TWI567610B - Touch Panel Sensing Method and Its Sensing Circuit - Google Patents

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Description

觸控面板之感測方法及其感測電路
本發明關於一種辨識裝置之訊號量測方法，特別係有關於一種可快速獲得觸控面板之觸控訊號的感測方法及其感測電路。
觸控面板或觸控螢幕是主要的現代人機介面之一，作為一種位置辨識裝置，能夠巧妙的結合輸入和顯示介面，故具有節省裝置空間和操作人性化的優點，目前已非常廣泛應用在各式消費性或者工業性電子產品上。舉例：個人數位助理(personal digital assistant，PDA)、掌上型電腦(palm-sized PC)、平板電腦(tablet computer)、行動電話(mobile phone)、智慧型手機(smart phone)手寫輸入裝置、資訊家電(Information Appliance)、自動金融機(Automated Teller Machine，ATM)、店頭銷售櫃員機(Point-Of-Sale，POS)等等裝置上，泛見於各種商業與工業應用的場合。
目前的觸控訊號量測方法，採用訊號相減的方式，將雜訊減除。藉由重複進行一量測循環，得到二個以上不同的感測電壓訊號再相減之，以排除雜訊來得到一觸控訊號。
除上述量測方法外，美國前案US 12/466,230係比較量測循環所得之複數個信號值與所預設之最大值及最小值之間的接受值範圍，捨 棄超出範圍之訊號，利用介於預設接受範圍內的一或多個信號改變來判定觸控位置。此外，台灣前案TW 100112718其係分別對觸摸屏電容矩陣的行和列進行掃描，並同時掃描兩行或兩列，獲取兩行或兩列的電容差值，或掃描一行或一列，獲取該行或列與其基準電容的電容差值，然後進行資料處理。
上述量測方法由於需要在驅動電極未充電時對感測電極進行量測，因此將拖慢反應時間。此外，上述每一次的量測循環需要經過接地放電、驅動、等待電壓平衡、放電、等待放電完成的步驟，造成每一次的量測會浪費許多無效時間，而拖慢觸控感測的反應速度，因此，需要一個可省去無效時間，又不影響訊號品質的方法。
鑑於上述發明背景，本發明實施例提供一種改良的觸控訊號的感測方法及其感測電路，以有效的排除偵測時產生之雜訊干擾，並縮短訊號處理時間。
為了達到上述之一或部份或全部目的或是其他目的，本發明實施例提供一種觸控面板之感測方法，其中觸控面板具有至少一驅動電極及至少一感應電極。感測方法包括：初始化驅動電極及感應電極，使驅動電極及感應電極位於一接地狀態；將感應電極電耦合至一自舉電路；切換感應電極至一浮接狀態；對自舉電路充電，並藉由自舉電路對感應電極充電；切換驅動電極至一初始電位；待電位平衡後，將自舉電路與感應電極斷開，並藉由一類比數位轉換電路對感應電極進行量測，得到一初始讀值； 進行一量測循環；並重複量測循環，以得到複數個量測讀值；最後，將感應電極切換為接地狀態；以及，將驅動電極再切換回接地狀態。其中，量測循環包括：切換驅動電極至第一電位或第二電位；再將感應電極電耦合至自舉電路；以及，待電位平衡，再將自舉電路與感應電極斷開，並藉由類比數位轉換電路進行量測，得到一量測讀值。其中，得到初始讀值或量測讀值後，調整一非定值之量測頻率，再進行量測循環。
在一較佳實施例中，感測方法更包括：藉由一控制單元處理該初始讀值及該複數個量測讀值，以得到一訊號值。
為了達到上述之一或部份或全部目的或是其他目的，本發明另一實施例提供一種觸控面板之感測電路，其中觸控面板具有至少一驅動電極及至少一感應電極。感測電路包括一自舉電路、一充電電路、一驅動電路、一類比數位轉換電路及一控制單元。自舉電路可選擇性地電耦合感應電極。充電電路可選擇性地電耦合自舉電路。驅動電路可切換驅動電極至接地狀態及任一電位。類比數位轉換電路係電耦合感應電極。控制單元係電耦合自舉電路、充電電路、驅動電路、類比數位轉換電路、驅動電極及感應電極，並藉由控制單元來執行上述感測方法。
本發明之感測方法利用自舉電路，間接地對感應電極重複進行數次充電後，將感應電極充電至一特定電位，在數個量測循環下，配合驅動電路對驅動電極切換至第一電位或第二電位，在每一次電位切換之狀態後，僅需等待電位平衡，可快速地進行量測來得到不同狀態下的多個讀值，以藉由多個讀值濾除雜訊並得到最佳訊號。由於本發明於量測循環下僅需等待電位平衡，避免習知所作之量測循環需要經過接地放電、驅動、 等待電壓平衡、放電、等待放電完成的步驟，因此有效地縮短了觸控感測的反應時間。此外，藉由上述感測方法，環境中與電源中所夾帶之電磁波干擾，以及液晶螢幕被驅動時所引起的電磁波干擾等對感應電場所造成的雜訊將被扣除，尤其是低頻率的雜訊。
100‧‧‧觸控面板
110‧‧‧驅動電極
120‧‧‧感應電極
200‧‧‧感測電路
210‧‧‧切換電路
220‧‧‧自舉電路
230‧‧‧充電電路
240‧‧‧驅動電路
250‧‧‧類比數位轉換電路
260‧‧‧控制單元
P、Q‧‧‧開關
VC‧‧‧充電電壓
VH‧‧‧任一電位
第一圖，係為本發明實施例中一種觸控面板及其感測電路的示意圖。
第二圖，係為本發明實施例中的一種觸控面板之感測電路的簡易電路示意圖。
第三圖，係為本發明實施例中一種觸控面板之感測方法的流程方塊圖。
第三A圖，係為本發明實施例中量測循環之流程的方塊圖。
有關本發明前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是用於參照隨附圖式的方向。因此，該等方向用語僅是用於說明並非是用於限制本發明。
請參考第一圖，係本發明所實施之電容式觸控面板100及其感測電路200的示意圖。觸控面板100係由至少一驅動電極110及至少一感應電極120構成一基本架構，驅動電極110與感應電極120係由導電物質所構 成，並相互形成一矩陣結構，且感應電極120設置於驅動電極110的上方。驅動電極110係由複數行電極條所構成，感應電極120係由複數列電極條所構成。矩陣結構之電容式觸控面板100係與感測電路200電耦合而具有觸控之功能。
本發明實施例中的一種觸控面板100之感測電路200的簡易電路示意圖，如第二圖所示。感測電路200包括一切換電路210、一自舉電路220、一充電電路230、一驅動電路240、一類比數位轉換電路250(Analog to Digital Converter，ADC)及一控制單元260。控制單元260係電耦合切換電路210、自舉電路220、充電電路230、驅動電路240、類比數位轉換電路250、驅動電極110及感應電極120，以控制感測電路200實施觸控面板100之感測方法。
切換電路210可選擇性地電耦合感應電極120，當切換電路210與感應電極120電耦合時，感應電極120呈現一接地狀態；當切換電路210斷開感應電極120時，感應電極呈現一浮接狀態。自舉電路220藉由兩開關P及Q可選擇性地電耦合感應電極120，其中開關P可以是一種多工器(multiplexer)。充電電路230藉由開關P可選擇性地電耦合自舉電路220，並提供一充電電壓VC。藉由開關P及Q，充電電路230透過自舉電路220，而可間接地對感應電極120充電。驅動電路240可切換驅動電極110至接地狀態或供應任一電位VH給驅動電極110，其中電位VH包含一初始電位、一第一電位及一第二電位。藉由開關Q切斷自舉電路220與其他電路或電極的電性連接，令類比數位轉換電路250對自舉電路220進行量測。
第三圖及第三A圖係為本發明實施例中一種觸控面板之感 測方法及其中進行量測循環的流程方塊圖。本實施例之感測方法係應用於上述感測電路，請配合參照第二圖之簡易電路示意圖。本發明實施例中感測方法具有三階段，第一階段為包含步驟S1-S9之初始階段(Start)，第二階段為包含步驟S10-S11之循環階段(Loop)，第三階段為包含S10-S12之終止階段(End)，其步驟包括：
步驟S1：控制單元260初始化驅動電極110及感應電極120，使驅動電極110及感應電極120皆位於一接地狀態。藉由驅動電極110及感應電極120為接地狀態，以清除驅動電極110及感應電極120上的殘存電荷。
步驟S2；控制單元260切換開關P及Q，以將感應電極120電耦合至自舉電路220。
步驟S3：經一第一延時放電後，控制單元260藉由切換電路210將感應電極120切換至一浮接狀態，同時，驅動電極110仍位於接地狀態。
步驟S4：控制單元260切換開關P及Q，將充電電路230與自舉電路220電耦合，以一充電電壓VC對自舉電路220充電。
步驟S5：接著，控制單元260切換開關P，令自舉電路220對感應電極120充電。
步驟S6：重複步驟S4-S5，直到感應電極120達到一特定電位。其中，特定電位包括充電電路230所供應之充電電壓VC的平均值或充電電壓的二分之一值VC/2。
步驟S7：控制單元260致使驅動電路240切換驅動電極110，由原本的接地狀態改為供應一初始電位VH。
步驟S8：經一第二延時，等待電位平衡，使得驅動電極110 及感應電極120上的電荷穩定。
步驟S9：控制單元260切換開關P或Q，使得自舉電路220與感應電極120斷開。接著，類比數位轉換電路250對自舉電路220進行量測，以得到一初始讀值。結束量測後經一第三延時，控制單元260根據後端濾波器(圖未繪)決定是否要調整一非定值之量測頻率以切換模式，再進行下一步驟，也就是由第一階段(Start)進入第二階段(Loop)。
步驟S10：控制單元260進行一量測循環，也就是進入第二階段(Loop)。請見第三A圖，量測循環S10之流程包括步驟S101至S105。
步驟S101：控制單元260致使驅動電路240切換供應第一電位給驅動電極110，或是持續上述步驟S7時的初始電位，抑或切換供應第二電位給驅動電極110。本實施例中，上述初始電位為任一大於0之電位，上述第一電位包括0電位或5V以下之任一電位，而上述第二電位包括18V或5V以上之任一電位。其中，此步驟S101係控制單元260根據步驟S9中後端濾波器(圖未繪)決定其切換模式。
步驟S102：控制單元260切換開關P及Q，再將感應電極120電耦合至自舉電路220。
步驟S103：經一第四延時，等待電位平衡，使得驅動電極110及感應電極120上的電荷穩定。在本實施例中，第四延時的時間較長於第二延時。
步驟S104：控制單元260切換開關P及Q，將自舉電路220與感應電極120斷開，並藉由類比數位轉換電路250對自舉電路220進行量測，得到一量測讀值。
步驟S105：結束量測後經第三延時，控制單元260根據後端濾波器決定是否要調整量測頻率以切換模式，再進行下一步驟。其中，此步驟S105係控制單元260根據步驟S104的結果，後端濾波器決定其切換模式，使得步驟S11進行重複步驟S10之量測循環中步驟S101時，驅動電極110可以連續維持第一電位；抑或驅動電極110可以是連續維持第二電位；甚或驅動電極110可以是連續維持數次第一電位後，再連續維持數次第二電位；或驅動電極110可以第一電位及第二電位交錯循環，其第一電位及第二電位之切換係由後端濾波器決定。
步驟S11：重複步驟S10中的量測循環，以得到複數個量測讀值。在本實施例中，重複量測循環之次數為奇數次。若欲停止量測循環S10，也就是準備由第二階段(Loop)進入第三階段(End)，則進行步驟S12前最後一次的量測循環S10時，則省略量測循環S10中的步驟S105。
步驟S12：進入第三階段(End)，將驅動電極110及感應電極120切換為接地狀態，以結束上述感測方法。
其中，當上述量測循環S10中切換驅動電極110至第一電位(本實施例中包括0電位或5V以下之任一電位)時，則得到之量測讀值為一第一量測讀值，其僅包含雜訊及第一基底值。當上述量測循環S10中切換驅動電極110至第二電位(本實施例中為較高電位，包括18V或5V以上之任一電位)時，此時，則得到之量測讀值為一第二量測讀值。若有指向物件接觸觸控面板，則得到之第二量測讀值包含雜訊、第二基底值及第一接觸值；若無指向物件接觸觸控面板，則第二量測讀值僅包含雜訊及第二基底值。
最後，由於步驟S9所得之初始讀值及步驟S10-S11所得之複 數個量測讀值含有雜訊，皆無法單獨使用，無法正確判讀指向物件之觸控訊號。因此，藉由控制單元260處理上述讀值，以得到一可使用的觸控訊號。執行三階段(Start-Loop-End)之感測方法後，可得到之初始讀值及量測讀值包含m個驅動電極為第二電位時所得到之第二量測讀值，其包括雜訊、第二基底值及/或第一接觸值，以及n個驅動電極為第一電位時所得到之第一量測讀值，其包括雜訊及第一基底值；其中m、n為正整數。
控制單元260將上述m+n個值送入後端濾波器，經過處理以濾除雜訊，該處理方式包括放大可使用訊號之倍率並利用一濾波運算，其中m、n分別是由後端濾波器決定其數量，在一實施例中，m、n其中之一亦可以是零。若有指向物件接觸觸控面板，則控制單元260輸出特定放大倍率之一第三基底值及特定放大倍率之一第二接觸值。若無指向物件接觸觸控面板，則控制單元260輸出特定放大倍率之第三基底值，此特定放大倍率之第三基底值作為上述運算所需的基底值。然後。控制單元260處理上述經特定放大倍率之第三基底值及第二接觸值，以將低頻雜訊扣除，得到可使用的觸控訊號。此外，更可以將得到之觸控訊號再進行跳頻處理，而獲得更精確的最佳觸控訊號。
在一較佳實施例中，驅動電極110係由複數行電極條所構成，感應電極120係由複數列電極條所構成。因此，執行量測上述初始讀值及量測讀值時，控制單元260藉由類比數位轉換電路250依序對感應電極120中複數列電極條進行量測，以產生複數個初始讀值或量測讀值。接著，控制單元260再根據複數個初始讀值之平均值及複數個量測讀值之平均值進行後續計算。
於上述實施例中，當進行第一階段(Start)初始化時，驅動電極110被定義為接地狀態，而後被切換為任一電位VH，藉由驅動電路240切換驅動電極110之電位狀態，進行感測指向物件之觸控訊號。因此，於第三階段(End)之步驟S12時，驅動電路240將驅動電極110回歸為初始化狀態(接地狀態)。若感測方法於三階段中的初始化條件不同，於第一階段(Start)初始化時，驅動電極110被定義為任一電位VH，而後被切換為接地狀態，則於第三階段(End)之步驟S12時，驅動電路240將驅動電極110回歸為初始化狀態(任一電位VH)，亦能感測到指向物件之觸控訊號。因此，本發明之實施例並不限定初始化時，驅動電極110為接地狀態，亦可為任一電位。
在感測電路進行上述感測方法時，僅在步驟S1中初始化及最後一個步驟S12時，控制單元260才藉由切換電路210，將感應電極120切換至接地狀態。於步驟S2-S9執行初始階段之量測初始讀值以及步驟S10-S11執行循環階段之量測循環中量測量測讀值時，感應電極120都不需切換至接地狀態；在步驟S10中驅動電路對驅動電極複數次切換至第一電位或第二電位，而在每一次電位切換之狀態後，僅需等待電位平衡，即可進行量測。
本發明藉由量測循環可快速地進行量測，來得到不同狀態下的多個讀值，並藉由多個讀值濾除雜訊以得到最佳觸控訊號。更進一步，本發明之感測方法利用自舉電路，間接地對感應電極重複進行數次充電後，將感應電極充電至一特定電位。藉由先採取自舉電路將感應電極驅動至特定的高電位，當在第一電位進行量測循環時，可以避免因電位太低而量測不到的問題。此外，藉由上述感測方法，環境中與電源中所夾帶之電磁波干擾，以及液晶螢幕被驅動時所引起的電磁波干擾等對感應電場所造 成的雜訊將被扣除，尤其是低頻率的雜訊。

Claims (22)

  1. 一種觸控面板之感測方法，其中該觸控面板具有至少一驅動電極及至少一感應電極，該感測方法包括：初始化該驅動電極及該感應電極，使該驅動電極及該感應電極皆位於一接地狀態；將該感應電極電耦合至一自舉電路；切換該感應電極至一浮接狀態；對該自舉電路充電，再藉由該自舉電路對該感應電極充電；切換該驅動電極至一初始電位；待電位平衡後，將該自舉電路與該感應電極斷開，並藉由一類比數位轉換電路對該自舉電路進行量測，得到一初始讀值；進行一量測循環，該量測循環包括：切換該驅動電極至一第一電位或一第二電位，其中該第一電位及該第二電位之切換模式由後端濾波器決定；再將該感應電極電耦合至該自舉電路；以及，待電位平衡，再將該自舉電路與該感應電極斷開，並藉由該類比數位轉換電路對該自舉電路進行量測，得到一量測讀值；重複該量測循環，以得到複數個該量測讀值；將該感應電極切換為該接地狀態；以及並將該驅動電極切換回該接地狀態。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之感測方法，其中當該量測循環中切換該驅動 電極至該第一電位時，則得到之該量測讀值為一第一量測讀值；當該量測循環中切換該驅動電極至該第二電位時，則得到之該量測讀值為一第二量測讀值。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之感測方法，更包括：藉由一控制單元處理該初始讀值及該複數個量測讀值，以得到一訊號值。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之感測方法，其中第一電位為0伏特到5伏特之間，第二電位為5伏特到18伏特之間。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之感測方法，其中該第一量測讀值僅包含雜訊及一第一基底值，該第二量測讀值包含雜訊及一第二基底值，或該第二量測讀值包含雜訊、該第二基底值及一第一接觸值。
  6. 如申請專利範圍第2項所述之感測方法，其中該第一量測讀值之數量為m個，該第二量測讀值之數量為n個，且m及n可為零或一正整數，由後端濾波器決定其數量。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之感測方法，更包括：藉由一控制單元將上述m+n個該第一量測讀值及該第二量測讀值送入後端濾波器，經過一濾波運算以濾除雜訊，而輸出特定放大倍率之一第三基底值及/或特定放大倍率之一第二接觸值。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之感測方法，更包括：藉由該控制單元處理特定放大倍率之該第三基底值及該第二接觸值，以得到一觸控訊號。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之感測方法，其中對該自舉電路充電，並藉由該自舉電路對該感應電極充電之步驟，重複至該感應電極達到一特定電位。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之感測方法，其中該後端濾波器決定該驅動電極可被切換連續維持該第一電位，或可被切換連續維持該第二電位；抑或該驅動電極可被切換先維持該第一電位，再被切換維持該第二電位；甚或該驅動電極可被交錯切換至該第一電位及該第二電位。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之感測方法，其中得到該初始讀值或該量測讀值後，調整量測頻率，再進行該量測循環。
  12. 一種觸控面板之感測電路，其中該觸控面板具有至少一驅動電極及至少一感應電極，包括：一自舉電路，可選擇性地電耦合該感應電極；一充電電路，可選擇性地電耦合該自舉電路；以及，一驅動電路，可切換該驅動電極至一接地狀態或任一電位；一類比數位轉換電路，係電耦合該感應電極；以及，一控制單元，係電耦合該自舉電路、該充電電路、該驅動電路、該類比數位轉換電路、該驅動電極及該感應電極；其中，該控制單元初始化該驅動電極及該感應電極，使該驅動電極及該感應電極皆位於一接地狀態；接著，該控制單元將該感應電極電耦合至一自舉電路；該控制單元切換該感應電極至一浮接狀態；對該自舉電路充電，再藉由該自舉電路對該感應電極充電；該控制單元切換該驅動電極至一初始電位；待電位平衡後，將該自舉電路與該感應電極斷開，並藉由一類比數位轉換電路對該自舉電路進行量測，得到一初始讀值；然後，該控制單元進行一量測循環，並重複該量測循環，以得到複數個量測讀值；該控制單元將該感應電極切換為該接地狀態；以及，將該驅 動電極再切換回該第一電位；其中，該量測循環包括：該控制單元切換該驅動電極至該第一電位或該第二電位，其中該第一電位及該第二電位之切換模式由後端濾波器決定；再將該感應電極電性連接至該自舉電路；以及，待電位平衡，該控制單元再將該自舉電路與該感應電極斷開，並藉由一類比數位轉換電路對該感應電極進行量測，得到該些量測讀值之其一。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之感測電路，其中當該量測循環中切換該驅動電極至該第一電位時，則得到之該量測讀值為一第一量測讀值；當該量測循環中切換該驅動電極至該第二電位時，則得到之該量測讀值為一第二量測讀值。
  14. 如申請專利範圍第12項或第13項所述之感測電路，更包括該控制單元處理該初始讀值及該複數個量測讀值，以得到一訊號值。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之感測電路，其中第一電位為0伏特到5伏特之間，第二電位為5伏特到18伏特之間。
  16. 如申請專利範圍第13項所述之感測電路，其中該第一量測讀值僅包含雜訊及一第一基底值，該第二量測讀值包含雜訊及一第二基底值，或該第二量測讀值包含雜訊、該第二基底值及一第一接觸值。
  17. 如申請專利範圍第13項所述之感測方法，其中該第一量測讀值之數量為m個，該第二量測讀值之數量為n個，且m及n可為零或一正整數，由後端濾波器決定其數量。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之感測方法，更包括：藉由一控制單元將上述m+n個該第一量測讀值及該第二量測讀值送入後端濾波器，經過一濾 波運算以濾除雜訊，以輸出特定放大倍率之一第三基底值及/或特定放大倍率之一第二接觸值。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之感測方法，更包括：藉由該控制單元處理特定放大倍率之該第三基底值及該第二接觸值，以得到一觸控訊號。
  20. 如申請專利範圍第12項所述之感測電路，其中對該自舉電路充電，並藉由該自舉電路對該感應電極充電之動作，重複至該感應電極達到一特定電位。
  21. 如申請專利範圍第12項所述之感測電路，其中該後端濾波器決定該驅動電極可被切換連續維持該第一電位，或可被切換連續維持該第二電位；抑或該驅動電極可被切換先維持該第一電位，再被切換維持該第二電位；甚或該驅動電極可被交錯切換至該第一電位及該第二電位。
  22. 如申請專利範圍第12項所述之感測電路，其中得到該初始讀值或該量測讀值後，調整量測頻率，再進行該量測循環。
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