專利名稱：低功率電容式觸摸檢測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及電子元件，且更具體說來，涉及電容式觸摸傳感器。
背景技術(shù)：
電容式傳感器越來越多地代替了家用電器和手持式設(shè)備中的機(jī)械按鈕。因?yàn)槠洳恍枰獧C(jī)械組件，并且可以通過例如封裝或玻璃等電介質(zhì)材料感測手指的存在，所以其成本低且堅(jiān)固耐用。電容式傳感器一般通過測量傳感器的自電容來進(jìn)行檢測，當(dāng)觸摸時(shí)，傳感器的自電容會發(fā)生多達(dá)數(shù)百分比的改變。如果檢測足夠靈敏，那么接近檢測也是可能的。接近檢測允許檢測從一段距離正在靠近的手指。使用這種檢測可在施加物理觸摸之前將裝置從低功率狀態(tài)喚醒。因此，能夠檢測接近，同時(shí)使用盡可能低的功率特別重要。電容式傳感器的缺點(diǎn)在于，其具有高阻抗，使得這些傳感器對于環(huán)境中的電噪聲敏感。電容值可隨例如溫度和濕度等環(huán)境條件而漂移。電容式感測的挑戰(zhàn)在于，產(chǎn)生精確的電容測量值并區(qū)分信號與噪聲和漂移，同時(shí)消耗盡可能低的功率。有數(shù)種常規(guī)技術(shù)可用于檢測當(dāng)手指觸摸或靠近時(shí)電容式傳感器的自電容改變。一種技術(shù)使用兩個(gè)I/o引腳，引腳間具有感測電容器。輸入/輸出(I/O)引腳中的一個(gè)連接到傳感器。每一 I/o驅(qū)動器上的開關(guān)序列將電容泵入傳感器電容中，直到達(dá)到I/O引腳輸入閾值。此技術(shù)的缺點(diǎn)在于，需要兩個(gè)I/o引腳，需要外部電容器，并且使傳感器充電和放電將浪費(fèi)功率。此外，噪聲抑制有限。另一技術(shù)使用I/o 引腳在模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital converter,ADC)采樣前對傳感器充電。電荷在傳感器與米樣和保持(sample and hold, S/Η)電容器之間共享。在傳感器上用相反電荷重復(fù)所述測量。雙斜率測量消去低頻噪聲。然而，且不說過采樣相當(dāng)多次，將很慢并且需要功率，還無法抑制高頻噪聲。此外，必須使用ADC來用于感測，限制了其在應(yīng)用中用于其它功能。`只有連接到ADC輸入的引腳能得到感測，限制了系統(tǒng)中傳感器的數(shù)量。需要軟件進(jìn)行觸摸處理和檢測。在另一技術(shù)中，微控制器包括可將固定電荷注入傳感器電容以及ADC的S/Η電容器中的電路。隨后可測量轉(zhuǎn)換期間ADC S/Η電容器上由此產(chǎn)生的電壓。此技術(shù)不提供任何噪聲抑制，并且需要軟件來處理和檢測觸摸。在又一技術(shù)中，通過用已知電流對傳感器引腳充電，并將其與固定的參考電壓相比較，來使其振蕩。將所得頻率與已知頻率相比較。測量序列很長，并且需要大量充電/放電循環(huán)，導(dǎo)致功率的浪費(fèi)。此外，不存在噪聲抑制作用。

發(fā)明內(nèi)容
電容式傳感器耦合于例如微控制器等集成電路(IC)封裝的數(shù)字I/O引腳之間。電容式傳感器的寄生電容器通過一個(gè)數(shù)字I/O引腳充電，且隨后通過耦合于數(shù)字I/O引腳之間的外部電阻器放電。使用電容計(jì)數(shù)器(capacitance counter)對寄生電阻器的放電進(jìn)行計(jì)時(shí)。放電周期結(jié)束時(shí)的計(jì)數(shù)值反映由寄生電容器和外部電阻器所形成的電阻器-電容器(RC)電路的RC時(shí)間常數(shù)。表示傳感器的自電容的原始計(jì)數(shù)可經(jīng)濾波以移除計(jì)數(shù)中的低頻、中頻和高頻噪聲，且隨后與一個(gè)或一個(gè)以上狀態(tài)檢測器的一個(gè)或一個(gè)以上閾值相比較，所述狀態(tài)檢測器的輸出可用于確定觸摸事件(例如物理觸摸、接近觸摸、不觸摸)。低功率電容式觸摸檢測器的特定實(shí)施方案提供以下一個(gè)或一個(gè)以上益處。所述檢測器允許利用低成本的小外部組件進(jìn)行電容式觸摸檢測。所述檢測器可用于微控制器中的任何數(shù)字I/O引腳上。檢測器不依賴于ADC。檢測器抑制所有頻帶中的噪聲，從而提供增加的靈敏度。檢測器允許進(jìn)行觸摸和接近檢測兩者。在一個(gè)方面中，本申請案提供一種檢測電容式觸摸輸入的方法，所述方法包含對電容式傳感器的寄生電容器充電；使所述寄生電容器能夠通過電阻器放電；對所述寄生電容器通過所述電阻器進(jìn)行的所述放電計(jì)時(shí)；和根據(jù)所述放電時(shí)間檢測觸摸事件。在所述方法中，對所述寄生電容器充電和放電進(jìn)一步包含將第一電壓驅(qū)動到集成電路(IC)封裝的第一數(shù)字輸入/輸出(I/O)引腳上，所述第一數(shù)字I/O引腳耦合到所述電容式傳感器；將第二電壓驅(qū)動到所述集成電路封裝的第二數(shù)字I/o引腳上，所述第二數(shù)字I/O引腳耦合到所述寄生電容器且所述第二電壓低于所述第一電壓，所述電阻器耦合于所述寄生電容器與所述第二數(shù)字I/o引腳之間；和對所述寄生電容器通過所述電阻器進(jìn)行的第一次放電計(jì)時(shí)，以產(chǎn)生第一放電時(shí)間；將所述第二電壓驅(qū)動到所述第一數(shù)字輸入/輸出(I/o)引腳上；將所述第一電壓驅(qū)動到所述第二數(shù)字I/O引腳上；對所述寄生電容器通過所述電阻器進(jìn)行的第二次放電計(jì)時(shí)，以產(chǎn)生第二放電時(shí)間；和將所述第一與第二放電時(shí)間相加。在所述方法中，所述第一和第二數(shù)字I/O引腳耦合到具有轉(zhuǎn)換速率控制的數(shù)字I/O墊以減少電磁干擾。在所述方法中，對所述寄生電容器通過所述電阻器進(jìn)行的所述放電計(jì)時(shí)進(jìn)一步包含在放電周期中運(yùn)行計(jì)數(shù)器，其中在所述放電周期結(jié)束時(shí)的原始計(jì)數(shù)值與所述寄生電容器、電阻器和為所述計(jì)數(shù)器提供時(shí)鐘的振蕩器的頻率成比例。所述方法進(jìn)一步包含用中值濾波器對所述原始計(jì)數(shù)值進(jìn)行濾波。所述方法進(jìn)一步包含使用快速移動均值濾波器對所述中值濾波器的輸出進(jìn)行濾波。在所述方法中，根據(jù)所述放電時(shí)間檢測觸摸事件進(jìn)一步包含將所述快速移動均值濾波器的輸出與一個(gè)或一個(gè)以上閾值相比較；和根據(jù)所述比較執(zhí)行動作。在所述方法中，所述動作包括生成到中央處理單元或其它裝置的中斷信號。所述方法進(jìn)一步包含通過將中值濾波器的輸出饋送到緩慢移動均值濾波器來補(bǔ)償漂移；從所述緩慢移動均值濾波器輸出所述電容式傳感器的閑置值；和從所述原始計(jì)數(shù)值中減去所述閑置值的整數(shù)部分。在所述方法中，所述減去是飽和減去。在另一方面中，本申請案提供一種電容式觸摸檢測系統(tǒng)，其包含電容計(jì)數(shù)器，其經(jīng)配置以生成計(jì)數(shù)值，所述計(jì)數(shù)值與耦合到所述電容計(jì)數(shù)器的第一電容式傳感器的寄生電容器成比例；信號處理子系統(tǒng)，其經(jīng)配置用于處理所述計(jì)數(shù)值；和一個(gè)或一個(gè)以上檢測器，其經(jīng)配置用于根據(jù)超過一個(gè)或一個(gè)以上閾值的所述處理的計(jì)數(shù)值來檢測觸摸事件。所述系統(tǒng)進(jìn)一步包含數(shù)字輸入/輸出(I/O)引腳，其通過數(shù)字I/O墊耦合到所述第一電容式傳感器和所述電容計(jì)數(shù)器，所述數(shù)字I/O墊包括驅(qū)動器；電阻器，其耦合于所述數(shù)字I/o引腳之間；控制模塊，其耦合到所述驅(qū)動器，所述控制模塊將信號提供給所述驅(qū)動器以起始將電壓驅(qū)動到所述數(shù)字I/o引腳上以對所述寄生電容器進(jìn)行充電或放電；和振蕩器，其耦合到所述控制模塊和所述電容計(jì)數(shù)器，所述振蕩器響應(yīng)于來自所述控制模塊的起始信號向所述電容計(jì)數(shù)器提供時(shí)鐘。在所述系統(tǒng)中，所述數(shù)字I/O墊包括轉(zhuǎn)換速率控制以減少電磁干擾。在所述系統(tǒng)中，所述振蕩器是電阻器-電容器(RC)振蕩器。在所述系統(tǒng)中，所述信號處理子系統(tǒng)進(jìn)一步包含中值濾波器，其耦合到所述第一電容式傳感器且經(jīng)配置以對所述計(jì)數(shù)值進(jìn)行濾波；第一移動均值濾波器，其耦合到所述中值濾波器且經(jīng)配置以對所述中值濾波器的輸出進(jìn)行濾波以產(chǎn)生所述處理的計(jì)數(shù)值；第二移動均值濾波器，其比所述第一移動均值濾波器慢且耦合到所述中值濾波器的輸出，所述第二移動均值濾波器經(jīng)配置用于對所述中值濾波器的輸出進(jìn)行濾波以生成將從所述電容計(jì)數(shù)器所輸出的所述計(jì)數(shù)值中減去的閑置值。在所述系統(tǒng)中，所述減法是飽和減法。所述系統(tǒng)進(jìn)一步包含實(shí)時(shí)時(shí)鐘，其耦合到所述控制模塊以將周期性事件信號提供給所述控制模塊，所述周期性事件信號用于周期性激活所述控制模塊以起始電容式觸摸檢測。在所述系統(tǒng)中，所述第一電容式傳感器是差動電容式傳感器。所述系統(tǒng)進(jìn)一步包含第二電容式傳感器；和定序器，其耦合所述第一和第二電容式傳感器，所述定序器用于在生成所述計(jì)數(shù)值之前配置每一電容式傳感器的所述信號處理子系統(tǒng)以及所述一個(gè)或一個(gè)以上檢測器。所述系統(tǒng)進(jìn)一步包含存儲器，其經(jīng)配置用于存儲所述第一和第二電容式傳感器的所述第一和第二移動均值濾波器的狀態(tài)。在以下的所附圖式和實(shí)施方式中將陳述一個(gè)或一個(gè)以上所揭示的實(shí)施方案的細(xì)節(jié)。從實(shí)施方式、圖式和權(quán)利要求書將對其它特征、方面和益處顯而易見。


圖1是耦合到電容式傳感器的示范性低功率電容式觸摸檢測器系統(tǒng)的簡化框圖。圖2說明示范性差動電容式傳感器。圖3是用于檢測電容式觸摸的示范性過程的流程圖。
具體實(shí)施例方式示范性低功率觸摸系統(tǒng)圖1是耦合到電容式傳感器的示范性低功率電容式觸摸檢測系統(tǒng)的簡化框圖。在一些實(shí)施方案中，系統(tǒng)100是例如微控制器或?qū)Ｓ眉呻娐?application-specificintegrated circuit,ASIC)等集成電路的一部分。在所述實(shí)例中，系統(tǒng)100與具有數(shù)字I/O引腳122a( “A”)和122b ( “B”)的IC封裝中的驅(qū)動器126a、126b和輸入緩沖器128整合。系統(tǒng)100可包括控制模塊102、電容計(jì)數(shù)器104、閑置追蹤器(idle tracker) 106、中值濾波器108、均值濾波器110、閾值檢測器112a、112b以及狀態(tài)檢測器114a和114b。
系統(tǒng)100可通過數(shù)字I/O引腳122a和122b耦合到電容式傳感器118。電容式傳感器118的自電容可模型化成為電容式傳感器118與“大地(earth) ” (自由空間返回(free-space return))之間的寄生電容器120( “Cs”)。外部電容器124( “R”)耦合于引腳122a與122b之間，引腳122a和122b優(yōu)選耦合到具有轉(zhuǎn)換速率控制的數(shù)字I/O墊，以減少電磁干擾(EMI)。驅(qū)動器126a、126b和輸入緩沖器128通常是I/O墊電路的一部分。I/O墊電路還可包括保護(hù)電路(例如二極管)。振蕩器101 (例如高頻RC振蕩器)為電容計(jì)數(shù)器104提供時(shí)鐘。振蕩器101可包括在IC封裝中或在IC封裝的外部。實(shí)時(shí)時(shí)鐘Iie(RTC)耦合到控制模塊102，并將周期性事件信號提供給控制模塊102。RTC 116可包括在IC封裝中或在IC封裝的外部。示范性采集在一些實(shí)施方案中，電容采集由驅(qū)動數(shù)字I/O引腳122a并對寄生電容器120充電達(dá)到第一電壓電平(例如Vdd)的驅(qū)動器126a起始。隨后驅(qū)動器126b驅(qū)動數(shù)字I/O引腳122b達(dá)到低于第一電壓電平的第二電壓電平，由此使寄生電容器120通過電阻器124放電。放電期間，電容計(jì)數(shù)器104計(jì)算將輸入緩沖器128讀為邏輯“O”的時(shí)鐘循環(huán)的數(shù)量。舉例來說，在32個(gè)時(shí)鐘循環(huán)內(nèi)從輸入緩沖器128讀取的一系列數(shù)據(jù)可為00000010000000000010111111111111。對于這一數(shù)據(jù)系列實(shí)例，電容計(jì)數(shù)器104計(jì)為“18”(數(shù)據(jù)系列中零的數(shù)量)。由電容計(jì)數(shù)器104提供的所得計(jì)數(shù)值與電容式傳感器118的寄生電容成比例。計(jì)數(shù)可持續(xù)固定數(shù)量個(gè)時(shí)鐘循環(huán)。舉例來說，如果預(yù)期最大計(jì)數(shù)值為1024，那么電容計(jì)數(shù)器104可計(jì)算1024個(gè)時(shí)鐘循環(huán)。上述序列可重復(fù)進(jìn)行，但其中數(shù)字I/O引腳122a被驅(qū)動到“O”且數(shù)字I/O引腳122b被驅(qū)動到“I”。放電期間，電容計(jì)數(shù)器104計(jì)算將輸入緩沖器128讀為邏輯“I”的時(shí)鐘循環(huán)的數(shù)量。使用上述實(shí)例數(shù)據(jù)系列，計(jì)數(shù)值將為“14”，其為實(shí)例數(shù)據(jù)系列中一的數(shù)量。隨后可將來自兩次測量的計(jì)數(shù)值相加，其中所得值為單一電容測量值。一連串執(zhí)行的這些“雙斜率”電容測量消除了任何低頻噪聲，例如通常由主電源產(chǎn)生的50Hz到60Hz噪聲。所測量的計(jì)數(shù)值與寄生電容120和電阻器124的乘積(RC時(shí)間常數(shù))和振蕩器101的頻率成比例。對于給定應(yīng)用，電容器124可為可變電阻器，其可經(jīng)調(diào)整以給予欲測量的信號充足時(shí)間(計(jì)數(shù)值)。通常，這一計(jì)數(shù)值是在100次觸摸檢測計(jì)數(shù)和1000次接近檢測計(jì)數(shù)的范圍內(nèi)。示范性信號處理即使通過雙斜率測量技術(shù)來抑制低頻噪聲，電容式傳感器118也可拾取中頻和高頻噪聲。高頻噪聲被視為附加到正確的電容值的不相關(guān)的“白”噪聲。這一加性噪聲可通過中值濾波器108移除。在一些實(shí)施方案中，中值濾波器108可以是中值-3濾波器，并使用存儲器115存儲三個(gè)連續(xù)計(jì)數(shù)值，以計(jì)算這些計(jì)數(shù)值的中值。中值濾波器108的輸出被饋送到均值濾波器110。在一些實(shí)施方案中，均值濾波器110可為快速移動均值濾波器，其抑制所采集的測量值中的中頻噪聲。閑置追蹤器106通過將中值濾波器108的輸出饋送到緩慢移動均值濾波器來補(bǔ)償電容漂移。閑置追蹤器106使用中值濾波器108的輸出來確定當(dāng)未觸摸時(shí)電容式傳感器118所輸出的基線或“閑置”電容值。濾波器108、110和106可在硬件、固件或軟件，或其某種組合中實(shí)施。對于低功率應(yīng)用，濾波器108、110和106優(yōu)選在硬件中實(shí)施。在一些實(shí)施方案中，借助于飽和減法從電容計(jì)數(shù)器104測量的電容輸出中減去由閑置追蹤器106計(jì)算的“閑置”值的整數(shù)部分。飽和減法將差值限制在最小值與最大值之間的固定范圍內(nèi)。如果減法的結(jié)果大于最大值，那么將其設(shè)置為最大值。如果結(jié)果小于最小值，那么將其設(shè)置為最小值。由于這一差值的絕對值比電容計(jì)數(shù)器104測量的電容輸出小得多，故處理所需的位數(shù)減少，引起成本和功率消耗降低。這一實(shí)施方案具有另一益處中值濾波器108輸出的平均值為零。均值濾波器110的輸出則表示“閑置”值與電容計(jì)數(shù)器104測量的電容輸出之間的差值。這允許直接與閾值112相比較，而無需先減去“閑置”值。示范性檢測一個(gè)或一個(gè)以上狀態(tài)檢測器(例如狀態(tài)檢測器114a、114b)通過將均值濾波器110輸出的快速移動平均值與一個(gè)或一個(gè)以上閾值(例如閾值112a和112b)相比較來執(zhí)行檢測。所述一個(gè)或一個(gè)以上閾值112可由用戶定義。當(dāng)快速移動平均值超過閾值112時(shí)，電容式傳感器118 “處于檢測中”。在一些實(shí)施方案中處于檢測中”的狀況產(chǎn)生對中央處理單元(CPU)或其它裝置的中斷。在所示實(shí)例中，兩個(gè)狀態(tài)檢測器114a、114b以及其相應(yīng)閾值112a、112b使電容式傳感器118具有不同程度靈敏度。舉例來說，可使用閾值112a來檢測物理觸摸事件，且可使用閾值112b檢測接近事件。在一些實(shí)施方案中，可使用閾值和檢測器來檢測可使閑置追蹤器106輸出負(fù)值的長時(shí)間觸摸。任選使用的擴(kuò)展差動式傳感器支持上述方法描述了感測常規(guī)自電容傳感器。這些傳感器的一個(gè)缺點(diǎn)是信號對傳感器以及感測電路到大地的耦合敏感。這一耦合對于手持式設(shè)備來說可較小，使信號強(qiáng)度降低到不能檢測觸摸的程度。為克服這一問題，有可能使用互電容傳感器，其包括兩個(gè)傳感器半部，其中電容根據(jù)傳感器間的電場而變化。互電容不取決于與大地的耦合。圖2說明示范性差動電容式傳感器。在一些實(shí)施方案中，可使用互電容傳感器代替自電容傳感器，如圖2中所示。在此情況下，電容式傳感器201a、201b的每一半都連接到數(shù)字I/O引腳122a、122b。上述方法在其它方面未改變。測量的電容將對自電容202a、202b以及互電容204的改變敏感。電容式傳感器201即使在具有弱大地耦合的應(yīng)用中也提供信號，從而提供比單純自電容解決方案更穩(wěn)妥的解決方案。采樣操作系統(tǒng)100含有用于起始振蕩器101、執(zhí)行采集、信號處理和檢測的控制邏輯。因此，系統(tǒng)100可按“采樣”方式操作，借此超低功率RTC 116 (例如32KHZ實(shí)時(shí)RTC)可產(chǎn)生周期性事件，這些周期性事件周期性激活系統(tǒng)100。隨后可通過執(zhí)行測量所需的時(shí)間、使用時(shí)的電流消耗和采樣時(shí)期之間的時(shí)間間隔來確定平均功率。由于系統(tǒng)100不需要任何高功率消耗模擬電路，且信號處理允許迅速辨識甚至較弱信號，故系統(tǒng)100的“開啟”時(shí)間有限，從而明顯比常規(guī)節(jié)省功率。內(nèi)部放電通過依靠I/O墊中的上拉(pull-up)和下拉(pull-down)功能有可能去除外部電阻器124。當(dāng)與外部電阻器124相比較時(shí)，常規(guī)I/O墊的內(nèi)部上拉電阻器的電阻值相對較低，因此測得的計(jì)數(shù)值將較低。這在只應(yīng)檢測物理觸摸且大地耦合良好從而提供來自電容式傳感器118的強(qiáng)信號的情況下仍可為一個(gè)選擇。此方法的一個(gè)缺點(diǎn)為由于內(nèi)部上拉電阻器的電阻值低而引起迅速放電，致使信號值較小。這可通過重復(fù)測量循環(huán)并累積多個(gè)測量值以產(chǎn)生單一結(jié)果供數(shù)字濾波器處理來予以補(bǔ)償。多傳感器系統(tǒng)100只依靠常規(guī)I/O墊，因此其可經(jīng)擴(kuò)展以在相對較低成本下支持多傳感器。由于測量和檢測傳感器所耗費(fèi)的時(shí)間比采樣間隔短得多，故有可能使用相同邏輯來支持多傳感器。在此情況下，通過定序器控制，可連續(xù)測量和檢測傳感器。在測量前，對于每一傳感器，定序器可配置閑置追蹤器104、均值濾波器110以及狀態(tài)檢測器114a、114b。在測量和檢測后，閑置追蹤器104和均值濾波器110的新狀態(tài)可經(jīng)存儲，之后進(jìn)展到下一傳感器。存儲器中的寄存器庫或環(huán)形緩沖器可用來存儲受影響的寄存器。此方法的成本可低于通過系統(tǒng)100的多個(gè)獨(dú)立實(shí)例支持多個(gè)傳感器。示范性過程圖3是用于檢測電容觸摸的示范性過程300的流程圖。過程300可由圖1的系統(tǒng)100實(shí)施。在一些實(shí)施方案中，過程300可由對傳感器電容器充電開始(302)。舉例來說，電容式傳感器可耦合到IC封裝(例如微控制器)的第一數(shù)字I/O引腳。用于第一數(shù)字I/O引腳的數(shù)字I/O墊的驅(qū)動器可用來對電容式傳感器的寄生電容器充電。過程300可通過使傳感器電容器能經(jīng)由電阻器放電來繼續(xù)(304)。舉例來說，電容式傳感器也可耦合到IC封裝的第二數(shù)字I/O引腳。用于第二 I/O引腳的數(shù)字I/O墊的驅(qū)動器可用于將電壓驅(qū)動到第二數(shù)字I/o引腳上，從而導(dǎo)致寄生電容器上的電荷通過耦合于I/o引腳之間的外部電阻器放電。過程300可通過對傳感器電容器通過電阻器進(jìn)行的放電計(jì)時(shí)來繼續(xù)(306)。舉例來說，振蕩器可耦合到電容計(jì)數(shù)器以對寄生電容器通過外部電阻器進(jìn)行放電計(jì)時(shí)。放電周期結(jié)束時(shí)的計(jì)數(shù)值反映由寄生電容器和外部電阻器所形成的RC電路的RC時(shí)間常數(shù)。放電周期的結(jié)束可通過檢查第一 I/O引腳的輸入緩沖器值并監(jiān)測其何時(shí)改變其邏輯值來確定。過程300可通過根據(jù)放電時(shí)間檢測觸摸事件來繼續(xù)(308)。舉例來說，可濾波原始電容測量值以移除低頻、中頻和高頻噪聲，且隨后與一個(gè)或一個(gè)以上狀態(tài)檢測器的一個(gè)或一個(gè)以上閾值相比較，以確定觸摸事件(例如物理觸摸、接近觸摸、不觸摸)。所述一個(gè)或一個(gè)以上狀態(tài)檢測器可根據(jù)比較結(jié)果將中斷提供到CPU或其它裝置。所揭示的低功率電容式觸摸檢測器的實(shí)施方案允許通過數(shù)個(gè)機(jī)構(gòu)的組合進(jìn)行低成本、低功率、高靈敏度穩(wěn)定電容測量。所揭示的實(shí)施方案依靠與例如I/O墊、RC振蕩器和實(shí)時(shí)時(shí)鐘等常規(guī)微控制器特征整合來代替依賴于專用模擬電路。靈敏度可由用戶通過調(diào)諧外部電阻器來選擇。所述實(shí)施方案與單端自電容傳感器和差動式互電容傳感器合用，從而確保甚至在弱大地耦合條件下仍穩(wěn)健。實(shí)施方案使用有效的采集和濾波技術(shù)來移除低頻、中頻和高頻噪聲以及電容漂移。由于具有高效的噪聲抑制作用，電容式傳感器不需要充電和放電許多次，從而相比傳統(tǒng)技術(shù)，節(jié)省了大量功率。實(shí)施方案可為自控式的，使其能按采樣操作的方式工作，從而僅在實(shí)際測量和信號處理期間消耗功率。實(shí)施方案在無軟件相互作用的情況下工作，使其適于處理觸摸檢測并喚醒CPU。與依賴于軟件的算法不同，這最適用于低功率模式。實(shí)施方案可通過本發(fā)明的動態(tài)再配置和連續(xù)操作而容易地縮放以用于大量傳感器。 盡管本文獻(xiàn)含有許多特定的實(shí)施方案細(xì)節(jié)，但這些細(xì)節(jié)不應(yīng)解釋為對所主張的范圍的限制，而應(yīng)視為對特定實(shí)施例特有特征的描述。本發(fā)明中以單獨(dú)實(shí)施例描述的某些特征也可組合于單一實(shí)施例中實(shí)施。相反，以單一實(shí)施例方式描述的各種特征也可在多個(gè)單獨(dú)實(shí)施例中或在任何適合的子組合中實(shí)施。此外，盡管特征可在上文描述為以某些組合的形式起作用且甚至最初以某些組合的形式主張，但所主張組合中的一個(gè)或一個(gè)以上特征在一些情況下可從所述組合中排除，且所主張的組合可針對子組合或子組合的變型。
權(quán)利要求
1.一種檢測電容式觸摸輸入的方法,所述方法包含 對電容式傳感器的寄生電容器充電； 使所述寄生電容器能夠通過電阻器放電； 對所述寄生電容器通過所述電阻器的所述放電計(jì)時(shí)；和 根據(jù)所述放電時(shí)間檢測觸摸事件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中對所述寄生電容器充電和放電進(jìn)一步包含 將第一電壓驅(qū)動到集成電路IC封裝的第一數(shù)字輸入/輸出I/O引腳上，所述第一數(shù)字I/o引腳耦合到所述電容式傳感器； 將第二電壓驅(qū)動到所述集成電路封裝的第二數(shù)字I/o引腳上，所述第二數(shù)字I/O引腳耦合到所述寄生電容器且所述第二電壓低于所述第一電壓，所述電阻器耦合于所述寄生電容器與所述第二數(shù)字I/o引腳之間；和 對所述寄生電容器通過所述電阻器的第一次放電計(jì)時(shí)，以產(chǎn)生第一放電時(shí)間； 將所述第二電壓驅(qū)動到所述第一數(shù)字輸入/輸出I/o引腳上； 將所述第一電壓驅(qū)動到所述第二數(shù)字I/o引腳上； 對所述寄生電容器通過所述電阻器的第二次放電計(jì)時(shí)，以產(chǎn)生第二放電時(shí)間；和將所述第一與第二放電時(shí)間相加。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中將所述第一和第二數(shù)字I/O引腳耦合到具有轉(zhuǎn)換速率控制的數(shù)字I/o墊以減少電磁干擾。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中對所述寄生電容器通過所述電阻器的所述放電計(jì)時(shí)進(jìn)一步包含 在放電周期中運(yùn)行計(jì)數(shù)器，其中所述放電周期結(jié)束時(shí)的原始計(jì)數(shù)值與所述寄生電容器、電阻器和為所述計(jì)數(shù)器提供時(shí)鐘的振蕩器的頻率成比例。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其進(jìn)一步包含 用中值濾波器對所述原始計(jì)數(shù)值進(jìn)行濾波。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其進(jìn)一步包含 使用快速移動均值濾波器對所述中值濾波器的輸出進(jìn)行濾波。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中根據(jù)所述放電時(shí)間檢測觸摸事件進(jìn)一步包含 將所述快速移動均值濾波器的輸出與一個(gè)或一個(gè)以上閾值相比較；和 根據(jù)所述比較執(zhí)行動作。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述動作包括生成到中央處理單元或其它裝置的中斷信號。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其進(jìn)一步包含 通過將中值濾波器的輸出饋送到緩慢移動均值濾波器來補(bǔ)償漂移； 從所述緩慢移動均值濾波器輸出所述電容式傳感器的閑置值；和 從所述原始計(jì)數(shù)值中減去所述閑置值的整數(shù)部分。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述減去是飽和減去。
11.一種電容式觸摸檢測系統(tǒng)，其包含 電容計(jì)數(shù)器，其經(jīng)配置以生成計(jì)數(shù)值，所述計(jì)數(shù)值與耦合到所述電容計(jì)數(shù)器的第一電容式傳感器的寄生電容器成比例；信號處理子系統(tǒng)，其經(jīng)配置用于處理所述計(jì)數(shù)值；和 一個(gè)或一個(gè)以上檢測器，其經(jīng)配置用于根據(jù)超過一個(gè)或一個(gè)以上閾值的所述處理的計(jì)數(shù)值來檢測觸摸事件。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包含 數(shù)字輸入/輸出I/O引腳，其通過數(shù)字I/O墊耦合到所述第一電容式傳感器和所述電容計(jì)數(shù)器，所述數(shù)字I/O墊包括驅(qū)動器； 電阻器，其耦合于所述數(shù)字I/O引腳之間； 控制模塊，其耦合到所述驅(qū)動器，所述控制模塊將信號提供給所述驅(qū)動器以起始將電壓驅(qū)動到所述數(shù)字I/o引腳上以對所述寄生電容器進(jìn)行充電或放電；和 振蕩器，其耦合到所述控制模塊和所述電容計(jì)數(shù)器，所述振蕩器響應(yīng)于來自所述控制模塊的起始信號向所述電容計(jì)數(shù)器提供時(shí)鐘。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述數(shù)字I/O墊包括轉(zhuǎn)換速率控制以減少電磁干擾。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述振蕩器是電阻器-電容器RC振蕩器。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述信號處理子系統(tǒng)進(jìn)一步包含 中值濾波器，其耦合到所述第一電容式傳感器且經(jīng)配置以對所述計(jì)數(shù)值進(jìn)行濾波； 第一移動均值濾波器，其耦合到所述中值濾波器且經(jīng)配置以對所述中值濾波器的輸出進(jìn)行濾波以產(chǎn)生所述處理的計(jì)數(shù)值； 第二移動均值濾波器，其比所述第一移動均值濾波器慢且耦合到所述中值濾波器的輸出，所述第二移動均值濾波器經(jīng)配置用于對所述中值濾波器的輸出進(jìn)行濾波以生成將從所述電容計(jì)數(shù)器所輸出的所述計(jì)數(shù)值中減去的閑置值。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述減法是飽和減法。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包含 實(shí)時(shí)時(shí)鐘，其耦合到所述控制模塊以將周期性事件信號提供給所述控制模塊，所述周期性事件信號用于周期性激活所述控制模塊以起始電容式觸摸檢測。
18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述第一電容式傳感器是差動電容式傳感器。
19.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包含 第二電容式傳感器；和 定序器，其耦合所述第一和第二電容式傳感器，所述定序器用于在生成所述計(jì)數(shù)值之前配置每一電容式傳感器的所述信號處理子系統(tǒng)以及所述一個(gè)或一個(gè)以上檢測器。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包含 存儲器，其經(jīng)配置用于存儲所述第一和第二電容式傳感器的所述第一和第二移動均值濾波器的狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種低功率電容式檢測器。所述檢測器包括用以測量和檢測電容式傳感器上的觸摸的機(jī)構(gòu)。所述檢測器使用信號處理來抑制噪聲和增加靈敏度。所述檢測器不需要專用模擬電路，從而使其易于在微控制器系統(tǒng)中采用。所述檢測器可在不明顯增加硅成本的情況下縮放以用于大量電容式傳感器。
文檔編號G06F3/044GK103064566SQ201210328299
公開日2013年4月24日 申請日期2012年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月15日
發(fā)明者弗羅德·米爾希·彼得森, 克里斯托弗·埃勒斯戈德·科克 申請人:愛特梅爾公司