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CN102484475A - 使用模拟输入及数字输出进行的电容性键触摸感测 - Google Patents

使用模拟输入及数字输出进行的电容性键触摸感测 Download PDF

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CN102484475A CN2010800390360A CN201080039036A CN102484475A CN 102484475 A CN102484475 A CN 102484475A CN 2010800390360 A CN2010800390360 A CN 2010800390360A CN 201080039036 A CN201080039036 A CN 201080039036A CN 102484475 A CN102484475 A CN 102484475A
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Abstract

经由电容性触摸键传感器将脉冲施加到模/数转换器ADC的取样电容器。当所述电容性触摸键传感器与所述取样电容器之间大致不存在分路电容时，抵达所述取样电容器的电压电荷将最大。然而，例如操作者的手指的物件在非常接近所述电容性触摸键传感器时将形成到接地的电容性分路，所述电容性分路将应该是去往所述取样电容器的所述电荷中的一些电荷分流且借此减小所述取样电容器上的所述电压电荷。可借助所述ADC容易地检测当激活(触摸)所述电容性触摸键传感器时电荷电压的此改变。另外，发光二极管LED可与所述电容性触摸键传感器集成在一起且以时分多路复用方式使用集成电路装置上的相同连接。

Description

使用模拟输入及数字输出进行的电容性键触摸感测
相关申请案交叉参考
本申请案主张林健意(Chien-Yi Lin)在2009年9月28日提出申请、标题为“借助数字输出及模拟输入信号驱动及感测电容性键与发光二极管矩阵(Driving and SensingCapacitive Key and LED Matrix with Digital-Output and Analog-Input Signals)”的第61/246,169号共同拥有美国临时专利申请案的优先权，且所述专利申请案出于所有目的特此以引用方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及感测电容性触摸键，且更特定来说涉及使用最小数目个数字输出及模拟输入来驱动及感测电容性触摸键。本发明进一步涉及一种驱动发光二极管(LED)的经改进方法，其与本文中所描述的电容性触摸键的驱动及感测更兼容。所述电容性触摸键与LED可布置成矩阵且用作用于许多不同类型的电器、电与电子装备等的信息显示与控制面板。
背景技术
电容性触摸键感测电子装置的行业标准为并入到由微芯片科技公司(MicrochipTechnology Inc.)制造的各种微控制器中的微芯片科技公司充电时间测量单元(CTMU)。参见“用于电容性触摸应用的微芯片CTMU(Microchip CTMU for Capacitive TouchApplications)，微芯片应用注解AN1250(2009)”，其出于所有目的特此以引用方式并入本文中。使用所述电容性触摸键来检测手指或其它物件的存在，在使所述手指或其它物件非常接近触摸键(例如，用所述手指或物件触摸所述键)时增加所述触摸键的电容。所述CTMU需要恒定电流源、使用电力且占据宝贵的集成电路芯片面积。
所述CTMU通过用恒定电流源给有效电容充电且接着在某一时间周期之后测量其上的电压来感测触摸键的电容改变。在所述某一时间周期期间给较大电容充电在其上产生比在相同恒定电流充电及所述某一时间周期下给较小电容充电低的电压。所述CTMU对控制矩阵中的电容性触摸键中的每一者上的相应电压进行取样且当检测到比未被触摸键上的正常电压低的电压时，所述CTMU及相关联软件检测所述键的致动。
然而，许多因素影响所述触摸键在未被触摸及/或被触摸时的电容，例如所述触摸键上的湿气，例如潮湿或水。当所述触摸键矩阵中的仅某些触摸键上面具有湿气时，其电容可不同到足以导致CTMU对具有由湿气诱发的较高电容的那些键的错误感测的程度。
在用于控制及显示的许多应用中，还需要与电容性触摸键中的每一者相关联的LED。然而，所述LED必须被驱动且借此除触摸键所需要的那些连接外还需要额外连接。可对感测及驱动操作进行多路复用且借此针对LED及触摸键电路使用共用连接，但LED部分往往在两者被耦合在一起时使触摸键的操作降级。
将电容性键矩阵与集成电路微控制器介接通常需要所述微控制器上的多个模拟输入。此限制可在被触摸时检测的电容性键的数目。
发明内容
通过在触摸电容性键中的任何一者或一者以上时使用微控制器的模拟输入来检测电容性键矩阵的电荷改变，解决前述问题且实现其它及另外益处。电容性键上的电荷由来自微控制器的数字输出信号提供。矩阵中必须借助模拟输入感测的键的数目不再受微控制器中可用的模拟输入的数目的限制。
根据本发明的特定实例性实施例，一种感测对电容性触摸键的致动的集成电路装置包括：模/数转换器(ADC)，其具有取样电容器，其中所述ADC将所述取样电容器上的模拟电压转换为其数字表示；数字处理器，其耦合到所述ADC的数字输出；开关矩阵，其由所述数字处理器控制；数字驱动器，其由所述数字处理器控制；第一节点，其适于耦合到电容性触摸键，所述第一节点经由所述开关矩阵耦合到所述取样电容器；第二节点，其适于耦合到所述电容性触摸键，所述第二节点经由所述开关矩阵耦合到所述数字驱动器；其中来自所述数字驱动器且穿过所述电容性触摸键的电压脉冲将所述取样电容器充电到与其电容比成比例的第一电压，其中当具有到共用电位的电容的物件非常接近电容性触摸传感器时，将穿过所述电容性触摸传感器的所述电压脉冲中的一些电压脉冲从所述取样电容器分流到所述共用电位，且借此当所述物件非常接近所述电容性触摸键时将所述取样电容器充电到第二电压，其中所述第二电压小于所述第一电压。
根据本发明的另一特定实例性实施例，一种用于感测对多个电容性触摸键中的一者或一者以上的致动的系统包括：多个电容性触摸键，集成电路装置，其具有耦合到所述多个电容性触摸键的多个外部连接，所述集成电路装置包括：模/数转换器(ADC)，其具有取样电容器，其中所述ADC将所述取样电容器上的模拟电压转换为其数字表示；数字处理器，其耦合到所述ADC的数字输出；开关矩阵，其由所述数字处理器控制，其中所述多个外部连接耦合到所述开关矩阵；数字驱动器，其由所述数字处理器控制，其中所述数字驱动器耦合到所述开关矩阵；其中来自所述数字驱动器的电压脉冲经由所述开关矩阵耦合到所述多个电容性触摸键中的选定一者，且来自所述多个电容性触摸键中的所述选定一者的所得电压将所述取样电容器充电到与其电容比成比例的第一电压，其中当具有到共用电位的电容的物件非常接近所述多个电容性触摸键中的所述选定一者时，将穿过所述多个电容性触摸键中的所述选定一者的所述电压脉冲中的一些电压脉冲从所述取样电容器分流到所述共用电位，且借此当所述物件非常接近所述电容性触摸键时将所述取样电容器充电到第二电压，其中所述第二电压小于所述第一电压。
根据本发明的又一特定实例性实施例，一种用于感测对布置成P(x)个行与A(y)个列的多个电容性触摸键中的任何一者的致动的方法包括以下步骤：将P(x)个行及A(y)个列设定为逻辑低以将多个电容性触摸键上的任何残余电荷放电；将所述A(y)个列中的每一者耦合到模拟输入；针对所述A(y)个列中的每一者在所述P(x)个行中的每一者上产生脉冲；测量由所述脉冲中的每一者产生的与所述多个电容性触摸键中的每一者相关联的模拟电压；存储与所述多个电容性触摸键中的每一者相关联的所述所测量模拟电压；确定所述所存储的所测量模拟电压中的任何一者何时低于某一电压阈值；及指示所述多个电容性触摸键中的哪一者具有低于所述某一电压阈值的所述相关联的所存储模拟电压。
附图说明
通过参考结合附图进行的以下说明可更全面地理解本发明，附图中：
图1图解说明根据本发明的特定实例性实施例的电容性触摸传感器键致动检测与LED显示器电路的示意图；
图2图解说明根据本发明的特定实例性实施例的电容性触摸传感器键的平面及立面图的示意图；
图3图解说明根据本发明的教示内容的电容性触摸传感器键的一些连接配置的示意图；
图4图解说明根据本发明的另一特定实例性实施例的电容性触摸键与LED的矩阵的示意性框图；且
图5图解说明图3中所示的电容性触摸键与LED的矩阵的更详细示意图。
尽管本发明易于作出各种修改及替代形式，但在图式中是展示并在本文中详细描述其特定实例性实施例。然而，应理解，本文对特定实例性实施例的描述并非打算将本发明限制于本文中所揭示的特定形式，而是相反，本发明打算涵盖所附权利要求书所界定的所有修改及等效形式。
具体实施方式
现在参考图式，其示意性地图解说明特定实例性实施例的细节。图式中，相似的元件将由相似的编号表示，且类似的元件将由带有不同小写字母后缀的相似编号表示。
参考图1，其描绘根据本发明的特定实例性实施例的电容性触摸传感器键致动检测与LED显示器电路的示意图。集成电路装置102包括模/数转换器(ADC)104、具有存储器(未展示)的数字处理器106、可为ADC 104的一部分的取样电容器108、数字驱动器114以及开关110、112、114及130。开关110及130可为内部多路复用器等的一部分。开关112可为数字驱动器114的输出驱动器，例如图腾柱连接的三态CMOS、开集NMOS等。出于说明性目的展示单个电容性触摸传感器键118及LED(发光二极管)120。如本文中将描述，可将多个电容性触摸传感器键118及LED 120配置为控制与显示面板。集成电路装置102可为(例如)具有模拟及数字电路两者的混合信号微控制器。
将来自数字驱动器114的脉冲134施加到电容性触摸传感器键118(电容器Ck)且所得电压脉冲穿过电容性触摸传感器键118的电容以给取样电容器108(电容器Ca)充电。取样电容器108上的电压电荷将为由电容性触摸传感器键118与取样电容器108的电容比产生的分压。通过ADC 104测量取样电容器108上的所得电压电荷。
当手指致动(例如，物理接触、触摸等)电容性触摸传感器键118时，形成到接地的分路电容116(Cf)，其减小到达取样电容器108且随后由ADC 104测量的电压脉冲的振幅。当在取样电容器108上测量的电压电荷小于先前测量的电压电荷及/或基本参考电压电荷时，则假设手指或具有到接地或共用点的电容的其它物件已致动电容性触摸传感器键118。
图1中所示的实施例的优点为湿气大致不影响此电容性触摸传感器键致动检测电路，因为湿气可实际增加电容性触摸传感器键118的电容值Ck，因此在取样电容器108上产生较大电压电荷，其容易由ADC 104测量。图1中所示的实施例降低成本且实现较快的检测时间，因为不需要额外电子组件。也可在单个低到高电压阶跃(例如，脉冲134的上升沿)内执行触摸检测，且因此不需要耗费时间的电流集成，而CTMU电容性触摸检测电路中却需要。
还可在不需要到集成电路装置102的额外连接(引脚)的情况下容易地实施对LED120的控制。当期望接通LED 120时，将开关130闭合，将数字驱动器114耦合到节点128并将其控制为处于逻辑低，且经由节点126将来自另一数字驱动器114的正电压施加到LED 120使得电流穿过LED 120，借此导致从所述LED发射光。穿过LED 120的此电流可由限流电阻器124限制。还可使用数字驱动器114的电流控制的电压源(未展示)，因此消除对限流电阻器124的需要。因此，可针对对电容性触摸传感器键118的致动的检测及对LED 120的控制两者以时分多路复用方式使用节点(例如，连接或引脚)126及128。
如所展示将LED 120反向地连接到驱动信号将使电容性触摸传感器键118的电容值Ck增加LED 120及电阻器124的寄生电容，借此降低所述键的敏感性。通过添加与LED120及电阻器124串联的高速切换二极管122(D)，显著减小添加的寄生电容影响(其导致触敏性的减小)。
参考图2，其描绘根据本发明的特定实例性实施例的电容性触摸传感器键的平面及立面图的示意图。电容性触摸传感器键118包括在绝缘衬底232的面上的电容器板230及234。电容器板230及234分别耦合到节点(连接或引脚)128及126。当手指236非常接近电容器板230及234时，手指236的固有电容(图1的电容器116)将使穿过电容性触摸传感器键118的电压电荷中的一些电压电荷分路到去往取样电容器108的路上。换句话说，手指分路电容器116分流所述电压电荷中的既定用于取样电容器108的一些电压电荷，借此减小由ADC 104测量的所得电压电荷。
参考图3，其描绘根据本发明的教示内容的电容性触摸传感器键的一些连接配置的示意图。在示意图(a)中所示的配置中，将信号脉冲134从数字驱动器114的输出发送到(a)中所示的电容性触摸传感器键中的仅一者(键1)，且(a)中所示的电容性触摸传感器键中的另一者(键2)不具有耦合到其的脉冲134。在手指触摸这些电容性触摸传感器键中的任一者之前，由集成电路装置102的模拟输入检测到的电压电平为高。当手指在施加驱动信号(脉冲134)时触摸上部键1时，在ADC 1模拟输入处的电压显著下降。然而，当手指在施加驱动信号(脉冲134)时触摸下部键1时，在ADC 1模拟输入处的电压仅仅下降一点。此情形发生是因为从驱动信号(脉冲134)发送的电荷可仅在手指触摸上部键时通过手指触摸而被带走。基于此观察，如果驱动信号仅来自键矩阵的一行且模拟输入检测到大的电压降，那么可断定手指触摸在同一行上发生而不在其它行上发生。
在示意图(b)中所示的配置中，将信号脉冲134从数字驱动器114的输出发送到电容性触摸传感器键两者(键1及2)，且其两者对手指触摸非常敏感。当手指触摸这些键中的一者(例如，键1)时，耦合到其的模拟输入(ADC 1)将感测到显著的电压降，而当不存在手指触摸时，耦合到键2的另一模拟输入(ADC 2)将感测到微小的电压降。此情形发生是因为由手指导致的额外电容降低键1到接地的阻抗(手指电容性耦合)。通过组合(a)与(b)的选定连接配置，在电容性键矩阵中检测手指触摸仅需要使用数字输出及模拟输入。
参考图4及5，根据本发明的特定实例性实施例，图4中描绘电容性触摸键与LED的矩阵的示意性框图，且图5中描绘图4中所示的电容性触摸键与LED的矩阵的更详细示意图。可通过结合集成电路装置102的开关矩阵338针对电容性触摸键118及LED120(图5中所示)中的每一者对感测与驱动操作进行时分多路复用而经由共用连接(相同装置引脚)感测键118及驱动LED 120。开关矩阵338可为(例如但不限于)允许集成电路装置102的任何信号连接在任何特定时间为模拟输入或输出、数字输出或数字输入的多路复用器或切换矩阵，例如通用输入/输出(GPIO)。
现在参考图5，键致动检测操作的实例(例如，来自键矩阵的感测电压改变)可为如下：
1)将所有AN0到AN2及GP0到GP3节点设定为输出逻辑低以将所有电容性触摸键118放电，
2)将AN0到AN2节点从输出逻辑低改变为模拟输入，
3)从GP0节点驱动输出逻辑高(脉冲)且测量AN(y)模拟输入节点处的模拟电压值，其中x＝0，
4)针对每一AN(y)模拟输入节点重复步骤1)到3)，其中y＝1或2，以在从数字输出GP(x)节点激励(加脉冲)时在AN0到AN2模拟输入节点中的每一者处获得模拟电压值，其中x＝0，
5)如果模拟输入节点AN0到AN2中的任一者具有显著值改变(更小)，那么电容性键中的一者或一者以上被按压，且那么
6)使用来自GP(x)的驱动(脉冲)信号重复步骤1)到5)，其中x＝1、2或3，以完成对所有电容性触摸键118的扫描。
举例来说，当通过手指触摸来致动AN0与GP3的相交点处的电容性触摸键118a时，对于按时间顺序来自数字输出GP3到GP0的脉冲的每一实例，模拟输入AN0到AN2处的跟随电压如下：
  AN0   AN1   AN2
 GP3＝脉冲   低   高   高
 GP2＝0   0   0   0
 GP1＝0   0   0   0
 GP0＝0   0   0   0
  AN0   AN1   AN2
 GP3＝0   0   0   0
 GP2＝脉冲   高   高   高
 GP1＝0   0   0   0
 GP0＝0   0   0   0
  AN0   AN1   AN2
 GP3＝0   0   0   0
 GP2＝0   0   0   0
 GP1＝脉冲   高   高   高
 GP0＝0   0   0   0
  AN0   AN1   AN2
 GP3＝0   0   0   0
 GP2＝0   0   0   0
 GP1＝0   0   0   0
 GP0＝脉冲   高   高   高
根据以上实例性表，AN0上的电压仅在GP3上存在脉冲时为低。这是因为当GP3上存在脉冲时，电容器118a(Ck)的GP3连接侧处的电压将因对电容器118a(Ck)的手指触摸而降低，且借此将降低电容器118a(Ck)的连接到模拟输入(AN0)且进一步耦合到ADC 104的输入(参见图1)的另一侧上的电压。
为了在键致动检测操作之间接通LED 120，将一行的GP(x)节点设定为逻辑低输出且将一列的AN(y)节点设定为逻辑高输出。所有其它行及列节点可保持处于高Z断开状态(例如三态输出关断)中。电流将流过GP(x)节点行与AN(y)节点列的相交点处的LED120，从而产生光。通过在时间上交替(时分多路复用)触摸感测与LED驱动操作，可利用贯穿集成电路装置102的GPIO开关矩阵338的完全相同的节点。因此，3×4矩阵面板将仅需要七(7)个节点(连接)，其中的三(3)者为模拟输入，其它四(4)者为数字输出，为了触摸键监视且为了LED激励，将通过GPIO开关矩阵338将所有七(7)个节点切换到数字输出。同样地，根据本发明的教示内容，4×5矩阵将仅需要到集成电路装置102的九(9)个节点、连接等以用于控制与显示面板的触摸感测及LED驱动两者。
图1到5中所揭示的电路的优点为当发送低到高阶跃信号(脉冲134)时，与串联连接的电阻器124及反向偏置的LED 120以及高速切换二极管122的阻抗相比，电容性触摸键118(电容器Ck)的阻抗非常低(小)。因此，当检测表示对键118的致动(触摸)的电压时，可忽略电阻器124、LED 120及二极管124的存在。
尽管已参考本发明的实例性实施例来描绘、描述及界定本发明的实施例，但此参考并不意味着限制本发明，且不应推断出存在此限制。所揭示的标的物能够在形式及功能上做出大量修改、更改及等效形式，相关领域并受益于本发明的技术人员将会联想到这些修改、更改及等效形式。所描绘及所描述的本发明实施例仅为实例，而并非是对本发明范围的穷尽性说明。

Claims (20)

1.一种感测对电容性触摸键的致动的集成电路装置，其包括：
模/数转换器ADC，其具有取样电容器，其中所述ADC将所述取样电容器上的模拟电压转换为其数字表示；
数字处理器，其耦合到所述ADC的数字输出；
开关矩阵，其由所述数字处理器控制；
数字驱动器，其由所述数字处理器控制；
第一节点，其适于耦合到电容性触摸键，所述第一节点经由所述开关矩阵耦合到所述取样电容器；
第二节点，其适于耦合到所述电容性触摸键，所述第二节点经由所述开关矩阵耦合到所述数字驱动器；
其中来自所述数字驱动器且穿过所述电容性触摸键的电压脉冲将所述取样电容器充电到与其电容比成比例的第一电压，
其中当具有到共用电位的电容的物件非常接近电容性触摸传感器时，将穿过所述电容性触摸传感器的所述电压脉冲中的一些电压脉冲从所述取样电容器分流到所述共用电位，且
借此当所述物件非常接近所述电容性触摸键时将所述取样电容器充电到第二电压，其中所述第二电压小于所述第一电压。
2.根据权利要求1所述的集成电路装置，其中所述物件为手指。
3.根据权利要求1所述的集成电路装置，其中所述共用电位大致为接地电位。
4.根据权利要求1所述的集成电路装置，其中所述数字处理器在其存储器中存储来自所述ADC的电压数字表示，当存储于存储器中的所述电压数字表示中的至少一者小于其它者时，产生指示所述电容性触摸键被致动的信号。
5.根据权利要求1所述的集成电路装置，其进一步包括串联连接的发光二极管LED及高速切换二极管，且所述串联连接的LED及高速切换二极管与所述电容性触摸键并联耦合，其中当所述开关矩阵将所述第一节点耦合到逻辑高且将所述第二节点耦合到逻辑低时，所述LED被接通。
6.根据权利要求5所述的集成电路装置，其中在交替的时间周期期间产生来自所述数字驱动器的所述电压脉冲及接通所述LED。
7.根据权利要求5所述的集成电路装置，其中所述电容性触摸键与所述LED使用共用连接。
8.根据权利要求1所述的集成电路装置，其中所述集成电路装置为混合信号微控制器。
9.一种用于感测对多个电容性触摸键中的一者或一者以上的致动的系统，所述系统包括：
多个电容性触摸键，
集成电路装置，其具有耦合到所述多个电容性触摸键的多个外部连接，所述集成电路装置包括：
模/数转换器ADC，其具有取样电容器，其中所述ADC将所述取样电容器上的模拟电压转换为其数字表示；
数字处理器，其耦合到所述ADC的数字输出；
开关矩阵，其由所述数字处理器控制，其中所述多个外部连接耦合到所述开关矩阵；
数字驱动器，其由所述数字处理器控制，其中所述数字驱动器耦合到所述开关矩阵；
其中来自所述数字驱动器的电压脉冲经由所述开关矩阵耦合到所述多个电容性触摸键中的选定一者，且来自所述多个电容性触摸键中的所述选定一者的所得电压将所述取样电容器充电到与其电容比成比例的第一电压，
其中当具有到共用电位的电容的物件非常接近所述多个电容性触摸键中的所述选定一者时，将穿过所述多个电容性触摸键中的所述选定一者的所述电压脉冲中的一些电压脉冲从所述取样电容器分流到所述共用电位，且
借此当所述物件非常接近所述电容性触摸键时将所述取样电容器充电到第二电压，其中所述第二电压小于所述第一电压。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述物件为手指。
11.根据权利要求9所述的系统，其中所述共用电位大致为接地电位。
12.根据权利要求9所述的系统，其中所述数字处理器在其存储器中存储来自所述ADC的针对所述多个电容性触摸键中的每一者的电压数字表示，其中当由所述ADC取样的电压的数字表示小于存储器中的所述所存储电压表示中的相应一者时，产生指示所述多个电容性触摸键中的相关联一者被致动的信号。
13.根据权利要求9所述的系统，其进一步包括多个发光二极管LED及多个高速切换二极管，其中当所述开关矩阵将逻辑高及逻辑低电平耦合到所述多个LED中的选定一者以便导致电流流过所述选定一者时，所述多个LED中的所述选定一者被接通，其中所述多个发光二极管LED与所述多个高速切换二极管中的相应者串联连接，且所述串联连接的多个LED及高速切换二极管与所述多个电容性触摸键中的相应者并联耦合。
14.根据权利要求13所述的系统，其中在交替的时间周期期间产生来自所述数字驱动器的所述电压脉冲及接通所述LED。
15.根据权利要求13所述的系统，其中多个电容性触摸传感器与所述多个LED中的相应者耦合到相同外部连接。
16.根据权利要求9所述的系统，其中所述集成电路装置为混合信号微控制器。
17.一种用于感测对布置成P(x)个行与A(y)个列的多个电容性触摸键中的任何一者的致动的方法，所述方法包括以下步骤：
将P(x)个行及A(y)个列设定为逻辑低以将多个电容性触摸键上的任何残余电荷放电；
将所述A(y)个列中的每一者耦合到模拟输入；
针对所述A(y)个列中的每一者在所述P(x)个行中的每一者上产生脉冲；
测量由所述脉冲中的每一者产生的与所述多个电容性触摸键中的每一者相关联的模拟电压；
存储与所述多个电容性触摸键中的每一者相关联的所述所测量模拟电压；
确定所述所存储的所测量模拟电压中的任何一者何时低于某一电压阈值；及
指示所述多个电容性触摸键中的哪一者具有低于所述某一电压阈值的所述相关联的所存储模拟电压。
18.根据权利要求17所述的方法，其中借助模/数转换器ADC来完成所述测量所述模拟电压的步骤，所述模/数转换器ADC将所述所测量模拟电压中的每一者转换成数字电压值。
19.根据权利要求18所述的方法，其中将所述数字电压值存储于存储器中。
20.根据权利要求19所述的方法，其中借助微控制器及存储于所述存储器中的所述数字电压值来完成所述确定所述所存储的所测量模拟电压中的任何一者何时低于某一电压阈值的步骤。
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