CN102750060B

CN102750060B - 利用空间差异性的投射式电容触摸屏***时域降噪方法

Info

Publication number: CN102750060B
Application number: CN201210180772.9A
Authority: CN
Inventors: 刘彦甫; 李狄纳
Original assignee: Tianjin Touchlead Microelectronic Technology Co Ltd
Current assignee: Tianjin Touchlead Microelectronic Technology Co Ltd
Priority date: 2012-06-04
Filing date: 2012-06-04
Publication date: 2015-06-10
Anticipated expiration: 2032-06-04
Also published as: CN102750060A

Abstract

利用空间差异性的投射式电容触摸屏***时域降噪方法，步骤为：（1）在触摸屏控制芯片内部设立多个相同的模拟电路处理部件，及相关选择控制器；（2）对于触摸屏感应线阵列中任意一个待处理的目标触摸屏感应线组，按照空间分布要求选取其参考感应线组；（3）使用相同的模拟处理器同时对目标传感器和参考传感器进行驱动及读取；（4）对于目标传感器及参考传感器的信息进行判别；（5）重复上述（2）至（4）的过程，直到触摸屏的所有目标感应线的都得到处理，完成一帧；（6）根据一帧的感应线状态值分布计算判断出手指触碰点，并根据前帧信息消除时间或空间的误报触碰点；（7）根据当前帧的状态，返回步（2）或执行其他操作。本发明可以有效提高***性能并降低功耗。

Description

利用空间差异性的投射式电容触摸屏***时域降噪方法

技术领域

本发明属于投射式电容触摸屏及触摸屏控制***领域，具体的涉及一种利用空间差异性的时域降噪方法，用于精确消除噪声对触控***的影响，提高电容屏抗干扰能力。

背景技术

投射式电容触摸屏***，由投射式电容屏（以下简称“电容屏”）和触摸屏控制器（以下简称“触控电路”）组成。电容屏是由基材和传感器阵列构成。基材材料有玻璃，PET等，包括不透明的基材。传感器阵列是多条有特定形状的感应线有规则地排布形成的阵列，感应线是使用铟锡合金（ITO）或碳或其他导电材料制作的。电气连接上，传感器阵列的感应线与触控电路的端口直接连接。触控电路是由电路板，电子元器件构成的。电路板可以是普通电路板（PCB）或柔性电路板（FPC），用于连接电子元器件。电子元器件包含被动元器件，如阻容元件和功能器件，如专用触控集成电路芯片。功能器件含有模拟电路处理器，用于驱动传感器阵列的感应线，或从传感器阵列的感应线上读取信号。功能器件中还包含微处理器（MCU）或数字信号处理器（DSP），用于实现特定计算过程（相关算法），以确定得到传感器阵列的工作状态。触控电路中还包含存储器，用于存储程序（Firmware），状态数据和运算结果。触控电路还包含时钟发生器，产生高精度时钟信号供触控电路各功能模块之间同步，以及与宿主机信息交互过程的时序控制，时钟周期基本不随温度和电压的变化而变化，。触控电路与外部的连接，一边是传感器阵列的感应线，另一边是宿主（host）的电源线及其他通信信号。宿主指手机主板，电脑主板或其他应用***。

投射式电容触摸屏***的基本工作原理是，触控电路按照事先确定的时间和空间顺序，一组一组地驱动传感器阵列的感应线，并从驱动传感器阵列的感应线读取信号，然后进行算法处理。在某特定时刻，这一组模拟电路处理器驱动或读取的感应线或感应线组，称为“目标感应线”。控制这个时间空间顺序的电路，称为选择控制电路。当全部传感器阵列里面的感应线作为目标感应线被处理完成时，称为完成一帧（Frame）。投射式电容触摸屏***的永远重复每帧的动作，除非宿主机命令投射式电容触摸屏***停止动作。

在投射式电容触摸屏***中，主要存在两种电子信号杂讯干扰影响，简称噪声。第一种是电磁干扰，英文是Electro Magnetic Interference，简称EMI，这种噪声干扰主要来自于周边电子器件对于电容式触摸屏的传感器的干扰。第二种噪声干扰是人手指接近或碰触到电容式触摸屏传感器时带来的。噪声干扰严重影响着触控***的稳定度及操控性能。因此，对于电容式触摸屏***的设计者来说，如何建立一个在实际应用环境中稳定有效可靠的触控***，是一个挑战。

EMI噪声，例如从液晶显示屏耦合到触控***的开关噪声，或源于手机射频电子器件的噪声，还有从应用处理器馈入的噪声等，这些杂讯显著降低了投射式电容触摸屏***中和有效信号的效果，既信噪比。无论手指是否接近或碰触到触摸屏的传感器，这些EMI杂讯都会耦合到传感器信号通路当中。噪声大小与投射式电容触摸屏***中传感器的电容值有关。图1显示了受到液晶显示屏开关噪声影响的传感器信号。图1的横轴是时钟周期数，相当于时间，纵轴表示21条感应线的信号，图1整体接近黑色，表示EMI干扰广泛分布在时间和触摸屏空间上。

另外有一些杂讯干扰，例如电源噪声，或器件特定的噪声，他们带有有特征的噪声频率，这些干扰也会被等比例地耦合到投射式电容触摸屏***的传感器上，其比例关系是触摸的手指电容（Cf）比触控***本征电容（Cs）.图2画出了在这样的干扰下，触摸屏***中感应到的信号。图2的横轴是时钟数，相当于时间，纵轴表示了2个感应线的信号，由图中可以明显看到手指引入的外部杂讯的干扰。

目前大部分投射式自电容（self projective capacitance，简称self-PROCAP）***或投射式互电容（mutual projective capacitance，简称mutual-PROCAP）***中的采用了并列感应（parallel sensing）方法。这样的方法需要复杂的前端感应电路和繁琐的后续信号处理。在消耗处理能力，需要电路的复杂度，以及实现功能所消耗的功耗上面都需要改进。

在相关技术领域里，美国马克西姆综合产品公司在中国及海外提交了专利申请《用于使用差分感测的电容式触摸屏控制器的噪声消除技术》，其中国专利申请号为201110108199.6。该技术虽然使用到相邻差分的概念，但由于其使用的模拟处理器数目的限制，及存在相邻感应线不能有效消除手指引入噪声的限制等，其消除噪声的效果需进一步改进。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种利用空间差异性的投射式电容触摸屏***时域降噪方法，应用于投射式电容触摸屏***，可以有效提高***性能并降低功耗。

本发明技术解决方案：利用空间差异性的投射式电容触摸屏***时域降噪方法，其特点在于：所述投射式电容触摸屏***包括投射式电容屏和触摸屏控制器，所述投射式电容屏包括基材和附着在基材上排列的传感器阵列，所述传感器阵列是多条感应线有规则地排布形成的阵列；所述触摸屏控制器包括多个相同的模拟电路处理器、选择控制器、数字处理器和存储器；所述多个模拟处理器按使用目的分为两类，一类用于驱动和读取目标感应线，即目标模拟处理器，另一类用于驱动和读取参考感应线，即参考模拟处理器；所述选择控制电路包括目标选择控制电路部分和参考选择控制电路部分，分别接通所述两类模拟处理器；所述目标感应线是指在当前时刻，根据预设的顺序，或随机的顺序，或收到的数字处理器指示的顺序由选择控制电路从传感器阵列多条感应线中选出的感应线；所述参考感应线是指为了更精确地计算电容屏上手指的动作，排除环境噪声干扰影响，由选择控制电路选取的感应线，通过同时对目标感应线及参考感应线的状态进行运算，得到目标感应线的状态，降低噪声影响；所述数字处理器指示顺序，可以是在数字处理器内部根据所运行程序产生的，或数字处理器接收到宿主机的指令转达的。所述各种感应线，每个感应线间彼此独立，没有联动关系，独立受到选择控制器的控制；

所述方法实现如下：

第一步，选择目标感应线和参考感应线

目标选择控制电路按预先设定的顺序、或随机数发生器给出的顺序、或收到的数字处理器指示的顺序，控制其内的开关阵列，将目标模拟处理器动态地连接到目标感应线；

参考感应线的选择与目标感应线的选择过程完全相同，即参考选择控制电路按预先设定的顺序、或随机数发生器给出的顺序、或收到的数字处理器指示的顺序，控制其内的开关阵列，将参考模拟处理器动态地连接到参考感应线上；但并不是传感器阵列的任何一条感应线都可以被选择为参考感应线，随着需要消除噪声的噪声源的不同，选取这些参考感应线的选择条件不同，其中最关键的是参考感应线与目标感应线的最小空间距离或最大空间距离的限制条件不同。为消除EMI噪声影响，需要选择距离目标感应线间隔2个感应线距离以上的感应线作为参考感应线，在此前提下参考感应线的选择可进一步参考当前目标感应线在感应阵列中的相对位置而决定，例如当***的EMI噪声源主要是显示屏开关噪声的时候，尽量选择感应线阵列的中心部位的感应线作为参考线；而为了消除手指触碰电容屏时耦合进入感应***的噪声，则需要选择距离目标感应线间隔2个感应线距离以下的感应线作为参考感应线，在此前提下参考感应线的选择可进一步参考当前目标感应线在感应阵列中的相对位置而决定，例如当目标传感器位于靠近传感器边缘但距离传感器边缘有2个感应线距离以上时，选择远离传感器阵列边缘的一侧的感应线作为参考线，因为靠近传感器这列边缘的感应线，即触摸屏边缘的感应线，容易受到导线或其他偶发因素干扰。选择参考感应线的过程是与选择目标感应线是优先级顺序，即首先选定目标感应线然后根据目标感应线位置等条件选定参考感应线，在同一时刻，目标感应线，不能成为其自身的参考感应线；

第二步，驱动目标感应线和参考感应线，并读回目标感应线和参考感应线的状态信息，整个过程对于目标感应线和参考感应线是相同的，且在驱动读取过程中的任意时刻，模拟控制器对目标感应线和参考感应线的电信号处理动作相同。模拟处理器首先使用分时可调电压的恒压源以及分时可调电流的恒流源驱动传感器阵列的感应线，同时模拟处理器从感应线上读取该感应线的信号，将目标感应线和参考感应线上的模拟电压信号数字化，得到当前目标感应线及参考感应线的状态；然后，数字处理器从目标模拟处理器和参考模拟处理器中及时读取当前目标感应线及参考感应线的状态，将数据存放到感应线对应的位置的存储器中；

第三步，数据处理器根据当前的目标感应线的状态、参考感应线的状态、目标感应线的历史状态和目标感应线的校准状态，计算出当前目标感应线是否有手指活动，并且记录手指活动偏差量，更新历史状态；通过对目标感应线及参考感应线的信号之间的差值，以及值本身的变化，判断目标感应线上有无手指触碰；所述目标感应线的历史状态是指上一次相同感应线作为目标感应线时，读取到并存储在该目标感应线的预设的在存储器空间中的资讯存储位置的感应线状态值；所述目标感应线校准状态是传感器阵列中感应线校准，即无感应状态时得到的感应线状态值；

第四步、按照预定感应线选取方法，选取传感器阵列中的下一个目标感应线及其参考感应线，步骤与第一步完全相同，然后进行第二步至第三步的过程，并重复直至传感器阵列感应线的每一条感应线都作为目标感应线完成上述第三部，本发明中称之为完成一帧（Frame）；

第五步、每完成一帧处理后，数字处理器根据存储器中现有传感器阵列的全部数据，判断手指触控情况；且数字处理器与宿主机通讯，向宿主机报告手指坐标、轨迹和手势；然后根据当前状况确定下一帧的处理方法。所述判断手指情况，包括数字处理器计算出的有一个或多个手指触摸的位置，称为触摸点位置；数字处理器删除由于特殊噪声状况引发的空间上的误报的触摸点，例如空间分布且强度分布不合理的触摸点；数字处理器根据本帧及历史若干帧的结果，综合判断，删除时间分布上不合理的触摸点；数字处理器据本帧及历史若干帧的结果，综合判断手指触摸轨迹。所述确定下一帧处理方法，包括正常返回第一步，或***休眠，或***提速运行，或***降速运行，或其他特殊的预设过程。执行特殊的预设过程是指数字处理器根据本帧的触摸点分布与预设的触摸点分布相似度高于预设阈值，即触摸屏控制器能对比现有触摸点状况进行判断，并依据预设触控方式，跳转执行预设功能；特殊预设功能可以包括校准触摸屏基准值等，可能提前预设。

所述每个感应线电气结构，工作原理，工作流程都相同。

所述每条感应线或感应线组之间彼此独立，没有联动关系，独立受到选择控制器的控制。

在任意时刻，除所述目标感应线和参考感应线以外的其他感应线是非运算感应线，即这些感应线状态不会被用于对目标感应线所进行的运算或判断。

在任意时刻，所述目标感应线与参考感应线是不同的感应线；但当前时刻的目标感应线本身在另一个时间或空间可以用作参考感应线，参考感应线本身也可以在另一个时间或空间作为目标感应线使用。

所述参考感应线的最少数目与触摸屏***分辨处理的手指数有关，处理的手指数目越多，所需参考感应线的数目越多。

所述模拟处理器的数目大于或等于2，且模拟电路处理器的结构是完全相同。

所述第四步中计算判断出当前目标感应线是否有手指活动，并且记录手指活动偏差量的方法采用多个加权减法，及这些加权减法结果比较，然后选择存储某个结果的有效信息作为手指活动的偏差量存储在指定空间位置。

所述第五步中，其他预置过程是数字处理器根据本帧的触摸点分布与预设的触摸点分布相似度高于预设阈值，执行预设过程，即触摸屏控制器能对比现有触摸点状况，判断并依据预设触控方式，跳转执行预设功能；所述预设功能包括校准触摸屏基准值。

所述第一步，第三步，第四步和第五步可以被固化到专用集成电路（ASIC），或者作为应用***DSP/MCU的固件（Firmware），或者以软件驱动（Driver）的方式实现于既有宿主***中。

所述第二步中，模拟处理器使用分时可调电压的恒压源以及分时可调电流的恒流源驱动传感器阵列的感应线。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明由硬件和算法共同实现，依靠触控电路的新结构和新算法，配合电容屏的简单传感器阵列结构，消除投射式电容触摸屏***受到的噪声影响，有效地提高了触摸屏***性能并降低功耗。

（2）本发明与其他投射式自电容***或投射式互电容***的并列感应方法相比，提供了同等或更好的信号质量，且所需要耗费的功耗较低，因为不需要使用复杂的前端感应处理电路。同时，与使用顺序感应的电容式触控***相比，即使这些顺序感应***使用了复杂的信号处理电路，本发明还是能提供更高的在复杂工作环境下的***稳定性。

（3）本发明在提供更好的信号质量的同时，保持了简单便捷的后续信号处理流程。

（4）与现有相关技术，美国马克西姆综合产品公司在中国及海外提交的申请号为201110108199.6《用于使用差分感测的电容式触摸屏控制器的噪声消除技术》的文件相比，本发明由于使用了多个模拟处理器及利用空间区隔的特性，可以真正消除同时刻的噪声影响；而且有针对性地对EMI及手指引入噪声进行降噪，降噪更精确，更彻底；本发明利用了帧之间的判别技术，进一步消除其他不特定因素造成的手指触碰误判。

（5）利用空间差异性的投射式电容触摸屏***时域降噪方法中使用的数字处理算法或计算方算法，可以被固化到集成电路（ASIC），或者作为应用***DSP/MCU的固件（Firmware），或者以软件驱动（Driver）的方式实现于既有宿主***中。

总之，在投射式电容触摸屏***中利用本发明的空间差异性的投射式电容触摸屏***时域降噪方法，提供了高质量信号，保持了简单处理电路的特点，进而实现了低功耗高性能解决方案。

附图说明

图1为受到液晶显示屏开关噪声干扰的触摸屏感应信号；

图2为受到噪声干扰的传感器信号；

图3为本发明的硬件电路框架结构示意图；

图4为本发明的具体实施的感应线驱动读取判断流程图；

图5为图1信号经本发明方法降噪处理后的结果；

图6为图2信号经本发明方法降噪处理后的结果。

具体实施方式

本发明的方法利用了投射式电容触摸屏***的如下特性：（1）无论手指是否接近或接触到触摸屏***的传感器部分，EMI噪声都会耦合到所有的传感器。（2）由于手指触碰同时引入的特征噪声，其噪声作用范围在手指触碰的感应线附近。（3）投射式电容触摸屏***在正常操作情况下，手指不可能接触到全部传感器的感应线。（4）如果使用手掌或其它设备，强行碰触所有感应线，那么这个状态不属于触摸屏正常操控状态，并且这个操作模式可以简单地被侦测出来（5）触摸屏控制器处理感应线的速度，远远快于人或其他机械测试设备碰触触摸屏或改变触摸状态的速度。

本发明采用的投射式电容触摸屏***，由投射式电容屏（以下简称“电容屏”）和触摸屏控制器（以下简称“触控电路”）组成。电容屏是由基材和传感器阵列构成，触控电路是由电路板，电子元器件构成。电气连接上，传感器阵列的感应线与触控电路的端口直接连接。

如图3所示，本发明具体实现如下：

第一步、设计制造电容屏中的传感器阵列。

电容屏是由基材和传感器阵列构成。基材材料有玻璃，PET等，包括不透明的基材。传感器阵列是多条有特定形状的感应线有规则地排布形成的阵列，感应线是使用铟锡合金（ITO）或碳或其他导电材料制作的。在感应线的端头，有导电连接线在电容屏基材上将感应线连接延伸至的电容屏的物体边界处，以便电容屏与触摸控制电路相连。传感器及感应线，通常通过镀膜刻蚀或印刷的方式，附着在基材上。

电气连接上，传感器阵列的感应线与触控电路的端口直接连接；生产方法上，一般采用热压合的方法，把电容屏和触控电路的软性电路板连接在一起。

本发明的特征是要求电容屏的每条感应线或感应线组彼此独立，没有联动关系，可以独立受到触控电路的控制。

第二步、设计制造电容屏中的触控电路。

触控电路的组件之一是电路板，包括普通电路板（PCB）或柔性电路板（FPC），用于电子元器件之间的电气和物理连接，以及如前面第一步所述的触控电路与电容屏之间的电气和物理连接。

除电路板之外，触控电路还包含电子元器件。电子元器件的种类包括连接器、被动元件和功能器件。连接器是用于物理和或电气上把触控电路与外部连接起来；被动元件主要是电阻、电容和磁珠等；功能器件是完成触控电路功能的主要器件，例如专用触控集成电路芯片或保护电路不受静电损伤的ESD防护器件等。

触控电路与外部的连接，一边是传感器阵列的感应线，另一边是宿主（host）的电源线及其他通信信号。宿主指手机主板，电脑主板，或其他应用***。

触控电路中的功能器件实现对电容屏的传感器的驱动控制，以及对从传感器读回的信号进行分析处理。功能器件重要的功能模块有四个：

（2.1）模拟电路处理器，用于驱动传感器阵列的感应线，或从感应线上读取信号。模拟电路处理器的重要组成部分包括分时可调电流恒流充电电路及分时可调电压恒压充电电路组合形成的充电电路，以及用于读取感应线状态的信号转换多位模数转换器（ADC）。本发明中模拟电路处理器的数目，远远小于传感器阵列中的感应线的数目，例如实际使用时可选择使用3个模拟处理器，对应处理由32条感应线所构成的传感器阵列。对于每条感应线的驱动或读取，是靠多路选择控制电路实现模拟处理器与传感器互连，进而完成的。有时多路选择控制电路将电容屏中的感应线分成若干组，每组内部的感应线在任何时刻工作状态都相同，本发明把这样的一组的感应线称为感应线组。本发明中设置多个模拟处理器，即模拟处理器的数目大于或等于2。多个模拟处理器被分为两类，一类用于驱动和读取目标感应线，另一类用于驱动和读取参考感应线。

（2.2）多路选择控制电路（MUX，以下简称“选择控制电路”），它按预先设定的顺序、或随机数发生器给出的顺序、或收到的数字处理器的指示的顺序，控制开关阵列，将模拟处理器动态地连接到电容屏的目标感应线和参考感应线。选择控制电路的内部，包括开关阵列用于模拟处理器与感应线或感应线组的电气连接；包括1个或多个随机数发生器，其随机数的值的范围与感应线数目或感应线数目组相同；包括内部时钟或从外部接收时钟信号的接口电路；包括与微处理器（MCU）或数字信号处理器（DSP）的数字接口电路，接收或告知目前处理的感应线或感应线组编码。

（2.3）数字处理器包括微处理器（MCU）或数字信号处理器（DSP），用于实现计算过程（算法），以确定得到传感器阵列的工作状态；同时也可用于对选择控制电路给出处理感应线的指示，这个指示可以是按照预先编写在程序当中的固定顺序，或者根据使用软件产生伪随机数而递交给选择控制电路的。算法通过对目标感应线及参考感应线的信号之间的差值，以及值本身的变化，判断电容屏上有无手指触碰；有多少手指同时碰触；触碰点在哪里；分析计算出多手指的轨迹，即本次感应线动作与上次感应线动作之间的关系。数字处理器硬件连接包括宿主机接口，包括但不限于I2C，SPI，PS2，USB标准接口；选择控制电路接口，用于指示或接收当前感应线编码；模拟处理器接口，用于读取感应线的状态指；时钟及复位信号接口。

（2.4）存储器，包括但不限于静态存储器（SRAM），动态存储器（DRAM），非挥发性存储器（NVM）。这些存储器用于存储程序（Firmware），状态数据和运算结果。

这些硬件***在加载外部供电后，自动进入下面第三步。

第三步、选定目标感应线和参考感应线。本发明中，首先选择目标感应线，然后决定参考感应线。选择目标感应线的目的是观测该目标感应线是否受到手指碰触的影响；选择参考感应线的目的是利用参考感应线抵消噪声对目标感应线的影响；目标感应线与参考感应线都是电容屏上的既有感应线；目标感应线与参考感应线在任何时刻都是不同的感应线。电容屏***被加载供电后，自动进入这个步骤。

（3.1）选择目标感应线。目标感应线是指在当前时刻，根据预设的顺序，或随机的顺序，或数字处理器指示的顺序，由选择控制电路选中的电容屏感应阵列中的一条感应线或感应线组。触摸屏***希望判别在这个目标感应线上，是否有手指动作发生，或者如果判断有手指动作发生，则同时记录与无手指动作时的同一感应线或感应线组相比的状态的偏移量。如果把传感器阵列里面的感应线或感应线组用非负整数编号为0，1，2，...，n，预设的顺序可以是顺序递增0，1，2..n，第一次选择0；或者顺序递减n，n-1，...0；或者奇数偶数1，3，5…2k+1，0，2，4，..2m，第一次选择1；或者内外交替n，0，n-1，1，n-2，2...，第一次选择n。选择目标感应线具体电气动作是控制电路通过电子开关将模拟处理器连接到目标感应线。目标感应线可以是一条感应线或一组感应线，这时所需的模拟处理器可能是一个或者多个。随着时间的推移，后续步骤中将会选择第二次，第三次，…，第n次，至此所有扫描线全部被设定为目标感应线各1次，也称为完成一帧（Frame）。

（3.2）选择参考感应线。在触控电路选择了目标感应线后，接下来为目标感应线选择参考感应线。参考感应线是指为了更精确地计算电容屏上手指的动作，排除环境噪声干扰影响，而选取的一个或多个感应线，这些感应线是触摸屏上既有的感应线，参考感应线的状态用于目标感应线的状态计算。本发明使用的参考感应线的数目，随着电容屏***需要侦测处理的手指数目不同而不同，电容屏***需要侦测处理的手指数越多，需要的参考感应线的数目越多。例如侦测2手指的电容屏***，需要的参考感应线数目，少于侦测5手指的电容屏***中所需的参考感应线数目。选择参考感应线的方法可以是随机的或者按照事先设定顺序。参考感应线可以是随机的，但并不是传感器阵列的任何一条感应线都可以被选择为参考感应线。随着需要消除噪声的噪声源的不同，选取这些参考感应线的选择条件不同，也就是参考感应线与目标感应线的最小空间距离或最大空间距离的限制条件不同。为消除EMI噪声影响，需要选择距离目标感应线间隔2个感应线距离以上的感应线作为参考感应线，在此前提下参考感应线的选择可进一步参考当前目标感应线在感应阵列中的相对位置而决定；为了消除手指触碰电容屏时耦合进入感应***的噪声，则需要选择距离目标感应线间隔2个感应线距离以下的感应线作为参考感应线；在此前提下参考感应线的选择可进一步参考当前目标感应线在感应阵列中的相对位置而决定，例如尽量选择靠近触摸屏中心部的感应线作为消除EMI噪声的参考感应线。注意到选择参考感应线的过程与选择目标感应线是有优先级顺序的，即首先选择目标感应线，然后根据目标感应线选择参考感应线。在任意时刻，目标感应线，不能成为其自身的参考感应线。与目标感应线相同，选择参考感应线的具体电气动作是控制电路通过电子开关将模拟处理器连接到参考感应线，这个电子开关切换连接过程，与下述第四步触摸屏控制器驱动读取感应线的过程相比及其短暂，几乎不耗费时间。

第四步，按照预定的驱动读取流程，取得目标感应线和参考感应线的状态。这个过程主要分3个部分。整个过程对于目标感应线和参考感应线是相同的。

（4.1）驱动过程（Driving）。驱动过程是模拟处理器对于感应线的充放电过程，这个过程可能需要数个时钟周期完成。时钟可以是在电容屏***内部产生的，也可以来自宿主机（host）。充放电组合使用了分时可调电流的恒流源，以及分时可调电压的恒压源。

（4.2）感应过程（Sensing）。模拟处理器中的多位模数转换器（ADC）将感应线上的模拟电压信号数字化，再经过校准过程等，变换为数字量。模拟处理器中只包含少量的存储空间，不作为长时间存放多个感应线状态之用，这样可以节省功耗并且节省成本。

（4.3）数据读取过程（Reading）。依据算法要求，数字处理器（包括MCU或DSP）从模拟处理器中及时读取当前目标感应线及参考感应线的状态，将数据存放到该当的存储空间中，用于下面第五步处理。注意到读取过程涉及多个模拟处理器，而每个模拟处理器中存储感应线状态的存储空间有限，所以数据的读取搬运过程需要在模拟处理器内部存储单元被刷新之前及时完成。数据的读取转移过程，可以使用数字处理器的正常的存储器读写方法，也可以使用直接存储器读写方法（DMA）。

第五步，数字处理器根据从当前的目标感应线的状态，参考感应线的状态，目标感应线的历史状态，目标感应线的校准状态，计算判断出当前目标感应线是否有手指活动，并且记录手指活动偏差量，更新历史状态。在本步骤当中关键内容包括：

（5.1）目标感应线的历史状态，指上一次相同感应线作为目标感应线时，读取到并存储在该当位置的感应线状态值。

（5.2）目标感应线校准状态，是电容屏校准得到的参数，具体参见第八步的（8.1）中的描述。

（5.3）当前目标感应线是否有手指活动及手指活动偏差量，主要计算方法是多个加权减法，及这些加权减法结果比较，然后是选择存储某个结果的有效信息作为手指活动的偏差量存储在指定空间位置。注意为降低运算复杂度并减少存储空间，偏差量抽取了加权减法的有效信息。

以2手指投射式电容触摸屏***为例，触控电路向宿主机报告2个独立的手指坐标，***受到EMI干扰的影响，并使用本专利消除该影响。在这个2手指的范例***中，用T（t）表示工作传感器t时刻的状态，在应用本专利的情况下，使用3个预先设定的空间隔开的参考传感器，其状态用D1（t），D2（t），D3（t）表示。

（5.3.1）为了确保空间差异性的时域降噪方法可以有效提供参考信号，空间区隔的参考传感器间相对位置必须保持2个传感器间隔或以上。

（5.3.2）设在时间t时，标号为n的工作传感器接收的信号为SIGT（t_n），同时空间区隔的3个参考传感器的信号分别为SIG _D1（t_n），SIG _D2（t_n），SIG _D3（t_n）。那么可以用这些数据建立一组差分公式，基于采样到的输出信号，导出如下绝对差分值：

DI FF_TD1（t_n）=ABS（SIG_T（t_n）-SIG _D1（t_n））；

DI FF_TD2（t_n）=ABS（SIG_T（t_n）-SIG _D2（t_n））；

DI FF_TD3（t_n）=ABS（SIG_T（t_n）-SIG _D3（t_n））；

在本发明图4中，因为篇幅和字号原因，使用符号Sdt1（），Sdt2（），Sdt3（），表示DI FF_TD1（），DI FF_TD2（），DI FF_TD3（）；使用ST（）代表SIG_T（），使用SD1（），SD2（），SD3（）代表SIG _D1（），SIG _D2（），SIG _D3（）。

对DIFF _TD1（t_n）、DIFF _TD2（t_n）及DIFF _TD3（t_n）做如下分析。下述分析表中，“FU_th”表示无手指信号的阈值；“FD_th”表示侦测到手指信号的域值，“Ref”是有效的参考信号；“Odt”是分析后的有效信号输出值；O1，O2，O3是前述DIFF_TD1（），DIFF_TD2（），DIFF_TD3（）本身，或者取其有效位，或者其按照特定公式放大后的结果，其放大方法可以是线性放大或非线性放大。表头，即表格的前2行表示了工作传感器与空间区隔的参考传感器之间的关联。例如T&D1的标记是工作传感器T与参考传感器D1的关系，以下类推。

由于SIG_T（t_n），SIG_D1（t_n），SIG_D2（t_n），SIG_D3（t_n）在相同的时间和相同的空间耦合到相同的噪声，所以DIFF_TD1（t_n）、DIFF_TD2（t_n）及DIFF_TD3（t_n）信号差分的结果消除了噪声值。

对于2手指触控***，可以使用3个参考传感器；***也可以通过优化只设置2个参考传感器。

上述的示例方法，其算法和架构可以沿用到多手指投射式电容触摸屏***。多手指***可以向宿主机报告同一时间的3个或3个以上手指的坐标。为了取得对EMI噪声的准确判断，需要遵守最小传感器间距的限制，另一方面，为取得手指馈入噪声的影响，还需要遵守最大传感器距离的限制，在此前提下处理的复杂度随参考传感器数目呈线性关系。

第六步、按照第三步中的内容，就是按照既定感应线选取方法，选取传感器矩阵中的下一个目标感应线及其参考感应线。方法步骤与第三步完全相同，然后进行第四步第五步的过程；重复第三第四第五步，直至电容屏的每一条感应线都作为目标感应线完成第三四五步的过程，称之为完成一帧（Frame）。

图4表示了上述第五步和第六步驱动读取判断的流程图，图中所示例子是传感器阵列有32条感应线，且选择目标感应线是按照1，2，...32的标号顺序进行的。

第七步、每完成一帧的处理后，数字处理器根据存储空器的特定存储间中现有传感器阵列的全部数据，判断手指触控的情况，主要过程包括：

（7.1）按照目前阵列算出手指触碰情况并记录。这个过程主要是挑选出少数几个感应线信息，它们在存储空间中所保留的状态信息与绝大部分的其他感应线有很大差距，例如信号的绝对值超过某个预设的阈值。

（7.2）为了降低触摸屏***误报，算法去除孤立的“伪触碰”点，例如：在时间和空间上同时突发的“手指触控”，应该被除去。时间上的“突发手指触控事件”，是手指信号在帧历史上闪现，其稳定出现帧数小于预设值，例如仅在1帧中出现手指信号，而帧的间隔是1/10000秒；这样的信号需要被排除掉。空间上的“突发手指信号”，是指在特定的空间位置，手指不可能只碰触到传感器阵列中的极少数感应线，例如在传感器的尖端附近，只要有手指，不可能只碰触到一个尖端，一定也碰触到尖端附近的其他传感器；因此，这种在空间上“闪现”的触摸信号，是某些未知的噪声因素产生的，应该被删除。

（7.3）用插值或样条方法计算手指坐标点，或称触摸点；并判断多手指的轨迹分布，计算手势或手势趋势。这个部分主要包括使用特定的数值计算的方法，插值出准确的坐标点，因为手指碰触到触摸屏时，其范围不限于一个传感器，可能位于数个传感器位置之间，插值方法可以是线性，或二次，或样条。另一个主要处理过程是根据帧历史演算出手指运行的轨迹，或预判手指运行可能的轨迹趋势。

（7.4）在宿主机要求的情况下，向宿主机报告手指坐标，轨迹，手势。

第八步、根据第七步的结果，判断下一帧的处理方法和时间间隔，主要有五种情况：

（8.1）在第七步期间接收到宿主命令或感知到预设的特殊触摸方式，例如接收到直接终止本帧后续操作返回的指令，或在触屏上所有感应线都被触摸到的预设模式，则完成处理相应的操作，然后返回前述第三步。

（8.2）第七步未检测到任何手指触碰，且前面数帧并未检测出手指信号。此时，判断电容屏处在无人操作的模式，这时减缓***处理速度，例如降低***时钟频率，然后返回前述第三步。

（8.3）在第七步中检测到手指触控，有从空间分布上判断不是噪声信号，并且前一帧的完全没手指触控的数据。此时，判断是手指开始碰触电容屏，这时加快***处理速度，例如提高***时钟频率然后返回前述第三步。或抽测有手指信号的感应线附近的状况，即***工作频率不变的情况下，下一帧由一半或更少的感应线组成，重复第三到第七步，结果是在相同的时间范围内，完成2倍或更多倍的帧处理速度，因为处理每帧的感应线总数减半或更少了。

（8.4）正常工作状态，返回第三步。

（8.5）根据宿主指示进入省电模式，停止全部工作或部分工作，进入第九步。

第九步、等待宿主机命令，进入第三步，或者断电后被重新供电，自动进入第三步。

实践证明，本发明方法可以有效降低噪声影响。图5和图6分别表示图1和图2去除噪声后的结果，可以一目了然地看出在图1和图2的噪声影响已被除去。图1和图5是传感器阵列的多条目标感应线，随时钟周期数，即时间，的感应线状态值的变化，图1中感应线状态受到EMI噪声的影响，几乎无法辨识，图5中噪声影响已被消除，可以清楚地看到手指信号的变化。图2和图6所示的是2个特定感应线，图纸的横轴是时钟周期数，纵轴是状态值，图2中信号受到手指引入噪声的影响，幅度无法准确判断，图6是2条感应线消除影响以后的状态，可准确得到状态值。

本发明由于有效地消除掉LCD自身的共模电压瞬态噪声、供电电源的波动噪声、外界环境的辐射噪声，节约了***资源开销，提高了产品的成品率，改进了电容触摸控屏的手指轨迹检测精确度。

在此说明书中，本发明已经参照其特定实例作了描述。但是很显然仍然可以做出各种修改和变换，而不背离本发明的精神范围，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.利用空间差异性的投射式电容触摸屏***时域降噪方法，其特征在于：所述投射式电容触摸屏***包括投射式电容屏和触摸屏控制器，所述投射式电容屏包括基材和附着在基材上由多条感应线有规则地排布形成传感器阵列；所述触摸屏控制器包括多个相同的模拟电路处理器、选择控制器、数字处理器和存储器；所述多个模拟处理器用途分为两类，一类用于驱动和读取目标感应线，即目标模拟处理器，另一类用于驱动和读取参考感应线，即参考模拟处理器；所述选择控制电路包括目标感应线选择控制电路和参考感应线选择控制电路，分别接通所述每类的模拟处理器和所对应的感应线；所述目标感应线是指在当前时刻，由目标选择控制电路从传感器阵列全部感应线中选出的一条或一组感应线或多个感应线组；所述参考感应线是指为了排除环境噪声干扰影响，更精确地判断计算电容屏上触碰的动作，由参考选择控制电路选取的空间位置不同于目标感应线的一条感应线或一组感应线或多个感应线组；所述每条感应线或感应线组之间彼此独立，没有联动关系，独立受到选择控制器的控制；

所述方法实现如下：

第一步，选择目标感应线和参考感应线

目标选择控制电路按预先设定的顺序、或随机数发生器给出的顺序、或收到的数字处理器指示的顺序，控制其内的开关阵列开闭，将目标模拟处理器动态地连接到目标感应线；

参考感应线的选择与目标感应线的选择过程相同，即参考选择控制电路按预先设定的顺序、或随机数发生器给出的顺序、或收到的数字处理器指示的顺序，控制其内的开关阵列开闭，将参考模拟处理器动态地连接到参考感应线上；并非传感器阵列中的任何一条感应线均可被选择为参考感应线，随着需要消除噪声的噪声源的不同，选取这些参考感应线的选择条件不同，即参考感应线与目标感应线的最小空间距离或最大空间距离的限制条件不同，所述限制条件是为消除EMI噪声影响，需要选择距离目标感应线间隔2个感应线距离以上的感应线作为参考感应线，在此前提下参考感应线的选择可进一步参考当前目标感应线在感应阵列中的相对位置而决定；为了消除手指触碰电容屏时耦合进入感应***的噪声，则需要选择距离目标感应线间隔2个感应线距离以下的感应线作为参考感应线，在此前提下参考感应线的选择可进一步参考当前目标感应线在感应阵列中的相对位置而决定；选择参考感应线的过程是与选择目标感应线是有优先级顺序的，即先选定目标感应线然后根据目标感应线位置等条件选定参考感应线；在同一时刻，目标感应线，不能成为其自身的参考感应线；

第二步，驱动目标感应线和参考感应线，并读回它们的状态信息，整个过程对于目标感应线和参考感应线是相同的，且在驱动读取过程中的任意时刻，模拟控制器对目标感应线和参考感应线的电信号处理动作相同；模拟处理器首先驱动传感器阵列的感应线，同时模拟处理器从感应线上读取该感应线的信号，将目标感应线和参考感应线上的模拟电压信号数字化，得到当前目标感应线及参考感应线的状态，然后，数字处理器从目标模拟处理器和参考模拟处理器中及时读取当前目标感应线及参考感应线的状态，将数据存放到感应线对应的位置的存储器中；

第三步，数字处理器根据当前的目标感应线的状态、参考感应线的状态、目标感应线的历史状态和目标感应线的校准状态，计算出当前目标感应线是否有手指活动，并且记录手指活动偏差量，更新历史状态；所述目标感应线的历史状态是指上一次相同感应线作为目标感应线时，读取到并存储在该目标感应线所对应的预设的存储器空间位置的感应线状态值；所述目标感应线校准状态是传感器阵列中感应线基准值，即无手指触控屏幕时得到的该目标感应线状态值；

第四步、按照预定感应线选取方法，选取传感器阵列中的下一个目标感应线及其参考感应线，步骤与第一步完全相同；然后进行上述第二步和第三步的过程，并且重复直至传感器阵列感应线的每一条感应线都作为目标感应线完成上述第三步，称之为完成一帧(Frame)；

第五步、每完成一帧处理后，数字处理器根据存储器中现有传感器阵列的全部数据，判断手指触控情况；且数字处理器与宿主机通讯，向宿主机报告手指坐标、轨迹和手势；然后根据当前状况确定下一帧的处理方法；所述判断手指情况，包括计算出的有一个或多个手指触摸的位置，称为触摸点位置；数字处理器删除由于噪声状况引发的空间上的误报的触摸点；根据本帧及历史若干帧的结果，综合判断，删除时间分布上不合理的触摸点；根据本帧及历史若干帧的结果，综合判断手指触摸轨迹；所述确定下一帧处理方法，包括正常返回第一步，或***休眠，或***提速运行，或***降速运行，或其他预设过程；

2.根据权利要求1所述的利用空间差异性的投射式电容触摸屏***时域降噪方法，其特征在于：所述每个感应线电气结构，工作原理，工作流程都相同。

3.根据权利要求1所述的利用空间差异性的投射式电容触摸屏***时域降噪方法，其特征在于：所述每条感应线或感应线组之间彼此独立，没有联动关系，独立受到选择控制器的控制。

4.根据权利要求1所述的利用空间差异性的投射式电容触摸屏***时域降噪方法，其特征在于：在任意时刻，除所述目标感应线和参考感应线以外的其他感应线是非运算感应线，即这些感应线状态不会被用于对目标感应线所进行的运算或判断。

5.根据权利要求1所述的利用空间差异性的投射式电容触摸屏***时域降噪方法，其特征在于：所述参考感应线的最少数目与触摸屏***分辨处理的手指数有关，处理的手指数目越多，所需参考感应线的数目越多。

6.根据权利要求1所述的利用空间差异性的投射式电容触摸屏***时域降噪方法，其特征在于：所述模拟处理器的数目大于或等于2，且模拟电路处理器的结构是完全相同。

7.根据权利要求1所述的利用空间差异性的投射式电容触摸屏***时域降噪方法，其特征在于：所述第三步中计算判断出当前目标感应线是否有手指活动，并且记录手指活动偏差量的方法采用多个加权减法，及这些加权减法结果比较，然后选择存储某个结果的有效信息作为手指活动的偏差量存储在指定空间位置。

8.根据权利要求1所述的利用空间差异性的投射式电容触摸屏***时域降噪方法，其特征在于：所述第五步中，其他预置过程是数字处理器根据本帧的触摸点分布与预设的触摸点分布相似度高于预设阈值，执行预设过程，即触摸屏控制器能对比现有触摸点状况，判断并依据预设触控方式，跳转执行预设功能；所述预设功能包括校准触摸屏基准值。

9.根据权利要求1所述的利用空间差异性的投射式电容触摸屏***时域降噪方法，其特征在于：所述第一步，第三步，第四步和第五步可以被固化到专用集成电路(ASIC)，或者作为应用***DSP/MCU的固件(Firmware)，或者以软件驱动(Driver)的方式实现于既有宿主***中。

10.根据权利要求1所述的利用空间差异性的投射式电容触摸屏***时域降噪方法，其特征在于：所述第二步中，模拟处理器使用分时可调电压的恒压源以及分时可调电流的恒流源驱动传感器阵列的感应线。