CN112803939B - 一种高速多通道微小电容之并行侦测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高速多通道微小电容之并行侦测装置，包括：电荷转移模块、一个累加电容Cs、N个采样保存电容CiN、2N个pipe‑line(流水线)控制开关、N个电压控制振荡器和N个计数器，本发明是一个整合于单一IC芯片内部的触控按键或触控面板电容侦测装置，并不需要外部组件，本发明使用N组电压控制振荡器和pipe‑line电容采样以达到高速N通道电容并行侦测的目的，并将其应用于感应手指压键时所产生的微小电容值的变化上，本发明使用pipe‑line并行侦测多通道采样保存电容的方式，将电路集成于单一芯片中，为矩阵触控面板的扫描速度提升提供了帮助，缩短了触控识别的时间。
Description
技术领域
本发明涉及电子技术领域，具体为一种高速多通道微小电容之并行侦测装置。
背景技术
在微小电容的侦测方面，将侦测微小电容的电路集成到单一芯片中，达到触控按键或触控面板电容侦测的目的，能够应用于感应手指压键时所产生的微小电容值的变化，目前，在采样保存电容获取并保存电容采样的转换电压的传统方式中：无论有无按压电荷转移模块的开关都需要循环几百次，所需的累加电容的电容值也很大，累加电容的转换电压才能达到预设值，同时，传统方式的电荷转移模块的开关循环的速度有限制，其导通时间必须满足对应充电电容充饱电所需的时间和对应充电电容把电荷转移至累加电容的所需时间，速度的限制和偏多的开关循环次数减慢了对矩阵触控面板的扫描速度和触控的识别速度，延长了触控识别的时间。
所以，人们需要一种高速多通道微小电容之并行侦测装置来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高速多通道微小电容之并行侦测装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种高速多通道微小电容之并行侦测装置，包括：电荷转移模块、pipe-line控制电路和芯片外部电路，所述芯片外部电路与所述电荷转移模块通过开关SW2连接，所述电荷转移模块与所述pipe-line控制电路通过开关SW1连接，所述电荷转移模块用于使采样保存电容取得并保存电容采样的转换电压，所述pipe-line控制电路用于并行侦测多通道的微小电容，所述芯片外部电路用于为采样保存电容进行充电，将电路集成与一个单一芯片中，对矩阵触控面板的扫描速度的提升提供了帮助，也提高了触控的识别速度、缩短了触控识别的时间。
进一步的，所述电荷转移模块包括开关SW1、开关SW2、开关SW3、累加电容Cs和电压Vcs，所述开关SW1的一端连接所述开关SW2，另一端连接所述累加电容Cs，所述开关SW2的一端连接所述芯片外部电路，另一端接地，所述累加电容Cs的一端连接所述开关SW3，另一端接地，所述累加电容Cs的两端设置有所述电压Vcs，所述开关SW3接地，所述开关SW1和SW2的循环次数和导通的时间必须同时满足电容CxN充饱电所需要的时间和电容CxN将电荷转移到所述累加电容Cs所需要的时间，将所述累加电容Cs的电容值减小，有利于加快所述电容CxN将电荷转移至所述累加电容Cs的所需时间，从而使所述开关SW1和SW2的循环次数也相应减少，提高了侦测装置的工作性能。
进一步的，所述pipe-line控制电路包括N个采样保存电容CiN、2N个pipe-line控制开关SWNa/SWNb、N个电压控制振荡器VCO#N、N个转换电压ViN和N个计数器#N，所述pipe-line控制开关SWNa的一端连接所述电荷转移模块开关SW1的输出端，另一端连接所述采样保存电容CiN，所述采样保存电容CiN的一端连接所述电压控制振荡器VCO#N，另一端接地，所述采样保存电容CiN的两端设置有所述转换电压ViN，所述电压控制振荡器VCO#N与所述计数器#N连接，所述pipe-line的每一级电路并联，所述电压控制振荡器VCO#N的频率由所述转换电压ViN控制，所述N个计数器#N用于计算一定时间内VCO#N的时钟数，所述pipe-line控制电路指的是流水线控制，即将规模较大、层次较多的组合逻辑电路分为几个级，在每一级中***寄存器并暂存数据，使用pipe-line控制电路通过多级电路并行侦测的方式加快了侦测微小电容电容值的速度。
进一步的，所述芯片外部电路包括pipe-line控制开关SWNb、芯片管脚和电容CxN，所述pipe-line控制开关SWNb的一端连接所述电荷转移模块的开关SW2的一端，另一端连接芯片管脚，所述芯片管脚与所述电容CxN连接，所述电容CxN的一端连接芯片管脚，另一端接地，所述芯片管脚用于在所述开关SW2开启时对电容CxN充电，所述芯片外部电路的每一级电路并联，所述芯片外部电路的主要作用是通过芯片管脚给所述电容CxN充电，便于所述电容CxN把电荷转移到累加电容Cs上。
进一步的，所述采样保存电容取得并保存电容采样的转换电压的方式是：所述开关SW1和SW2循环一定次数，使电压Vcs达到2V，所述电压Vcs由所述采样保存电容CiN取样并保存，并提供所述电压控制振荡器VCO#N振荡和所述计数器#N计数，所述计数器#N在预设定的时间内，手指无按压状态下计数一定的时钟数，手指按压时，所述转换电压ViN的取样值随所述电容CxN的增加而上升，所述电容CxN的电容值增加和所述转换电压ViN的取样值上升的比例为1：1，所述电压控制振荡器VCO#N的振荡频率也随之变快，所述计数器#N在预设定的时间之内时钟数也随之增加，举例而言：所述计数器在预设定的时间内手指无按压状态计数为1000个时钟，手指按压时，所述电容CxN的电容值增加4％，所述转换电压ViN的取样值也上升4％，所述计数器在预设定的时间之内的时钟数则可增为1040，用于软件演算判断静态按压与动态手势，按键的数据值越大，采样的速度越快，越有益于软件演算判断静态按压与动态手势。
进一步的，所述开关SW1和SW2开关循环的速度是有限制的，所述开关SW1和SW2的导通时间必须满足所述电容CxN充满电所需的时间和所述电容CxN把电荷转移至所述累加电容Cs所需的时间，在获得电容采样的转换电压ViN后，所述电压控制振荡器VCO#N的振荡速度没有限制，因此所述计数器#N能够在短时间内取得较大值，计数器取得的这个值与手指按压正相关，手指按压次数越多，计数器取得的值越大，本发明相较传统方式上对电压控制振荡器的速度不再进行限制，使得电压控制振荡器的振荡频率随电容CxN的增加而加快，从而加快了感应手指按压的速度。
进一步的，所述pipe-line控制开关SWNa、SWNb导通的方式是：芯片硬件依据软件要求的N通道扫键名单设置周期与时序，当轮到对应按键的采样时序时，所述pipe-line控制开关SWNa、SWNb即导通，所述pipe-line控制开关SWNa和SWNb对应的是一个触摸按键：按键N，所述pipe-line控制开关SWNa、SWNb导通的目的是采样，储存的采样电压交由所述电压控制振荡器与所述计数器产生数据，软件会依据产生的数据研究判断是否有手指按压。
进一步的，所述计数器的计数获取方式是：在一个周期内按照预设的顺序依次获取所述每个计数器的计数，一个周期的定义为：由第一通道扫键至第N通道，并且获取每个通道的数据，所述一个周期可获取N个按键通道的数据，在周期完成后通过软件算法汇整N个数据，需要多个周期的数据来判断静态按压是否成立，动态手势则需要面板上多个不同位置按键的数据消长来研究判断。
进一步的，所述侦测装置运作的流程是：首先将轮到采样时序的按键N所对应的pipe-line控制开关SWNa和SWNb导通，将其余pipe-line控制开关断开，然后先将所述电荷转移模块中的开关SW3导通，将电容Cs+CiN归零，对应的计数器#N也归零，所述开关SW2开启时对电容CxN进行充电，所述开关SW1开启时将电容CxN电荷倒入Cs+CiN，再循环SW1和SW2的开关，把电容CxN所充的电荷逐次倒入Cs+CiN，直到开关循环达到预设的次数后，对应的pipe-line控制开关SWNa断开，此时ViN＝Vcs，所述电容CiN用于保存CxN电容采样的转换电压，轮到该采样时序的下一个时序时，对应的pipe-line控制开关导通，其余pipe-line控制开关断开，同时，前一个采样时序对应的采样保存电容已经取得并保存了对应电容采样的转换电压，对应的电压控制振荡器振荡且计数器同步进行计数，在一个周期内，对应的采样保存电容取得电容采样的转换电压的同时，相对应的电压控制振荡器进行振荡，相对应的计数器进行同步计数，一个周期可取得N个按键通道的数据,软件算法在周期完成后汇整全部的数据,一般需要三到五个周期的数据来判断按压是否成立，动态手势则需多个面板上不同位置按键之数据消长来研判，采用同步计数的方式加快了装置感应静态按压和动态手势的速度，提高了芯片的工作效率。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
1.本发明使用了pipe-line电容采样与多组的电压控制振荡器以达到高速N通道的电容的并行侦测，将侦测装置整合到单一IC芯片中，并将其应用于感应手指压键时所产生的微小电容值的变化上，侦测装置不需要其它的外部组件，结构简单，芯片的工作效率高、性能较好。
2.本发明在采样保存电容取得并保存电容采样的转换电压的传统方式上作了改进：传统方式中电荷转移模块的开关需要循环的次数约达500次，且累加电容的电容值也需要大于3000pF，因手指有无按压时，CxN之电容值差异小于5％。手指有无按压之开关循环计数差值必需>10才能满足软件辨识按压动作，在无手指按压时开关循环400次后累加电容两端的电压才能达到2V，有手指按压时开关也需要循环385次后累加电容两端的电压才能达到2V，本发明的累加电容值只需200pF，因此电荷转移模块的开关循环仅需30次左右，累加电容两端的电压值就能到达2V，减少了开关循环的次数。
3.本发明在采样保存电容获得电容采样的转换电压后,对电压控制振荡器的振荡速度并没有限制,因此计数器能在短时间内取得较大值，按键的数据值越大，采样的速度越快约有益于软件演算并判断静态按压和动态手势，提升了对矩阵触控面板的扫描速度，提高了触控的识别速度，缩短了触控识别的时间。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明一种高速多通道微小电容之并行侦测装置的集成电路简化图；
图2是本发明一种高速多通道微小电容之并行侦测装置的脉冲信号图；
图3是本发明一种高速多通道微小电容之并行侦测装置的运作流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1-3，本发明提供技术方案：一种高速多通道微小电容之并行侦测装置，包括：电荷转移模块、pipe-line控制电路和芯片外部电路，芯片外部电路与电荷转移模块通过开关SW2连接，电荷转移模块与pipe-line控制电路通过开关SW1连接，电荷转移模块用于使采样保存电容取得并保存电容采样的转换电压，pipe-line控制电路用于并行侦测多通道的微小电容，芯片外部电路用于为采样保存电容进行充电，将电路集成与一个单一芯片中，为矩阵触控面板的扫描速度的提升提供帮助，便于提高触控识别的速度、缩短触控识别的时间。
电荷转移模块包括开关SW1、开关SW2、开关SW3、累加电容Cs和电压Vcs，开关SW1的一端连接开关SW2，另一端连接累加电容Cs，开关SW2的一端连接芯片外部电路，另一端接地，累加电容Cs的一端连接开关SW3，另一端接地，累加电容Cs的两端设置有电压Vcs，开关SW3接地，将累加电容Cs所需的电容值减小，能够加快电容CxN将电荷转移至累加电容Cs的所需时间，从而使开关SW1和SW2的循环次数也相应减少并且提高侦测装置的工作性能。
pipe-line控制电路包括N个采样保存电容CiN、2N个pipe-line控制开关SWNa/SWNb、N个电压控制振荡器VCO#N、N个转换电压ViN和N个计数器#N，pipe-line控制开关SWNa的一端连接电荷转移模块开关SW1的输出端，另一端连接采样保存电容CiN，采样保存电容CiN的一端连接电压控制振荡器VCO#N，另一端接地，采样保存电容CiN的两端设置有转换电压ViN，电压控制振荡器VCO#N与计数器#N连接，pipe-line的每一级电路并联，电压控制振荡器VCO#N的频率由转换电压ViN控制，N个计数器#N用于计算一定时间内VCO#N的时钟数，pipe-line控制电路指的是流水线控制，即将规模较大、层次较多的组合逻辑电路分为几个级，在每一级中***寄存器并暂存数据，使用pipe-line控制电路通过多级电路并行侦测的方式能够加快侦测微小电容电容值的速度。
芯片外部电路包括pipe-line控制开关SWNb、芯片管脚和电容CxN，pipe-line控制开关SWNb的一端连接电荷转移模块的开关SW2的一端，另一端连接芯片管脚，芯片管脚与电容CxN连接，电容CxN的一端连接芯片管脚，另一端接地，芯片管脚用于在开关SW2开启时对电容CxN充电，芯片外部电路的每一级电路并联，芯片外部电路的主要作用是通过芯片管脚给电容CxN充电，便于电容CxN把电荷转移到累加电容Cs上。
采样保存电容取得并保存电容采样的转换电压的方式是：开关SW1和SW2循环一定次数，使电压Vcs达到2V，电压Vcs由采样保存电容CiN取样并保存，并提供电压控制振荡器VCO#N振荡和计数器#N计数，计数器#N在预设定的时间内，手指无按压状态下计数一定的时钟数，手指按压时，转换电压ViN的取样值随电容CxN的增加而上升，电容CxN的电容值增加和转换电压ViN的取样值上升的比例为1：1，电压控制振荡器VCO#N的振荡频率也随之变快，计数器#N在预设定的时间之内时钟数也随之增加，用于软件演算判断静态按压与动态手势。
开关SW1和SW2开关循环的速度是有限制的，开关SW1和SW2的导通时间必须满足电容CxN充满电所需的时间和电容CxN把电荷转移至累加电容Cs所需的时间，在获得电容采样的转换电压ViN后，电压控制振荡器VCO#N的振荡速度没有限制，因此计数器#N能够在短时间内取得较大值，计数器取得的这个值与手指按压正相关。
pipe-line控制开关SWNa、SWNb导通的方式是：芯片硬件依据软件要求的N通道扫键名单设置周期与时序，当轮到对应按键的采样时序时，pipe-line控制开关SWNa、SWNb即导通，pipe-line控制开关SWNa和SWNb对应的是一个触摸按键：按键N，pipe-line控制开关SWNa、SWNb导通的目的是采样，储存的采样电压交由电压控制振荡器与计数器产生数据，软件会依据产生的数据研究判断是否有手指按压。
计数器的计数获取方式是：在一个周期内按照预设的顺序依次获取每个计数器的计数，一个周期的定义为：由第一通道扫键至第N通道，并且获取每个通道的数据，一个周期可获取N个按键通道的数据，在周期完成后通过软件算法汇整N个数据，需要多个周期的数据来判断静态按压是否成立，动态手势则需要多个面板上不同位置按键的数据消长来研究判断。
侦测装置运作的流程是：首先将轮到采样时序的按键N所对应的pipe-line控制开关SWNa和SWNb导通，将其余pipe-line控制开关断开，然后先将电荷转移模块中的开关SW3导通，将电容Cs+CiN归零，对应的计数器#N也归零，开关SW2开启时对电容CxN进行充电，开关SW1开启时将电容CxN电荷倒入Cs+CiN，再循环SW1和SW2的开关，把电容CxN所充的电荷逐次倒入Cs+CiN，直到开关循环达到预设的次数后，对应的pipe-line控制开关SWNa断开，此时ViN＝Vcs，电容CiN用于保存CxN电容采样的转换电压，轮到该采样时序的下一个时序时，对应的pipe-line控制开关导通，其余pipe-line控制开关断开，同时，前一个采样时序对应的采样保存电容已经取得并保存了对应电容采样的转换电压，对应的电压控制振荡器振荡且计数器同步进行计数。
实施例一：设置累加电容Cs的电容为200pF，SW1和SW2所需开关循环只要30次，累加电容Cs的电压值Vcs就可以达到2V，Vcs电压由电容CiN取样并保存，提供电压控制振荡器VCO#N振荡和计数器#N计数，设置计数器在预设定的时间内，手指按压状态计数为1000个时钟，设置手指按压时CxN的电容值增加5％，转换电压ViN的取样值也上升5％，电压控制振荡器VCO#N的振荡频率变快，则计数器在预设定的时间内时钟数可增加到1000+1000×5％＝1050个，本发明通过多通道并行侦测的方式侦测电容，设置通道数N＝100，设置一个100通道扫键周期时间为10ms，手指按压时间为100ms，那么电容CxN可以被采样计算100/10＝10次。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种高速多通道微小电容之并行侦测装置，其特征在于：包括：电荷转移模块、pipe-line控制电路和芯片外部电路，所述芯片外部电路与所述电荷转移模块通过开关SW2连接，所述电荷转移模块与所述pipe-line控制电路通过开关SW1连接，所述电荷转移模块用于使采样保存电容取得并保存电容采样的转换电压，所述pipe-line控制电路用于通过采样保存电容并行侦测多通道的微小电容，所述芯片外部电路用于为采样保存电容进行充电；
所述电荷转移模块包括开关SW1、开关SW2、开关SW3、累加电容Cs和电压Vcs，所述开关SW1的一端连接所述开关SW2，另一端连接所述累加电容Cs，所述开关SW2的一端连接所述芯片外部电路，所述开关SW2的另一端接地，所述累加电容Cs的一端连接所述开关SW3，所述累加电容Cs的另一端接地，所述累加电容Cs的两端设置有所述电压Vcs，所述开关SW3接地；
所述pipe-line控制电路包括N个采样保存电容CiN、2N个pipe-line控制开关SWNa/SWNb、N个电压控制振荡器VCO#N、N个转换电压ViN和N个计数器#N，所述pipe-line控制开关SWNa的一端连接所述电荷转移模块开关SW1的输出端，另一端连接所述采样保存电容CiN，所述采样保存电容CiN的一端连接所述电压控制振荡器VCO#N，另一端接地，所述采样保存电容CiN的两端设置有所述转换电压ViN，所述电压控制振荡器VCO#N与所述计数器#N连接，所述pipe-line的每一级电路并联，所述电压控制振荡器VCO#N的频率由所述转换电压ViN控制，所述N个计数器#N用于计算一定时间内VCO#N的时钟数；
所述芯片外部电路包括pipe-line控制开关SWNb、芯片管脚和电容CxN，所述pipe-line控制开关SWNb的一端连接所述电荷转移模块的开关SW2的一端，另一端连接芯片管脚，所述芯片管脚与所述电容CxN连接，所述电容CxN的一端连接芯片管脚，所述电容CxN的另一端接地，所述芯片管脚用于在所述开关SW2开启时对电容CxN充电，所述芯片外部电路的每一级电路并联。
2.根据权利要求1所述的一种高速多通道微小电容之并行侦测装置，其特征在于：所述采样保存电容取得并保存电容采样的转换电压的方式是：所述开关SW1和SW2循环一定次数，使电压Vcs达到2V，所述电压Vcs由所述采样保存电容CiN取样并保存，并提供所述电压控制振荡器VCO#N振荡和所述计数器#N计数，所述计数器#N在预设定的时间内，手指无按压状态下计数一定的时钟数，手指按压时，所述转换电压ViN的取样值随所述电容CxN的增加而上升，所述电容CxN的电容值增加和所述转换电压ViN的取样值上升的比例为1：1，所述电压控制振荡器VCO#N的振荡频率也随之变快，所述计数器#N在预设定的时间之内时钟数也随之增加，用于软件演算判断静态按压与动态手势。
3.根据权利要求2所述的一种高速多通道微小电容之并行侦测装置，其特征在于：所述开关SW1和SW2开关循环的速度是有限制的，所述开关SW1和SW2的导通时间必须满足所述电容CxN充满电所需的时间和所述电容CxN把电荷转移至所述累加电容Cs所需的时间，在获得电容采样的转换电压ViN后，所述电压控制振荡器VCO#N的振荡速度没有限制，因此所述计数器#N能够在短时间内取得较大值，计数器取得的这个值与手指按压正相关。
4.根据权利要求1所述的一种高速多通道微小电容之并行侦测装置，其特征在于：所述pipe-line控制开关SWNa、SWNb导通的方式是：芯片硬件依据软件要求的N通道扫键名单设置周期与时序，当轮到对应按键的采样时序时，所述pipe-line控制开关SWNa、SWNb即导通，所述pipe-line控制开关SWNa和SWNb对应的是一个触摸按键：按键N，所述pipe-line控制开关SWNa、SWNb导通的目的是采样，储存的采样电压交由所述电压控制振荡器与所述计数器产生数据，软件会依据产生的数据研究判断是否有手指按压。
5.根据权利要求2所述的一种高速多通道微小电容之并行侦测装置，其特征在于：所述计数器的计数获取方式是：在一个周期内按照预设的顺序依次获取所述每个计数器的计数，一个周期的定义为：由第一通道扫键至第N通道，并且获取每个通道的数据，所述一个周期可获取N个按键通道的数据，在周期完成后通过软件算法汇整N个数据，需要多个周期的数据来判断静态按压是否成立，动态手势则需要面板上多个不同位置按键的数据消长来研究判断。
6.根据权利要求1所述的一种高速多通道微小电容之并行侦测装置，其特征在于：所述侦测装置运作的流程是：首先将轮到采样时序的按键N所对应的pipe-line控制开关SWNa和SWNb导通，将其余pipe-line控制开关断开，然后先将所述电荷转移模块中的开关SW3导通，将电容Cs+CiN归零，对应的计数器#N也归零，所述开关SW2开启时对电容CxN进行充电，所述开关SW1开启时将电容CxN电荷倒入Cs+CiN，再循环SW1和SW2的开关，把电容CxN所充的电荷逐次倒入Cs+CiN，直到开关循环达到预设的次数后，对应的pipe-line控制开关SWNa断开，此时ViN＝Vcs，所述电容CiN用于保存CxN电容采样的转换电压，轮到该采样时序的下一个时序时，对应的pipe-line控制开关导通，其余pipe-line控制开关断开，同时，前一个采样时序对应的采样保存电容已经取得并保存了对应电容采样的转换电压，对应的电压控制振荡器振荡且计数器同步进行计数。
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