CN103713786A - 电容式触摸屏上的触摸分析 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电容式触摸屏上的触摸分析。本发明的一个实施例提供一种用于确定与电容式触摸屏进行何种类型的交互的方法和装置。确定在电容传感器组中具有最大感测电容的电容传感器。然后，根据电容传感器组中的最大感测电容值和感测电容值确定参数表面。根据所述参数表面确定内插峰值电容、内插峰值处的曲率K以及内插峰值处的方向θ。基于内插峰值电容、曲率K以及方向θ识别与电容式触摸屏进行的交互的类型。

Description

电容式触摸屏上的触摸分析

背景技术

自从引入智能手机和平板PC（个人计算机）以来，电容式触摸屏越来越受欢迎。电容式触摸屏的尺寸变得越来越大，并且存在对这些屏幕的响应性、分辨率和智能性的不断增长的需求。 

电容式触摸屏通常由电容传感器（也称为节点）的阵列组成，其中每个电容传感器100（见图1）包含电寄生电容C_P（下文称为基线电容）。与电容传感器100进行直接物理接触（例如，手指触摸）或近似物理接触（例如，手掌靠近屏幕）将添加与C_P并联的第二电容C_F（下文称为前景电容），从而为所触摸的传感器产生的整体感测电容C_S是C_F+C_P。理想地，在测量和校准后，前景电容C_F可以从感测电容C_S中提取（即C_F=C_S-C_P）。 

当具体节点上经校准的前景电容C_F大于预定阈值时，能够检测到与电容传感器100的接触。通过测量每个节点上的感测电容C_S，可以构造电容变化的二维图像。所构造的二维图像能够用于确定与屏幕接触的位置。由于在感测电容C_S测量期间产生的噪声，确定与屏幕进行接触的位置的精度会降低。此外，比起每次与电容式触摸屏进行的接触的位置来，存在更多的与其相关的信息。例如，所述二维图像可以用于识别手指接触、触控笔（stylus）接触或者接近电容式触摸屏的人的手掌或脸颊。 

二维表面建模电路可以用于模拟通过与电容式触摸屏接触而引入的峰值。嵌入在峰值中的解析特性如曲率（即光滑性）、峰值的方向和坐标可以用于提高确定电容式触摸屏上的接触位置及触摸的类型（例如手指、触控笔、手掌）的精确度。 

附图说明

图1是示出电容式触摸屏上的传感器的横截面以及电容式触摸屏上的电容的示意图。（现有技术） 

图2是指示电容传感器的位置的电容式触摸屏的布局图。（现有技术） 

图3是两根手指与电容式触摸屏进行接触所导致的传感器中的电容变化的图表，其示出触摸的稀疏特性的示例。（现有技术） 

图4a是对电容器进行充电的电压源的示意图。（现有技术） 

图4b是已充电电容器和未充电电容器的示意图。（现有技术） 

图4c是电荷从一个电容器转移到另一电容器的示意图。（现有技术） 

图5是电荷转移电路的示意图，其示出替换的电荷转移电路。（现有技术） 

图6是根据本发明的一个实施例用于识别与电容式触摸屏进行的接触的类型的电子器件的框图。 

图7是根据本发明的一个实施例说明一组九个电容传感器的示例，其中峰值电容C_S位于八个相邻电容传感器的中心坐标（0,0）处，八个相邻电容传感器位于坐标(-1,-1)、(0,-1)、(1,-1)、(-1,0)、(1,0)、(-1,1)、(0,1)及(1,1)上。 

图8是根据本发明的一个实施例示出内插峰值感测电容、内插峰值的曲率K以及内插峰值的方向θ的参数表面的示例。 

图9是根据本发明的一个实施例示出表明与人的手指接触的内插峰值感测电容、内插峰值的曲率K以及内插峰值的方向θ的参数表面的示例。 

图10是根据本发明的一个实施例示出表明与人的手掌交互的内插峰值感测电容、内插峰值的曲率K以及内插峰值的方向θ的参数表面的示例。 

图11是根据本发明的一个实施例示出表明与触控笔接触的内插峰值感测电容、内插峰值的曲率K以及内插峰值的方向θ的参数表面的示例。 

图12是根据本发明的一个实施例说明确定与电容式触摸屏进行何种类型的接触/交互的方法的流程图。 

具体实施方式

附图和说明书总体上公开了一种确定与电容式触摸屏进行交互的类型（例如手指、手掌、触控笔）的方法和装置。首先确定在一组相邻的电容传感器中具有最大感测电容的电容传感器。然后，根据电容传感器组中最大感测电容值和感测电容值确定参数表面。根据参数表面确定内插峰值电容（interpolated peak capacitance）、内插峰值处的曲率K以及内插峰值处的方向θ。基于内插峰值电容、曲率K和方向θ，可以识别与电容式触摸屏进行接触的类型。 

图1是示出电容式触摸屏100上的传感器112的横截面的示意图。两层铟锡氧化物（ITO）电极102和104覆盖在液晶显示屏108上。一层介电材料（例如塑料或派热克斯玻璃）106位于两层电极102和104之间。这里也示出了基线电容C_P和前景电容C_F。 

考虑图2中所示的电容式触摸屏，其具有M行电极RE[0]-RE[M-1]和N列电极CE[0]-CE[N-1]。图2中所示的电容式触摸屏具有M×N个电容传感器S_0,0-S_[M-1],[N-1]（节点），其中每个传感器在每列和每行电极的交叉点处具有基线电容C_P。在图2中用虚线正方形表示每列和每行电极的交叉点。在列电极和行电极的交叉点处，电极不是直接连接的（即它们彼此不短路）。靠近传感器的手指110（也可以使用不同于手指的其他物体，如触控笔）分流部分电场到地面，这相当于添加与C_P并联的前景电容C_F。因此，节点上的感测电容变成： 

方程式1）  C_S=C_P＋C_F

电容式触摸屏200上的每个传感器S_0,0-S_[M-1],[N-1]可以被看作是图像中的像素。在从C_S中校准基线电容C_P后，每个节点上剩余的前景电容C_F有效地构成与电容式触摸屏200的触摸或接触的二维图像。触摸可以被检测为图像中的峰顶，该图像具有如在峰顶形状中反映的手指尺寸、形状、方向和压力的各种属性。 

图3是两根手指与电容式触摸屏进行接触所导致的传感器上的电容变化的图表。图3示出了传感器的电容在与两根手指接触的地方（即有效节点）发生改变。在该示例中，未触摸传感器（即无效节点）的数量明显大于被触摸传感器（即有效节点）的数量。 

图4a至图4c是电荷转移技术的示意图。如图4a至图4c所示，电荷转移的实现分为两个阶段：预充电阶段和转移阶段。在图4a所示的预充电阶段中，用已知电压源V_drive对电容器C进行充电，以便在稳定状态下，电荷Q等于Q=(V_drive*C)，如图4b所示。在图4c所示的转移阶段中，基准电容器C_ref与C并联连接，以便C上的电荷被转移到C_ref上。C_ref上的电压是V_sense。根据总电荷守恒定律，我们得到： 

方程式2）  V_drive*C=V_sense(C+C_ref) 

其可以重新整理为： 

方程式3）  V_sense=C/(C+C_ref)*V_drive

在这种情况下，因为C_ref＞＞C，我们得到： 

方程式4）  V_sense=(C/C_ref)*V_drive

方程式4使得能够将传感器的电容C估算为驱动电压V_drive、感测电压V_sense 和基准电容C_ref之间的比例关系。在本发明的一个实施例中，此关系连同其他关系一起用于确定在电容式触摸屏上何处进行接触。 

图5中示出了使用电荷转移来确定传感器的电容的替代方法。利用了运算放大器502并且反转了V_sense的极性。这种使用电荷转移来确定传感器的电容的方法也提供了驱动电压V_drive、感测电压V_sense和电容C之间的比例关系： 

方程式5）  V_sense=gCV_drive，其中g是常数。 

图6是用于识别与电容式触摸屏进行的接触的类型的电子器件的框图。峰值查找电路602测量电容传感器组的感测电容C_S。峰值查找电路602从该电容传感器组中确定具有最大电容或“峰值”电容C_S的电容传感器。图7说明了一组九个电容传感器的示例，其中峰值电容位于八个相邻电容传感器的中心坐标（0,0）上，八个相邻电容传感器位于坐标(-1,-1)、(0,-1)、(1,-1)、(-1,0)、(1,0)、(-1,1)、(0,1)及(1,1)处。在该示例中，所有相邻电容传感器的感测电容小于位于坐标（0,0）处的电容式传感器的感测电容。当从电容传感器组中确定位于坐标（0,0）处的峰值电容C_S时，峰值电容及其八个相邻的位于坐标(-1,-1)、(0,-1)、(1,-1)、(-1,0)、(1,0)、(-1,1)、(0,1)及(1,1)处的电容传感器的电容被传递到圆锥表面建模电路604中。 

该圆锥表面建模电路确定由下列方程式给出的参数表面： 

方程式1  f(x,y)=Ax²+Bxy+Cy²+Dx+Ey+F。 

能够用电容传感器位置(x_i,y_i)和感测电容z_i标注图7中所示的每个电容传感器的相对坐标。结合方程式1和电容传感器位置(x_i,y_i)以及电容z_i，可以得到下列方程式： 

方程式2

在该示例中，其中在一组中存在九个电容传感器，可以写出具有九个方程式和六个变量（即A、B、C、D、E和F）的线性方程。执行x的最小平方估计以求解该超定线性方程组。最小平方估计由下列方程式给出： 

方程式3    x=(A^TA)^-1A^Tz 

在该示例中，由于存在六个变量，因此只需要六个电容传感器（节点）的数值来拟合表面模型。用多于六个的节点（例如九个节点）拟合表面模型添加了更多的信息，该信息可以用于平滑在感测电容C_S的测量中获得的噪声。因此，本发明的一个实施例可以用来扩大用于拟合参数表面的节点的范围。添加比所需最少节点更多的节点提高了参数表面的精确度。然而，与使用最少节点数目的情况相比，添加比所需最少节点更多的节点需要更多的计算时间。 

在本发明的一个实施例中，其中所用节点的数目和配置是固定的，方程式2中A的数值也是固定的。因此，不需要为每组测量计算(A^TA)^-1A^T的值。由于在该示例中(A^TA)^-1A^T的值是常数并且不需要为每组测量计算(A^TA)^-1A^T的值，故而可以减少推导表面参数所需的计算时间。因此，可以用矩阵(A^TA)^-1A^T乘以z来推导出表面参数。 

在圆锥表面建模电路604确定表面参数之后，峰值信息推导电路606确定内插峰值电容坐标、内插峰值电容处的曲率K以及内插峰值电容处的方向θ。图8是示出内插峰值感测电容、内插峰值的曲率K以及内插峰值的方向θ的圆锥表面图的示例。 

在确定表面参数之后，通过求解下列方程式可以确定内插峰值感测电容的峰值坐标(x₀,y₀,z₀)： 

方程式4   $\left[\begin{array}{cc}2A& B\\ B& 2C\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_0\\ y_0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}-D\\ -E\end{array}\right];$

方程式5   $z_0={\mathrm{Ax}}_0^2+{\mathrm{Bx}}_0{y}_0+{\mathrm{Cy}}_0^2+{\mathrm{Dx}}_0+{\mathrm{Ey}}_0+F.$

内插峰值感测电容处的曲率K可以通过求解下列方程式来确定： 

方程式6  K=4AC-B²。 

内插峰值感测电容处的方向θ可以通过求解下列公式来确定： 

方程式7   $\tan \left(2\mathrm{\θ}\right)=\frac{B}{C-A}.$

方程式4-7可以以硬件实施方式实现为集成电路的一部分。 

图9是根据本发明的一个实施例示出表明与人的手指接触的内插峰值感测电容、内插峰值的曲率K以及内插峰值的方向θ的参数表面的示例。在该示例中，内插峰值感测电容的量值相对较大，并具有相对较陡的斜率（即曲率K）。 

图10是根据本发明的一个实施例示出表明与人的手掌交互的内插峰值感测电容、内插峰值的曲率K以及内插峰值的方向θ的参数表面的示例。在该示例中，内插峰值感测电容的量值相对较小，并具有相对较浅的斜率（即曲率K）。 

图11是根据本发明的一个实施例的示出指明与触控笔接触的内插峰值感测电容、内插峰值的曲率K以及内插峰值的方向θ的参数表面示例。在该示例中，内插峰值感测电容的量值相对较大，具有非常陡的斜率（即曲率K）。 

图12是根据本发明的一个实施例说明确定与电容式触摸屏进行何种类型的接触/交互的方法的流程图。在步骤1202中，测量传感器组中每个传感器的感测电容。可以按照之前描述的或使用其它方法来测量。测量每个传感器的感测电容之后，确定具有最大感测电容的电容传感器。在步骤1204中，利用该组中最大感测电容的测量值和其它电容传感器的测量值来确定参数表面。 

如步骤1206所示，根据所述参数表面确定内插峰值电容的坐标(x₀,y₀,z₀)。在步骤1208中，根据所述参数表面确定内插峰值电容处的曲率K。在步骤1210中，根据所述参数表面确定内插峰值电容处的方向θ。在确定内插峰值电容的坐标(x₀,y₀,z₀)、内插峰值电容处的曲率K以及内插峰值电容处的方向θ之后，能够确定与电容式触摸屏进行的接触的类型。例如，能够确定与电容式触摸屏进行的接触/交互是否是人的手指、人的手掌或触控笔。 

为了说明和描述的目的，已经展示了前面的描述。其目的不是穷举或限制本发明到所公开的精确形式，且根据上述教导，其他修改和变化都是可能的。选择和描述各实施例，以便最好地解释适用原则及其实际应用，从而使本领域技术人员能够最好地利用适合于预期的特定用途的各种实施例和各种修改。预期所附权利要求书被解读为包括除了现有技术限制的实施例以外的其它替代实施例。 

Claims (21)

1.一种确定与电容式触摸屏进行的交互的类型的机器实施方法，其包括：

利用电子器件确定在电容传感器组中具有最大感测电容的电容传感器，其中所述电容传感器组位于所述电容式触摸屏上，其中所述电容式触摸屏位于电子器件上；

根据所述电容传感器组中最大感测电容值以及感测电容值确定参数表面；

根据所述参数表面确定内插峰值电容的坐标(x₀,y₀,z₀)；

根据所述参数表面确定所述内插峰值处的曲率K；以及

根据所述参数表面确定所述内插峰值处的方向θ；

其中，与所述电容式触摸屏进行的交互的类型由所述内插峰值电容、所述曲率K以及所述方向θ确定。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述电容传感器组包含9个电容传感器，其中具有最大感测电容的电容传感器与所有8个其它电容传感器相邻并且与具有最大感测电容的所述电容传感器相比，所有8个其它电容传感器具有较小的感测电容。

3.根据权利要求1所述的方法，其中当所述内插峰值电容的量值相对较低并且所述内插峰值处的曲率K相对较小时，与所述电容式触摸屏进行的交互的类型是人的手掌。

4.根据权利要求1所述的方法，其中当所述内插峰值电容的量值相对较高并且所述内插峰值处的曲率K相对中等时，与所述电容式触摸屏进行的交互的类型是人的手指。

5.根据权利要求1所述的方法，其中当所述内插峰值电容的量值相对较高并且所述内插峰值处的曲率K相对较大时，与所述电容式触摸屏进行的交互的类型是触控笔。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述参数表面由下列方程式定义：

f(x,y)=Ax²+Bxy+Cy²+Dx+Ey+F。

7.根据权利要求1所述的方法，其中来自所述参数表面的内插峰值电容的坐标(x₀,y₀,z₀)能够通过求解下列方程式来计算：

$\left[\begin{array}{cc}2A& B\\ B& 2C\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_0\\ y_0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}-D\\ -E\end{array}\right];$

$z_0={\mathrm{Ax}}_0^2+{\mathrm{Bx}}_0{y}_0+{\mathrm{Cy}}_0^2+{\mathrm{Dx}}_0+{\mathrm{Ey}}_0+F.$

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述参数表面的峰值处的曲率K由下列方程式定义：

K=4AC-B²。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述参数表面的峰值处的方向θ由下列方程式定义：

$\tan \left(2\mathrm{\θ}\right)=\frac{B}{C-A}.$

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述电子器件是从由蜂窝电话、手持个人计算机、平板个人计算机、便携式个人计算机、监视器以及电视机组成的群组中选择的。

11.一种电子器件，其包含：

峰值查找电路，其被配置为在电容传感器组中确定具有最大感测电容的电容传感器，其中所述电容传感器组位于电容式触摸屏上，其中所述电容式触摸屏位于所述电子器件上；

圆锥表面建模电路，其根据所述电容传感器组中的最大感测电容值和感测电容值确定参数表面；

峰值信息推导电路，其根据所述参数表面确定内插峰值电容的坐标(x₀,y₀,z₀)、根据所述参数表面确定所述内插峰值电容处的曲率K以及根据所述参数表面确定所述内插峰值电容处的方向θ；

其中，与所述电容式触摸屏进行的交互的类型由所述内插峰值电容、所述曲率K以及所述方向θ确定。

12.根据权利要求11所述的电子器件，其中所述电容传感器组包含9个电容传感器，其中具有最大感测电容的电容传感器与所有8个其它电容传感器相邻并且与具有最大感测电容的所述电容传感器相比，所有8个其它电容传感器具有较小的感测电容。

13.根据权利要求11所述的电子器件，其中当所述内插峰值电容的量值相对较低并且所述内插峰值处的曲率K相对较小时，与所述电容式触摸屏进行的交互的类型是人的手掌。

14.根据权利要求11所述的电子器件，其中当所述内插峰值电容的量值相对较高并且所述内插峰值处的曲率K相对中等时，与所述电容式触摸屏进行的交互的类型是人的手指。

15.根据权利要求11所述的电子器件，其中当所述内插峰值电容的量值相对较高并且所述内插峰值处的曲率K相对较大时，与所述电容式触摸屏进行的交互的类型是触控笔。

16.根据权利要求11所述的电子器件，其中所述参数表面由下列方程式定义：

f(x,y)=Ax²+Bxy+Cy²+Dx+Ey+F。

17.根据权利要求11所述的电子器件，其中来自所述参数表面的内插峰值电容的坐标(x₀,y₀,z₀)能够通过求解下列方程式来计算：

$\left[\begin{array}{cc}2A& B\\ B& 2C\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_0\\ y_0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}-D\\ -E\end{array}\right];$

$z_0={\mathrm{Ax}}_0^2+{\mathrm{Bx}}_0{y}_0+{\mathrm{Cy}}_0^2+{\mathrm{Dx}}_0+{\mathrm{Ey}}_0+F.$

18.根据权利要求11所述的电子器件，其中所述参数表面的峰值处的曲率K由下列方程式定义：

K=4AC-B²。

19.根据权利要求11所述的电子器件，其中所述参数表面的峰值处的方向θ由下列方程式定义：

$\tan \left(2\mathrm{\θ}\right)=\frac{B}{C-A}.$

20.根据权利要求11所述的电子器件，其中所述电子器件是从由蜂窝电话、手持个人计算机、平板个人计算机、便携式个人计算机、监视器以及电视机组成的群组中选择的。

21.根据权利要求11所述的电子器件，其中所述峰值查找电路、所述圆锥表面建模电路以及所述峰值信息推导电路位于同一集成电路上。

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