另一方面，高頻率下人體接近感應(yīng)電極時(shí)，LC探測(cè)回路等效電 陽(yáng)R變小，也就是振蕩信號(hào)幅度變大，經(jīng)內(nèi)阻檢測(cè)電路采樣積分后的信號(hào)提供 給微處理器MCU做A/D轉(zhuǎn)換，可以獲取這個(gè)變化。對(duì)照基準(zhǔn)值，綜合分析這兩 個(gè)參數(shù)，就可以準(zhǔn)確識(shí)別人的觸摸按鍵動(dòng)作。
與人體接近感應(yīng)電極時(shí)的情況不同，當(dāng)水覆蓋到按鍵上面時(shí)，感應(yīng)電極的 等效電容Cs雖然也同樣增大，振蕩頻率降低，但是振蕩回路內(nèi)阻變大。因此， 根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)就可以區(qū)分水覆蓋和人體觸摸按鍵。
在本實(shí)施例電路中的感應(yīng)電極和電感之間的部位，串聯(lián)諧振信號(hào)可以達(dá)到 約40Vpp的幅度。此時(shí)，如果外界電磁T擾信號(hào)耦合到感應(yīng)電極上，干擾信號(hào) 與如此大幅度的有效信號(hào)相比通常很小，此處的采樣信號(hào)仍可以得到很島的信 噪比。所以，水覆蓋和電磁干擾基本上不會(huì)影響對(duì)觸摸檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析和判斷。
圖7是本實(shí)施例MCU信號(hào)處理的軟件流程圖。以一定的采樣率對(duì)表征內(nèi)阻 檢測(cè)的模擬量采樣后，通過(guò)軟件積分和濾波進(jìn)一步減少干擾，計(jì)算獲取當(dāng)前內(nèi) 阻值R。通過(guò)MCU內(nèi)部計(jì)數(shù)器對(duì)表征頻率檢測(cè)的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)和計(jì)算，獲得 當(dāng)前頻率值F。在一定時(shí)間范圍內(nèi)，將檢測(cè)結(jié)果與參照基準(zhǔn)進(jìn)行比較，如果發(fā)現(xiàn) 變化超過(guò)閾值，且多個(gè)參數(shù)符合預(yù)設(shè)的變化規(guī)律時(shí)，即可確認(rèn)為觸摸按鍵的動(dòng) 作發(fā)生了，進(jìn)而通過(guò)MCU向外輸出對(duì)于觸摸按鍵的響應(yīng)信號(hào)。
對(duì)以上流程補(bǔ)充說(shuō)明積分時(shí)間(軟件中為離散點(diǎn)采樣數(shù)量)可以根據(jù)需 要選?。挥|摸按鍵的閾值由不同的積分和A/D轉(zhuǎn)換后的基數(shù)來(lái)確定。檢測(cè)內(nèi)阻 與頻率的先后次序并不重要。
圖8給出了通過(guò)增加多路選擇模擬開(kāi)關(guān)切換的方法，把單點(diǎn)電容式觸摸檢 測(cè)裝置擴(kuò)展成多點(diǎn)電容式觸摸檢測(cè)裝置，圖中的多路選擇模擬開(kāi)關(guān)由MCU控制，分時(shí)檢測(cè)對(duì)應(yīng)各個(gè)觸摸感應(yīng)電極的待測(cè)參數(shù)。
利用本發(fā)明的電容式觸摸檢測(cè)裝置，本發(fā)明的電容式觸摸檢檢測(cè)方法包括 如下步驟
i、 所述振蕩控制電路1031讓所述LC探測(cè)回路105實(shí)現(xiàn)諧振；
ii、 所述頻率檢測(cè)電路1032將LC探測(cè)回路105的諧振頻率F作為表征所 述感應(yīng)電極101等效電容Cs的數(shù)字量送到所述信號(hào)處理電路1034;所述內(nèi)阻檢 測(cè)電路1033將LC探測(cè)回路105的諧振信號(hào)幅度作為表征所述回路內(nèi)阻R的模 擬電平量送到所述信號(hào)處理電路1034;
iii、 所述信號(hào)處理電路1034獲取LC探測(cè)回路105的當(dāng)前頻率F和內(nèi)阻R 后，與原設(shè)定的基準(zhǔn)閾值進(jìn)行比較，對(duì)當(dāng)前觸摸狀態(tài)做出分析判斷，并適當(dāng)更 新基準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1、一種電容式觸摸檢測(cè)裝置，包括LC探測(cè)回路(105)和觸摸檢測(cè)電路(103)，其特征在于所述LC探測(cè)回路(105)由感應(yīng)電極(101)與感性元件(102)以串聯(lián)或并聯(lián)模式組合而成；所述觸摸檢測(cè)電路(103)包括振蕩控制電路(1031)和信號(hào)處理電路(1034)，所述LC探測(cè)回路(105)連接到所述振蕩控制電路(1031)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式觸摸檢測(cè)裝置，其特征在于所述觸摸檢 測(cè)電路(103)還包括頻率檢測(cè)電路(1032)和內(nèi)阻檢測(cè)電路(1033)，所述信 號(hào)處理電路(1034)通過(guò)所述頻率檢測(cè)電路(1032)和內(nèi)阻檢測(cè)電路(1033) 連接到所述振蕩控制電路(1031)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的電容式觸摸檢測(cè)裝置，其特征在于所述振蕩控 制電路(1031)與所述LC探測(cè)回路(105)組合構(gòu)成自激諧振式振蕩電路。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的電容式觸摸檢測(cè)裝置，其特征在于所述感性元 件(102)是晶體元件。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1至4任一權(quán)利要求所述的電容式觸摸檢測(cè)裝置，其特征 在于由多個(gè)所述感應(yīng)電極(101)組成感應(yīng)電極組，該感應(yīng)電極組經(jīng)由多路選 擇模擬開(kāi)關(guān)(106)接入所述觸摸檢測(cè)電路(103)中的振蕩控制電路(1031)。
6、 一種電容式觸摸檢測(cè)方法，該方法基于包括LC探測(cè)回路(105)、振蕩控 制電路(1031)、頻率檢測(cè)電路(1032)、內(nèi)阻檢測(cè)電路(1033)和信號(hào)處理電 路(1034)的電容式觸摸檢測(cè)裝置，其特征在于所述檢測(cè)方法包括如下步驟-i、 所述振蕩控制電路(1031)讓所述LC探測(cè)回路(105)實(shí)現(xiàn)諧振；ii、 所述頻率檢測(cè)電路(1032)將LC探測(cè)回路(105)的諧振頻率F作為 表征所述感應(yīng)電極(101)等效電容Cs的數(shù)字量送到所述信號(hào)處理電路(1034); 所述內(nèi)阻檢測(cè)電路(1033)將LC探測(cè)回路(105)的諧振信號(hào)幅度作為表征所 述回路內(nèi)阻R的模擬電平量送到所述信號(hào)處理電路(1034);iii、 所述信號(hào)處理電路(1034)獲取LC探測(cè)回路(105)的當(dāng)前頻率F和 內(nèi)阻R后，與原設(shè)定的基準(zhǔn)閾值進(jìn)行比較，對(duì)當(dāng)前觸摸狀態(tài)做出分析判斷，并 適當(dāng)更新基準(zhǔn)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種電容式觸摸檢測(cè)裝置，包含感應(yīng)電極的LC探測(cè)回路與觸摸檢測(cè)電路連接；所述觸摸檢測(cè)電路包括振蕩控制電路、頻率檢測(cè)電路、內(nèi)阻檢測(cè)電路和信號(hào)處理電路；感應(yīng)電極與感性元件組合成LC探測(cè)回路接入振蕩控制電路；觸摸檢測(cè)電路通過(guò)檢測(cè)LC探測(cè)回路的諧振頻率和內(nèi)阻來(lái)探測(cè)感應(yīng)電極對(duì)人體接近或觸摸的反應(yīng)。本發(fā)明裝置具有良好的抗水覆蓋和抗電磁干擾的能力，可以在復(fù)雜苛刻的環(huán)境下可靠地探測(cè)觸摸動(dòng)作。
文檔編號(hào)G06F3/044GK101419522SQ20081021792
公開(kāi)日2009年4月29日 申請(qǐng)日期2008年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月28日
發(fā)明者柳玉平 申請(qǐng)人:深圳市匯頂科技有限公司