CN105335016A - 悬浮控制输入装置 - Google Patents

Abstract

一种悬浮控制输入装置，用以解决现有悬浮控制输入装置体积大及检测信号不连续的现象。悬浮控制输入装置包含红外发光二极管、位置感测器及信号控制与处理电路；信号控制与处理电路电性连接于红外发光二极管，信号控制与处理电路驱动红外发光二极管并控制红外发光二极管的红外光脉冲时序；红外光脉冲用以照射物体，物体的红外反射光投射于位置感测器，位置感测器将所接收的红外反射光及环境背景光转换成相对应的电信号；信号控制与处理电路根据红外光脉冲时序同步接收与处理电信号。信号控制与处理电路将红外反射光脉冲信号转换成数字信号传给微处理器进行物体远近、位置、移动方向与移动速度的计算。此装置可应用于便携式电子产品的悬浮控制。

Description

悬浮控制输入装置

技术领域

本发明涉及输入装置，特别是涉及一种可应用于便携式电子产品悬浮控制的输入装置。

背景技术

悬浮控制输入装置为一种人机互动装置，能够在手势动作不接触装置表面的情况下，检测控制手势的相对位置、移动速度与移动方向等信号。这些检测到的控制手势可作为控制指令输入给安装有此装置的电子产品，前述控制指令例如向左翻页、向右翻页、向下翻页、向上翻页、点选等。悬浮控制输入装置在便携式电子产品中，例如智能手机、平板电脑等，具有越来越广泛的应用。

传统的悬浮控制输入装置通常利用摄影机截取影像，并将摄影机得到的影像做软件处理和分析，以辨识手势的各个控制动作；然而，这种方法的耗电流很大，不适用使用电池的便携式电子产品使用。

另一种传统的悬浮控制输入装置还采用多光源架构，其由三个或超过三个的光源、一个光电感测器及一个处理单元组成。图1为现有多光源架构的悬浮控制输入装置的架构图。参照图1，悬浮控制输入装置1包含一个第一发光二极管(lightemittingdiode，LED)10、一个第二发光二极管12、一个第三发光二极管14、一个光电感测器16及一个处理单元18。第一发光二极管10及第二发光二极管12设置在光电感测器16的相对两侧，第三发光二极管14位于第一发光二极管10或第二发光二极管12的下方，并与第一发光二极管10或第二发光二极管12连线垂直的地方；在这里，第三发光二极管14是位在第二发光二极管12的下方，并与第二发光二极管10连线垂直的地方。

处理单元18产生控制信号，使第一发光二极管10、第二发光二极管12，以及第三发光二极管14轮流发光。第一发光二极管10、第二发光二极管12以及第三发光二极管14发出的光线用以照射一个物体(未图示)。

光电感测器16接收物体反射第一发光二极管10、第二发光二极管12或第三发光二极管14发出的光线，简而言之，光电感测器16用以接收经物体反射后的反射光线。光电感测器16同步感应反射光线并产生对应反射光线的电信号。处理单元18接收上述电信号，并根据上述电信号以判断物体的相对位置、移动速度与移动方向。

悬浮控制输入装置1的多光源架构会造成体积大且耗能高的问题，不便于悬浮控制输入装置1往小型化和集成化的方向发展。

图2为现有具有多分区光电感测器的悬浮控制输入装置的架构图。图2所示的悬浮控制输入装置2包含一个发光元件20、多个光电感测器或一个分区光电感测器22以及一个处理单元24。在这里，多区光电感测器22以具有四个区块的多区光电感测器作为说明范例，且在图2中，四个区块分别标记为a、b、c、d。处理单元24控制发光元件20发光，物体反射发光元件20发出的光线到分区光电感测器22的不同区块，分区光电感测器22的不同区块同时感测反射光线，并产生对应的感应电信号，区块间感应电信号的相对幅度可表示物体的相对位置，处理单元24接收并处理来自分区光电感测器22的感测数据，判断对应于分区光电感测器22的移动速度与移动方向。

与多光源架构相比，此单光源架构更精简、成本更为低廉，但其解析度低。虽然增加分区光电感测器22的区块数量可以增强解析度，但这样会增加悬浮控制输入装置2的整体面积，也对技术水准提出了较高要求。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种悬浮控制输入装置，主要解决现有悬浮控制输入装置存在体积大以及检测信号不连续的现象。本发明提出的悬浮控制输入装置采用单个发光二极管及单个位置感测器，以减小悬浮控制输入装置的尺寸以及耗电流，并可检测物体的连续变化。

为实现上述目的，本发明包含至少一个红外光发光二极管、至少一个可判别方位的位置感测器、至少一个位于位置感测器上方的成像模块，以及一个信号控制与处理电路。

所述发光二极管选用红外发光二极管，其原因是：1.红外发光二极管发出的红外光可以避免人眼的不适感；2.采用红外光使悬浮控制输入装置具有快速响应能力，有效地突显了信号的同步特点；3.在位置感应器的上方镀上供红外反射脉冲通过的光学镀膜，可阻隔或降低环境背景光的影响，并且大幅提高信噪比(signal-to-noiseratio)。

所述位置感测器包含至少一个P层结构和一个N层结构、至少一对光电流输出电极和一个公共电极，P层结构和N层结构之间形成PN结，P层结构和N层结构中掺杂浓度高的一层作为公共电极的引出端，掺杂浓度低的一层结构呈现高阻抗特性，其边缘作为光电流输出电极的引出端，位置感测器接收频谱范围内光的强度，根据光强及光强的重心位置即时输出电信号给信号控制与处理电路。

所述信号控制与处理电路与位置感测器、红外发光二极管以及外部的微处理器电性相连，其作用是：1.控制红外发光二极管的发出的红外光脉冲的脉冲时序与脉冲强度；2.接收并处理红外发光二极管发出的红外光脉冲的脉冲时序同步的位置感测器产生的电信号；3.将位置感测器产生的电信号中对应于红外反射光脉冲的红外反射光脉冲信号与对应于环境背景光的环境背景光信号分离，并将红外反射光脉冲信号转换成数字信号，最终传给外部的微处理器。

上述位置感测器可以与传统互补式金属氧化物半导体(ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor，简称CMOS)技术兼容。

上述位置感测器和信号控制与处理电路可整合在单一集成电路上。

上述位置感测器可以感测其接收频率范围内的所有光，包括环境背景光，也包括由红外发光二极管发出的红外光脉冲遇到物体反射后，经过成像模块后成像在位置感测器上的红外反射光脉冲。

上述位置感测器可采用至少一个一维位置感测器，也可采用一个二维位置感测器。

上述信号与处理电路包含位置感测器光电流运算单元、至少一个模拟数字转换器(Analog-to-digitalconverter，简称ADC)、一个寄存器、一个时序控制电路、一个红外发光二极管电流驱动电路，以及一个通讯接口。

所述位置感测器光电流运算单元，其作用是：1.接收输入到信号控制与处理电路的电信号；2.受时序控制电路控制，对电信号进行运算；3.输出运算后的电信号给模拟数字转换器。

所述模拟数字转换器受时序控制电路的控制，在每个模拟数字转换器转换周期将位置感测器光电流运算单元输入的电信号同步转换为二进制数字量，并输出给寄存器。

所述通讯接口，其作用是：1.受时序控制电路的控制，将寄存器中的二进制值作为信号控制与处理电路的输出送给外部的微处理器；2.接收外部的微处理器的数据，并输出给时序控制电路。

所述红外发光二极管电流驱动电路在时序控制电路的控制下，产生驱动信号，作为信号控制与处理电路的输出控制红外发光二极管发出红外光脉冲。

所述时序控制电路，其作用是：1.控制红外发光二极管电流驱动电路，使其输出控制红外发光二极管发出的红外光脉冲的脉冲时序与脉冲强度的驱动信号；2.控制位置感测器光电流运算单元的运算法则；3.控制模拟数字转换器的转换时序；4.控制通讯接口与外部的微处理器的通讯。

上述信号控制与处理电路，其信号处理的具体方法，包含如下步骤:

1.时序控制电路通过红外发光二极管电流驱动电路控制红外发光二极管发出红外光脉冲；

2.在红外发光二极管发出红外光脉冲时，位置感测器光电流运算单元对输入的各路电信号进行加减运算，得到代表某一感测维度位置和环境背景光的电信号；

3.模拟数字转换器同步将步骤2所产生的电信号转换为二进制值，所述二进制值代表了沿所述维度方向的位置和环境背景光；

4.在红外发光二极管不发出红外光脉冲时，位置感测器光电流运算单元对输入的各个支路的电信号进行与步骤2相同的运算，得到代表所述维度环境背景光的电信号；

5.模拟数字转换器同步将步骤4所产生的电信号转换为二进制值，所述二进制值代表了沿所述维度方向的环境背景光；

6.步骤3所产生的二进制值扣除步骤5所产生的二进制值即可代表所述维度的位置；

7.重复步骤2到步骤6，寄存器可得到代表N(N≧1)维度的位置，可通过通讯接口将寄存器的数据传送到外部的微处理器，外部的微处理器通过计算分析，判断物体的相对远近、位置、移动速度、移动方向以移动速度。

上述步骤2和步骤4中所述的对输入的各路电信号进行加减运算，也可以省去不做，只是选择某一路电信号。

上述步骤4到步骤6可省略，由步骤3得到的二进制值即代表所述维度的位置。

上述信号控制与处理电路可在寄存器和位置感测器光电流运算单元之间增加一个反馈模块，所述反馈模块可在时序控制电路的控制下，将寄存器中的某一数据值经过数字模拟转换器(Digitaltoanalogconverter，简称DAC)的转换后(转换后还可以乘以一个系数，或者减去一个常数)反馈给位置感测器光电流运算单元以作运算。

本发明与现有技术相比具有以下优点:

1.本发明相比于多光源架构的悬浮控制输入装置，减少了光源数量，减小了悬浮控制输入装置的体积，节省了成本与功耗。

2.本发明相比于多个光电感测器架构的悬浮控制输入装置，或者分区光电感测器架构的悬浮控制输入装置，可检测物体动作的连续变化信息。

3.本发明相比于采用摄影机的悬浮控制输入装置，耗电流很小，适合采用电池的便携式电子产品使用。

4.本发明中的位置感测器可与互补式金属氧化物半导体技术兼容，位置感测器与信号控制与处理电路可集成在同一集成电路上。

5.本发明选用红外发光二极管，其发出的红外光可避免人眼的不适感；采用红外光使输入装置具有快速响应能力，有效地突显了信号的同步特点；在位置感测器的上方形成只让红外反射光脉冲通过的光学镀膜，可阻隔或降低环境背景光的影响，并且大幅提高信噪比。

附图说明

图1为现有多光源架构的悬浮控制输入装置的架构图；

图2为现有具有多分区光电感测器的悬浮控制输入装置的架构图；

图3为本发明第一实施例的悬浮控制输入装置的架构图；

图4A为本发明第一实施例中位置感测器的立体图；

图4B为本发明第一实施例中位置感测器的剖面图；

图4C为本发明第一实施例中位置感测器的等效电路图；

图4D为本发明第一实施例中位置感测器的有效感测区示意图；

图5为本发明第一实施例中信号控制与处理电路的功能框图；

图6为本发明第一实施例中检测物***置时，红外发光二极管的发光时序示意图；

图7A为本发明第一实施例中，物体由右向左变化时，红外发光二极管的发光时序；

图7B为本发明第一实施例中，物体由右向左变化时，部分光电流的变化趋势；

图7C为本发明第一实施例中，物体由右向左变化时，输出给微处理器的数字信号的变化趋势的示意图；

图8为本发明第二实施例的悬浮控制输入装置的架构图；

图9A为本发明第二实施例中位置感测器的立体图；

图9B为本发明第二实施例中位置感测器的剖面图；

图9C为本发明第二实施例中位置感测器的等效电路图；

图9D为本发明第二实施例中位置感测器的有效感测区示意图；

图10为本发明第二实施例中信号控制与处理电路的功能框图；

图11为本发明第二实施例中检测物***置时，红外发光二极管的发光时序示意图；

图12A为本发明第二实施例中，物体由右向左变化时，红外发光二极管的发光时序；

图12B为本发明第二实施例中，物体由右向左变化时，部分光电流的变化趋势；

图12C为本发明第二实施例中，物体由右向左变化时，输出给微处理器的数字信号的变化趋势的示意图。

其中，附图标记：

1、2、3、4悬浮控制输入装置

10第一发光元件

12第二发光元件

14第三发光元件

16光电感测器

18、24处理单元

20发光元件

22分区光电感测器

30、40红外发光二极管

32、42位置感测器

34、44成像模块

36、46信号控制与处理电路

360、460位置感测器光电流运算单元

362、462模拟数字转换器

364、464寄存器

366、466时序控制电路

368、468红外发光二极管电流驱动电路

370、470通讯接口

A有效感测区

C公共电极

Cj结电容

D理想二极管

DATA_A1、DATA_A2、DATA_B1、DATA_B2、DATA_C1、DATA_C2、DATA_D1、DATA_D2数字信号

DATA_X1、DATA_X2、DATA_Y1、DATA_Y2位置信息

I_X1、I_X2、I_Y1、I_Y2、I_ADC电信号

k常数

L_x有效感测区沿x轴的长度

L_y有效感测区沿y轴的长度

MCU微处理器

P暗电流

Rp定位电阻

Rsh分流电阻

X1、X2、X3、X4输出电极

具体实施方式

下面将结合较佳实施例及附图对本发明进行非限制性详细描述。

本发明的悬浮控制输入装置可应用于便携式电子产品的悬浮控制。本发明的悬浮控制输入装置包含至少一个红外发光二极管、至少一个可判别方位的位置感测器、至少一个位于位置感测器上方的成像模块，以及一个信号控制与处理电路。信号控制与处理电路电性连接于红外发光二极管及位置感测器，信号控制与处理电路直接驱动红外发光二极管发出红外光脉冲，并控制红外光发光二极管发出的红外光脉冲的脉冲时序。红外光脉冲用于照射前方物体，例如手。

所述物体会反射前述红外光脉冲并形成红外反射光脉冲，红外反射光脉冲通过成像模块投射于位置感测器。位置感测器将所接收的红外反射光脉冲及环境背景光转换成相对于各方向坐标轴的电信号，所述成像模块可采用一个光学透镜或者一个机械结构，将红外反射光投射于位置感测器。

信号控制与处理电路根据红外光脉冲的脉冲时序，同步接收与处理位置感测器产生的电信号。信号控制与处理电路将电信号中对应于红外反射光脉冲的红外反射光脉冲信号及对应于环境背景光的环境背景光信号分离，并将红外反射光脉冲信号转换成数字信号传给外部的微处理器进行物体的远近、移动方向与移动速度的计算。

所述位置感测器可采用两个一维的位置感测器或者一个两维的位置感测器，位置感测器包含至少一个P层结构和一个N层结构、至少一对位置信号电极和一个公共电极，P层结构(N层结构)作为公共电极的引出端，N层结构(P层结构)呈现高阻特性，其边缘作为输出电极的引出端，输出电极可从N层结构(P层结构)的边缘引出，也可从其四个角引出。位置感测器接收频谱范围内光(包含红外反射光脉冲及环境背景光)的强度以及重心位置，将光强及位置实时转换成相对于各方向坐标轴的电信号。

所述信号控制与处理电路与位置感测器以及红外发光二极管电性相连，用于1.直接驱动红外发光二极管发出的红外光脉冲，并控制红外光脉冲的脉冲时序及强度，2.接收并处理与红外发光二极管发出的红外光脉冲的脉冲时序同步的位置感测器产生的电信号，3.将位置感测器产生的电信号中对应于红外反射光脉冲的红外反射光脉冲信号及对应于环境背景光的环境背景光信号分离，并将红外反射光脉冲信号转换成数字信号，并传给外部的微处理器。

外部的微处理器可通过接收到的数字信号进行物体的远近、位置、移动方向和移动速度的计算。

与具有摄影机的悬浮控制输入装置架构相比，本发明的悬浮控制输入装置的耗电流和成本更低；与具有多光源的悬浮控制输入装置架构相比，单光源架构更精简，体积更小，性价比更高；与具有多光电感测器或者多分区的一个光电感测器的悬浮控制输入装置的架构相比，本发明的单位置感测器架构可检测物体动作的连续变化信息。本发明的悬浮控制输入装置的另一个优点是，使用者不需要启动触控屏幕控制器或使用机械按钮，即可通过物体动作来发出设备指令。这显著节省了功耗。

针对所述位置感测器的输出电极引出位置的不同，本发明给出了如下两个实施例：

实施例1

图3为本发明第一实施例的悬浮控制输入装置的架构图。图3所示的悬浮控制输入装置3包含一个红外发光二极管30、一个两维的可判别方位的位置感测器(PositionSensitiveDevice，简称PSD)32、一个位于位置感测器32上方的成像模块34，以及一个信号控制与处理电路36。位置感测器32的输出电极X1、X2、Y1以及Y2从位置感测器32的四个边引出。成像模块34可以包含一个光学透镜或一个机械结构。

在悬浮控制输入装置3中，信号控制与处理电路36控制红外发光二极管30发出的红外光脉冲的脉冲时序与强度。位置感测器32将环境背景光，以及物体反射红外光脉冲形成的红外反射光脉冲通过成像模块34所成像的红外影像转换为电信号I_X1、I_X2、I_Y1、I_Y2。信号控制与处理电路36根据红外光脉冲的脉冲时序接收电信号I_X1、I_X2、I_Y1、I_Y2。之后，信号控制与处理电路36将电信号I_X1、I_X2、I_Y1、I_Y2中对应于红外反射光脉冲的红外反射光脉冲信号，以及对应于环境背景光的环境背景光信号分离，再将红外反射光脉冲信号转换成数字信号传送给外部的微处理器MCU。外部的微处理器MCU通过这些数字信号进行物体的远近、位置、移动速度、移动方向与移动速度的计算。

红外发光二极管30发出的红外光脉冲为不可见光，可避免人眼的不适感；其次，采用红外光使悬浮控制输入装置3具有快速响应能力，有效地突显了信号的同步特点；在位置感测器32的上方镀上只让红外光通过的光学镀膜，可阻隔或降低环境背景光的影响，并且大幅提高信噪比。

位置感测器32可与互补式金属氧化物半导体(ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor，简称CMOS)技术兼容，通常与信号控制与处理电路36集成在同一晶片上。位置感测器32典型架构的立体图、剖面图、等效电路图以及有效感测区(activearea)示意图分别如图4A、图4B、图4C和图4D所示。从图4B可知，位置感测器32由P+层结构、N层结构、公共电极C以及至少一对的输出电极X1及X2组成，P+层结构和N层结构之间形成PN结，N层结构相对于P+层结构来说，具有高阻抗特性，输出电极X1及X2位于N层结构的边缘。当有光线照射到位置感测器32的表面，在照射位置处的PN结处会产生电子，产生的电子数与照射光强成正比，这些电子会被输出电极X1及X2所吸收，输出电极X1及X2吸收电子的能力与光照射位置与输出电极X1及X2之间的等效阻抗成反比。

图4A所示为典型的二维、且从四边引出电极的位置感测器32的立体图，其等效电路图如图4C所示。在第4C图中，P为暗电流源，D为理想二极管，Cj为结电容，Rsh为分流电阻，Rp为定位电阻。四个输出电极X1、X2、Y1、Y2分别位于N层结构的四个边缘，公共电极C需要设置电压使位置感测器32处于零偏或者反偏状态。由图4D所示，有效感测区A的表面阻抗在有效感测区A内均匀分布，因此，光照射位置与输出电极之间的等效阻抗与其之间的距离成正比。假设有效感测区A沿x轴的长度为L_x，沿y轴的长度为L_y，有一束光照射到位置感测器32的(x,y)位置，位置感测器32的四个输出电极X1、X2、Y1、Y2分别输出电信号I_X1、I_X2、I_Y1、I_Y2，则电信号I_X1、I_X2、I_Y1、I_Y2与x以及y之间的关系为：

$\frac{I_{X2}-I_{X1}}{I_{X2}+I_{X1}}=\frac{2x}{L_x}$ (式1)

$\frac{I_{Y2}-I_{Y1}}{I_{Y2}+I_{Y1}}=\frac{2y}{L_y}$ (式2)

因此通过检测位置感测器32的四个输出电极X1、X2、Y1、Y2分别输出的电信号I_X1、I_X2、I_Y1、I_Y2，即可计算出光线照射的位置。若位置感测器32的上方镀上只让红外光线通过的光学镀膜，则可计算出红外光线照射的位置。假设以相同的光强在位置感测器32上方照射，则I_X1+I_X2+I_Y1+I_Y2代表了照射点距离位置感测器32表面的远近。如果照射到位置感测器32上方的不止是光线，而是一个影像，则(x,y)代表的是影像的重心位置。

图5为本发明第一实施例的信号控制与处理电路的功能框图。信号控制与处理电路36包含位置感测器光电流运算单元360、至少一个模拟数字转换器362、一寄存器364、一时序控制电路366、一红外发光二极管电流驱动电路368，以及一通讯接口370。

位置感测器光电流运算单元360受时序控制电路366的控制，对由位置感测器32所输入的电信号I_X1、I_X2、I_Y1、I_Y2做加减运算，例如计算I_X2-I_X1、I_X2+I_X1、I_Y2-I_Y1、I_Y2+I_Y1、I_X1+I_X2+I_Y1+I_Y2，或者时序控制电路366控制位置感测器光电流运算单元360不做运算，只是选择其一路电信号，例如：I_X1、I_X2、I_Y1或I_Y2。

模拟数字转换器362在时序控制电路366的控制下，同步将位置感测器光电流运算单元360经过运算后所输出的电信号I_ADC转换为数字信号，并存入寄存器364中。

通讯接口370在时序控制电路366的控制下，可将寄存器364中的数字信号传送给外部的微处理器MCU，也可以将外部的微处理器MCU的指令信息写入时序控制电路366中。

悬浮控制输入装置3为了检测出其上方物体的位置，且需滤除背景环境光噪声，可进行如下步骤：

1.信号控制与处理电路36的时序控制电路366控制红外发光二极管30发出的红外光脉冲的脉冲时序，使红外发光二极管30发出的红外光脉冲的脉冲时序如图6所示。

2.在A1阶段，红外发光二极管30发出红外光脉冲，信号控制与处理电路36的时序控制电路366产生控制信号，使位置感测器光电流运算单元360输出电信号I_X1，并通过模拟数字转换器362将电信号I_X1转换为数字信号DATA_A1。在A2阶段，红外发光二极管30不发出红外光脉冲，信号控制与处理电路36的时序控制电路366产生控制信号，使位置感测器光电流运算单元360输出电信号I_X1，并通过模拟数字转换器362将电信号I_X1同步转换为数字信号DATA_A2。用数字信号DATA_A1扣除数字信号DATA_A2得到DATA_X1，DATA_X1代表输出电极X1输出的滤除环境背景光噪声的位置信息。

3.在B1阶段，红外发光二极管30发出红外光脉冲，信号控制与处理电路36的时序控制电路366产生控制信号，使位置感测器光电流运算单元360输出电信号I_X2，并通过模拟数字转换器362将电信号I_X2同步转换为数字信号DATA_B1。在B2阶段，红外发光二极管30不发出红外光脉冲，信号控制与处理单元36的时序控制电路366产生控制信号，使位置感测器光电流运算单元360输出电信号I_X2，并通过模拟数字转换器362将电信号I_X2同步转换为数字信号DATA_B2。用数字信号DATA_B1扣除数字信号DATA_B2得到DATA_X2，DATA_X2代表输出电极X2输出的滤除环境背景光噪声的位置信息。

4.在C1阶段，红外发光二极管30发出红外光脉冲，信号控制与处理电路36的时序控制电路366产生控制信号，使位置感测器光电流运算单元360输出电信号I_Y1，并通过模拟数字转换器362将电信号I_Y1同步转换为数字信号DATA_C1。在C2阶段，红外发光二极管30不发出红外光脉冲，信号控制与处理电路36的时序控制电路366产生控制信号，使位置感测器光电流运算单元360输出电信号I_Y1，并通过数字模拟转换器362将电信号I_Y1同步转换为数字信号DATA_C2；用数字信号DATA_C1扣除数字信号DATA_C2得到DATA_Y1，DATA_Y1代表输出电极Y1输出的滤除环境背景光噪声的位置信息。

5.在D1阶段，红外发光二极管30发出红外光脉冲，信号控制与处理电路36的时序控制电路366产生控制信号，使位置感测器光电流运算单元360输出电信号I_Y2，并通过模拟数字转换器362将电信号I_Y2同步转换为数字信号DATA_D1。在D2阶段，红外发光二极管30不发出红外光脉冲，信号控制与处理电路36的时序控制电路366产生控制信号，使位置感测器光电流运算单元360输出电信号I_Y2，并通过模拟数字转换器362将电信号I_Y2同步转换为数字信号DATA_D2。用数字信号DATA_D1扣除数字信号DATA_D2得到DATA_Y2，DATA_Y2代表输出电极Y2输出的滤除环境背景光噪声的位置信息。

6.信号控制与处理电路36将步骤2至步骤5所产生的DATA_X1、DATA_X2、DATA_Y1以及DATA_Y2传送给外部的微处理器MCU。

DATA_X1、DATA_X2、DATA_Y1以及DATA_Y2与物体(x,y,z)的关系为：

$\frac{{\mathrm{DATA}}_{X2}-{\mathrm{DATA}}_{X1}}{{\mathrm{DATA}}_{X2}+{\mathrm{DATA}}_{X1}}=\frac{2x}{L_x}$ (式3)

$\frac{{\mathrm{DATA}}_{Y2}-{\mathrm{DATA}}_{Y1}}{{\mathrm{DATA}}_{Y2}+{\mathrm{DATA}}_{Y1}}=\frac{2y}{L_y}$ (式4)

$k*\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{DATA}}_{Y2}+{\mathrm{DATA}}_{Y1}+{\mathrm{DATA}}_{X2}+{\mathrm{DATA}}_{X1}}}=z$ (式5)

其中k为常数。

因此，外部的微处理器MCU可通过计算，得出物***置，其中，-L_x/2≤x≤L_x/2；-L_y/2≤y≤L_y/2；0≤z≤L_Z，L_z与信号控制与处理电路36可处理的最小光强有关，x,y,z的范围构成了物体检测区域。

外部的微处理器MCU为了检测出位置感测器32上方物体的移动方向和移动速度，且需滤除环境背景光噪声，可每隔1～3毫秒(ms)检测一次物体的位置，通过物***置的变化，判断物体的移动方向和速度。

假设物体沿x轴从右向左变化，则物体的影像从左向右变化，红外发光二极管30的驱动信号如图7A所示，每隔2ms发出一组红外光脉冲，用以定位物***置；物体从右向左变化的过程中，位置感测器32的输出电极X1、X2、Y1、Y2所输出的电信号I_X1、I_X2、I_X3、I_X4的变化趋势如图7B所示(在不考虑环境背景光的变化的情况下)。外部的微处理器MCU得到的滤除环境背景光噪声后的位置信息DATA_X1、DATA_X2、DATA_Y1以及DATA_Y2变化趋势如图7C所示。

由图7B可知，物体从进入检测区域到出检测区域这段时间，I_X1从大逐渐变小，I_X2从小逐渐变大，I_X1与I_X2之和基本保持不变，I_X2-I_X1逐渐增大，(I_X2-I_X1)/(I_X2+I_X1)逐渐增大。因此，由式1计算出得到的x坐标也逐渐增大，与物体影像从左向右变化相吻合。

由图7C可知，物体从进入检测区域到出检测区域这段时间，DATA_X1从大逐渐变小，DATA_X2从小逐渐变大，DATA_X1与DATA_X2之和基本保持不变，DATA_X2-DATA_X1逐渐增大，(DATA_X2-DATA_X1)/(DATA_X2+DATA_X1)逐渐增大。因此，外部的微处理器MCU通过式3计算得出的x坐标也逐渐增大，与物体影像从左向右变化或者物体从右往左变化相吻合。因此，外部的微处理器MCU可通过坐标的变化检测出位置感测器32上方物体的移动方向。位置感测器32上方物体沿x轴方向的移动速度与(DATA_X2-DATA_X1)/(DATA_X2+DATA_X1)的斜率成正比。

物体从前往后变化、从后往前变化或从左往右变化的检测原理与物体从右往左变化的原理相似。外部的微处理器MCU判断DATA_X2+DATA_X1+DATA_Y1+DAYA_Y2的大小可判断物体的远近变化，若该值增大，则靠近；若该值减小，则远离。

外部的微处理器MCU可通过计算物体的位置，并检测位置的变化，可判断物体在检测区域的任意移动方向和移动速度。

实施例2

图8为本发明第二实施例的悬浮控制输入装置的架构图。本实施例的悬浮控制输入装置4包含一个红外发光二极管40、一个二维的可判别方位的位置感测器42、一个位于位置感测器42上方的成像模块44，以及一个信号控制与处理电路46。位置感测器42的输出电极X1、X2、Y1以及Y2从位置感测器42的四个角引出。

在悬浮控制输入装置4中，信号控制与处理电路46控制红外发光二极管40发出红外光脉冲的脉冲时序与强度；位置感测器42将环境背景光以及通过成像模块44的红外反射光脉冲转换为电信号I_X1、I_X2、I_Y1、I_Y2。信号控制与处理电路46根据红外光脉冲的脉冲时序接收电信号I_X1、I_X2、I_Y1、I_Y2。之后，信号控制与处理电路46将电信号I_X1、I_X2、I_Y1、I_Y2中对应于红外反射光脉冲的红外反射光脉冲信号，以及对应于环境背景光的环境背景光信号分离，再将红外反射光脉冲信号转换成数字信号传给外部的微处理器MCU。外部的微处理器MCU通过这些数字信号进行物体的远近、位置、移动速度与移动方向的计算。

红外发光二极管40发出的红外光脉冲为不可见光，可避免人眼的不适感；采用红外光使悬浮控制输入装置4具有快速的响应能力，有效地突显了信号的同步特点；在位置感应器42的上方镀上只让红外反射光脉冲通过的光学镀膜，可隔绝或降低环境背景光的影响，并且大幅提高信噪比。

位置感测器42可与互补式金属氧化物半导体技术兼容，通常与信号控制与处理电路46集成在同一晶片上，当然，位置感测器42及信号控制与处理电路46也可以成分离设置。位置感测器42典型架构的立体图、剖面图、等效电路图以及有效感测区示意图分别如图9A、图9B、图9C和图9D所示。从图9B所示的剖面图可知，位置感测器42由P+层结构、N层结构、公共电极C以及至少一对的输出电极X1及X2组成，P+层结构和N层结构之间形成PN结，N层结构相对于P+层结构来说，具有高阻抗特性，输出电极X1及X2位于N层结构的边缘。当有光线照射到位置感测器42的表面，在照射位置处的PN结处会产生与照射光强度成正比的电子，这些电子会被输出电极X1及X2所吸收，输出电极X1及X2吸收电子的能力与光照射位置与输出电极X1及X2之间的等效阻抗成反比。

图9A所示为典型的二维、且从四角引出输出电极的位置感应器的立体图。图9C中P为暗电流源，D为理想二极管，Cj为结电容，Rsh为分流电阻，Rp为定位电阻。四个输出电极X1、X2、Y1及Y2分别位于N层结构的四个边缘，公共电极C需要设置电压使位置感测器42处于零偏或反偏状态。如图9D所示，有效感测区A的表面阻抗在有效感测区域内均匀分布，因此，光照射位置与输出电极X1、X2、Y1及Y2之间的等效阻抗与其之间的距离成正比。假设有效感测区A沿x轴的长度为L_x，沿y轴的长度为L_y，有一束光照射到位置感测器42的(x,y)位置，位置感测器42的四个输出电极X1、X2、Y1及Y2分别输出电信号I_X1、I_X2、I_Y1、I_Y2，则电信号I_X1、I_X2、I_Y1、I_Y2与x,y之间的关系为：

$\frac{(I_{X2}+I_{Y1})-(I_{X1}+I_{Y2})}{I_{X2}+I_{X1}+I_{Y2}+I_{Y1}}=\frac{2x}{L_x}$ (式6)

$\frac{(I_{X2}+I_{Y2})-(I_{X1}+I_{Y1})}{I_{X2}+I_{X1}+I_{Y2}+I_{Y1}}=\frac{2y}{L_y}$ (式7)

因此通过检测位置感测器42四个输出电极X1、X2、Y1、Y2分别输出的电信号I_X1、I_X2、I_Y1、I_Y2，即可计算出光线照射的位置。若位置感测器42的上方镀上只让红外反射光脉冲通过的光学镀膜，即可计算出红外光反射光脉冲照射的位置。假设以相同的光强在位置感测器42上方照射，则I_X1+I_X2+I_Y1+I_Y2代表了照射点距离位置感测器42表面的远近。如果照射到位置感测器42上方的不止是光线，而是一个影像，则(x,y)代表的是影像的重心位置。

图10为本发明第二实施例的信号控制与处理电路的功能框图。信号控制与处理电路46包含位置感测器光电流运算单元460、至少一个模拟数字转换器462、寄存器464、时序控制电路466、红外发光二极管电流驱动电路468以及通讯接口470。

位置感测器光电流运算单元460受时序控制电路466的控制，对由位置感测器42所输入的电信号I_X1、I_X2、I_Y1、I_Y2做加减运算，例如计算I_X2+I_Y1-I_X1-I_Y2、I_X2+I_Y2-I_X1-I_Y1、I_X1+I_X2+I_Y1+I_Y2，或者时序控制电路466控制位置感测器光电流运算单元460不做运算，只是选择其一路电信号，例如：I_X1、I_X2、I_Y1或I_Y2。

模拟数字转换器462在时序控制电路466的控制下，同步将位置感测器光电流运算单元460经过运算后所输出的电信号I_ADC转换为数字信号，并存入寄存器464中。

通讯接口470在时序控制电路466的控制下，可将寄存器464中的数字信号传送给外部的微处理器MCU，也可将外部的微处理器MCU的指令信息写入时序控制电路466中。

悬浮控制输入装置4为了检测出其上方物体的位置，并需滤除环境背景光噪声，一种可行的方法其步骤为：

1.信号控制与处理电路46的时序控制电路466控制红外发光二极管40，其发光时序如第11图所示。

2.在A1阶段，红外发光二极管40发出红外光脉冲，信号控制与处理电路46的时序控制电路466产生控制信号，使位置感测装置光电流运算单元460输出信号I_X2+I_Y1-I_X1-I_Y2，并通过模拟数字转换器462将I_X2+I_Y1-I_X1-I_Y2同步转换为数字信号DATA_X1。在A2阶段，红外发光二极管40不发出红外光脉冲，信号控制与处理电路46的时序控制电路466产生控制信号，使位置感测器光电流运算单元460输出电信号I_X1，并通过模拟数字转换器462将I_X1同步转换为数字信号DATA_X2。用数字信号DATA_X1扣除数字信号DATA_X2得到DATA_X，DATA_X代表沿x轴滤除环境背景光噪声的位置信息。

3.在B1阶段，红外发光二极管40发出红外光脉冲，信号控制与处理电路46的时序控制电路466产生控制信号，使位置感测器光电流运算单元460输出信号I_X2+I_Y2-I_X1-I_Y1，并通过模拟数字转换器462将I_X2+I_Y2-I_X1-I_Y1同步转换为数字信号DATA_Y1。在B2阶段，红外光发光二极管40不发出红外光脉冲，信号控制与处理电路46的时序控制电路466产生控制信号，使位置感测器光电流运算单元输出信号I_X2+I_Y2-I_X1-I_Y1，并通过模拟数字转换器462将I_X2+I_Y2-I_X1-I_Y1同步转换为数字信号DATA_Y2。用数字信号DATA_Y1扣除数字信号DATA_Y2得到DATA_Y，DATA_Y代表沿y轴滤除环境背景光噪声的位置信息。

4.在C1阶段，红外发光二极管40发出红外光脉冲，信号控制与处理电路46的时序控制电路466产生控制信号，使位置感测器光电流运算单元460输出信号I_X2+I_Y2+I_X1+I_Y1，并通过模拟数字转换器462将I_X2+I_Y2+I_X1+I_Y1同步转换为数字信号DATA_Z1。在C2阶段，红外发光二极管40不发出红外光脉冲，信号控制与处理电路46的时序控制电路466产生控制信号，使位置感测器光电流运算单元460输出信号I_X2+I_Y2+I_X1+I_Y1，并通过模拟数字转换器462将I_X2+I_Y2+I_X1+I_Y1同步转换为数字信号DATA_Z2。用数字信号DATA_Z1扣除数字信号DATA_Z2得到DATA_Z，DATA_Z代表沿z轴滤除环境背景光噪声的位置信息。

5.信号控制与处理电路46将步骤2至步骤4所产生的DATA_X、DATA_Y以及DATA_Z传送给外部的微处理器MCU。

DATA_X、DATA_Y以及DATA_Z与物***置(x,y,z)的关系为：

$\frac{{\mathrm{DATA}}_X}{{\mathrm{DATA}}_Z}=\frac{2x}{L_x}$ (式8)

$\frac{{\mathrm{DATA}}_Y}{{\mathrm{DATA}}_Z}=\frac{2y}{L_y}$ (式9)

$k*\sqrt{\frac{1}{\mathrm{DA}{\mathrm{TA}}_Z}}=z$ (式10)

其中k为常数。

因此，外部的微处理器MCU可通过计算x,y,z得出物***置，其中，-L_x/2≤x≤L_x/2；-L_y/2≤y≤L_y/2；0≤z≤L_Z，Lz与控制与信号处理电路46可处理的最小光强有关，x,y,z的范围构成了物体检测区域。

上述步骤2和步骤3可在环境背景光均匀的情况下进行简单操作，即只需完成A1和B1阶段，即可分别得到DATA_X以及DATA_Y。

外部的微处理器MCU为了检测位置感测器42上方物体的移动方向和移动速度，且需滤除环境背景光噪声，可每隔1～3ms检测一次物体的位置，通过物***置的变化，判断物体的移动方向和速度。

假设物体沿x轴从右向左变化，其影像则从左向右变化，红外发光二极管40发出的红外光脉冲的驱动信号如图12A所示，每隔2ms发出一组脉冲，用以定位物***置。物体从右向左变化的过程中，位置感测器42的输出电极X1、X2、Y1、Y2所输出的电信号I_X1、I_X2、I_Y1、I_Y2、I_X2+I_Y1-I_X1-I_Y2、I_X2+I_Y2-I_X1-I_Y1以及I_X2+I_Y1+I_X1+I_Y2的变化趋势如图12B所示(不考虑环境背景光的变化)。外部的微处理器MCU得到的滤除环境背景光噪声后的位置信息DATA_X、DATA_Y以及DATA_Z变化趋势如图12C所示。

由图12B可知，物体从进入检测区域到出检测区域这段时间，I_X1和I_Y2逐渐变小，I_X2和I_Y1逐渐变大，I_X2+I_Y1+I_X1+I_Y2基本保持不变，I_X2+I_Y1-I_X1-I_Y2逐渐增大，(I_X2+I_Y1-I_X1-I_Y2)/(I_X2+I_Y1+I_X1+I_Y2)逐渐增大。因此，由式6计算得到的x坐标也逐渐增大，与影像从左向右变化相吻合。

由图12C可知，物体从进入检测区域到出检测区域这段时间，DATA_X逐渐变大，DATA_Y和DATA_Z基本保持不变，(DATA_X)/(DATA_Z)逐渐增大。因此，外部的微处理器MCU通过式8计算得到的x坐标也逐渐增大，与影像从左向右变化或者物体从右向左变化相吻合。因此，外部的微处理器MCU可通过坐标的变化检测出位置感测器42上方物体的移动方向。位置感测器42上方物体沿x轴方向的移动速度与(DATA_X)/(DATA_Z)的斜率成正比。

物体从前往后变化、从后往前变化或者从左向右变化的检测原理与物体从右往左变化的原理相似。外部的微处理器MCU判断DATA_X2+DATA_X1+DATA_Y1+DATA_Y2的大小可判断物体的远近变化，若该值增大，则靠近；若该值减小，则远离。

外部的微处理器MCU可通过计算物体的位置，并检测位置的变化，可判断物体在检测区域的任意移动方向和移动速度。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (12)

1.一种悬浮控制输入装置，其特征在于，包含：一个红外发光二极管、一个位置感测器、一个位于位置感测器上方的成像模块，以及一个信号控制与处理电路,该信号控制与处理电路电性相连于该红外发光二极管及该位置感测器，该信号控制与处理电路直接驱动该红外发光二极管发出红外光脉冲并控制该红外发光二极管发出的红外光脉冲的脉冲时序，该红外光脉冲用以照射前方的一物体，该物体反射该红外光脉冲并形成红外反射光脉冲，该红外反射光脉冲通过该成像模块投射于该位置感测器，该位置感测器将所接收的该红外反射光脉冲及环境背景光转换成对应于该影像感测器各方向坐标轴的电信号，该信号控制与处理电路依据该红外光脉冲的脉冲时序，同步接收与处理该位置感测器所产生的电信号。

2.根据权利要求1所述的悬浮控制输入装置，其特征在于，该信号控制与处理电路控制该红外发光二极管发射的红外光脉冲的脉冲强度、脉冲时间宽度、脉冲发生周期及脉冲发生个数。

3.根据权利要求1所述的悬浮控制输入装置，其特征在于，该位置感测器上形成有一光学镀膜，该光学镀膜用以供红外反射光脉冲通过。

4.根据权利要求1所述的悬浮控制输入装置，其特征在于，该位置感测器为一维位置感测器或二维位置感测器。

5.根据权利要求4所述的悬浮控制输入装置，其特征在于，该一维位置感测器在其感测维度两侧各有一个位置信号输出端点，该二维位置感测器在其感测维度两侧有对应的位置信号输出接点。

6.根据权利要求1所述的悬浮控制输入装置，其特征在于，该信号控制与处理电路将该电信号中对应于该红外反射光脉冲的红外反射光脉冲信号及对应于该环境背景光的环境背景光信号分离，并将该红外反射光脉冲信号转换成一数字信号传给一外部的微处理器进行该物体的远近、移动方向与移动速度的计算。

7.一种悬浮控制输入装置，其特征在于，包含：

一红外发光二极管；

一集成电路，电连接于红外发光二极管，该集成电路包含一位置感测器及一信号控制与处理电路，该信号控制与处理电路直接驱动该红外发光二极管发出红外光脉冲，并控制该红外光脉冲的脉冲时序；以及

一成像模块，位于该位置感测器上方，

其中，该红外发光二极管发出的该红外光脉冲用以照射一物体，该物体反射该红外光脉冲并形成一红外反射光脉冲，该红外反射光脉冲即一环境背景光通过该成像模块投射至该集成电路内部的该位置感测器，该位置感测器接收该红外反射光脉冲及该环境背景光，并将红外反射光脉冲及环境背景光转换成相对于该位置感测器各方位坐标轴的电信号，该集成电路的该信号控制与处理电路根据该红外光脉冲的脉冲时序，同步接收与处理该位置感测器产生的电信号。

8.根据权利要求7所述的悬浮控制输入装置，其特征在于，该集成电路内部的该信号控制与处理电路控制该红外光发光二极管发射的红外光脉冲的脉冲强度、脉冲时间宽度、脉冲发生周期，以及脉冲发生个数。

9.根据权利要求7所述的悬浮控制输入装置，其特征在于，该集成电路内部的该位置感测器上形成有一光学镀膜，该光学镀膜用以供红外反射光脉冲通过。

10.根据权利要求7所述的悬浮控制输入装置，其特征在于，该集成电路内部的该位置感测器为一维位置感测器或二维位置感测器。

11.根据权利要求10所述的悬浮控制输入装置，其特征在于，该一维位置感测器在其感测维度两侧各有一个位置信号输出点，所述位置信号输出点电性连接于该集成电路内部的该信号控制与处理电路，该二维位置感测器在其各自感测维度两侧有对应的位置信号输出点，所述位置信号输出点电连接于该集成电路内部的该信号与处理电路。

12.根据权利要求7所述的悬浮控制输入装置，其特征在于，该集成电路的该信号控制与处理电路将该电信号中对应于该红外反射光脉冲的红外反射光脉冲信号及对应于该环境背景光的环境背景光信号分离，并将该红外反射光脉冲信号转换成一数字信号传给一外部的微处理器进行该物体的远近、移动方向与移动速度的计算。