專利名稱：轉移電荷以將觸摸屏控制器電容轉換成電壓的系統和方法
技術領域：
本發明涉及人機界面。更具體地，本發明涉及電容式觸摸屏。
背景技術：
觸摸屏或觸摸面板提供用于顯示輸出和接收輸入的界面，該結構使得觸摸屏或觸摸面板非常適于移動電話、個人數字助理、數字音樂播放器和其他緊湊型設備。使用觸摸屏，用戶可以選擇或操縱該觸摸屏上顯示的項目，諸如按鈕、滑塊、滾輪和其他屏幕圖標。現有技術的系統使用不同方法來檢測物體的存在，諸如電容式電荷轉移方法和弛豫OSC方法。例如，在電容式觸摸屏中，電荷被轉移到感測元件和與其接近的物體。然后讀取組合存儲的電荷，在閾值以上的電荷指示出物體位于當前正被讀取的感測元件之上。通過將感測元件布置成具有行和列的網格圖案，可以確定物體在網格上的具體位置。圖1是現有技術的電容式觸摸屏100的框圖。觸摸屏100包括包含多個感測元件 101的表面，每個感測元件配置用于感測與其接近的物體(諸如，手指10 的存在。通過檢測物體105接近的是感測元件中的哪些感測元件，可以確定物體沿觸摸屏100的表面的位置。電容式觸摸屏100通過斷開和閉合開關A、A’、B、B’、C和C’來轉移由測量電路110 和115測量并且由計算裝置120計算的電荷而發揮作用。本領域技術人員會認識到，電容式觸摸屏100需要多個時鐘相位和多個電荷轉移循環來確定物體是否接近其表面。觸摸屏100存在若干缺點。例如，電荷必須被多次轉移到外部電容器Csi和Cs2來測量電容變化。這增加了延遲，因此降低了可以支持的最大幀速率。結果，觸摸屏100具有有限的靈敏度和減小的信噪比。
與其他現有技術的電容式觸摸屏一樣，觸摸屏100也遭受“鬼影(ghosting) ”的影響，在鬼影期間不能解析同時觸摸的實際位置。當在多個位置發生同時觸摸時，系統僅能夠確定發生了若干觸摸，即“真實”觸摸和“鬼影”觸摸。系統不能容易地在真實觸摸與鬼影觸摸之間進行區分。這種不明確性以及對其進行解析所需的處理隨著同時觸摸的數量而呈指數增加。某些電容式觸摸屏使用“互電容”來確定同時觸摸，該過程感測位于行線和列線的交叉點處的電容。支持互電容測量的系統需要復雜得多的模擬硬件，這會導致更高的功耗、 更低的吞吐率、更大的裸片尺寸以及更復雜的信號處理。
發明內容
根據本發明的觸摸屏控制器系統支持傳感器之間的互電容消除和選擇性互電容測量，從而減少對偏移消除電容的需求。這些觸摸屏控制器系統還能夠消除面板上的鬼影觸摸，該特征在無誤檢測多觸摸方面至關重要。進行此項操作無需采取行和列的每個組合之間的互電容測量。根據本發明的觸摸屏控制器系統只需要單個電荷轉移循環來檢測指示出物體存在的電容變化。這些觸摸屏控制器系統使用片上積分電容器，這些片上積分電容器遠小于外部積分電容器并且可以更快地充電和放電。這些觸摸屏控制器系統可以支持更快的幀速率，可以提高靈敏度，并且不需要針對傳感器的任何外部組件。根據本發明的觸摸屏控制器系統將觸摸屏面板的傳感器電容轉換成與其成正比的電壓。在復位階段，驅動系統接地并且將不從外部源拾取噪聲。在一個實施方式中，除了反饋路徑中的一個開關，所有節點電壓承載參考電壓或接地。該結構減少了電荷注入效應， 因為大多數電荷注入會導致系統的恒定偏移，該偏移可以通過校準來解決。在本發明的一個方面中，用于感測接近和/或觸及觸摸屏控制器的表面的一個或更多個物體的觸摸屏控制器系統包括接近觸摸面板表面布置的多個感測線。鄰近的感測線具有互電容。多個電容式感測元件每個都耦合到感測線中的一個感測線。控制邏輯配置用于在自身電容測量階段將選定感測線與未選定感測線之間的互電容驅動到相同電勢，以及在互電容測量階段將選定感測線與未選定感測線之間的互電容驅動到不同電勢。在一個實施方式中，觸摸屏控制器系統包括電壓測量電路，該電壓測量電路將選定的電容式感測元件上的電荷轉換成指示出是否有物體與之接近的對應電壓。在本發明的第二方面中，用于感測物體同時存在于觸摸面板表面上或接近觸摸面板表面的方法包括單獨選擇觸摸面板的行線和列線來確定物體沿表面的一個或更多個候選位置；以及僅從候選位置讀取觸摸面板的行線和列線的組合來確定物體沿該表面的一個或更多個實際位置。在一個實施方式中，單獨選擇行線和列線以及讀取行線和列線的組合的步驟在單個集成電路上執行。該方法還包括當單獨讀取選定的行線和列線時消除行線和列線之間的互電容；以及當讀取行線和列線的選定組合時選擇性地啟用相鄰行線和列線之間的互電容。在一個實施方式中，確定一個或更多個實際位置包括將候選位置的自身電容測量與對應的互電容測量進行比較。
圖1是現有技術的觸摸屏的示意圖。圖2是用于解釋本發明原理的具有觸摸屏的移動電話的框圖。圖3是用于解釋本發明原理的示出了觸摸屏的若干組件的示意圖。圖4是用于解釋本發明原理的對電容式觸摸屏的組件和寄生電容式元件建模的高層示圖。圖5A和圖5B分別示出了根據本發明一個實施方式的在復位階段與測量階段期間的傳感器組件。圖6是根據本發明一個實施方式的偏移電容器的示意圖。圖7示出了在復位階段與測量階段期間針對圖5A和圖5B的傳感器組件的電壓圖。圖8A至圖8C是根據本發明一個實施方式使用積分操作的傳感器組件的示意圖。圖9示出了在操作的不同階段期間圖8A至圖8C中傳感器組件的電壓圖。圖10示出了用于解釋本發明原理的在觸摸屏上的多個觸摸的實際位置和鬼影位置。圖11示出了根據本發明用于使用自身電容和互電容兩者來測量感測元件上電壓以消除鬼影的方法的步驟。圖12示出了選擇性地啟用如圖11所示的互電容與自身電容的結合的方法的步
馬聚ο
具體實施例方式本發明包括用于減少或消除電容式傳感器陣列(諸如，觸摸板、觸摸屏、觸摸滑塊等)的輸出中的誤差的技術，所述傳感器包括檢測觸筆的存在和位置的傳感器，以及檢測和確定手指位置的傳感器。雖然此處描述的說明性實施方式應用于移動電話，但是應當理解電容式觸摸傳感器可以用于多種設備。這樣的設備的示例為便攜式設備，諸如個人數字助理(PDA)、全球定位系統(GPS)接收器，以及更大的設備，諸如支持觸摸屏的顯示器和計算機系統以及電器。現在參考圖2，示出了根據本發明一個實施方式的移動電話200。移動電話200 包括耦合到存儲器215的微處理器(μ P) 214，該存儲器215存儲了用于由微處理器214執行的程序指令，并且通常包括用于此類程序指令的非易失性存儲，以及用于由微處理器214 使用的臨時存儲。存儲器215中存儲的程序指令包括根據本發明實施方式形成計算機程序產品的程序指令，該計算機程序產品用于確定一個或更多個手指和/或觸筆處于集成液晶顯示器OXD)/觸摸板212中包括的觸摸傳感器表面上的位置。IXD/觸摸板212根據本發明一個實施方式耦合到觸摸板電路220，該觸摸板電路220包括同時測量LCD/觸摸板212 內觸摸板的兩個或更多元件的電容的能力。備選地，如下文更詳細地描述，本發明可以對存在于所述兩個或更多元件上的電壓進行積分，該電壓通常是通過向另一層提供參考電勢而產生的。可以提供一個或更多個集成電路用于執行該積分，或者本發明可以包括存儲器215 中的程序指令用于從電壓的同時采樣中測量存在于所述兩個或多個元件上的電壓，并且對該電壓進行積分。移動電話200還包括用于將微處理器214耦合到集成IXD/觸摸板212中的LCD的顯示器控制器216，以及用于提供無線電話通信連接的無線電電路218。移動電話200還包括耦合到麥克風213和揚聲器元件211的音頻編解碼器217，用于提供與用戶的
語首通{曰ο根據本發明，直接地或通過測量存在于元件上的電壓來同時測量二維觸摸板陣列的兩個或更多行/列或者一維觸摸板陣列(諸如，滑塊)的兩個或更多元件的電容。減去該測量結果以產生沒有共模誤差的測量，該共模誤差主要歸因于入射噪聲，諸如由LED的操作、在集成LCD/觸摸板212下的任何背光或其他電源以及其他外部環境噪聲源而產生的入射噪聲。現在參考圖3，根據本發明一個實施方式示出了圖2的移動電話200中的觸摸板電路220的細節。如在所有附圖中，相同的標記表示相同或相似的元件。觸摸板電路220包括耦合到8行觸摸板元件觀0的每一行的一對多路復用器^OA和^0B。示出了單個觸摸板元件觀0，但是應當理解，相等或不相等數量的更多或更少的行和列以及一維觸摸板和二維觸摸板都可以利用本發明的技術。多路復用器260A從觸摸板元件280之中選擇第一行/ 元件。多路復用器260B從觸摸板元件280之中選擇另一第二行/元件。一對電容測量電路270A和270B各自分別測量多路復用器^OA和^OB輸出處的電容，該電容會由于手指 /觸筆在選定元件附近的存在而變化，并且將電容轉換成對應的電壓信號。控制邏輯電路225提供復位信號Rst用于復位電容測量電路270A和270B，該復位信號Rst使電容測量電路270A和270B準備好進行電容測量。該控制邏輯可以與微處理器214形成為一體。在這種情況下，信號Rst將由微處理器214提供。選擇值％11和％12 在多路復用器260A和^OB的地址輸入處設置用于在執行測量之前選擇測量元件。復位信號Rst被撤銷(de-assert)，由此允許電容測量電路270A和270B測量相應選定觸摸板元件觀0的電容。電容測量電路270A和270B的輸出區別地應用于模數轉換器(ADC) MO的輸入，該ADC 240在采樣控制信號Sample信號確立(assert)用于對電容測量電路270A和 270B的輸出進行采樣之后提供對應于在多路復用器270A和270B的輸出處測量的電容之間的差異的數字值。因此，多路復用器260A和^OB的輸出處存在的任何共模噪聲和偏移將在ADC 240的輸出中被基本消除。圖4是用于解釋本發明原理的對圖3的觸摸板電路220建模的示意圖400。該示意圖400示出了形成觸摸板212的每個交叉行線和列線(例如，Rl和Cl)都包含互電容Cutl 每個行線都包含傳感器電容(Cx)和傳感器偏移電容(Cotf)，兩者都耦合接地。為了建模的目的，應當理解可以將Ctoff并入其對應的Cx中。現在參考圖5A，示出了圖3的電容測量電路270A和270B(共同稱為270)的細節。 如在本發明的一個實施方式中所提供的，電容測量電路包括由開關SlA至S1D、開關S2A至 S2C和開關S3形成的開關網絡。反饋或積分電容器Cint由開關SlC和S2B選擇性地耦合到運算放大器420。如圖5A中所示，當確立復位信號Rst時，開關S3將互電容器Cu的輸入耦合到接地，并且開關SlB將放大器420的反相輸入耦合到參考電壓VKEF。同樣在復位信號 Rst的確立期間，開關S2B斷開并且開關SlC閉合，從而使得積分電容器Cint被充電到參考電壓VKEF。同樣在復位信號Rst的確立期間，開關SlA閉合，從而將多路復用器沈0的輸出耦合到接地，這樣便對選定元件的電容Cx以及沿著到選定元件的路徑的任何雜散偏移電容 Cxoff進行放電。當復位信號Rst由將偏移消除電容器Ctw的第二端子接地的開關SlD的激活而被確立時，偏移消除電容器Qw耦合到運算放大器420的反相輸入并且充電到參考電壓VKEF。因此，在穩定時間之后，電容測量電路270中的電容條件使得積分電容器Cint和偏移消除電容器Qw充電到參考電壓Vkef，并且元件電容Cx和任何雜散偏移電容Cotf被大幅放電。如圖5B中所示，當在復位信號Rst被撤銷之后確定測量控制信號Meas (這通常通過確保由控制邏輯225生成的非重疊控制信號來執行)時，由于復位信號Rst的撤銷，開關 SlC和SlB是斷開的，并且開關S3將互電容Cu耦合到參考電壓VKEF。開關S2B通過測量控制信號Meas的確立而閉合，從而使得積分電容器Cint耦合在運算放大器420的輸出和反相輸入之間。由于積分電容器Cint充電到關于輸入端子的電壓Vkef，并且由于運算放大器420 的非反相輸入也參考至參考電壓Vkef，因此運算放大器420的初始輸出將基本上為零。在測量控制信號Meas的確立期間，開關S2A閉合，并且開關SlA先前在復位信號Rst的撤銷時即被斷開。同樣，當復位信號Rst使得開關SlD斷開時偏移消除電容器Ctw從接地解耦合， 并且當測量控制信號Meas使得開關S2C閉合時偏移消除電容器Ctw耦合到先前接地端子處的參考電壓VKEF。作為開關S2A和S2C閉合的結果，等于CQFF*VKEF的正電荷量從偏移消除電容器Qw轉移到積分電容器Cint，其中Ctw是偏移消除電容器Ctw的電容；并且等于_CX*VKEF 的負電荷量從多路復用器260的輸出端子轉移到積分電容器Cint，其中Cx是元件電容Cx與任何雜散偏移電容Cotf的電容總和(基于特定上下文，本領域技術人員應當理解標記(諸如Qw)于何時表示元件、元件的值、元件上的電荷等)。運算放大器420的輸出電壓\等于積分電容器Cint上的輸出相關電壓加上VKEF， 其可以從I = QF/Cim+VKEF計算得到，其中％是積分電容器Cim上的電荷。當測量控制信號 Meas被確立時轉移到積分電容器Cint的總電荷為(:χ*νΚΕΡ-ο^*νΚΕΡ = Δ %。積分電容器Cint 的初始電荷為-CINT*VKEF，所以電荷％的最終值由等式⑴給出-CINT*VKEF+CX*VKEF-CQFF*VKEF 等式(1)以及輸出電壓Vq由等式⑵給出V0 = (-cINT*vKEF+cx*vKEF-c。FF*vKEF)/cINT+vKEF = (cx/cINT-c。FF/cINT)*vKEF 等式 O)相同的結果可以通過在運算放大器420的反相輸入端子處應用電荷守恒獲得。因此，輸出電壓\與元件的電容加上任何雜散偏移電容成正比。偏移消除電容器Ctw提供遠離總是負結果的測量偏壓，并且積分電容器Cint的相對電容設置測量的動態范圍。在本發明的一個實施方式中，積分電容器Cint可以具有相對于電容Cx與Cotf而言高得多的電容， 并且開關SlA和S2A由具有比測量控制信號Meas和復位信號Rst更高的頻率的獨立時鐘信號操作。運算放大器420和積分電容器Cint將作為積分器，從而對從多路復用器沈0的輸出處的電容轉移的電荷進行積分，以提供額外的噪聲過濾。運算放大器420的反饋因子由Cx和Cqff與Cint之比來確定。Cx是設計者無法控制的外部電容器。該外部電容器可以從非常小的值變到很大的值。Ctw用于消除寄生電容 Cxoff的效應。在一個實施方式中，如圖6中所示，Ctw是由單位尺寸電容器制成的電容式數模控制元件。與接通和斷開單位電容器相反，根據Cx的值，在測量階段可以改變位于驅動到 Vkef或接地的Ctw底板處指狀物(finger)的數量。如果在測量階段中Ctw的某些指狀物的底板被驅動到接地，則不存在從這些指狀物的凈電荷轉移，這是因為跨這些指狀物的電壓在兩個循環中保持恒定。反饋因子將由Qw電容器的所有指狀物和外部電容器Cx來設置。這將顯著減少運算放大器的反饋因子的變化。圖6中示出的Ctw的實施方式允許對圖3中電容測量電路270進行校準。在圖6 的實施方式中，Ctw可以是可編程的。響應于一組數字信號trim，具有公共板的電容器的附加指狀物由多個開關、至Scm進行選擇，從而有效地提供了一組可以用于在校準之后以靜態的每元件為基礎來調整Qw的可選擇電容式元件C1-CN。在一個實施方式中，Ctw為了偏移消除而被歸零。參考圖5A，在一個實施方式中，積分電容器Cint和運算放大器420形成在單個集成電路上。例如，虛線右邊的所有元件都在單個集成電路上。應當理解，因為積分電容器Cint 是在片內，所以其比現有技術中發揮相似功能的電容器要小，從而減少了對其充電和放電所需的時間。這樣的結構降低了觸摸屏處理的延遲。現在參考圖7，示出了描繪圖5A的電容測量電路400的操作的信號波形圖。電壓 Vcf是跨反饋電容器Cint的電壓，并且電壓Vrai是多路復用器260輸出處的電壓。在復位信號 Rst的第一確立期間，在時刻Ta，電壓Vcf設置為Vkef并且電壓Vra設置為零。針對第一測量的所描繪的條件為Cx = 0. 50Cint并且Ctw = 0。在時刻Tb，復位信號Rst被撤銷并且測量控制信號Meas被確立。電壓VeF降至0. 5Veef,并且電壓N0升到0. 5*VKEF，這與上文等式(2) — 致。同樣在時刻Tb，采樣控制信號Sample被確立，并且對電容測量電路270A和270B的輸出之間的差異值進行采樣，繼而在采樣控制信號Sample的下降沿于時刻T。將它們捕獲。由于電容測量電路270A和270B 二者的操作除了在它們的輸入處存在的電容以外是相同的， 因此在圖7中只示出了一組波形。在開始于時刻Td的下一測量間隔，Cx = 2Cint并且Ctw = CINT。電壓Vcf降至0，并且電壓N0升至Vkef，這與上文等式⑵一致。應當理解，可以增加電荷轉移循環的數量用以增加范圍或者用以執行積分。在電容式傳感器元件陣列內，行與列之間以及相鄰行之間和相鄰列之間的互電容可以減少電容測量的有效動態范圍，因為在圖5A的電容測量電路400中互電容將總是存在或者需要由諸如增加偏移消除電容器類的技術進行消除。為了避免雜散靜電噪聲對圖3中元件觀0中的未選定元件(即，那些沒有被選擇值和選擇的元件)進行充電，未選定元件可以由多路復用器26(^和^OB中的電路接地。通常，未使用的傳感器是接地的。如果未使用的傳感器接地，則這將以互電容的形式從傳感器接地添加到電容。這將需要更大的偏移消除電容器。在第一階段中，所有傳感器接地。在第二階段中，經測量的傳感器變為Vkef，這是因為該傳感器耦合到了運算放大器的負端子。如果在第二階段期間所有未使用的傳感器被驅動到Vkef，則它們將不向積分器輸出貢獻任何電荷。這將會減少需要消除的偏移電容而不改變反饋因子。根據另一實施方式，在傳感器電路的輸入處測量電容并且產生成比例的電壓輸出。根據該實施方式，在多個循環對與模擬域中的輸入電容成比例的電壓進行積分。這將減少微控制器所需的后處理。圖8A至圖8C是根據本發明一個實施方式，使用耦合電容器C。用于對與模擬域中輸入電容成比例的電壓進行積分的傳感器電路500的示意圖。該方案類似于圖5A中所示的電荷轉移電路。圖5A和圖8A中電路的不同之處在于電路500具有將耦合電容器C。耦合到節點\的開關S2D、跨Cc的開關SlE以及將電容器Ctw的頂板耦合到參考電壓Vkef的開關S1F。如在所有附圖中，相似標記的元件表示相同或相似的元件。
耦合電容器Cc和反饋電容器Cint —起形成積分器電路，該積分器電路起平均器的作用。在每個積分循環期間電荷從C。被轉移到Cint上。Cint在多個積分循環中積累該電荷。 運算放大器420針對所有積分循環保持Cint上的電荷并且因而保持積分輸出。可以執行的積分循環的數量取決于輸入處的最大傳感器電容Cx以及Cc/CINT之比。積分循環數量的增加增大了傳感器電路500變得飽和并且因而丟失數據的機會。C。的較小值給出低積分增益， 但是給出更好的穩定響應。在另一方面，C。的較大值給出更好的增益，但是穩定時間需求亦會增加。對N(積分循環的數量)的選擇是一種系統設計考量，并且是在數字后處理時間、 附加裸片面積和模擬穩定時間容忍度之間的權衡。如果針對增加的裸片面積(由于數字后處理)可以容忍具有較低穩定準確度的電路，則該架構將非常適合于這樣的電路。在操作中，反饋電容器Cint在每個通道變換的開始處被充電到VKEF。對于接下來的 N個積分循環，積分電容器Cint將跨運算放大器420在負端子與輸出之間保持連接。如下文所述，電荷轉移發生在3個階段上。圖8A示出了積分器復位階段(階段1)中的電路500，該階段是通道變換的初始階段。如圖8A中所示，開關SlA-SlF全都閉合，并且開關S2A-S2D全都斷開。一旦從通道多路復用器260選出待變換的通道，輸入電容Cx(CroFF、CpaMsiti。和Ctouqi的組合)就被放電到 GND。偏移電容Ctw被充電到Vkef，積分電容Cint被充電到Vkef并且耦合電容器Ce通過短接其端子并以Vkef對其驅動而被放電。運算放大器420處于復位階段中，這是因為其兩個端子都被驅動到Vkef并且因此其輸出被驅動到GND。接下來，如圖8B中所示，傳感器電路500被置于積分器測量階段(階段2、中，該階段為通道變換的積分階段。如圖8B中所示，開關SlA-SlF全都斷開，并且開關S2A-S2D 全都閉合。Ctw被充電到Vx-Vkef，Cint被充電到Vkef-V^ Cc被充電到(Vx-Vkef)并且運算放大器420的反相端子由運算放大器420的輸出驅動到VKEF。運算放大器420現在處于激活階段之中。在節點Vx處應用電荷守恒定律，為尋找Vx處的電壓而計算以下等式CX*VX+CQFF* (VX_2*VKEF)+Cc* (Vx-Vkef) = 0 等式(3)(Cx+C0FF+Cc)*Vx = (2*Coff+Cc)*Veef等式(4)Vx = ( (2*C0FF+Cc) / (Cx+C0FF+Cc)) *VEEF 等式(5)類似地，在電路500的求和結節點應用Kirchoff電流定律，從而獲得針對輸出Vqut 的等式 Cc* (Veef-Vx) +Cf* (-V0) =0 等式(6)V0= (Cc/CINT)* (Veef-Vx) 等式(7)對于第N個積分循環，給出輸出如下V。= Σ ν ((Cc/CINT) * (VEEF-Vx))等式(8)如從等式(8)中所見，從一個電荷轉移循環到下一個電荷轉移循環的輸出中的變化為(Ce/CINT)之比。只要Cx恒定，節點電SVx便在多個電荷轉移循環期間保持恒定。接下來，如圖8C中所示，傳感器電路500被置于耦合電容RESET階段(階段3)中， 該階段是耦合電容器C。的放電階段。如圖8C中所示，開關S1A、SID、S1E、SlF和S2B全都閉合，并且開關S1B、S1C、S2A、S2C和S2D全都斷開。在耦合電容復位階段，反饋電容器Cint保持與運算放大器420的輸出連接。偏移消除電容器Ctw被充電到VKEF。底板都被綁定至 GND。運算放大器420處于中間循環復位階段中。在該階段期間輸出保持恒定，因為Cint上的電荷沒有改變。圖9是針對電荷轉移電路500的時序圖，其中N = 4。參考圖9和圖8A至圖8C， Ta指示了階段1的開始，在Ta期間Phl變為HIGH。電路500進入積分器的復位階段。運算放大器420的輸出保持在(^，跨Cx的電壓為零并且Cxtw被充電到VKEF。Tb指示了階段2的開始，在Tb期間Ph2變為HIGH。Phl變為低并且在Phl變為LOW 與Ph2變為HIGH之間存在非零非重疊時間。Ph2在N個積分循環期間保持為HIGH。運算放大器420反饋開關為閉合，并且電路500通過串行開關和Cc (耦合電容器)連接到傳感器電容Cx。運算放大器420的輸出變為由四個電容器Cx、Coff, Cc和Cint決定的值，跨Cx的電壓為\，該\由上文等式給出。跨起初被充電到Vkef的反饋電容器Cint的電壓開始下降。 積分器輸出繼續累積并且Vot的電壓繼續升高。輸出電壓中的階躍變化由上文等式給出。 在N個積分器循環之后提取來自積分器的采樣。仍然參考圖9，T。指示了階段3的開始和階段2的結束。在非重疊時間之后，開始針對耦合電容器C。的下一放電階段。該階段是上文所述的階段3。在階段3期間，積分器的輸出保持與階段2 —致，同時耦合電容器C。、Cxoff和Cx都復位到它們的初始狀態。節點 Vx處的電壓被強制到VKEF。針對耦合電容器C。重復階段3和階段2的此循環被多次執行，并且積分器的最終輸出被采樣到模數轉換器。這形成了單個平均電壓，該電壓表示存在于選定通道處的傳感器電容。對于圖9 的示例，Cx = 34pF，Coff = 14. 4pF，Cc = 12. 8pF，Cint = 19. 2pF 并且 Veef =IV。Vx = ( (2*C0FF+Cc) / (Cx+C0FF+Cc)) *VKEFVx = 0. 680VV0= (Cc/CINT)* (Veef-Vx)在伴隨積分的輸出電壓中的階躍變化為0. 213V對于時刻Td和Τε，對下一通道分別重復階段Ta和Tb。為了清楚起見，對于兩個通道所示的Cx的值(傳感器電容)將不同。圖10示出了用于解釋如何根據本發明的原理消除鬼影的觸摸面板700。該觸摸面板700包含四個重疊行線(R1-R4)和列線(C1-C4)。本領域技術人員將會理解，本發明的原理對具有任意數量的行線和列線的觸摸面板起作用，并且通常每個觸摸面板具有多于4個的行線和列線。觸摸面板700僅示出四個行與列僅僅是為了簡化附圖。同時的“真實”觸摸發生在行Rl與列Cl的交叉點(“R1C1”)，以及發生在行4和列4的交叉點(R4C4)，如由實圈所示。按順序掃描所有行線和列線的系統感測如由輪廓705 和710所示的觸摸，即，在列Cl與C4和行Rl與R4上的觸摸。輪廓705和710指示了觸摸可能發生在這些行線和列線的任何交叉點處，即，發生在組合R1C1、R1C4、R4C1和R4C4處。 其上沒有發生觸摸的組合(R1C4和R4C1)被稱作“鬼影觸摸”，如由陰影圈所示。應當理解， 同時真實觸摸的數量越多，必須處理并且從考慮中消除的鬼影觸摸的數量就越多。根據本發明的原理，系統按順序掃描單獨行線和列線(自身電容)來確定一組“候選”觸摸位置(例如，該組包含R1C1、R1C4、R4C1和R4C4)。接下來，使用互電容對這些組合并且僅是對這些組合進行感測。只有真實觸摸位置將指示其上存在物體。通過這種方式， 本發明的實施方式只需要以線性順序(例如，行數+列數，這是由于必須要考慮的互電容觸摸的數量大體相當)進行搜索，以從鬼影觸摸中分辨出真實觸摸。在互電容模式中，步驟與上文所述的步驟相比發生了變化，以允許互電容的消除。再次參考圖5A和圖5B，在復位階段中，(^被放電、Cint被充電到-Vkef并且Ctw被充電到VKEF。所有未選定的線的Cu均被放電，并且選定的線的(U例如，(νκια)被充電到-vKEF。 在測量階段中，Cint耦合到運算放大器420，并且Cx連接到運算放大器420的負端子。所有 Cu的兩個末端均連接到Vkef，所以它們的電荷不會變化。選定的行的Cu(通過開關S； )被充電到VKEF。運算放大器420針對選定行的輸出由等式(8)給出V0 = Constant^V^C^ia/C^+V^ (Cx-Coff) /Cint 等式(9)在該示例中，常數等于2，因為極性翻轉放大了互電容效應。比較等式⑵和(9)，顯而易見，Vtj包含等式⑵的自身電容測量。如下文所解釋， 指示出線之間互電容的這兩個等式之間的差異可以用于將鬼影觸摸與真實觸摸區分開。在一個實施方式中，選定的傳感器(即，針對列測量的一行和針對行測量的一列) 在放電階段期間被驅動到Vkef，并且在積分階段期間被驅動到接地。備選地，選定的傳感器可以一直保持接地，在這種情況下常數的值為1。輸出可以由ADC轉換成數字代碼。當從互電容測量(等式(9))減去來自正常測量(例如，由上文等式(2)給出)的數字輸出時，可以推導出行與列之間的互電容。當存在多個同時觸摸時，該結果用于解決位置方面的不明確性。圖11是根據本發明一個實施方式利用自身電容和互電容二者來確定接近觸摸傳感器的物體位置的過程步驟的流程圖。在開始步驟801之后，在步驟805中該過程選擇下一行(例如，Rl)進行讀取。在步驟805中，復位階段，該過程對所有線的互電容(例如，連接到R1-R4和C1-C4中的每一個的電容式感測元件)進行復位，并且在步驟815中該過程對當前選定線上的傳感器充電并且讀取其上的電壓。高于預定閾值的電壓指示出選定線上存在物體。在步驟820中，該過程確定是否有額外的線要讀取。如果有，則該過程循環回到步驟805。否則，過程繼續到步驟825。步驟805、810和815是自身電容測量階段的一部分， 其中所有線均被單獨讀取。在步驟825中，過程確定是否存在感測到觸摸的多個位置。如果過程確定有物體同時存在于多個位置，則該處理必須考慮并排除任何鬼影觸摸。如果只存在一個觸摸，則無需考慮鬼影觸摸。因此，如果在步驟830中過程確定其必須標識并排除鬼影位置，則該過程繼續到步驟835。否則，過程跳至步驟840，并在步驟840結束。在步驟835中，過程排除任何鬼影位置，繼而繼續到步驟840。圖12示出了根據本發明一個實施方式的步驟835的更詳細組件。組件835開始于步驟850，其中對參數初始化，諸如通過將“下一”候選位置設置為第一候選位置。接下來， 在步驟851中，過程選擇性地在下一候選位置處啟用互電容(例如，上文等式(9))，并且在步驟852中，確定該讀數與在互電容被禁用時的對應讀數之間的差異。在步驟853中，過程確定是否存在任何差異，并且如果存在，則前進到步驟854，其中位置被分類為“真實”觸摸位置。從步驟854，過程繼續到步驟855。在步驟853中，如果過程確定在兩個讀數之間沒
12有差異，則該過程將該位置標識為“鬼影”位置，從而將其排除出真實觸摸位置，并且前進到步驟855。在步驟855中，過程確定是否存在任何更多的候選位置要檢查。如果存在，則過程循環回到步驟851。否則，過程前進到步驟856，并在步驟856結束。
在已確定實際觸摸位置之后，這些位置可以被傳送到將它們用作輸入的任何下游應用程序。 根據本發明，觸摸屏控制器使用單個集成電路來執行自身電容測量和互電容測量二者，以通過線性數量的測量來解析多個同時觸摸。控制器在自身電容階段期間消除互電容，并且在互電容階段期間選擇性地啟用互電容。在兩個階段中，控制器將觸摸屏中的傳感器電容轉換成與其成正比的電壓。根據本發明的觸摸屏消除了互電容效應，并由此具有增加的動態范圍。 本領域技術人員很容易理解，可以對實施方式進行其他修改，而不脫離由所附權利要求限定的本發明的精神和范圍。
權利要求
1.一種用于感測一個或更多個與觸摸面板的表面接近的物體的觸摸屏控制器系統，包括多個感測線，其接近所述觸摸面板的表面布置，其中相鄰感測線具有互電容；多個電容式感測元件，每個電容式感測元件耦合到所述感測線中的一個感測線；以及控制邏輯，配置用于選擇要讀取的感測線，并且在自身電容測量階段期間將選定的感測線與未選定的感測線之間的互電容驅動到相同電勢，以及在互電容測量階段期間將選定的感測線與未選定的感測線之間的互電容驅動到不同電勢。
2.根據權利要求1所述的觸摸屏控制器系統，其中所述感測線被布置為形成網格圖案的行線和列線。
3.根據權利要求1所述的觸摸屏控制器系統，其中所述自身電容測量階段包括單獨地讀取每個所述電容式感測元件上的電容以確定是否有物體與之接近。
4.根據權利要求1所述的觸摸屏控制器系統，其中所述互電容測量階段包括讀取電容感測元件的組合上的電容以確定是否有物體與之接近。
5.根據權利要求1所述的觸摸屏控制器系統，進一步包括電壓測量電路，所述電壓測量電路將選定的電容式感測元件上的電荷轉換成指示出是否有物體與之接近的對應電壓。
6.根據權利要求5所述的觸摸屏控制器系統，其中所述電壓測量電路包括具有反饋環路的運算放大器，所述反饋環路包括積分電容器，其中所述運算放大器和所述積分電容器形成在單個集成電路上。
7.根據權利要求6所述的觸摸屏控制器系統，其中所述電壓測量電路包括與所述積分電容器并聯的偏移消除電容器。
8.根據權利要求7所述的觸摸屏控制器系統，其中所述偏移消除電容器配置用于向所述運算放大器提供最小反饋因子，用于緩和由外部寄生電容器中的變化所引起的反饋因子中的變化。
9.根據權利要求6所述的觸摸屏控制器系統，進一步包括耦合電容器，其中所述控制邏輯配置用于在連續積分循環期間將電荷從所述耦合電容器轉移到所述積分電容器。
10.根據權利要求5所述的觸摸屏控制器系統，其中所述電壓測量電路生成與所述物體和所述積分電容器的電容成比例的電壓差。
11.一種感測同時存在于觸摸面板的表面上或者與觸摸面板的表面接近的物體的方法，包括單獨選擇要讀取的所述觸摸面板的行線和列線，以確定所述物體沿所述表面的一個或更多個候選位置；以及僅從所述候選位置讀取所述觸摸面板的行線和列線的組合，以確定所述物體沿所述表面的一個或更多個實際位置。
12.根據權利要求11所述的方法，其中單獨選擇行線和列線和讀取行線和列線的組合的步驟在單個集成電路上執行。
13.根據權利要求12所述的方法，進一步包括當單獨讀取選定的行線和列線時消除所述行線和列線之間的互電容，以及當讀取行線和列線的選定組合時選擇性地啟用相鄰行線和列線之間的互電容。
14.根據權利要求12所述的方法，其中確定一個或更多個實際位置包括將所述候選位置的自身電容測量與對應的所述候選位置的互電容測量進行比較。
15.根據權利要求11所述的方法，其中單獨讀取行線和列線以及讀取行線和列線的組合各自都在單個積分循環中執行。
16.一種在感測線被選定用于讀取時消除觸摸屏中感測線之間的互電容以確定其上存在物體的方法，所述方法包括在復位階段和測量階段期間將未選定的感測線的互電容維持在公共電勢，以由此消除所述未選定的感測線之間的互電容；以及在所述復位階段和測量階段期間將選定的感測線的互電容充電到不同電勢，其中所述不同電勢均與所述公共電勢不同，由此在所述復位階段和測量階段二者期間產生所述選定的感測線與所述未選定的感測線之間的互電容。
全文摘要
本發明提供一種轉移電荷以將觸摸屏控制器電容轉換成電壓的系統和方法。觸摸屏控制器系統通過在自身電容測量期間消除相鄰行和列之間的互電容以及在互電容測量期間選擇性地啟用互電容來確定多個同時觸摸的實際位置。在自身電容測量期間，控制器系統生成一組候選觸摸位置，其中包括真實觸摸和鬼影觸摸的位置。在互電容測量期間，只測量候選組中的位置，并且根據這些測量來確定實際觸摸位置。通過將互電容測量限制到僅為整個觸摸面板上位置的較小子集，以線性順序確定真實觸摸位置。同樣，通過使用片內積分電容器，本發明的實施方式能夠在單個循環中執行每個測量。
文檔編號G06F3/044GK102262489SQ20111010818
公開日2011年11月30日 申請日期2011年4月21日 優先權日2010年4月22日
發明者A·R·喬哈拉帕爾卡, K·科達爾, P·錢, V·雷迪 申請人:馬克西姆綜合產品公司