壓電式三維觸控輸入模塊及其驅(qū)動(dòng)方法與流程

本發(fā)明屬于終端技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種壓電式三維觸控輸入模塊及其驅(qū)動(dòng)方法。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)觸控技術(shù)包括一維的力度按壓和二維的投射電容技術(shù)。投射電容觸控技術(shù)是利用人體的電流感應(yīng)工作的。當(dāng)用戶觸摸電容屏?xí)r，由于人體電場(chǎng)，這個(gè)電流分別從屏的四個(gè)角上的電極中流出。理論上流經(jīng)四個(gè)電極的電流與手指頭到四角的距離成比例，控制器通過對(duì)四個(gè)電流比例的精密計(jì)算得出位置。但是在某些場(chǎng)景下，當(dāng)與人體無意識(shí)接觸電容屏?xí)r，也同樣能觸發(fā)產(chǎn)生誤操作。由于一維(力度)和二維(投射電容技術(shù))在原理上無法避免誤操作的情況。因此在對(duì)操作精確性要求極高的領(lǐng)域存在使用風(fēng)險(xiǎn)，比如汽車，工業(yè)和醫(yī)療領(lǐng)域。

目前，針對(duì)一維(力度)和二維(投射電容技術(shù))的不足，興起壓電觸控的三維觸控技術(shù)。壓電觸控技術(shù)是指在現(xiàn)有觸摸產(chǎn)品平面操作的基礎(chǔ)上增加第三種維度，即對(duì)按壓力度進(jìn)行感知。壓力的大小可以由壓電薄膜、壓電陶瓷或者機(jī)械壓力裝置產(chǎn)生，這樣結(jié)合“電信號(hào)”與“力信號(hào)”，通過微控制內(nèi)部統(tǒng)一處理判斷后直接輸出系統(tǒng)能識(shí)別的信號(hào)。同時(shí)，也可以利用觸控交互的“時(shí)間”維度來豐富新的交互方式，為人機(jī)交互開拓出了全新的空間，實(shí)現(xiàn)不同的應(yīng)用。

然而，目前市場(chǎng)出現(xiàn)的三維觸控技術(shù)，對(duì)于結(jié)構(gòu)、組裝和軟體控制上有嚴(yán)格的要求，無法普遍推廣。有鑒于上述的描述，本設(shè)計(jì)人積極加以研究創(chuàng)新，以期創(chuàng)設(shè)一種全新的三維觸控輸入模塊及驅(qū)動(dòng)方法，能夠使用戶在三個(gè)維度上感知自己的觸控操作，同時(shí)還具備在時(shí)間維度上的延升，使其更具有產(chǎn)業(yè)上的利用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提供一種解決原有技術(shù)判斷時(shí)間慢，判斷不標(biāo)準(zhǔn)，且判斷不準(zhǔn)確的問題的壓電式三維觸控輸入模塊。本發(fā)明技術(shù)方案如下：

一種壓電式三維觸控輸入模塊，包括微控制器、與所述微控制器通信連接的壓電傳感器模塊和投射電容傳感器模塊，所述壓電傳感器模塊，將接收到的模擬的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，傳輸至微控制器，所述投射電容傳感器模塊，感應(yīng)信號(hào)變化，將信號(hào)變化計(jì)算得到的二維數(shù)據(jù)傳輸出至微控制器，所述微控制器，通過接收壓電傳感器模塊和投射電容傳感器模塊的信號(hào)，獲得數(shù)據(jù)計(jì)算三維數(shù)據(jù)變化量，通過對(duì)比三維數(shù)據(jù)變化量與設(shè)定值判斷輸入行為的結(jié)果。

本發(fā)明壓電式三維觸控輸入模塊，進(jìn)一步地，所述壓電傳感器模塊包括ad轉(zhuǎn)換模塊、放大電路模塊和壓電傳感器，放大電路模塊與壓電傳感器相連，壓電傳感器輸出的壓力信號(hào)，經(jīng)過放大電路模塊放大信號(hào)量后與ad轉(zhuǎn)換模塊通信連接，將模擬的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，由ad轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)字信號(hào)傳輸至微控制器。

本發(fā)明壓電式三維觸控輸入模塊，進(jìn)一步地，所述投射電容傳感器模塊包括投射電容感應(yīng)器和投射電容感應(yīng)器控制芯片，所述投射電容感應(yīng)器與投射電容感應(yīng)器控制芯片通信連接，投射電容感應(yīng)器將手指觸摸時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)變化傳輸至投射電容感應(yīng)器控制芯片，投射電容感應(yīng)器控制芯片經(jīng)內(nèi)部計(jì)算判斷處理所得的二維數(shù)據(jù)傳輸至微控制器。

本發(fā)明壓電式三維觸控輸入模塊，進(jìn)一步地，所述微控制器包括判斷模塊和計(jì)算模塊，所述計(jì)算模塊，用于對(duì)ad轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后的壓力數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波算法處理，獲得穩(wěn)定壓力數(shù)字信號(hào)，所述判斷模塊，用于判斷計(jì)算模塊獲取到的穩(wěn)定壓力數(shù)字信號(hào)對(duì)應(yīng)所處的預(yù)設(shè)壓力區(qū)間。

本發(fā)明壓電式三維觸控輸入模塊，進(jìn)一步地，設(shè)置一電源管理模塊與所述微控制器通信連接，電源管理模塊對(duì)微控制器進(jìn)行電源管理。

本發(fā)明還提供一種壓電式三維觸控輸入模塊的驅(qū)動(dòng)方法，

包括下述步驟：

壓電傳感器感應(yīng)外界形變量，輸出對(duì)應(yīng)的壓力感應(yīng)信號(hào)，

放大電路模塊將接收到的壓力感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)倍數(shù)的放大處理，

ad轉(zhuǎn)換模塊將放大電路模塊處理后的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成1024階壓力數(shù)字信號(hào)，

計(jì)算模塊對(duì)1024階壓力數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波算法處理，獲得穩(wěn)定壓力數(shù)字信號(hào)，

判斷模塊判斷所述穩(wěn)定壓力數(shù)字信號(hào)對(duì)應(yīng)所處的預(yù)設(shè)壓力區(qū)間；

同時(shí)進(jìn)行下述步驟：

投射電容感應(yīng)器模塊產(chǎn)生電容信號(hào)變化量傳輸至投射電容感應(yīng)器控制芯片，

投射電容感應(yīng)器控制芯片經(jīng)計(jì)算判斷處理所得的二維數(shù)據(jù)傳輸至微控制器，

終步驟：

微控制器將接收到的壓電傳感器模塊和投射電容傳感器模塊的數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)定的觸發(fā)條件計(jì)算判斷后將處理結(jié)果輸出給系統(tǒng)端。

本發(fā)明驅(qū)動(dòng)方法，進(jìn)一步詳述的，

設(shè)置壓力最小值，通過壓力最小值判定二維數(shù)據(jù)有效性，

設(shè)置二維數(shù)據(jù)變化量最小值，通過維數(shù)據(jù)變化量最小值判定壓力值有效性。

本發(fā)明驅(qū)動(dòng)方法，進(jìn)一步詳述的，

所述1024階壓力數(shù)字信號(hào)，設(shè)定0～100階為輕按壓無效區(qū)a區(qū)，100～1024階為有效觸摸區(qū)b區(qū)。

本發(fā)明驅(qū)動(dòng)方法，更進(jìn)一步詳述的，

設(shè)定所述投射電容感應(yīng)模塊輸出信號(hào)變化量為100，設(shè)定0～30為無效區(qū)c區(qū)，大于門檻值30為有效觸摸區(qū)d區(qū)。

本發(fā)明驅(qū)動(dòng)方法，更進(jìn)一步詳述的，同時(shí)處于所述有效觸摸區(qū)b區(qū)和所述有效觸摸區(qū)d區(qū)時(shí)，采集信號(hào)量持續(xù)時(shí)間t，經(jīng)微處理器計(jì)算判斷后，與設(shè)定的t的門檻值比對(duì)，當(dāng)t超出門檻值，或者連續(xù)多次有效操作的時(shí)間間隔在設(shè)定范圍內(nèi)，微處理器執(zhí)行預(yù)先設(shè)定的快捷操作，實(shí)現(xiàn)在x、y、z三軸外的t方向控制。

借由上述方案，本發(fā)明至少具有以下優(yōu)點(diǎn)：

①本發(fā)明通過用戶作用于終端上的壓力與觸控操作，通過兩種觸發(fā)計(jì)算判斷機(jī)制，經(jīng)由微處理器后，可以判斷用戶在三個(gè)維度上的操作；

②本發(fā)明可以讓用戶在時(shí)間這個(gè)維度實(shí)現(xiàn)延伸，通過結(jié)合x、y、z及時(shí)間軸上的數(shù)據(jù)變化，實(shí)現(xiàn)極大的豐富交互體驗(yàn)。

上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，并可依照說明書的內(nèi)容予以實(shí)施，以下以本發(fā)明的較佳實(shí)施例并配合附圖詳細(xì)說明如后。

附圖說明

圖1是本發(fā)明壓電式三維觸控模塊原理框圖；

圖2是本發(fā)明壓電式三維輸入模塊數(shù)據(jù)處理流程示意圖；

圖3a為未施加壓力時(shí)的壓電傳感器工作原理示意圖，

圖3b是施加壓力的壓電傳感器工作原理示意圖。

圖4是本發(fā)明壓電傳感器電荷放大電路；

圖5a是本發(fā)明壓力轉(zhuǎn)化為位移曲線示意圖；

圖5b本發(fā)明位移電荷轉(zhuǎn)化及電荷壓力轉(zhuǎn)化曲線示意圖；

圖6本發(fā)明在時(shí)間軸上操作延伸示意圖。

圖中各附圖標(biāo)記的含義如下。

10微控制器11壓電傳感器模塊

12投射電容傳感器模塊13電源管理模塊

101判斷模塊102計(jì)算模塊

111ad轉(zhuǎn)換模塊112放大電路模塊

113壓電傳感器121投射電容感應(yīng)器控制芯片

122投射電容感應(yīng)器

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

參見圖1，本發(fā)明壓電式三維觸控輸入模塊，包括微控制器10、與所述微控制器10通信連接的壓電傳感器模塊11和投射電容傳感器模塊12，所述壓電傳感器模塊11，將接收到的模擬的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，相當(dāng)于壓力信號(hào)(z)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳送至微控制器10。所述投射電容傳感器模塊12，感應(yīng)信號(hào)變化，將信號(hào)變化計(jì)算得到的二維數(shù)據(jù)傳輸出至微控制器10，相當(dāng)于二維(x，y)數(shù)據(jù)。所述微控制器10，通過接收壓電傳感器模塊11和投射電容傳感器模塊12的信號(hào)，獲得數(shù)據(jù)計(jì)算三維數(shù)據(jù)變化量，通過對(duì)比三維數(shù)據(jù)變化量與設(shè)定值判斷輸入行為的結(jié)果。

通過上述將操作的二維坐標(biāo)(x，y)傳送至微控制器，壓電傳感器113與ad轉(zhuǎn)換模塊111連接，將壓力信號(hào)(z)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳送至微控制器，微控制器根據(jù)接收到(x，y，z)數(shù)據(jù)，不僅可通過計(jì)算來判斷操作的位置，而且可通過z的大小判斷壓力，避免誤操作，再通過微控制器將計(jì)算結(jié)果傳輸至系統(tǒng)端。由此可通過用戶作用于終端上的壓力與觸控操作，通過兩種觸發(fā)計(jì)算判斷機(jī)制，經(jīng)由微處理器后，可以判斷用戶在三個(gè)維度上的操作。

為了進(jìn)一步地優(yōu)化本發(fā)明一維壓力轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定數(shù)字信號(hào)的技術(shù)效果，在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，在前述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，所述壓電傳感器模塊11包括ad轉(zhuǎn)換模塊111、放大電路模塊112和壓電傳感器113，放大電路模塊112與壓電傳感器113相連，壓電傳感器113輸出的壓力信號(hào)，經(jīng)過放大電路模塊112放大信號(hào)量后與ad轉(zhuǎn)換模塊111通信連接，將模擬的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，由ad轉(zhuǎn)換模塊111將數(shù)字信號(hào)傳輸至微控制器100。如圖4所示，本發(fā)明所述放大電路原理圖，壓電傳感器113產(chǎn)生的微小電荷變化，經(jīng)過放大電路放大后，放大倍數(shù)可以根據(jù)需要設(shè)定，可以將壓力的區(qū)間進(jìn)行細(xì)分，精度更高。并且圖圖5a和圖5b所示，由于壓電傳感器113，不同的壓電材料特性不同，不同材料在發(fā)生形變時(shí)，電荷的變化量也不同，根據(jù)電荷變化量計(jì)算出施加的力的變化曲線也有不同，圖5a是本發(fā)明壓力轉(zhuǎn)化為位移曲線示意圖，圖5b本發(fā)明位移電荷轉(zhuǎn)化及電荷壓力轉(zhuǎn)化曲線示意圖。

為了進(jìn)一步地優(yōu)化本發(fā)明二維數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)效果，在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，在前述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，所述投射電容傳感器模塊12包括投射電容感應(yīng)器122和投射電容感應(yīng)器控制芯片121，所述投射電容感應(yīng)器122與投射電容感應(yīng)器控制芯片121通信連接，投射電容感應(yīng)器122將手指觸摸時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)變化傳輸至投射電容感應(yīng)器控制芯片121，投射電容感應(yīng)器控制芯片121經(jīng)內(nèi)部計(jì)算判斷處理所得的二維數(shù)據(jù)傳輸至微控制器10。

同樣如圖1可知所述微控制器10包括判斷模塊101和計(jì)算模塊102，所述計(jì)算模塊102，用于對(duì)ad轉(zhuǎn)換模塊111轉(zhuǎn)換后的壓力數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波算法處理，獲得穩(wěn)定壓力數(shù)字信號(hào)，所述判斷模塊101，用于判斷計(jì)算模塊102獲取到的穩(wěn)定壓力數(shù)字信號(hào)對(duì)應(yīng)所處的預(yù)設(shè)壓力區(qū)間。微控制器還可以根據(jù)施加力的大小，結(jié)合按壓時(shí)間的長(zhǎng)短，提供更豐富的交互體驗(yàn)。另外，根據(jù)壓電材料的特性，當(dāng)外界給壓電材料施加一定的電壓時(shí)，壓電材料會(huì)產(chǎn)生上下的快速形變，即用戶能接受到反饋，更進(jìn)一步的提升操作體驗(yàn)?？稍O(shè)置一電源管理模塊13與所述微控制器10通信連接，電源管理模塊13對(duì)微控制器10進(jìn)行電源管理，即將電源有效分配給系統(tǒng)的不同組件，負(fù)責(zé)對(duì)電能的變換、分配、檢測(cè)及其他電能管理的職責(zé)。

綜上，結(jié)合圖3a和圖3b所示，本發(fā)明壓電傳感器的工作原理圖。圖3a為未施加壓力時(shí)的原理圖，3b是施加壓力的原理圖。壓電材料的受到壓力作用時(shí)，其厚度發(fā)生變化，隨之產(chǎn)生相應(yīng)的電荷，這些電荷在上下電極積聚，從而產(chǎn)生與作用力大小相對(duì)應(yīng)的電荷。使本發(fā)明裝置將操作產(chǎn)生的壓力，通過壓電材料產(chǎn)生的形變(位移)輸出電荷，電荷經(jīng)過放大電路后，再把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絘d轉(zhuǎn)換模塊111，通過電荷變化，經(jīng)過計(jì)算模塊102后量化成壓力值。同時(shí)，投射電容感應(yīng)模塊12同步將手指操作產(chǎn)生的電容變化量通過投射電容控制器121傳輸?shù)轿⒖刂破?0.微控制器10根據(jù)同步接收到的壓力信號(hào)與電容變化量，依據(jù)設(shè)定的觸發(fā)條件及定義的功能，由微處理器10將處理的結(jié)構(gòu)發(fā)送給系統(tǒng)端。如圖6所示，單次有效觸發(fā)f(x0，y0，z0)，如果觸發(fā)持續(xù)時(shí)間g(t0)達(dá)到設(shè)定門檻值，或者與另外有效觸發(fā)f(x1，y1，z1)時(shí)間g(t1)的時(shí)間間隔在一定范圍內(nèi)，系統(tǒng)可以定義快捷觸發(fā)功能，使發(fā)明也可以進(jìn)一步根據(jù)觸發(fā)時(shí)的壓力大小及觸發(fā)時(shí)間長(zhǎng)短，提供更豐富的操作體驗(yàn)。

參見圖2，對(duì)本發(fā)明壓電式三維觸控輸入模塊的工作原理，即驅(qū)動(dòng)方法進(jìn)行說明：

s100，壓電傳感器113感應(yīng)外界形變量，輸出對(duì)應(yīng)的壓力感應(yīng)信號(hào)。

s101，放大電路模塊112將接收到的壓力感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)倍數(shù)的放大處理，可設(shè)置壓力最小值，通過壓力最小值判定二維數(shù)據(jù)有效性，設(shè)置二維數(shù)據(jù)變化量最小值，通過維數(shù)據(jù)變化量最小值判定壓力值有效性。

s102，ad轉(zhuǎn)換模塊111將放大電路模塊112處理后的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成1024階壓力數(shù)字信號(hào)，所述1024階壓力數(shù)字信號(hào)，設(shè)定0～100階為輕按壓無效區(qū)a區(qū)，100～1024階為有效觸摸區(qū)b區(qū)。

s103，計(jì)算模塊102對(duì)1024階壓力數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波算法處理，獲得穩(wěn)定壓力數(shù)字信號(hào)。

s104，判斷模塊101判斷所述穩(wěn)定壓力數(shù)字信號(hào)對(duì)應(yīng)所處的預(yù)設(shè)壓力區(qū)間；

同時(shí)進(jìn)行下述步驟：

s200，投射電容感應(yīng)器122模塊產(chǎn)生電容信號(hào)變化量傳輸至投射電容感應(yīng)器控制芯片121，設(shè)定所述投射電容感應(yīng)模塊12輸出信號(hào)變化量為100，設(shè)定0～30為無效區(qū)c區(qū)，大于門檻值30為有效觸摸區(qū)d區(qū)。

s201，投射電容感應(yīng)器控制芯片121經(jīng)計(jì)算判斷處理所得的二維數(shù)據(jù)傳輸至微控制器10，

s300，微控制器10將接收到的壓電傳感器模塊11和投射電容傳感器模塊12的數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)定的觸發(fā)條件計(jì)算判斷后將處理結(jié)果輸出給系統(tǒng)端。

應(yīng)當(dāng)說明的是，同時(shí)處于所述有效觸摸區(qū)b區(qū)和所述有效觸摸區(qū)d區(qū)時(shí)，根據(jù)信號(hào)量持續(xù)時(shí)間t的不同，經(jīng)微處理器10計(jì)算判斷后，在x、y、z三軸外，實(shí)現(xiàn)t方向控制。

由此，本發(fā)明通過用戶作用于終端上的壓力與觸控操作，通過兩種觸發(fā)計(jì)算判斷機(jī)制，經(jīng)由微處理器后，可以判斷用戶在三個(gè)維度上的操作。此外，本發(fā)明可以讓用戶在時(shí)間這個(gè)維度實(shí)現(xiàn)延伸，通過結(jié)合x、y、z及時(shí)間軸上的數(shù)據(jù)變化，實(shí)現(xiàn)極大的豐富交互體驗(yàn)。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，并不用于限制本發(fā)明，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變型，這些改進(jìn)和變型也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。