CN113010039A - 利用多个触摸实现电场矩阵隔空触控装置及其使用方法 - Google Patents

利用多个触摸实现电场矩阵隔空触控装置及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了利用多个触摸实现电场矩阵隔空触控装置及其使用方法，属于隔空触控技术领域。本发明利用多个触摸实现电场矩阵隔空触控装置，该装置包括微控制器、运算模组处理器、多通道电容式触控按键侦测装置、消除寄生电容装置、通道开关器、上层操作面板区域；所述微控制器分别与运算模组处理器、通道开关器相连接；所述多通道电容式触控按键侦测装置与通道开关器相连接；所述消除寄生电容装置与通道开关器相连接；同时提供该装置使用方法，最终以多个触控通道组合取得较多可识别的触控区域范围，达到利用多个触摸实现电场矩阵隔空触控的效果。

Description

利用多个触摸实现电场矩阵隔空触控装置及其使用方法
技术领域
本发明涉及隔空触控技术领域，具体为利用多个触摸实现电场矩阵隔空触控装置及其使用方法。
背景技术
电容式触控在产品市场上已成为主流功能,而产品设计上易受限于机构外观,以及流线型的操作面板，使得产品在电容式触控上,都使用弹簧作为触控的感应介质，来解决触控按键区域与操作面板之间的距离空隙，来应付市场产品的多样应用。但借助于弹簧在电容式触控在产品设计上也会遇到许多问题,比如弹簧本身的成本问题,PCB受温度影响加速老化而变形造成弹簧移位。
电容式隔空触摸很难实现的三个关键问题点：
一、隔空触控是以空气为介质,而空气的介电系数为1,相较于常用的ABS触摸介值在3,玻璃的触摸介值在7,空气的介电系数远小于常用的面板介质，因而大幅衰减电容式触摸的灵敏度；
二、电容式触摸感应区域与另相邻的触摸感应区域之间,因两个触摸感应区域的介质为PCB,相互之间的寄生电容产生干扰要比以空气介质高，触摸的信噪比变差，因此使得触摸感应区域之间的布线距离要拉大，同时也要减少触摸感应区域面积以减少相互之间的干扰；
三、PCB因产品温度变化而加速老化造成PCB变形,因而使对应隔空面板的位置改变导致触控失效。
发明内容
本发明的目的在于提供利用多个触摸实现电场矩阵隔空触控装置及其使用方法，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：利用多个触摸实现电场矩阵隔空触控装置，该装置包括微控制器、运算模组处理器、多通道电容式触控按键侦测装置、消除寄生电容装置、通道开关器、上层操作面板区域；
所述微控制器用于控制触控按键侦测的顺序；所述运算模组处理器用于产生对应操作面板区域上触控按键的位置定位；所述多通道电容式触控按键侦测装置用于侦测触控按键是否被触控；所述消除寄生电容装置用于消除寄生电容，提升隔空触控信噪比；所述通道开关器用于在触控通道不做为触控按键侦测时,自动开启消除寄生电容装置；所述上层操作面板区域用于实现以较少的触控通道实现较多的隔空触控按键；
所述微控制器分别与运算模组处理器、通道开关器相连接；所述多通道电容式触控按键侦测装置与通道开关器相连接；所述消除寄生电容装置与通道开关器相连接。
根据上述技术方案，所述微控制器位于PCB板上，利用软件来控制不同触控通道的转换时序。
根据上述技术方案，所述PCB板利用PCB Layout版图的设计方式，与相邻的电容式触控通道产生的电容值，记为Cpx；触控点与触控点之间产生的寄生电容，记为Cs；所述Cpx应远大于Cs。
根据上述技术方案，所述多通道电容式触控按键侦测装置包括多个开关，分别记为SW1、SW2、SW3……；每个开关一端连接触控按键，另一端连接消除寄生电容装置，用以保证每个周期时间都只有一个通道电容式触控按键有效感应，其余的触控通道都会处于消除寄生电容装置。
利用通道开关器将外置通道接入触控转换或消除寄生电容装置，每个通道都会通过开关器交替接入触控转换或消除寄生电容装置。
根据上述技术方案，所述消除寄生电容装置包括内置小电容Cin、内置小电阻R；
所述内置小电容Cin与内置小电阻R并联连接，所述消除寄生电容装置等效于Cs寄生电容并联一个Cpx电容与Cin电容并联小电阻R落地，使得隔空触控信噪比大为提升,同时消除寄生电容装置可将多个触摸按键区域互为等效铺地。
根据上述技术方案，所述上层操作面板区域为多个触控感应区域腾空向上形成一个触控感应面,将多个触控感应区域投影在触控操作面板上,触控点投影面积的范围与触控感应区域的高度距离相关,但相对位置一致。
利用多个触摸实现电场矩阵隔空触控装置的使用方法，该方法包括以下步骤：
S1、触控通道透过电场矩阵隔空投射到上层操作面板区域,辨识成多个单位触控点；
S2、微控制器根据时序顺序开启触控按键侦测，并告知通道开关器所需侦测触控按键的脚位，通道开关器将依设置依序将相对应的触控脚位转为触控按键使用，并将剩余的触控按键的开关开启；
S3、当触控侦测感应到投射触控按键区域有变化时,依序将触控通道所产生的触控按键侦测值记录下来；
S4、利用运算模组处理器，对所有的触控按键侦测值进行运算,得出对应操作面板区域上触控按键的相对位置定位，以此定位建立相对位置产生唯一的触控按键编码；
S5、让所有触控按键通道是以整个触控区域上來作判断，同时侦测触控区域值的最大化，即可实现利用多个触摸实现电场矩阵进行隔空触控。
根据上述技术方案，在步骤S1中，每个触控通道都可以在多通道电容式触控按键装置与消除寄生电容装置之间快速切换，且不会与相邻通道处于同样的装置模式，保证在PCB上的区域面积内，每个周期时间都只有一个通道电容式触控按键有效感应，其余的触控通道都会处于消除寄生电容装置上，使得其余的触控信道的触控感应区域面积，等效于PCB上铺地的面积。
根据上述技术方案，在步骤S1中，由于上层操作面板区域的不同材质的介电系数不同，需要在无感应到触摸情况下,在固定时间内对所有触控的基值做校验。
一般投射触控按键区域为ABS或玻璃材质,由于介电系数不同,因此隔空投射到上层操作面板区域会变差,投射触控按键区形成对比上的落差,再加上空气介质中的湿度也会随时改变,因此在无感应到触摸情况下,需要固定时间对所有触控的基值做校验。
根据上述技术方案，在步骤S4中，所述相对位置定位是指每个面板上的点可以由2-4个触控通道的数值进行定位，因此触控位置可以不在触控PAD的上方。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
1、整合于单一IC芯片内部之触控按键电容侦测装置，触摸单位至少由两个触控通道组成，其中每个通道都可以在触控感应与内置消除寄生电容装置之间快速切换；
2、当其中一个做为触控感应按键时,其他的触控感应按键会切换至消除寄生电容装置上,该触摸感应区域,将等效于接地做为铺地的区域,实现隔空触控，提升灵敏度及信噪比方法；
3、对于触控按键在面板上的定位需求，经多个触控通道组合后,每个触控区域与相邻的触控区域,在时序上实现交替转换后，两个触控区域之间可形成第三个可识别的触控区域；
4、多个触控通道区域以交替转换特性，使得触控区域与触控区域之间可以组合成多种方式；
5、多个触控通道区域组合为矩阵方式时，可以以触控区域嵌套方式两两组合，在转换时序以间隔交替为触控感应模式及等效铺地模式，即可实现隔空面板上方多点位触控按键，改变不同通道的转换时序，可以在矩阵上方隔空面板实现不同位置的触控按键，也可改变触控的效果；
6、多个触控通道区域组合可依照PCB排列的顺序进行触控侦测,取得各个触控通道的信号后，再根据信号对所有触控按键进行编码,触控侦测时序改变会产生不同的效果；
7、使用相对位置的定位运算，在每个触控区域投射到PCB的投影区间内，在触控通道区域在投影区域内的相对位置为一致，相对位置的定位关系，不会因为触摸点变大或者倾斜导致编码错误。即使PCB变形也不会出现信号的偏差，解决了隔空触控因PCB变形而失效的瓶颈问题；
8、电容式触控的特性及环境决定了感应数值,而感应数值的基底是一个不断变化的曲线，而对人体电容感应也是一个不断变化的曲线。感应数据是单线输入，环境变量与感应数据混杂在一起输入，因此运算模组处理将所有触控通道进行运算并定位,才能有效进行分离。
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是本发明利用多个触摸实现电场矩阵隔空触控装置的结构示意图；
图2是本发明利用多个触摸实现电场矩阵隔空触控装置及使用方法的实施例示意图；
图中：1、TK1；2、TK2；3、TK3；4、TK4；5、TK5；6、TK6；7、TK7；8、TK8。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-2，本发明提供技术方案：利用多个触摸实现电场矩阵隔空触控装置，该装置包括微控制器、运算模组处理器、多通道电容式触控按键侦测装置、消除寄生电容装置、通道开关器、上层操作面板区域；
所述微控制器用于控制触控按键侦测的顺序；所述运算模组处理器用于产生对应操作面板区域上触控按键的位置定位；所述多通道电容式触控按键侦测装置用于侦测触控按键是否被触控；所述消除寄生电容装置用于消除寄生电容，提升隔空触控信噪比；所述通道开关器用于在触控通道不做为触控按键侦测时,自动开启消除寄生电容装置；所述上层操作面板区域用于实现以较少的触控通道实现较多的隔空触控按键；
所述微控制器分别与运算模组处理器、通道开关器相连接；所述多通道电容式触控按键侦测装置与通道开关器相连接；所述消除寄生电容装置与通道开关器相连接。
所述微控制器位于PCB板上，利用软件来控制不同触控通道的转换时序。
所述PCB板利用PCB Layout版图的设计方式，与相邻的电容式触控通道产生的电容值，记为Cpx；触控点与触控点之间产生的寄生电容，记为Cs；所述Cpx应远大于Cs。
所述多通道电容式触控按键侦测装置包括多个开关，分别记为SW1、SW2、SW3……；每个开关一端连接触控按键，另一端连接消除寄生电容装置，用以保证每个周期时间都只有一个通道电容式触控按键有效感应，其余的触控通道都会处于消除寄生电容装置。
所述消除寄生电容装置包括内置小电容Cin、内置小电阻R；
所述内置小电容Cin与内置小电阻R并联连接，所述消除寄生电容装置等效于Cs寄生电容并联一个Cpx电容与Cin电容并联小电阻R落地，使得隔空触控信噪比大为提升,同时消除寄生电容装置可将多个触摸按键区域互为等效铺地。
所述上层操作面板区域为多个触控感应区域腾空向上形成一个触控感应面,将多个触控感应区域投影在触控操作面板上,触控点投影面积的范围与触控感应区域的高度距离相关,但相对位置一致。
利用多个触摸实现电场矩阵隔空触控装置的使用方法，该方法包括以下步骤：
S1、触控通道透过电场矩阵隔空投射到上层操作面板区域,辨识成多个单位触控点；
S2、微控制器根据时序顺序开启触控按键侦测，并告知通道开关器所需侦测触控按键的脚位，通道开关器将依设置依序将相对应的触控脚位转为触控按键使用，并将剩余的触控按键的开关开启；
S3、当触控侦测感应到投射触控按键区域有变化时,依序将触控通道所产生的触控按键侦测值记录下来；
S4、利用运算模组处理器，对所有的触控按键侦测值进行运算,得出对应操作面板区域上触控按键的相对位置定位，以此定位建立相对位置产生唯一的触控按键编码；
S5、让所有触控按键通道是以整个触控区域上來作判断，同时侦测触控区域值的最大化，即可实现利用多个触摸实现电场矩阵进行隔空触控。
在步骤S1中，每个触控通道都可以在多通道电容式触控按键装置与消除寄生电容装置之间快速切换，且不会与相邻通道处于同样的装置模式，保证在PCB上的区域面积内，每个周期时间都只有一个通道电容式触控按键有效感应，其余的触控通道都会处于消除寄生电容装置上，使得其余的触控信道的触控感应区域面积，等效于PCB上铺地的面积。
在步骤S1中，由于上层操作面板区域的不同材质的介电系数不同，需要在无感应到触摸情况下,在固定时间内对所有触控的基值做校验。
在步骤S4中，所述相对位置定位是指每个面板上的点可以由2-4个触控通道的数值进行定位，因此触控位置可以不在触控PAD的上方。
在本实施例中，是以市场要求PCB变形30度以内做为实施方法,而隔空投射到上层操作面板区域的角度,可因需求做调整,而非本发明之限制。所有触控按键是依照PCB板图设计触控的区域,再以微控制器控制触控按键侦测的顺序。本实施例PCB布线方式，只需将每个触控点与相邻的触控点制造一个较大的CPX电容值，因此对于触控点的形状并不影响本创作的实施,例如本实施例PCB以半圆形为例,但月圆形、圆形等其他形状都可以完成本发明之应用，本实施例如图2所示：
1、使用8触控通道透过电场矩阵隔空投射到上层操作面板区域,可辨识成15个单位触控点,其每个触控通道上的至少由两个触控通道组成，分别为TK1_TK3,TK1_TK4,TK1_TK6,TK3_TK5,TK4_TK7,TK6_TK8,TK5_TK2,TK7_TK2,TK8_TK2,再加上独立的TK3,TK4,TK6,TK5,TK7,TK8组成15个单位触控点,其中每个通道都必须可以在多通道电容式触控按键装置与消除寄生电容装置之间快速切换，且不会与相邻通道处于同样的装置模式。因此在PCB上的区域面积内，每个周期时间都只有一个通道电容式触控按键有效感应，其于的触控通道都会处于消除寄生电容装置上，使得其余的触控信道的触控感应区域面积,等效于PCB上铺地的面积；
2、当微控制器开启触控按键侦测,需针对开启控制触控按键侦测的顺序进行,如图实施例中,在转换时序以间隔交替的最佳状态依序为TK1，TK3，TK4，TK6，TK2，TK5，TK7，TK8，告知通道开关器所需侦测触控按键的脚位,通道开关器将依设置依序将相对应的触控脚位转为触控按键使用,并将剩于的触控按键的开关开启,等效于直接与电容Cin并联的电组R导通落地。
3、一般投射触控按键区域为ABS或玻璃材质,由于介电系数不同,因此隔空投射到上层操作面板区域会变差,投射触控按键区形成对比上的落差,再加上空气介质中的湿度也会随时改变,因此在无感应到触摸情况下,需要固定时间对所有触控的基值做校验；
4、当触控侦测感应到投射触控按键区域有变化时,依序将TK1，TK3，TK4，TK6，TK2，TK5，TK7，TK8所产生的触控按键侦测值记录下来；
5、透过运算模组处理器，将所有的触控按键侦测值进行运算,产生了对应操作面板区域上触控按键的位置定位，以此定位建立相对位置产生唯一的触控按键编码；
6、依本实施例,定位建立相对位置产生唯一的触控按键编码可画分出相对位置区域21个，其中6个弱信号区域位于恒向位置,可用于辅助判断区域恒向划分,而使用对应强信号区域的15个按键,因使用相对位置定位，每个区域有唯一编码，不存在叠加区域，避免隔空触控按键误判；
7、由于运算模组处理器，是产生对应操作面板区域上触控按键的位置定位,因此即便PCB老化弯曲变形,也不会改变相对位置定位触控点的判断；
8、利用此方法让所有触控按键通道,是以整个触控区域上來作判断,同时侦测的触控区域值的最大化，即达到利用多个触摸实现电场矩阵隔空触控应用技术技术之目的。
本发明的工作原理：本发明利用一个整合于单IC芯片内部之微控制器与内置运算模组处理器，多通道电容式触控按键侦测装置,可消除杂散电容的电容式触摸装置，不需要外部组件，透过通道开关器,当触控按键不做为电容侦测时,将通道开关器设置为开启状态,以达到消除杂散电容,进而得到较高之侦测分辨率。在PCB上,利用PCB Layout版图的方式，将电容式触摸装置上的触控点与相邻触控点之间，绘制出紧邻于相邻触控点，以此来创造出新增加寄生电容Cpx，其目的在于能将触控点与触控点之间的Cs杂散电容，更有效的将电场电核转移至Cpx上,同时也增加了单一时间侦测触控按键的区域,而绘制出紧邻于相邻触控点越长越好。最终以多个触控通道组合取得较多可识别的触控区域范围，达到利用多个触摸实现电场矩阵隔空触控的效果。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，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 (10)

1.利用多个触摸实现电场矩阵隔空触控装置，其特征在于：该装置包括微控制器、运算模组处理器、多通道电容式触控按键侦测装置、消除寄生电容装置、通道开关器、上层操作面板区域；
所述微控制器用于控制触控按键侦测的顺序；所述运算模组处理器用于产生对应操作面板区域上触控按键的位置定位；所述多通道电容式触控按键侦测装置用于侦测触控按键是否被触控；所述消除寄生电容装置用于消除寄生电容，提升隔空触控信噪比；所述通道开关器用于在触控通道不做为触控按键侦测时,自动开启消除寄生电容装置；所述上层操作面板区域用于实现以较少的触控通道实现较多的隔空触控按键；
所述微控制器分别与运算模组处理器、通道开关器相连接；所述多通道电容式触控按键侦测装置与通道开关器相连接；所述消除寄生电容装置与通道开关器相连接。
2.根据权利要求1所述的利用多个触摸实现电场矩阵隔空触控装置，其特征在于：所述微控制器位于PCB板上，利用软件来控制不同触控通道的转换时序。
3.根据权利要求2所述的利用多个触摸实现电场矩阵隔空触控装置，其特征在于：所述PCB板利用PCB Layout版图的设计方式，与相邻的电容式触控通道产生的电容值，记为Cpx；触控点与触控点之间产生的寄生电容，记为Cs；所述Cpx应大于Cs两倍及以上。
4.根据权利要求3所述的利用多个触摸实现电场矩阵隔空触控装置，其特征在于：所述多通道电容式触控按键侦测装置包括多个开关，分别记为SW1、SW2、SW3……；每个开关一端连接触控按键，另一端连接消除寄生电容装置，用以保证每个周期时间都只有一个通道电容式触控按键有效感应，其余的触控通道都会处于消除寄生电容装置。
5.根据权利要求1所述的利用多个触摸实现电场矩阵隔空触控装置，其特征在于：所述消除寄生电容装置包括内置小电容Cin、内置小电阻R；
所述内置小电容Cin与内置小电阻R并联连接，所述消除寄生电容装置等效于Cs寄生电容并联一个Cpx电容与Cin电容并联小电阻R导通落地，使得隔空触控信噪比大为提升,同时消除寄生电容装置可将多个触摸按键区域互为等效铺地。
6.根据权利要求1所述的利用多个触摸实现电场矩阵隔空触控装置，其特征在于：所述上层操作面板区域为多个触控感应区域腾空向上形成一个触控感应面,将多个触控感应区域投影在触控操作面板上,触控点投影面积的范围与触控感应区域的高度距离相关,但相对位置一致。
7.利用多个触摸实现电场矩阵隔空触控装置的使用方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1、触控通道透过电场矩阵隔空投射到上层操作面板区域,辨识成多个单位触控点；
S2、微控制器根据时序顺序开启触控按键侦测，并告知通道开关器所需侦测触控按键的脚位，通道开关器将依设置依序将相对应的触控脚位转为触控按键使用，并将剩余的触控按键的开关开启；
S3、当触控侦测感应到投射触控按键区域有变化时,依序将触控通道所产生的触控按键侦测值记录下来；
S4、利用运算模组处理器，对所有的触控按键侦测值进行运算,得出对应操作面板区域上触控按键的相对位置定位，以此定位建立相对位置产生唯一的触控按键编码；
S5、让所有触控按键通道是以整个触控区域上來作判断，同时侦测触控区域值的最大化，即可实现利用多个触摸实现电场矩阵进行隔空触控。
8.根据权利要求7所述的利用多个触摸实现电场矩阵隔空触控装置的使用方法，其特征在于：在步骤S1中，每个触控通道都可以在多通道电容式触控按键装置与消除寄生电容装置之间快速切换，且不会与相邻通道处于同样的装置模式，保证在PCB上的区域面积内，每个周期时间都只有一个通道电容式触控按键有效感应，其余的触控通道都会处于消除寄生电容装置上，使得其余的触控信道的触控感应区域面积，等效于PCB上铺地的面积。
9.根据权利要求7所述的利用多个触摸实现电场矩阵隔空触控装置的使用方法，其特征在于：在步骤S1中，由于上层操作面板区域的不同材质的介电系数不同，需要在无感应到触摸情况下,在固定时间内对所有触控的基值做校验。
10.根据权利要求7所述的利用多个触摸实现电场矩阵隔空触控装置的使用方法，其特征在于：在步骤S4中，所述相对位置定位是指每个面板上的点可以由2-4个触控通道的数值进行定位，因此触控位置可以不在触控PAD的上方。
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