ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК КАСАНИЯ, ИМЕЮЩИЙ КОРРЕЛЯЦИЮ С ПРИЕМНИКОМ
CAPACITIVE TOUCH SENSOR HAVING CORRELATION WITH RECEIVER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее раскрытие относится к методам и реализациям обработки цифровых сигналов (DSP) для улучшения отношения сигнал-шум емкостных датчиков касания.
Уровень техники
В некоторых датчиках касания положение пальца пользователя на двухмерной поверхности может определяться посредством выполнения измерений емкости. Палец пользователя может быть в некоторой степени проводящим, и пользователь может иметь некоторую связь с заземлением схемы датчика касания, так что палец пользователя имеет влияние на емкость между электродами в датчике касания.
Сущность изобретения
Данное описание изобретения описывает способы, относящиеся, в основном, к датчикам касания, применяющим методы DSP для повышения SNR.
В общем, некоторые аспекты объекта патентования, описанного в данном описании изобретения, могут быть воплощены в способах, которые применяют датчик. Другие варианты осуществления данного аспекта включают в себя соответствующие системы, устройства и компьютерные программы, выполненные с возможностью выполнения действий способов, кодированных на запоминающих устройствах компьютера.
В общем, другой аспект объекта патентования, описанного в данном описании изобретения, может быть воплощен в способах, которые включают в себя действия, относящиеся к устройству обработки данных, связанному с датчиком, имеющим входное устройство сопряжения, по меньшей мере одну соединительную линию, по меньшей мере один передатчик, соединенный как с входным устройством сопряжения, так и с первым положением на по меньшей мере одной из соединительных линий, и приемник, соединенный со вторым положением на по меньшей мере одной соединительной линии. Способ включает в себя выборку сигнала на входном устройстве сопряжения датчика, передачу выбранного сигнала из передатчика на первое положение на по меньшей мере одной из соединительных линий датчика, чтобы способствовать передаче выбранного сигнала по соединительной линии, соответствующей первому положению, на которое передается выбранный сигнал, и прием, на приемнике датчика и от соединительной линии посредством приемника, соединенного со вторым положением соединительной линии датчика, выбранного и переданного сигнала. Способ включает в себя выборку расстояния между первым положением передатчика и вторым положением приемника вдоль соединительной линии, используемой для передачи выбранного сигнала, определение, основываясь на выбранном расстоянии, преобразования, которое, как ожидается, испытывает передаваемый сигнал на основе передачи, как функции расстояния между первым и вторым положениями, и генерирование ожидаемого сигнала корреляции, основанного на определенном преобразовании. Способ включает в себя прием ожидаемого сигнала корреляции на приемнике датчика и, основываясь на ожидаемом принимаемом сигнале корреляции, идентификацию информации, которая может использоваться по меньшей мере частично для компенсации преобразования, которое, как ожидается, испытывает передаваемый сигнал на основе передачи. Способ включает в себя компенсацию, посредством применения принятого ожидаемого сигнала корреляции, наименьшей части преобразования, которое, как ожидается, испытывает передаваемый сигнал на основе передачи.
Каждый из этих и других вариантов осуществления может необязательно включать в себя один или несколько из следующих признаков. Ожидаемый сигнал корреляции может соответствовать информации корреляции, соответствующей аналоговому сигналу и/или цифровым данным. Преобразование может включать в себя фазовый сдвиг. Преобразование также может включать в себя ослабление, задержку и/или действие линейной фильтрации. Преобразование может применяться к синусоидальной форме волны для ожидаемого сигнала корреляции или несинусоидальной форме волны для ожидаемого сигнала корреляции. Компенсация может включать в себя вычисление произведения формы волны принимаемого переданного сигнала на форму волны ожидаемого сигнала корреляции по периоду интегрирования и вычисление интеграла произведения. Способ может включать в себя выполнение вычисления на выходе приемника. Датчик может иметь соединительные линии в матричной конфигурации. Способ может включать в себя моделирование преобразования принимаемого переданного сигнала как функции расстояния между передатчиком и приемником в матричной конфигурации. Способ может включать в себя моделирование преобразования посредством моделирования по меньшей мере одной соединительной линии как имеющей распределенное сопротивление и емкость вдоль расстояния между первым и вторым положениями. Для определения преобразования, которое, как ожидается, испытывает передаваемый сигнал, способ может включать в себя измерение набора преобразований вдоль расстояния между первым и вторым положениями, и выбор одного из преобразований в наборе преобразований, которое аппроксимирует преобразование, которое, как ожидается, испытывает передаваемый сигнал, для которого преобразование может включать в себя фазовый сдвиг, и набор преобразований содержит набор фазовых сдвигов. Преобразование, которое, как ожидается, испытывает передаваемый сигнал, может включать в себя измерение соответственного фазового сдвига по соответственным положениям вдоль по меньшей мере одной соединительной линии, выбор одного из измеренных фазовых сдвигов, основываясь на совпадении расстояния, относящегося к одному из измеренных фазовых сдвигов, с расстоянием между первым и вторым положениями, и назначение выбранного измеренного фазового сдвига в качестве фазового сдвига, который, как ожидается, испытывает передаваемый сигнал. Для определения преобразования, которое, как ожидается, испытывает передаваемый сигнал, способ может включать в себя измерение соответственного фазового сдвига по соответственным положениям вдоль по меньшей мере одной соединительной линии, использование линейной интерполяции измеренных фазовых сдвигов для аппроксимации фазового сдвига, который, как ожидается, испытывает передаваемый сигнал на втором положении в приемнике, и назначение интерполированного фазового сдвига в качестве фазового сдвига, который, как ожидается, испытывает передаваемый сигнал. Для определения преобразования, которое, как ожидается, испытывает передаваемый сигнал, способ может включать в себя корреляцию по отношению к синфазной версии и квадратурно-фазовой версии формы волны передаваемого сигнала и вычисление фазового сдвига, который, как ожидается, испытывает передаваемый сигнал, посредством вычисления функции арктангенса синфазной и квадратурно-фазовой форм волны. Датчик может иметь соединительные линии в матричной конфигурации, где передача может включать в себя возбуждение датчика передаваемым сигналом на двух краях матрицы для уменьшения в два раза резистивно-емкостной постоянной времени по сравнению с постоянной времени, получаемой от возбуждения датчика передаваемым сигналом с одного края. Передача может включать в себя возбуждение датчика передаваемым сигналом на многочисленных краях матрицы для уменьшения резистивно-емкостной постоянной времени по сравнению с постоянной времени, получаемой от возбуждения датчика передаваемым сигналом на одном крае. Количество многочисленных краев может быть равно четырем, для которого резистивно-емкостная постоянная времени может быть уменьшена в четыре раза по сравнению с постоянной времени, получаемой от возбуждения датчика передаваемой формой волны с одного края. Датчик может иметь соединительные линии, образованные в матричной конфигурации с рядами и столбцами, для которой по меньшей мере одна соединительная линия в по меньшей мере одном ряду или по меньшей мере одном из столбцов разделяется и образует две соединительные линии, которые составляют около половины длины одной соединительной линии, и разделенная соединительная линия образует первый участок соединительной линии, соответствующий первой части разделенной соединительной линии, и второй участок соединительной линии, соответствующий второй части разделенной соединительной линии. Резистивно-емкостная постоянная времени для любой из первой или второй разделенных соединительных линий может представлять собой функцию длины первой или второй соединительных линий. Датчиком может быть емкостный датчик касания.
В общем, другой аспект объекта патентования, описанного в данном описании изобретения, может быть воплощен в способах, которые включают в себя действия, относящиеся к устройству обработки данных, связанному с датчиком, для которого датчик включает в себя соединительные линии, ориентированные в матричной конфигурации, входное устройство сопряжения, передатчики, соединенные с входным устройством сопряжения, и приемники. Соответствующие передатчики соответствуют и соединены с первым положением соответствующих соединительных линий, и соответствующие приемники соединены со вторым положением соответствующих соединительных линий. Способ включает в себя определение ортогональных форм волны возбуждения, имеющих последовательность ортогональных форм волны, где ортогональные формы волны возбуждения ортогональны друг другу, и одновременную передачу на каждом из по меньшей мере двух передатчиков одной из ортогональных форм волны возбуждения, так что по меньшей мере два из передатчиков выполнены с возможностью передачи соответствующих последовательностей ортогональных форм волны, где передача происходит на меньшем количестве передатчиков, чем все передатчики в датчике. Способ включает в себя прием по меньшей мере двух из ортогональных форм волны возбуждения по меньшей мере на двух приемниках, для которых каждая из по меньшей мере двух ортогональных форм волны возбуждения принимается на одном из соответствующих приемников. Способ включает в себя прием информации для по меньшей мере ожидаемой принимаемой формы волны и для каждого из по меньшей мере двух приемников, корреляцию принимаемой формы волны возбуждения по отношению к ожидаемой принимаемой форме волны.
Каждый из этих и других вариантов осуществления может необязательно включать в себя один или несколько из следующих признаков. Датчик может включать в себя емкостный датчик касания. Ортогональные формы волны возбуждения являются ортогональными шуму в датчике. Матричная конфигурация может включать в себя n столбцов соединительных линий, и каждая одновременная передача передатчиков может происходить во время интегрирования. Способ может включать в себя определение количества времен интегрирования как функции количества одновременных передач с по меньшей мере двух передатчиков. Способ может включать в себя идентификацию частоты, связанной с шумом в датчике, и выбор по меньшей мере одной из ортогональных форм волны возбуждения ортогональной частоте, связанной с шумом. Датчик может быть выполнен с возможностью расположения в пределах физической близости к жидкокристаллическому дисплею, чтобы иметь по меньшей мере возможность взаимодействия с жидкокристаллическим дисплеем. Жидкокристаллический дисплей может иметь частоту линий сканирования, которая составляет около 30-135 кГц. Способ может включать в себя выполнение мультиплексирования с кодовым разделением, где каждая соединительная линия в группе из четырех соединительных линий содержит различимый код для последовательностей ортогональных форм волны. Мультиплексированием с кодовым разделением может быть последовательность Адамара с манчестерским кодом. Способ определения ортогональных форм волны возбуждения может включать в себя выбор первой частоты для модуляции, генерирование псевдошумовой последовательности вокруг первой частоты, генерирование сигнала несущей для псевдошумовой последовательности и модуляцию нескольких циклов сигнала несущей вокруг первой частоты псевдошумовой последовательностью. Первая частота может составлять около 100 кГц. Количество сигналов несущей может быть менее десяти. Способ может включать в себя идентификацию частоты, связанной с идентифицированным шумом, и выбор по меньшей мере одной из ортогональных форм волны возбуждения ортогональной частоте, связанной с идентифицируемым шумом. Определенные ортогональные формы волны возбуждения могут быть функцией как частоты для модуляции, так и псевдошумовой последовательности на частоте для модуляции. Способ может включать в себя взятие спектра шума, связанного с датчиком, выполнение измерения шума в датчике посредством оценки спектра шума, связанного с датчиком, идентификацию шума, основанного на оценке спектра шума, и определение ортогональных форм волны возбуждения, делая ортогональные формы волны возбуждения ортогональными идентифицированному шуму в датчике. Способ может включать в себя взятие спектра шума, связанного с датчиком, выполнение измерения шума посредством оценки спектра шума, связанного с датчиком, и выполнение идентификации шума, основываясь на измерении шума. Способ может включать в себя продолжение выполнения измерения для идентификации шума, который является ортогональным к ортогональным формам волны возбуждения посредством идентификации шума от наибольшего источника шума в спектре шума в течение выделенного интервала времени, и адаптивное определение ортогональных форм волны возбуждения посредством использования шума, связанного с наибольшим источником шума, который непрерывно идентифицируется в спектре шума. Способ может включать в себя периодическое выполнение измерения для идентификации шума, который является ортогональным к ортогональным формам волны возбуждения посредством идентификации шума от наибольшего источника шума в спектре шума, и адаптивное определение ортогональных форм волны возбуждения посредством использования шума, связанного с наибольшим источником шума, который периодически идентифицируется в спектре шума. Идентифицированный шум может быть связан с частотой работы флуоресцентной лампы подсветки с холодным катодом или с частотой, связанной с жидкокристаллическим дисплеем.
Датчиком может быть емкостный датчик касания. Емкостный датчик касания может иметь входную схему. Способ может включать в себя подготовку входного напряжения для передачи на выходе входной схемы для емкостного датчика касания, где входная схема может включать в себя по меньшей мере двухкаскадную схему, при этом первый каскад выполнен с возможностью получения трансимпедансного коэффициента усиления, и второй каскад может быть выполнен с возможностью получения коэффициента усиления по напряжению. Подготовка входного напряжения может включать в себя получение трансимпедансного коэффициента усиления в первом каскаде входной схемы посредством конфигурирования первого каскада в виде схемы интегратора. Способ может включать в себя генерирование выходного сигнала на первом каскаде посредством выполнения деления напряжения входного напряжения, и усиление выходного сигнала первого каскада входной схемы с коэффициентом усиления по напряжению второго каскада входной схемы для получения выходного сигнала для второго каскада входной схемы. Идентифицированный шум может включать в себя главный источник шума датчика, где идентифицированный шум может ассоциироваться с частотой жидкокристаллического дисплея или частотой работы флуоресцентной лампы подсветки с холодным катодом. Первый каскад может включать в себя шум с уровнем шума, так что выходной сигнал для второго каскада входной схемы может включать в себя шум первого каскада, усиленный функцией коэффициента усиления по напряжению второго каскада. Шум в выходном сигнале второго каскада может быть меньше чем у главного источника шума датчика. Первый каскад может включать в себя шум с уровнем шума, так что выходной сигнал для второго каскада входной схемы включает в себя шум первого каскада, усиленный функцией коэффициента усиления по напряжению второго каскада, и шум в выходном сигнале второго каскада может быть меньше шума датчика, который выводится из частоты жидкокристаллического дисплея или частоты работы флуоресцентной лампы подсветки с холодным катодом. Передаточная функция замкнутой цепи входной схемы может быть стабильной.
В общем, другой аспект объекта патентования, описанного в данном описании изобретения, может быть воплощен в способах, которые включают в себя действия, относящиеся к устройству обработки данных, связанному с емкостным датчиком касания, где датчик включает в себя соединительные линии, расположенные по рядам и столбцам с матричной конфигурацией. Способ включает в себя проведение первого сканирования, включающего в себя сканирование столбцов емкостного датчика касания со структурой чередования, где структура чередования включает в себя кадр, и где кадр содержит n число подкадров, для которых n является целым числом. Способ включает в себя использование информации, генерируемой в результате первого сканирования для идентификации областей датчика, которые испытывали изменение емкости от ряда к столбцу, использование обнаружения областей датчика, которые испытывали изменение емкости для информирования выбора поднабора столбцов, на которые фокусировать второе и последующее сканирование, и сканирование поднабора столбцов, выбранных из второго и последующего сканирования. Сканирование поднабора столбцов может включать в себя определение уровня сигнала и уровня шума для второго сканирования и определение отношения сигнал-шум, основанного на уровне сигнала и уровне шума, определенных для второго сканирования и относящихся к областям датчика, которые имели изменение емкости.
Каждое из этих и других вариантов осуществления могут необязательно включать в себя один или несколько из следующих признаков. Первое сканирование может включать в себя определение уровня сигнала и уровня шума для первого сканирования и определение отношения сигнал-шум, основанного на уровне сигнала и уровне шума, определенных для первого сканирования. Способ может включать в себя прием сигналов для первого и второго сканирования и определение объединенного отношения сигнал-шум, которое больше отношений сигнал-шум, связанных с первым и вторым сканированиями, посредством усреднения сигналов, которые принимаются для первого и второго сканирований. Величина n может быть равна, например, 4. Кадр может быть выполнен так, что его частота составляет около 30 Гц, и подкадры могут иметь частоту около 120 Гц, где структура чередования может включать в себя 16 столбцов на кадр и 4 столбца на подкадр. Задержка датчика может составлять около 120 Гц. Емкость от ряда к столбцу может включать в себя краевую емкость.
В общем, другой аспект объекта патентования, описанного в данном описании изобретения, может быть воплощен в способах, которые включают в себя действия, относящиеся к устройству обработки данных, связанному с емкостным датчиком касания. Датчик включает в себя соединительные линии, расположенные рядами и столбцами с матричной конфигурацией. Способ включает в себя проведение первого сканирования, включающего в себя сканирование столбцов емкостного датчика касания со структурой чередования, где структура чередования включает в себя кадр, причем кадр содержит n число подкадров, где n представляет собой целое число, и использование информации, генерируемой в результате первого сканирования, для идентификации областей датчика, которые испытывали изменение емкости от ряда к столбцу. Способ включает в себя использование обнаружения областей датчика, которые испытывали изменение емкости, для информирования выбора поднабора столбцов, на которые фокусировать второе и последующее сканирование, и сканирование поднабора столбцов, выбранных для второго и последующего сканирования, причем первое сканирование ассоциируется с первым измерением, где второе сканирование ассоциируется со вторым измерением. Сканирование поднабора столбцов включает в себя определение целевого уровня сигнала и уровня шума для второго сканирования, определение целевого отношения сигнал-шум и определение периода интегрирования для достижения целевого отношения сигнал-шум посредством использования функции, которая представляет собой среднее второго измерения и первого измерения.
Каждое из этих и других вариантов осуществления может необязательно включать в себя один или несколько из следующих признаков. Первое сканирование может включать в себя определение уровня сигнала и уровень шума для первого сканирования и определение целевого отношения сигнал-шум, основанного на уровне сигнала и уровне шума, определенных для первого сканирования. Способ может включать в себя прием сигналов для первого и второго сканирований и определение сигнала с отношением сигнал-шум, который выше отношений сигнал-шум, ассоциированных с первым или вторым сканированиями, посредством усреднения сигналов, которые принимаются для первого и второго сканирований. Величина n может быть равна около 4. Кадр может быть выполнен так, что имеет частоту около 30 Гц, и подкадры могут быть с частотой около 120 Гц, где структура чередования может включать в себя 16 столбцов на кадр и 4 столбца на подкадр. Задержка датчика может составлять около 120 Гц, и емкость от ряда к столбцу может включать в себя краевую емкость.
В общем, другой аспект объекта патентования, описанного в данном описании изобретения, может быть воплощен в способах, которые включают в себя действия, относящиеся к устройству обработки данных, связанному с емкостным датчиком касания, где датчик включает в себя соединительные линии, расположенные рядами и столбцами с матричной конфигурацией, и столбцы расположены в виде n наборов столбцов, и n представляет собой целое число. Способ включает в себя последовательное проведение первого сканирования каждого из n наборов столбцов емкостного датчика касания со структурой чередования, использование информации, генерируемой в результате первого сканирования, для идентификации областей датчика, которые испытывали изменение краевой емкости, причем краевая емкость содержит емкость от ряда к столбцу, и использование обнаружения областей датчика, которые испытывали изменение емкости, для информирования о выборе поднабора каждого из n наборов столбцов, на которые фокусировать второе и последующее сканирование соответствующим образом. Способ включает в себя сканирование поднабора каждого из n наборов столбцов, выбранных для второго и последующего сканирования, где первое сканирование ассоциируется с первым измерением, и второе сканирование ассоциируется со вторым измерением. Сканирование каждого поднабора из n наборов столбцов включает в себя определение уровня сигнала и уровня шума для второго сканирования, определение целевого отношения сигнал-шум и определение периода интегрирования для достижения целевого отношения сигнал-шум посредством использования функции, которая представляет собой усреднение второго измерения и первого измерения. Для каждого набора столбцов и соответствующих поднаборов столбцов в n наборах столбцов проводятся первое сканирование и второе сканирование перед началом сканирования последующего набора столбцов и соответствующих поднаборов столбцов.
Каждый из этих и других вариантов осуществления может необязательно включать в себя один или несколько из следующих признаков. Для каждого поднабора из n наборов столбцов способ может включать в себя следующие методы: сканирование поднабора столбцов в периоде интегрирования: получение второго измерения, относящегося к принятым сигналам сканирования поднабора столбцов, где второе измерение относится к выведенному из второго измерения отношению сигнал-шум; определение, сконфигурирован ли поднабор столбцов так, что имеет по меньшей мере минимальное отношение сигнал-шум; определение, на основе выведенного из второго измерения отношения сигнал-шум, является ли выведенное из второго измерения отношение сигнал-шум меньше минимального отношения сигнал-шум для поднабора столбцов; и при определении, что выведенное из второго измерения отношение сигнал-шум меньше минимального отношения сигнал-шум для поднабора столбцов, выполнение другого сканирования поднабора столбцов; получение другого измерения, относящегося к принятым сигналам другого сканирования поднабора столбцов, и усреднение измерения и другого измерения поднабора столбцов для получения объединенного измерения, которое имеет свойство, где отношение сигнал-шум, относящееся к объединенному измерению, является более высоким, чем отношение сигнал-шум, относящееся к любому измерению поднабора столбцов.
В общем, другой аспект объекта патентования, описанного в данном описании изобретения, может быть воплощен в способах, которые включают в себя действия, относящиеся к устройству обработки данных, связанному с емкостным датчиком касания, где датчик включает в себя соединительные линии, расположенные рядами и столбцами с матричной конфигурацией, и столбцы расположены в виде n наборов столбцов, где n представляет собой целое число. Способ включает в себя последовательное проведение первого сканирования каждого из n наборов столбцов емкостного датчика касания со структурой чередования, и использование информации, генерируемой в результате первого сканирования, для идентификации областей датчика, которые испытывали изменение краевой емкости, для которой краевая емкость включает в себя емкость от ряда к столбцу. Способ включает в себя использование обнаружения областей датчика, которые испытывали изменение емкости, для информирования о выборе поднабора каждого из n наборов столбцов, на которые фокусировать второе и последующее сканирование соответствующим образом, и сканирование поднабора каждого из n наборов столбцов, выбранных для второго и последующего сканирования. Сканирование каждого поднабора из n наборов столбцов может включать в себя определение уровня сигнала и уровня шума для второго сканирования и определение отношения сигнал-шум, основанного на уровне сигнала и уровне шума, определенных для второго сканирования и относящихся к областям датчика, которые имели изменение емкости. Для каждого набора столбцов и соответствующих поднаборов столбцов в n наборах столбцов, первой сканирование и второе сканирование проводятся перед началом сканирования последующего набора столбцов и соответствующих поднаборов столбцов.
Каждый из этих и других вариантов осуществления может необязательно включать в себя один или несколько из следующих признаков. Для каждого поднабора из n наборов столбцов способ может включать в себя сканирование столбцов в периоде интегрирования, получение измерения отношения сигнал-шум, относящегося к сканированию поднабора столбцов, и определение, сконфигурирован ли поднабор столбцов так, чтобы иметь по меньшей мере минимальное отношение сигнал-шум. Для каждого поднабора из n наборов столбцов способ также может включать в себя определение, на основе измерения отношения сигнал-шум, является ли измерение отношения сигнал-шум меньше минимального отношения сигнал-шум для поднабора столбцов. Для каждого поднабора из n наборов столбцов способ может включать в себя после определения, что измерение отношения сигнал-шум является меньше минимального отношения сигнал-шум для поднабора столбцов, выполнение другого сканирования поднабора столбцов, получение другого измерения отношения сигнал-шум, относящегося к другому сканированию поднабора столбцов, и усреднение измерения и другого измерения поднабора столбцов для получения объединенного измерения, которое имеет свойство, где отношение сигнал-шум, относящееся к объединенному измерению, является более высоким, чем отношение сигнал-шум, относящееся к любому из измерений поднабора столбцов.
В общем, другой аспект объекта патентования, описанного в данном описании изобретения, может быть воплощен в способах, которые включают в себя действия, относящиеся к устройству обработки данных, связанному с емкостным датчиком касания, причем датчик располагается в системе, содержащей жидкокристаллический дисплей. Способ включает в себя определение частоты шума в емкостном датчике касания, идентификацию, что частота шума является функцией частоты жидкокристаллического дисплея, и определение частоты возбуждения для датчика в качестве функции определенной частоты шума. Способ определения частоты возбуждения включает в себя выбор начальной частоты возбуждения для датчика, вычисление взаимной корреляции между частотой шума и начальной частотой возбуждения по периоду интегрирования, где вычисление взаимной корреляции представляется синусоидальной формой волны по меньшей мере с одним пиком и по меньшей мере двумя нулями, и выбор частоты возбуждения для датчика посредством выбора частоты в одном из нулей синусоидальной формы волны и назначение, что определенная частота возбуждения является той же частотой, что и частота в выбранном нуле.
Каждый из этих и других вариантов осуществления может необязательно включать в себя один или несколько из следующих признаков. Частота шума может находиться в диапазоне от около 30 кГц до около 135 кГц. Емкостный датчик касания может иметь максимальное напряжение передачи около 200 В. Емкостный датчик касания может быть выполнен с возможностью создания тока, проходящего через пользователя, который составляет порядка около десятков микроампер. Емкостный датчик касания может включать в себя входное устройство сопряжения. Способ может включать в себя демодуляцию формы волны на выходе входного устройства сопряжения емкостного датчика касания. Форма волны может включать в себя взаимную корреляцию частоты шума по отношению к начальной частоте возбуждения. Способ может включать в себя измерение уровня шума в датчике и установку начального порога для обнаружения касания пользователя датчика, основываясь на уровне измеренного шума. Способ может включать в себя непрерывное измерение уровня шума в датчике и непрерывную подстройку порога для обнаружения касания пользователя датчика, основываясь на уровне непрерывно измеряемого шума. Способ может включать в себя определение ортогональных форм волны возбуждения для датчика, причем по меньшей мере одна из ортогональных форм волны возбуждения включает в себя выбранную частоту возбуждения. Датчик может выполнен с возможностью одновременной передачи множества ортогональных форм волны возбуждения. Ортогональные формы волны возбуждения могут быть все ортогональны определенной частоте шума.
В общем, другой аспект объекта патентования, описанного в данном описании изобретения, может быть воплощен в способах, которые включают в себя действия, относящиеся к устройству обработки данных, связанному с емкостным датчиком касания, содержащим ряды и столбцы соединительных линий, расположенных в матричной конфигурации, причем датчик располагается в системе, содержащей жидкокристаллический дисплей. Способ включает в себя идентификацию частоты шума, генерирование формы волны возбуждения для передачи по по меньшей мере одной из соединительных линий в датчике, где форма волны возбуждения генерируется так, что форма волны возбуждения является ортогональной идентифицированной частоте шума, и где форма волны возбуждения генерируется так, что шум на идентифицированной частоте шума подавляется в форме волны возбуждения. Генерирование формы волны возбуждения включает в себя в частотной области задание начальной формы волны возбуждения и преобразование начальной формы волны возбуждения из частотной области в форму волны возбуждения во временной области посредством использования преобразования Фурье при преобразовании. Способ включает в себя передачу формы волны возбуждения по по меньшей мере одной из соединительных линий.
В общем, другой аспект объекта патентования, описанного в данном описании изобретения, может быть воплощен в способах, которые включают в себя действия, относящиеся к устройству обработки данных, связанному с емкостным датчиком касания, имеющим ряды и столбцы соединительных линий, расположенные в матричной конфигурации, причем датчик располагается в системе, содержащей жидкокристаллический дисплей. Способ включает в себя идентификацию частоты шума и генерирование формы волны возбуждения для передачи по меньшей мере одной из соединительных линий в датчике, где форма волны возбуждения генерируется так, что форма волны возбуждения является ортогональной идентифицированной частоте шума, и где форма волны возбуждения генерируется так, что шум на идентифицированной частоте шума подавляется в форме волны возбуждения. Генерирование формы волны возбуждения включает в себя выбор начальной формы волны возбуждения, выбор алгоритма, соответствующего фильтру с импульсной характеристикой конечной длительности, и генерирование формы волны возбуждения посредством применения алгоритма, соответствующего фильтру с импульсной характеристикой конечной длительности, к начальной форме волны возбуждения. Способ включает в себя передачу формы волны возбуждения по по меньшей мере одной из соединительных линий. Может выполняться измерение принимаемой интенсивности сигнала, коррелированной по отношению к ожидаемой форме волны, которая может быть пропорциональна емкости в матрице. Отношение сигнал-шум этого измерения может представлять собой функцию времени интегрирования, где более длительные времена интегрирования могут использоваться для достижения более высоких отношений сигнал-шум. Формы волны возбуждения могут быть ортогональными друг другу и могут передаваться одновременно, и в других реализациях формы волны возбуждения могут быть ортогональными друг другу, а также шуму, и могут передаваться одновременно.
Подробности одного или нескольких вариантов осуществления объекта патентования, описанного в данном описании изобретения, излагаются на прилагаемых чертежах и в описании ниже. Другие признаки и аспекты объекта патентования станут очевидными из описания, чертежей и формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 изображает графическое представление примера структуры электродов в матрице для датчика касания.
Фиг.2 изображает графическое представление примера, относящегося к некоторым действиям ослабления и фазового сдвига от резистивно-емкостной (RC) линейной фильтрации в системе восприятия касания.
Фиг.3 изображает графическое представление примера схемы, включающей в себя передатчики, имеющие соответствующую логику управления для возбуждения напряжений по линиям матрицы.
Фиг.4 изображает графическое представление примера схемы, включающей в себя передатчики и приемники для возбуждения напряжений и восприятия токов по линиям матрицы.
Фиг.5 изображает графическое представление примера трехмерного сетчатого графика измеренной емкости относительно расположения по матрице.
Фиг.6А и 6B изображают графические представления примеров форм волны для передатчиков при возбуждении матрицы напряжением, которое является шумоподобным и не является чисто синусоидальным тоном или близкой к нему аппроксимацией.
Фиг.7A и 7B изображают примеры временных диаграмм для кадров и подкадров.
Фиг.8A изображает блок-схему последовательности операций примера способа сканирования полного кадра датчика.
Фиг.8B изображает блок-схему последовательности операций примера способа сканирования одного столбца датчика.
Фиг.9 изображает графическое представление примера шума на выходе аналоговой входной схемы системы перед выполнением демодуляции.
Фиг.10 изображает графическое представление примера шума на выходе аналоговой входной схемы после выполнения демодуляции с хорошим выбором формы волны возбуждения.
Фиг.11 изображает графическое представление примера шума на выходе аналоговой входной схемы после выполнения демодуляции с плохим выбором формы волны возбуждения.
Фиг.12 изображает графическое представление примера корреляции частоты шума по отношению к частоте возбуждения на периоде интегрирования.
Фиг.13 изображает графическое представление примера выходных характеристик однокаскадного входного усилителя и двухкаскадного входного усилителя.
Фиг.14A изображает графическое представление примера схемы двухкаскадного входного усилителя.
Фиг.14B изображает блок-схему последовательности операций примера для разработки входного усилителя с соответствующими значениями емкости и сопротивления для стабильности.
Подобные ссылочные позиции и обозначения на различных чертежах указывают подобные элементы.
Подробное описание
Датчик касания может включать в себя матрицу прозрачных проводящих электродов, где измерение емкости может выполняться между электродами в датчике касания. Эти электроды могут быть выполнены из оксида индия и олова (ITO), но также могут быть использованы другие материалы, такие как серебряные нанопроводники или металлические проводники большего масштаба, которые слегка или в значительной степени являются непрозрачными, но являются достаточно малыми, чтобы быть относительно незаметными. Электроды могут располагаться двухмерной ортогональной сеткой, например, ряды параллельно оси x, и столбцы параллельно оси y. Полная емкость, являющаяся результатом этой конструкции, измеренная от ряда к столбцу, может включать в себя по меньшей мере емкость параллельных пластин, где ряд может пересекать столбец, и краевую емкость, для которой краевое поле может выходить наружу из датчика и взаимодействовать, например, с касанием пользователя. Основная емкость, которая может быть измерена для восприятия, может включать в себя краевое поле по меньшей мере между рядом и столбцом. Например, в системе с m рядами и n столбцами может быть m*n возможных измерений, с одним измерением в каждом пересечении в матрице. Этот тип измерения может упоминаться иногда как «взаимная емкость» или «дифференциальная емкость».
Электроды в датчике могут быть разработаны по схеме, которая пытается максимизировать краевую емкость, которая может прерываться пальцем пользователя для получения требуемого или целевого сигнала, и минимизировать любую дополнительную емкость между рядом и столбцом (например, емкость параллельных пластин), что может обеспечивать постоянное смещение. Емкость параллельных пластин может рассматриваться, например, как значение смещения в полной емкости. Ряды и столбцы в матрице могут быть почти копланарными, так что, в то время как является малой площадь соответствующего конденсатора с параллельными пластинами, зазор также является малым, и его значение емкости может быть существенным. Форма электродов также может быть разработана таким образом, чтобы сделать ширину линии максимально возможной для данного шага, чтобы минимизировать сопротивление межсоединений, которое может быть, в противном случае, значительным, если применяются датчики большой площади. Краевая емкость может максимизироваться, например, посредством разработки формы, так что результирующая краевая емкость может быть сделана максимально возможной.
Фиг.1 изображает графическое представление примера структуры 100 электродов в матрице для датчика касания. В данной структуре 100 вертикальные межсоединения 110 и связанные с ними соединенные области обозначают проводник на одном слое, и горизонтальные межсоединения 120 и связанные с ними соединенные области обозначают проводник на другом слое. Слои 110 и 120 отделены друг от друга. При такой реализации слои 110, 120 пересекают друг друга, но не соединяются друг с другом. Конструкция подвержена емкости параллельных пластин, где нежелательная емкость параллельных пластин может минимизироваться, выполняя межсоединения электродов узкими, где они пересекают друг друга, сопротивление может быть уменьшено и минимизировано посредством выполнения межсоединений электродов относительно широкими в других областях.
Другие реализации могут иметь другие структуры электродов. В одной реализации, например, одна структура может включать в себя равномерно разнесенные прямые линии с таким же шагом, что и у электрической матрицы, прямые линии с шагом пальца в электрической матрице, при этом соседние линии соединены вместе в группы, и встречно-гребенчатые структуры для увеличения периметра между данным рядом и столбцом, чтобы увеличить краевое поле.
Могут быть другие измерения, выполняемые на структуре электродов. Например, емкость может измеряться от каждого ряда и столбца на заземление, вместо от каждого ряда до каждого столбца, таким образом выполняя m+n измерений вместо m*n измерений.
В данном раскрытии описываются реализации, где измерение емкости осуществляется от каждого ряда к каждому столбцу. Может быть схема, разработанная для выполнения этого типа измерения, причем схема имеет передатчики и приемники на соответствующих столбцах и рядах. В реализации данной схемы столбцы могут возбуждаться напряжением передачи, так что энергия перетекает от передатчика в столбцы, и приемник может измерять ток по рядам, так что энергия вытекает из рядов и в приемник. Хотя обозначение одной оси в качестве рядов и другой - в качестве столбцов является, как правило, произвольным, в данной реализации ряды, как правило, могут присоединяться к приемникам, и столбцы, как правило, могут присоединяться к передатчикам.
Когда пользователь касается емкостного датчика касания, наблюдается по меньшей мере два разных действия. Во-первых, некоторая часть энергии, вытекающая из передатчика, может втекать в пользователя и возвращаться на заземление через паразитную емкость пользователя на этот узел. Эта паразитная емкость может иметь место, например, если пользователь удерживает металлический корпус устройства, даже через непроводящее покрытие, или, в отсутствие этого, через палец пользователя, так как шаг датчика может быть достаточно маленьким, так что его палец также может быть близок к другим элементам в матрице, для которых некоторые элементы заземлены. Это первое действие может уменьшать полную энергию, которая протекает к приемнику. Во-вторых, некоторая часть энергии, вытекающей из передатчика, может передаваться в палец пользователя, через тело пользователя, и затем выходить из пальца пользователя на приемник. Так как диэлектрическая постоянная пальца пользователя, которая приблизительно такая же, что и у соленой воды, больше чем у воздуха, то это может увеличивать действие связи и увеличивать принимаемую энергию.
Два действия могут создавать разные реакции для потока энергии. Например, в зависимости от того, какое действие преобладает, может быть немонотонная зависимость между измеренным сигналом и расстоянием от пальца пользователя до датчика. Так как это может быть нежелательным, системные реализации могут разрабатываться для работы или в строго возрастающем, или в строго убывающем режиме, чтобы иметь монотонную зависимость. Строго убывающий режим может быть предпочтительным в некоторых реализациях, так как он может происходить на более высоких частотах, что может давать возможность переносу большего полного заряда в данном периоде интегрирования для более высоких SNR, и строго убывающий режим может обеспечивать большее разделение между датчиком и пальцем пользователя, что может предоставлять возможность получать большую толщину для стекла для крышки датчика. Некоторые другие реализации, однако, могут использовать строго возрастающий режим.
В некоторых реализациях форма волны передачи может иметь частоту, например, около 100 кГц. Если энергия формы волны передачи концентрируется, главным образом, на более низких частотах, тогда энергия может не связываться эффективно с пользователем, так как связь является емкостной, так что ток для данного напряжения возбуждения может увеличиваться с частотой. Если энергия концентрируется, главным образом, на более высоких частотах, тогда характеристики распространения ряда или столбца в датчике могут ослаблять энергию. В некоторых реализациях характеристики распространения могут моделироваться в виде однородной RC-линии или фильтра нижних частот. Форма волны передачи может включать в себя, например, небольшое количество циклов немодулированной несущей. Так как эта форма волны может представлять собой узкую полосу, это может быть полезным для незначительного увеличения полосы частот сигнала, например, посредством модуляции несущей шумоподобной формой волны. Этот метод может иметь действие повышения защищенности системы от узкополосного шума и снижения тенденции системы излучать узкополосный шум.
Приемник может быть выполнен с возможностью измерения количества энергии, принимаемой в течение данного интервала времени. Одна реализация данного приемника включает в себя реализацию в виде «пикового детектора», который ссылается на схему широкополосного приемника, которая может измерять максимальный ток, принимаемый в данный период времени. Если единственным присутствующим сигналом является сигнал от передатчика, тогда этот максимальный ток может быть пропорциональным амплитуде сигнала, принимаемого от передатчика. Другие реализации приемника могут быть выполнены с возможностью измерения тока, в то же время отличая предполагаемый сигнал от шума.
В некоторых реализациях датчика рабочие характеристики системы могут практически ограничиваться его SNR. Например, когда интерполируется положение касания на датчике, шум на измеряемой емкости может отображаться непосредственно на шум на сообщаемом положении (x, y). В некоторых экстремальных случаях, например, сам шум может даже способствовать созданию ложных касаний. Может быть несколько источников шума для датчика. Например, одним существенным источником может быть жидкокристаллический дисплей (LCD). Например, если датчик касания встроен сверху сенсорного экрана, шум от LCD может присутствовать и может проникать в датчик касания. Другие существенные источники шума могут включать в себя близлежащие радиостанции (например, радиостанции с амплитудной модуляцией (АМ)) и проникновение 50 или 60 Гц из электрической сети, которые, несмотря на хорошее разнесение по частоте от требуемого или целевого сигнала, могут иметь очень большую амплитуду.
В других реализациях приемника архитектура приемника может быть выполнена с возможностью поиска только составляющей принимаемого сигнала, которая коррелирует с передаваемым сигналом. Для этих реализация приемника, для входящего тока r(t) и ожидаемого тока e(t) приемник может вычислять интеграл по периоду интегрирования r(t)*e(t).
В некоторых реализациях может быть возможным аппроксимация этой корреляции посредством размещения линейного фильтра перед пиковым детектором, или перед некоторым другим широкополосным детектором. В некоторых этих реализациях узкополосный фильтр может требовать более длительное время установления, которое может оказывать влияние на частоту кадров системы. Корреляция по фиксированному интервалу также может требовать более длительное время для достижения более узкой полосы частот. Но с фильтром, в основном, некоторая доля доступного времени интегрирования не используется, в тоже время ожидая установление фильтра после предыдущего измерения, тогда как при корреляции на фиксированном интервале интегратор может возвращаться в исходное состояние между измерениями. Это может предоставлять возможность полностью использовать доступное время интегрирования.
Вычисление интеграла может иметь различные реализации. Например, некоторые реализации могут включать в себя сигма-дельта аналого-цифровой преобразователь (SD-ADC), контур управления которого может пытаться поддерживать ряд на постоянном напряжении и может вводить достаточный заряд для выполнения этого. Посредством измерения этого заряда, SD-ADC может непосредственно преобразовывать ток в цифровое значение и может поддерживать ряд с низким импедансом, что может потребоваться. Реализация с SD-ADC может быть склонна к интегрированию типовых процессов комплементарной структуры металл-оксид-полупроводник (КМОП), так как SD-ADC использует переключатели, конденсаторы и цифровую логику.
Другие реализации для вычисления периода интегрирования могут использовать более простые схемы с коммутируемыми конденсаторами. Например, одна такая схема с коммутируемыми конденсаторами может быть выполнена посредством построения RC-фильтра нижних частот, в котором C - емкость реального конденсатора, и R - сопротивление резистора с коммутируемыми конденсаторами со значением 1/(f*Cut), где Cut представляет собой испытываемый конденсатор, и f - частота коммутации. Посредством измерения постоянной времени этого фильтра - например, посредством подачи ступеньки на нее, и измерения времени, в течение которого она достигает некоторого порога напряжения, или подачи ступеньки, позволяя ей установиться в течение фиксированного времени, и измерения напряжения после этого времени - может быть возможным измерение Cut. Другие подобные реализации схем на коммутируемых конденсаторах, в которых постоянный ток разряжает интегрирующий конденсатор, в то время как ток коммутируемого конденсатора заряжает его, включают в себя контур управления, который поддерживает постоянное напряжение на интегрирующем конденсаторе.
Описания в данном документе обеспечиваются для реализаций и (1) методов, включающих в себя емкостный датчик касания, который использует обработку цифровых сигналов для корреляции передаваемой формы волны с сигналом на приемнике в датчике; (2) методов для матрицы емкостного восприятия касания, которая имеет передатчики и приемники, где передатчики посылают ортогональные формы волны, и каждый приемник коррелирует по отношению к каждой передаваемой форме волны отдельно; (3) методов для локального улучшения отношения сигнал-шум в емкостном датчике касания посредством селективного сканирования; (4) методов для обеспечения помехозащищенности в передаваемой форме волны для емкостного датчика касания; и (5) методов для разработки аналоговых входных схем для систем емкостного восприятия касания.
Корреляция в приемнике
В данном документе описываются несколько методов и реализаций, включающих в себя емкостный датчик касания, который использует обработку цифровых сигналов для корреляции передаваемой формы волны с сигналом на приемнике в датчике. В одной реализации, например, выходное напряжение VD0 от аналоговой входной схемы системы датчика может выбираться, используя аналого-цифровой преобразователь (ADC). Корреляция этого дискретного во времени сигнала по отношению к передаваемой форме волны затем может вычисляться цифровым методом как сумма по периоду интегрирования VD0[k]*E[k], где E[k] представляет собой ожидаемый принимаемый сигнал. Эта сумма может вычисляться, например, посредством использования программируемой вентильной матрицы (FPGA) посредством выбора E[k] равного 0, -1 или +1, где корреляция может вычисляться посредством сумматора и/или вычитателя. Эта реализация может вводить относительно небольшую ошибку и может принимать во внимание эффективную реализацию в цифровой логике.
Ожидаемый сигнал E[k] может определяться для того, чтобы выполнить корреляцию. При некоторых реализациях принимаемый сигнал может быть ориентировочно таким же, что и передаваемый сигнал, так что этот принимаемый сигнал может использоваться для корреляции по отношению к этому же сигналу, который передается. На практике, эти реализации могут не создавать точный E[k] по крайней мере из-за характеристик матрицы датчика, которая может вызывать задержку, ослабление и/или фазовые сдвиги. Например, матрица датчика может быть выполнена из длинных рядов и столбцов, которые могут иметь структуру из прозрачного проводящего материала. Эти материалы могут иметь относительно большое электрическое сопротивление. Например, соединительные линии, выполненные из оксида индия и олова (ITO) могут иметь допустимую максимальную толщину, соответствующую поверхностному сопротивлению слоя около 50 Ом/кв. Элементарная ячейка, например, может иметь три или четыре квадрата, и типовым шагом структуры может быть, например, около 5 мм. 500-мм межсоединение, которое обычно используется в 1000-мм дисплее, например, может иметь около 100 ячеек, или 400 квадратов, или ~20 кОм сопротивления. Более толстое покрытие ITO может уменьшать это сопротивление, а также увеличивать оптические потери и затемнение. При 30 Ом на квадрат, типовое покрытие ITO может не быть приемлемым по внешнему виду для некоторых реализаций. Более тонкие покрытия, с поверхностным сопротивлением сотен Ом на квадрат, например, могут использоваться в меньших экранах, например, в экранах сотовых телефонов и других портативных устройств, где линии в таких экранах значительно короче, так что полное сопротивление не является таким большим.
Датчик также может иметь некоторую емкость от, по меньшей мере каждого ряда к каждому столбцу, и от каждого ряда или столбца к плоскости заземления (например, заземленный по переменному току металл LCD). В одном подходе для оценки значений ячейка может иметь площадь около 5*5/2~10 мм^2, например, и, если отделена на 0,5 мм от плоскости заземления материалом с диэлектрической постоянной около 3, тогда она может иметь общую емкость около 1 пФ. Емкость параллельных пластин C=epsilon*A/d может быть несколько меньше этой величины, но краевые поля могут иметь существенный вклад емкости. Произведение tau=RC может составлять около 2 мкс, соответствуя частоте 80 кГц при -3 дБ, предполагая, что каждое из этих сопротивлений и емкостей представляет собой элементы с сосредоточенными параметрами.
На практике, как сопротивление, так и емкость имеют тенденцию быть распределенными и могут быть грубо однородно распределенными по соединительной линии. Например, емкость (или сопротивление) может быть неравномерной по ячейке, но относительно постоянной на ячейку, и ячейки могут быть малыми по сравнению с общей длиной линии, так что емкость может быть грубо однородной по всей длине линии. Следовательно, в другом подходе для оценки значений схема для датчика может анализироваться как линия передачи с ничтожно малой индуктивностью L и шунтирующей проводимостью G и при данных R и C. Независимо от подхода, принятого для анализа, сигнал на линии стремится к ослаблению (т.е. меньшей амплитуде) и задержке (или, эквивалентно, фазовому сдвигу) по сравнению с передаваемым сигналом. Описываются реализации, где приемник может быть выполнен с возможностью компенсации этих действий.
В некоторых реализациях компенсация может выполняться посредством применения ожидаемого фазового сдвига (или задержки) к ожидаемой форме E[k] волны и корреляции по отношению к задержанной версии сигнала. Корректная задержка может быть разной для каждого пересечения в матрице, хотя может быть ничтожно малой ошибка, вводимая коррекцией фазы только по более длинному размеру датчика и не принятием во внимание действий более короткого размера (например, коррекцией их только по рядам, для типового дисплея с отношением 16:9 в альбомном формате). Корректный фазовый сдвиг может определяться экспериментально, например, посредством измерения корреляции с многочисленными фазовыми сдвигами и выбора фазового сдвига, который увеличивает и максимизирует эту корреляцию. Корректный фазовый сдвиг также может определяться экспериментально посредством корреляции по отношению как к синфазной, так и квадратурной (например, сдвинутой на девяносто градусов) версиями передаваемого сигнала, и затем вычисления корректного фазового сдвига phi=atan(corr_q, corr_i) из этих корреляций. В некоторых реализациях ожидаемый фазовый сдвиг может вычисляться с использованием известного сопротивления и емкости датчика, или фазовый сдвиг может интерполироваться между небольшим количеством экспериментально измеренных фазовых сдвигов.
Фиг.2 изображает графическое представление примера, относящегося к действиям ослабления и фазового сдвига от фильтрации резистивно-емкостной (RC) линии. Графическое представление изображает графики нескольких сигналов, основанных на уровне напряжения во времени, где графическое представление основывается на модели 235, где одна ячейка добавляет шунтирующую емкость 2 пФ и последовательное сопротивление 150 Ом (которое может быть типичным, например, если датчик использует покрытие ITO с 50 Ом/квадрат), и возбуждении 100 кГц. Как показано на фиг.2, когда исходный передаваемый сигнал 205 посылается по датчику для длины линии 10 ячеек, принимаемый сигнал 210 задерживается/сдвигается его фаза и имеет меньшую амплитуду, чем исходный передаваемый сигнал 205. Когда исходный передаваемый сигнал 205 посылается по датчику по длине линии в 100 ячеек, принимаемый сигнал 230 задерживается/сдвигается его фаза 220 и имеет большее ослабление 215 и меньшую амплитуду, чем исходный передаваемый сигнал 205 и принимаемый сигнал 210. Когда исходный передаваемый сигнал 205 посылается по датчику по длине линии в 300 ячеек, принимаемый сигнал 225 задерживается/сдвигается его фаза и имеет меньшую амплитуду, чем исходный передаваемый сигнал 205, принимаемый сигнал 210 и принимаемый сигнал 230.
Если форма волны передачи включает в себя энергию на единственной частоте, тогда действие RC-линии может описываться как ослабление и фазовый сдвиг. Если форма волны является более сложной - например, если шумоподобный код используется для увеличения ширины полосы частот сигнала и улучшения электромагнитной совместимости (ЭМС) системы - тогда разные частотные составляющие сигнала могут преобразовываться по-разному, и преобразование, применимое к сигналу, может быть более сложным. Это преобразование может моделироваться или измеряться эмпирически и также может применяться к ожидаемой форме волны. Например, преобразование может моделироваться так, чтобы иметь фазовый сдвиг (например, задержку) и ослабление на конкретной частоте, действие линейной фильтрации или любую их комбинацию. Преобразование может применяться к синусоидальной форме волны для ожидаемого сигнала корреляции или к несинусоидальной форме волны для ожидаемого сигнала корреляции. Сигнал корреляции может быть в аналоговой области или в цифровой области.
В некоторых реализациях система может быть чувствительная к задержке по RC-линиям, только потому что она выполняет фазово-когерентную демодуляцию в своем приемнике. Некогерентный приемник (например, пиковый детектор или система, которая вычислила корреляции по отношению как к синфазной, так и квадратурной версиям сигнала и возвратила sqrt(corr_q^2+corr_i^2), или некоторую аппроксимацию этой функции) может не иметь требования для такой коррекции. Но когерентная демодуляция может использоваться для уменьшения мощности принимаемого шума на коэффициент, равный двум, предполагая, что шум поступает со случайной фазой. Когерентная демодуляция может способствовать улучшению SNR.
В некоторых реализациях, если датчик возбуждается только с двух краев (например, один край для рядов, и один край для столбцов), тогда произведение R*C может определяться сопротивлением и емкостью на единицу длины линий и фактическими длинами линий, где наихудшим случаем может быть конец каждого межсоединения, самый дальний от контактов, для которых полное сопротивление и полная емкость могут определяться как R и C соответственно. В других реализациях датчик может возбуждаться со всех четырех краев, для которых постоянная времени RC может быть уменьшена со случая, когда датчик возбуждается только с двух краев. Полное сопротивление наихудшего случая для этих реализаций, например, может иметь место в центре линии, а не на любом крае. Эта точка может возбуждаться двумя линиями с половиной от полной длины или двумя резисторами со значением R/2 в параллель, или (R/2)/2=R/4. Емкость может быть неизменной для этих реализаций. Поэтому, посредством возбуждения линий с обоих концов, вместо только одного конца, постоянная времени может быть уменьшена с коэффициентом четыре, и может быть увеличение граничной частоты линии с коэффициентом четыре.
В одной реализации эта конфигурация для генерирования коэффициента четырех может достигаться посредством соединения двух концов межсоединения с проводящим (например, медным) проводом и трассировкой этого межсоединения по всему датчику.
Фиг.3 изображает графическое представление примера схемы 300, включающей в себя передатчики, имеющие соответствующую логику управления для возбуждения напряжений по линиям матрицы. Схема 300 включает в себя идентичные копии одинаковой схемы на обоих концах линий 320, и логику управления для возбуждения их идентичными формами волны. D-триггеры установлены в регистрах сдвига, таких как регистр 350 сдвига. Схема включает в себя передатчики, причем каждый имеет длинный высоковольтный регистр сдвига, с одним выходом на столбец, и высоковольтный (HV) возбудитель 330 для возбуждения соответствующей линии 320 ITO. Отдельный регистр 350 сдвига подсоединен к каждой стороне матрицы, и две цепочки регистров сдвига обеспечиваются с одними и теми же логическими входами 340, 345, так что их выходные сигналы повторяются с одинаковой частотой.
На фиг.3 схема является симметричной, и соединительные линии могут быть необязательно разделены 360 посередине. С симметрией схемы на любой стороне являются идентичными, и напряжения на любой стороне разделения могут быть равными, и ток может не протекать через эту точку независимо от того, разделена ли она или нет. Ошибка в схеме возбуждения, например, могла бы привести к протеканию тока, если бы межсоединения были оставлены соединенными, и два конца возбуждались бы противоположными напряжениями. Но маловероятно, что эта ошибка в схеме возбуждения может иметь место, и сопротивление соединительной линии может быть достаточно большим, так что ток может ограничиваться безопасной величиной в любом случае. Если бы соединительные линии были разделены, и имела бы место неисправность с обрывом цепи где-то вдоль межсоединения, тогда участок этой соединительной линии был бы обесточен. Если бы соединительная линия была оставлена подсоединенной, тогда даже с одной неисправностью обрыва цепи полная длина соединительной линии оставалась бы подключенной, хотя одна из линий могла бы быть значительно длиннее, чем другая (и длиннее, чем половина полной длины), в зависимости от того, где имела бы место неисправность. На практике, решение, разделять ли линии или нет, может быть произвольным для данного типа симметричной реализации.
Реализации также могут применяться для корреляции по отношению к другой форме волны (например, другой фазе) для каждого пересечения, в соответствии с ожидаемой задержкой по RC-линиям. Некоторые реализации могут коррелировать одновременно по отношению к многочисленным формам волны.
Фиг.4 изображает графическое представление примера схемы, включающей в себя передатчики и приемники для возбуждения напряжений и восприятия токов по линиям матрицы. Фиг.4 изображает симметричную конструкцию для схемы 400 по направлениям как столбцов, так и рядов. Схема 400 имеет по меньшей мере один передатчик 403 в каждом ряду 407 и по меньшей мере один приемник 405 на каждом столбце 409. Конкретно, схема 400 имеет два передатчика 403, 413 на каждом ряду 407 и по меньшей мере один приемник 405 или 419 на каждой линии 409 или 429. В верхней половине схемы 400 ток от передатчика 410 может приниматься только верхними приемниками. В нижней половине схемы 400 ток от передатчика 420 может приниматься только нижними транзисторами.
На стороне приемников соединительная линия разделена в середине, и выходной сигнал от приемника каждой половины может обрабатываться отдельно. Эта реализация позволяет одновременно возбуждать два передатчика, пока их столбцы находятся на противоположных сторонах разделения, так как они обрабатываются разными наборами приемников. В результате, все столбцы могут сканироваться с удвоенной скоростью, за исключением тех, которые находятся очень близко к разделению. Эта реализация также может удваивать частоту кадров при данном одинаковом времени интегрирования, или может удваивать время интегрирования при данной одинаковой частоте кадров.
Фиг.5 изображает графическое представление примера трехмерного (3D) сетчатого графика 500 измеренной емкости 520 в отношении положений 510 на матрице на поверхности датчика касания. На 3D сетчатом графике 500 ось z представляет измеренную базовую емкость, и ось x и ось y представляют положения в матрице на поверхности датчика касания. Когда интенсивность принимаемого сигнала коррелируется для каждого пересечения на графике 500, интенсивность принимаемого сигнала уменьшается по длинным линиям матрицы. График 500 показывает, например, что имеется экспоненциальное уменьшение интенсивности 530 принимаемого сигнала в зависимости от положения из-за ослабления в RC соединительных линиях. График 500 включает в себя изменения измеренной емкости, которые могут быть вследствие шума или некоторого другого механического изменения в узле.
Разделенные по коду (относительно разделенных во времени) формы волны передачи
Описываются методы и реализации для матрицы емкостного восприятия касания, которая имеет передатчики и приемники, где передатчики могут посылать ортогональные формы волны, и каждый приемник может отдельно коррелировать по отношению к каждой переданной форме волны.
В некоторых реализациях выполняется измерение интенсивности принимаемого сигнала, коррелированной по отношению к ожидаемой форме волны, которая является пропорциональной емкости в матрице. Отношение сигнал-шум этого измерения может представлять собой функцию времени интегрирования, где более длительные времена интегрирования могут использоваться для достижения более высоких отношений сигнал-шум. В некоторых реализациях формы волны возбуждения могут быть ортогональными друг другу и могут передаваться одновременно, и в других реализациях формы волны возбуждения могут быть ортогональными друг другу, а также шуму, и могут передаваться одновременно.
В некоторых реализациях путем повышения отношения сигнал-шум в емкостном датчике касания является увеличение времени интегрирования. Энергия принимаемого сигнала может увеличиваться линейно с этим временем, в то время как энергия, принимаемая в результате случайного шума, увеличивается только как квадратный корень. Так как частота кадров системы также масштабируется с временем интегрирования, это может представлять собой компромисс между частотой кадров и SNR. Могут быть сделаны другие реализации, которые могут одновременно приводить в действие многочисленные передатчики, используя кодовое разделение вместо временного разделения.
Фиг.6A и 6B изображают графические представления примеров формы волны для передатчиков. Фиг.6A имеет формы волны с возбуждением, включающим в себя мультиплексирование с временным разделением, и фиг.6B имеет формы волны с возбуждением, включающим в себя мультиплексирование с кодовым разделением. Например, фиг.6A изображает передатчики 625, 630, 635, 640, где передатчики имеют формы 620 волны, которые разделены во времени относительно друг друга (например, мультиплексирование с временным разделением). Например, передатчик 630 имеет последовательность [0, 0, 1, -1, 0, 0, 0, 0] форм волны, где график 615 напряжения в зависимости от времени изображает, что цифровое значение 1 представляет напряжение выше 0 В, цифровое значение -1 имеет напряжение ниже 0 В, и цифровое значение 0 представляет 0 В. Передатчик 625 имеет последовательность [1, -1, 0, 0, 0, 0, 0, 0] форм волны, передатчик 635 имеет последовательность [0, 0, 0, 0, 1, -1, 0, 0] форм волны, и передатчик 640 имеет последовательность [0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, -1] форм волны. Для этой реализации в любой момент времени только одна из этих форм волны является ненулевой, так что они являются ортогональными.
Фиг.6B изображает передатчики 675, 680, 685, 690, где передатчики имеют формы 670 волны, которые являются ортогональными в отношении друг друга, но где в любой данный момент времени многочисленные передатчики могут передавать ненулевое напряжение (например, мультиплексирование с кодовым разделением). Например, передатчик 690 имеет последовательность [1, -1, -1, 1, -1, 1, 1, -1] форм волны, где график 665 напряжения в зависимости от времени изображает, что цифровое значение 1 представляет напряжение выше 0 В, цифровое значение -1 имеет напряжение ниже 0 В, и цифровое значение 0 представляет 0 В. Передатчик 675 имеет последовательность [1, -1, 1, -1, 1, -1, 1, -1] форм волны, передатчик 680 имеет последовательность [-1, 1, 1, -1, -1, 1, 1, -1] форм волны, и передатчик 685 имеет последовательность [-1, 1, -1, 1, 1, -1, 1, -1] форм волны. Даже если последовательность Адамара с манчестерским кодом показана на фиг.6B, последовательность не ограничивается этим типом последовательности. В общем, может использоваться любая ортогональная последовательность. В некоторых реализациях, например, ортогональная последовательность может использоваться для модуляции более чем только одного цикла несущей, чтобы сузить полосу частот сигнала.
В реализациях, подобных фиг.6B, передатчики посылают ортогональные формы волны, и каждый приемник, вместо выполнения только одной корреляции, коррелирует отдельно по отношению к каждой передаваемой формы волны. Ортогональные формы волны, в основном, могут генерироваться в любом количестве реализаций. Например, (почти) ортогональные шумоподобные коды могут генерироваться посредством выполнения последовательных циклических сдвигов последовательности регистра сдвига максимальной длительности. Некоторые реализации могут включать в себя классы кодов, которые могут использоваться в многостанционном доступе с кодовым разделением каналов (CDMA), или ортогональные чистые тоны (например, немодулированные несущие на единственной постоянной частоте) могут генерироваться и демодулироваться эффективно посредством быстрого преобразования Фурье (FFT) в качестве мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM).
Одной из главных причин передачи по многочисленным столбцам одновременно является увеличение полной передаваемой энергии и, таким образом, улучшение SNR посредством увеличения уровня сигнала, в то время как шум остается неизменным. Другой причиной, хотя в некоторой степени менее важной, является использование широкополосного кодового слова, которое может использоваться в присутствие узкополосного аддитивного шума.
Хотя эти коды являются ортогональными по всему периоду (т.е. интеграл от 0 до T code_1(t)*code_2(t)=0), они не являются обязательно ортогональными по более короткому периоду (т.е. этот интеграл для более короткого времени не является обязательно равным нулю). Это может означать, что очень кратковременное касание или движение пальца пользователя во время периода интегрирования может вызвать паразитные корреляции по отношению к другим кодам, эффективно повышая уровень собственных шумов системы. Это действие может стать более существенным, когда увеличивается время интегрирования, и когда увеличивается количество одновременных кодов. Это может практически ограничивать время интегрирования, которое может ограничить допустимое количество одновременных кодов.
Реализации требуемого метода передачи, поэтому, могут применяться частично. В некоторых реализациях передача может происходить по малому количеству столбцов одновременно, вместо передачи только по одному столбцу одновременно (например, традиционная система только с временным разделением), или по всем столбцам одновременно (например, простая система CDMA). Например, если имеется 90 столбцов в матрице, тогда эти столбцы могут возбуждаться парами, и кадры могут быть разделены на 45 времен интегрирования. В другом примере, столбцы могут возбуждаться тройками (например, одновременно три), и кадр может быть разделен на 30 времен интегрирования. Посредством передачи только по меньшему количеству столбцов одновременно, период интегрирования сохраняется достаточно коротким, что палец пользователя грубо является неподвижным в течение этого периода, и не имеет место паразитная корреляция.
Разделенные во времени формы волны для этого метода могут быть ортогональными по любому интервалу, например, и не только в течение полного периода форм волны. Это может означать, что движение пальца пользователя во время измерения может вести себя как ожидается посредством только взвешивания каждой принимаемой формы волны в соответствии с величиной времени, в течение которого палец пользователя находился в соответствующем расположении датчика или около него.
Некоторые реализации для определения ортогональных форм волны возбуждения могут включать в себя выбор первой частоты для модуляции, генерирование псевдошумовой последовательности около первой частоты, генерирование сигнала несущей для псевдошумовой последовательности и модуляцию нескольких циклов сигнала несущей около первой частоты псевдошумовой последовательностью. Первая частота, в основном, может быть около 100 кГц, и при этом несколько сигналов несущей меньше, например, десяти. Если электрический шум от источника вне датчика присутствует в узком диапазоне известных частот (например, частота обновления строк LCD, или частота работы флуоресцентной лампы подсветки с холодным катодом), тогда все формы волны возбуждения могут быть разработаны ортогональными этим частотам шума. В некоторых реализациях генерирование формы волны, которая является ортогональной некоторой частоте шума, может зависеть от по меньшей мере как частоты модуляции, так и основного псевдошумового кода.
В некоторых реализациях, если электрический шум от источника вне датчика присутствует в узком диапазоне частот, но точные частоты неизвестны, тогда эти частоты могут быть измерены, и формы волны возбуждения могут быть выбраны адаптивно во время выполнения ортогональными измеренным источникам шума. Частоты шума могут определяться, например, посредством удержания большинства или всех передатчиков на постоянном выходном напряжении и измерения спектра сигнала, который поступает на приемники. Это измерение может повторяться, например, с интервалом, соответствующим частоте, с которой ожидается изменение неизвестной частоты, или выполняться непрерывно и усредняться с постоянной времени, соответствующей частоте, с которой ожидается изменение неизвестной частоты.
Локальное улучшение отношения сигнал-шум
Описываются методы и реализации для локального улучшения отношения сигнал-шум в емкостном датчике касания посредством селективного сканирования.
В некоторых применениях может быть полезным знать не только то, когда пользователь касается датчика, но также то, когда пользователь собирается коснуться датчика (например, когда пользователь удерживает свой палец в пределах нескольких миллиметрах от датчика, но не касаясь его). Возможность обнаружения этого состояния иногда упоминается как состояние «зависания».
Описываются методы для измерения «зависания», используя только стандартную дифференциальную емкость. Например, методы могут включать в себя измерение «зависания» посредством сохранения соответствующей частоты кадров для целевых рабочих характеристик касания (например, около 120 Гц) и временного усреднения выходных корреляций для создания сигнала с меньшей скоростью и меньшим шумом для состояния «зависания». Методы также могут включать в себя пространственное усреднение посредством свертки каждого изображения кадра с ядром размера ожидаемой реакции. Например, когда пользователь касается матрицы, пользователь может создать, например, пятно диаметром около 10 мм. Когда пользователь отодвигает свой палец от матрицы, интенсивность этого пятна может уменьшаться, но диаметр пятна может увеличиваться. Поэтому уменьшенное пространственное разрешение может быть приемлемым для данного примера.
Могут быть другие методы для повышения шумовых характеристик посредством выбора некоторых элементов передачи для дополнительного времени интегрирования. Например, может быть начальное сканирование матрицы для определения, что элементы датчика в (3, 5) и (8, 2) находятся выше порогового условия для обнаружения состояния зависания (например, порога зависания), но порог зависания может быть очень близок к уровню собственных шумов, который может запускать ложное приведение в действие. Чтобы избежать запуск ложного приведения в действие, столбцы 5 и 2 могут сканироваться в течение дополнительного интервала, и эти результаты могут усредняться с исходными данными для улучшения отношения сигнал-шум для этих возможных вариантов. Если улучшенное измерение все еще находится выше порога зависания, тогда может быть предоставлен отчет об измерении, в противном случае измерение может быть отклонено. Частота кадров может не ухудшаться существенно, пока только выполняется касание малой доли столбцов или выполняется зависание над ними в данный момент времени. В некоторых других реализациях, когда имеется меньшее количество приемников чем рядов, приемники также могут мультиплексироваться во времени посредством выбора ряда.
Другие методы могут использоваться даже только для касания, например, для состояния, что размер экрана является слишком большим для полного сканирования для возврата данных с допустимым SNR и частотой кадров. Может быть возможным, например, сканирование всего экрана с коротким временем интегрирования и затем повторное сканирование только тех столбцов, в которых могли присутствовать касания, в соответствии с начальным сканированием. Также может быть возможным, например, сканирование тех столбцов, в которых присутствовали касания в предыдущем кадре с длинными временами интегрирования, и сканирование остальной части матрицы с более коротким временем интегрирования, или даже меньшим чем один раз на кадр (например, со структурой чередования). Из этих подходов начальное касание может иметь несколько увеличенную задержку, но уменьшенную задержку на последующих кадрах.
Фиг.7A и 7B изображают графические представления примеров временных диаграмм для кадров и подкадров. Фиг.7A и 7B изображают методы локального улучшения SNR посредством селективного сканирования, включающего в себя выполнение сканирования всего датчика со структурой чередования (например, чередование 1:4, полные кадры с частотой около 30 Гц и подкадры с частотой около 120 Гц), в то же время сканируя те столбцы, которые имели касания в последнем кадре, с полной скоростью (с задержкой 120-Гц системы, если пользователь коснулся ее).
Фиг.7A изображает графическое представление примера сканирования с частотой сканирования 30 Гц для кадра 715 с четырьмя подкадрами 720, 725, 730, 735, имеющими частоту подкадров 120 Гц. Фиг.7A изображает, что имеется 16 столбцов на кадр с четырьмя столбцами на подкадр и четырьмя подкадрами на кадр. Сканирование на фиг.7A изображает структуру чередования без касаний.
Фиг.7B изображает графическое представление примера сканирования с частотой сканирования 30 Гц для кадра 765 с четырьмя подкадрами 770, 775, 780, 785, имеющими частоту подкадров 120 Гц. Фиг.7B изображает, что имеется 16 столбцов на кадр с четырьмя столбцами на подкадр и четырьмя подкадрами на кадр. Сканирование на фиг.7B изображает структуру чередования с касанием в столбце 4, где столбцы 3, 4 и 5 всегда сканируются для улучшения задержки. В некоторых реализациях задержка системы может составлять около 120 Гц, если пользователь коснулся ее.
Фиг.8A изображает блок-схему последовательности операций примера способа 810 для сканирования полного кадра датчика. Фиг.8A изображает способ 810 с чередованием 4:1, где первый набор выборочных столбцов сканируется, и столбцы сканируются из списка касаний на данный момент, и второй набор выборочных столбцов сканируется, и другие столбцы сканируются из списка касаний на данный момент. Способ включает в себя сканирование столбцов 0, 4, 8, … (805) и сканирование столбцов из списка (810) «касаний на данный момент». Затем сканируются столбцы 1, 5, 9, … (815), столбцы из списка (820) «касаний на данный момент», затем сканируются столбцы 2, 6, 10, … (825), сканируются столбцы из списка (830) «касаний на данный момент, и затем сканируются столбцы 3, 6, 11, … (835) и сканируются столбцы из списка (840) «касаний на данный момент». В данном способе 810 первый набор выборочных столбцов включает в себя столбцы с 0 до n, где n представляет собой целое число, и столбцы, которые выбраны, включают в себя каждый четвертый столбец между столбцом 0 и столбцом n; второй набор выборочных столбцов включает в себя столбцы с 0 до n, и где столбцы, которые выбраны, включают в себя каждый четвертый столбец между столбцом 1 и столбцом n; третий набор выборочных столбцов включает в себя столбцы с 0 до n, и где столбцы, которые выбраны, включают в себя каждый четвертый столбец между столбцом 2 и столбцом n; и четвертый набор выборочных столбцов включает в себя столбцы с 0 до n, и где столбцы, которые выбраны, включают в себя каждый четвертый столбец между столбцом 3 и столбцом n.
Фиг.8B изображает блок-схему последовательности операций примера способа 850 для сканирования одного столбца датчика. Способ 810 включает в себя сканирование всех рядов в активном столбце одновременно (855), очистку бита «касаний на данный момент» для данного столбца (860) и затем выполнение другого способа 880, который может включать в себя повторение некоторых считываний и измерений для каждого ряда в столбце (или последовательно, или параллельно). Считывания и измерения включают в себя способ 880 для считывания измерений для ряда i (865) и, если измерение ниже базового уровня, установку бита «касаний на данный момент» для этого столбца (870). Различные сканированные столбцы на фиг.8A и 8B могут иметь многочисленные сканирования и их принятые сигналы усредненными. Объединенный SNR может быть выше SNR для единственного сканирования.
Разработка формы волны передачи для помехозащищенности
Описываются методы и реализации для обеспечения помехозащищенности в передаваемой форме волны для матрицы емкостного восприятия касания.
Если датчик касания используется и/или реализуется поверх LCD, тогда преобладающий источник шума, вероятно, порождается из работы LCD. Например, LCD может иметь около 1000×1000 пикселей, может выполнять около 100 кадров в секунду и может иметь частоту сканирования линий, которая составляет, поэтому, около (100 кадров/с)*(1000 линий/кадр)=100 000 линий/с, или 100 кГц. Это может быть вполне заметным для больших дисплеев, таких как для телевизоров с плоским экраном и больших мониторов. Это может быть близко к частоте возбуждения емкостного датчика касания и может, поэтому, рассматриваться как внутриполосный «шум». В некоторых из этих реализаций частота возбуждения может выбираться так, что форма волны возбуждения является ортогональной частоте сканирования линий LCD на периоде интегрирования, для которого частота сканирования линий LCD включает в себя сигнал, который является преобладающим источником «шума».
В некоторых реализациях, если передаваемая форма волны представляет собой немодулированную несущую, тогда пара частот может выбираться, используя этот же или подобный процесс, что и используемый для выбора пары частот для ортогональной частотной манипуляции (OFSK). Например, частоты f и 2f могут быть ортогональными на периоде 1/f, независимо от их относительных фаз. Если LCD имеет частоту сканирования линий 100 кГц, тогда сканирование матрицы может проводиться или при 50 кГц, или при 200 кГц, и период интегрирования может выбираться как кратное или 20 мкс или 10 мкс. Шум вокруг частоты сканирования линий тогда будет полностью подавляться. Могут быть разработаны более сложные формы волны в частотной области и затем преобразовываться преобразованием Фурье или могут быть разработаны с использованием этих же алгоритмов, что и при выборе коэффициентов фильтра с импульсной характеристикой конечной длительности (FIR) для конкретной частотной характеристики. Так как корреляция имеет место в цифровой области, она может подавлять шум, только если цифровые сигналы представляют собой приблизительно точное представление аналогового тока в ряду. Если ADC входит в режим насыщения, например, тогда это не будет данным случаем, и весь шум не будет подавляться. Чтобы рассмотреть режим насыщения ADC, коэффициент усиления для ADC может быть выбран так, что преобразователь не входит в режим насыщения с максимальным или наибольшим ожидаемым уровнем шума и максимальным или наибольшим уровнем сигнала.
Некоторые другие реализации могут включать в себя размещение режекторного фильтра в тракте приема для подавления частоты шума. Это может подавить шум, но если форма волны возбуждения все еще имеет энергию вокруг этой частоты, тогда эта составляющая передаваемого сигнала может подавляться приемником. Это может означать, что не использовалась энергия, используемая для передачи этой составляющей сигнала. Некоторые альтернативные реализации могут специально разрабатывать передаваемый сигнал так, чтобы он не имел составляющей на частоте шума, что может позволить системе полностью использовать ее передаваемую мощность, в то же время подавляя шум.
Для этого подхода может быть полезным, если частота шума будет известна заранее, что, как правило, имеет место для LCD. Например, LCD может работать с постоянными тактовыми импульсами пикселей и с постоянными временными соотношениями, независимо от временных соотношений входного сигнала, и может выполнять повторную дискретизацию входного сигнала для выполнения в пределах его внутренней временной шкалы. Но если частота шума не была известна заранее по некоторой причине, или если стало необходимым подавить некоторый другой источник узкополосного шума из окружающей среды, тогда реализации могут включать в себя адаптивный выбор формы волны передачи в соответствии со спектром шума, измеренного на приемниках. В некоторых реализациях могут адаптивно выбираться пороги для обнаружения касания в соответствии с величиной принимаемого шума, так что, если шум окружающей среды является высоким, тогда может быть увеличен порог для обнаружения касания, и может быть уменьшена вероятность запуска ложного касания.
Фиг.9 изображает графическое представление примера «шума» на выходе аналоговой входной части системы перед выполнением демодуляции. Графическое представление 900 включает в себя пример формы 915 волны напряжения шума напряжения в зависимости от времени. Форма 915 волны напряжения включает в себя по меньшей мере две аддитивные составляющие: стохастическую составляющую 920, соответствующую источникам случайного шума, и детерминированную составляющую 930, соответствующую частоте обновления строк LCD. Графическое представление 900 включает в себя шум, взятый из моделируемого примера.
Фиг.10 изображает графическое представление примера шума после выполнения демодуляции с хорошим выбором формы волны возбуждения. Графическое представление 1000 изображает форму 1015 волны принимаемого шума в зависимости от времени. Ось y формы 1015 волны может быть в произвольных единицах в соответствии с выходным результатом ADC, так как здесь рассматривается ее относительное значение (т.е. SNR). Шум выглядит без видимой детерминированной структуры и, по-видимому, состоит только из стохастической составляющей 1010. Величина шума является малой (например, около 4 единиц счета среднеквадратичного значения (RMS)). Графическое представление 1000 включает в себя шум, взятый из примера измеренных данных.
Фиг.11 изображает графическое представление примера шума после выполнения демодуляции с плохим выбором формы волны возбуждения. Графическое представление 1100 изображает форму 1115 волны принимаемого шума в зависимости от времени. Ось y формы 1115 волны выражена в тех же произвольных единицах, что и на фиг.10. Шум в форме 1115 волны включает в себя по меньшей мере две аддитивные составляющие: стохастическую составляющую, соответствующую источникам случайного шума, и детерминированную составляющую 1110, которая вследствие паразитной частоты обновления строк LCD после демодуляции. Величина шума на фиг.11 больше (например, около 20 единиц счета RMS), чем на фиг.10. Графическое представление 1100 включает в себя шум, взятый из примера измеренных данных.
Фиг.12 изображает графическое представление примера корреляции частоты шума по отношению к частоте возбуждения на периоде интегрирования. Графическое представление 1200 изображает синусоподобную форму 1215 волны взаимной корреляции между частотами шума и возбуждения на периоде интегрирования, где оптимальные варианты выбора для хороших частот возбуждения имеют место в нулях 1210 формы 1215 волны. Ось y графического представления была нормализована к значению единицы, когда равны частоты шума и возбуждения. В форме 1215 волны частота шума равна 135 кГц, и период интегрирования составляет 6 циклов частоты возбуждения.
В некоторых примерных реализациях на некоторых панелях LCD пачка импульсов широкополосного шума может генерироваться в течение узкого временного интервала времени полного кадра. Например, для одной панели 55 дюймов (139,7 см) с частотой 120 Гц широкополосный шум может генерироваться в течение около 150 мкс из 8,3-мс кадра. Этот шум может появляться в измеренном емкостном изображении в виде особенно зашумленного набора столбцов, так как кадр делится во времени на столбцы. Эти зашумленные столбцы могут перемещаться в пределах емкостного изображения, например, с частотой биений между частотой кадров LCD и частотой кадров емкостного датчика касания. Если LCD и датчик касания синхронизированы по частоте, тогда зашумленные столбцы могут быть неподвижными. Если LCD и датчик касания синхронизированы по фазе, тогда положение этих зашумленных столбцов может идентифицироваться, и измерение может быть остановлено в течение этого времени. Это может незначительно уменьшить доступное время интегрирования, но может улучшить шумовые характеристики наихудшего случая. Система может синхронизироваться по фазе посредством непосредственного подключения к сигналам тактирования и синхронизации пикселей LCD (например, сигнал разрешения данных DE). Если этот метод для фазовой синхронизации не является возможным, тогда система может синхронизироваться по фазе посредством просмотра измеренных данных и идентификации столбцов с наибольшим шумом. Система управления тогда может скорректировать частоту кадров, чтобы разместить столбцы с наибольшим шумом в требуемом или целевом положении. У этого метода нет необходимости иметь подключение к модулю LCD.
Некоторые реализации могут одновременно передавать многочисленные ортогональные формы волны возбуждения, например, посредством использования методов, подобных методам CDMA. Такие реализации могут быть способны выбрать все формы волны возбуждения, ортогональные частоте шума. Частота шума может быть известна заранее, и формы волны возбуждения могут быть разработаны ортогональными этой известной частоте. Если частота шума неизвестна заранее, тогда частота шума может измеряться с использованием приемников, и формы волны возбуждения могут выбираться, например, могут выбираться адаптивно.
Напряжение возбуждения
Шумовая характеристика системы, в основном, может определяться, например, посредством отношения сигнал-шум в приемнике. Как описано выше, различные методы могут повышать SNR, включая корреляцию по отношению к корректной ожидаемой форме волны, где действительная принимаемая энергия выделяется из сигнала, и выбор формы волны, ортогональной шуму для уменьшения общего принимаемого шума. Другим методом улучшению SNR может быть повышение мощности передачи. Например, маленькие емкостные датчики касания (например, с размером по диагонали около 4 дюйма (10,16 см)) могут работать при стандартном логическом уровне напряжения (например, около 3,3 В или несколько выше), и сенсорные экраны большего размера (например, с размером по диагонали около 15 дюймов (38,1 см) или более) могут работать, например, при напряжении около 10-20 В. Так как SNR может масштабироваться с напряжением, некоторые реализации могут улучшать SNR тем, что имеют систему, которая работает, например, с максимальным напряжением передачи 200 В. Это может увеличить излучаемые излучения, которые могут уменьшаться, например, посредством ограничения скорости нарастания выходного напряжения крутых фронтов, или посредством модуляции передаваемого сигнала шумоподобным (например, широкополосным) кодом. Это также может увеличивать ток через пользователя, но этот ток, например, может составлять не более десятков микроампер. Этот ток может быть значительно меньше порога восприятия, которое может составлять около 10 мА на представляющих интерес частотах. Так как порог восприятия увеличивается с частотой, когда восприятие изменяется от покалывания (из-за взаимодействий с нервами) до теплоты (из-за нагревания I^2*R тела), высокая частота может даже допускать увеличение максимального допустимого тока через пользователя. Кроме того, если только один столбец сканируется за один раз, и пользователь касается только небольшого количества столбцов, тогда средний ток дополнительно уменьшается. Это может означать, например, что, если пользователь касается 3 столбцов в 100-столбцовом датчике, тогда средний ток может составлять 3/100 от пикового тока.
Аналоговая входная схема
Описываются методы и реализации для разработки аналоговых входных схем для системы емкостного восприятия касания.
Фиг.13 изображает графическое представление примера выходных характеристик однокаскадного входного усилителя и двухкаскадного входного усилителя. Графическое представление 1300 изображает амплитудную характеристику 1320 однокаскадного усилителя и амплитудную характеристику 1330 двухкаскадного усилителя. Первый и второй каскадные усилители представляют собой входные усилители с коэффициентом усиления около 1 В/мкА, использующие операционные усилители с произведением коэффициента усиления на ширину полосы пропускания 10 МГц, и нагруженные однородной RC-линией с полной емкостью C=800 пФ и сопротивлением R=5 кОм. Амплитудная характеристика 1320 однокаскадного усилителя имеет нежелательный пик 1310 в коэффициенте усиления, который соответствует «звону» во временной области.
Некоторые реализации входных усилителей могут не пытаться воспользоваться всем трансимпедансным коэффициентом усиления на входе, так как может быть трудным сохранение усилителя стабильным с большой емкостью на землю на входе. Эти реализации могут использовать небольшой трансимпедансный коэффициент усиления на входе и за этим малым трансимпедансным коэффициентом усиления может следовать коэффициент усиления по напряжению для улучшения характеристик. Начальный трансимпедансный коэффициент усиления может быть выбран достаточно большим, так что шум устройства и другой шум этого первого каскада не преобладают, так как шум умножается на коэффициент усиления по напряжению второго каскада. Например, если полный шум, который может упоминаться на выходе второго каскада, как ожидается, составляет около 100 мВ RMS, и второй каскад имеет коэффициент усиления 10 В/В, тогда первый каскад может иметь шум устройства (и шум от других источников шума, включая шум, связанный, например, с источниками питания) ниже 10 мВ.
Фиг.14A изображает графическое представление примера схемы двухкаскадного входного усилителя. На схеме 1400A первый усилитель IC1A имеет опорное напряжение VREF на неинвертирующей входной клемме 3, и входной сигнал IN0 на инвертирующей входной клемме 2, причем первый конденсатор Cf обратной связи и первый резистор Rf обратной связи подсоединены между инвертирующей входной клеммой 2 и выходной клеммой 1 усилителя IC1A. Выходная клемма 1 соединена последовательно с конденсатором Ca, который последовательно соединен с резистором Ra. Второй усилитель IC1B имеет неинвертирующую клемму 5, соединенную с опорным напряжением VREF, и инвертирующую клемму 6, соединенную с резистором Ra. Второй конденсатор Cb обратной связи и второй резистор Rb обратной связи подсоединены между инвертирующей входной клеммой 6 и выходной клеммой 7 второго усилителя IC1B.
Реализация по фиг.14A может включать в себя высококачественную чисто аналоговую входную схему, использующую линейные усилители. Эта конфигурация может поддерживать входное напряжение очень близко к постоянному значению и может допускать значительную емкость на землю. На фиг.14 ряд датчика может быть соединен с входом IN0. Эта разработка может представлять собой трансимпедансный усилитель с коэффициентом усиления, определяемым посредством Rf и Cf. Этот усилитель 1400A может рассматриваться как интегратор с коэффициентом усиления (в единицах В/А) 1/(s*Cf), где s=j*2*pi*f представляет собой частоту входного сигнала. Резистор Rf может выбираться так, чтобы делать постоянную времени Rf*Cf меньшей периода интегрирования, чтобы предотвратить дрейф интегратора на входе. Например, при частоте возбуждения около 100 кГц эта постоянная времени может составлять около (2,2 нФ)*(2,2 кОм)=4,8 мкс, что меньше периода в 10 мкс. В комбинации с конденсатором в матрице датчика эта конфигурация может, по существу, образовывать делитель напряжения, поэтому, если напряжение передачи равно Vt, и исследуемая емкость датчика равна Cut, то усилитель IC1A может выводить напряжение Vt*Cut/Cf.
Принимая меньший трансимпедансный коэффициент усиления, за которым следует коэффициент усиления по напряжению, передаточная функция замкнутой цепи может быть стабильной, и можно избежать «звона» или колебаний, даже в присутствии большой емкости на землю на входе (что происходит, когда межсоединения являются длинными в больших дисплеях, например, где значения могут быть в сотнях пФ). В некоторых реализациях начальный трансимпедансный коэффициент усиления может выбираться достаточно большим, чтобы шум устройства операционного усилителя, и любой связанный с ним шум в схеме приемника, были несущественными по сравнению с шумом всей системы.
В некоторых реализациях, например, шум устройства и другой шум усилителя IC1A могут быть наиболее важными источниками шума, генерируемыми в системе, так как этот шум усиливается с коэффициентом усиления усилителя IC1B. В одном примере разработки, это может соответствовать емкости Cf около 2,2 нФ, сопротивлению Rf около 1,5 кОм и коэффициенту усиления по напряжению Rb/Ra около 20. В некоторых реализациях конденсатор Ca может выбираться так, чтобы создавать очень низкий коэффициент усиления около 60 Гц, где шум, вызванный пальцем пользователя, может иметь амплитуду, например, в десять или более раз больше амплитуды сигнала.
in
n
Фиг.14B изображает блок-схему последовательности операций примера для разработки входного усилителя с соответствующими значениями емкости и сопротивления для стабильности. В способе блок-схемы 1400 последовательности операций параметры включают в себя требуемый общий коэффициент G усиления, в котором единицы могут быть емкостью, и полную емкость C на входе усилителя, которая может моделироваться как емкость соединительных линий ITO в датчике. Другие параметры включают в себя частоту f возбуждения (или центральную частоту для широкополосного сигнала возбуждения, например, псевдошумовой последовательности) и ожидаемый полный шум I системы, который может передаваться от LCD, в единицах тока, и может быть ссылаемым на вход аналоговой входной схемы.
f
in
f
f
f
f
b
a
f
n
n
b
a
n
a
a
a
b
b
b
Способ включает в себя выбор C, сравнимой с полной входной емкостью C (1420), и выбор R около этой же величины импеданса как и C на представляющей интерес частоте, например, R=1/(2*pi*f*C) (1425). Способ включает в себя выбор отношения R/R, которое равно требуемому/целевому коэффициенту усиления, деленному на коэффициент усиления первого каскада, например, C/G (1430), и разработку первого каскада с полным шумом V напряжения (интегрированным по полосе частот системы), так что I/(2*pi*f*G)>>(R/R)*V (1435). Способ также включает в себя выбор C для ослабления около 500:1 при 60 Гц, так что емкость C=1/((R*500)*(60 Гц)*2*pi) (1440). Затем способ включает в себя выбор C для ослабления около 10:1 при 10*f, так что емкость C=1/((R/10)*(10*f)*2*pi) (1445).
Некоторые из требуемых вариантов осуществления объекта патентования и операции могут быть реализованы в цифровой электронной схеме или в компьютерном программном обеспечении, программно-аппаратном обеспечении или аппаратном обеспечении, включая конструкции, описанные в данном описании изобретения и их структурных эквивалентах, или в комбинациях одного или нескольких из них. Варианты осуществления объекта патентования, описанного в данном описании изобретения, могут быть реализованы в виде одной или нескольких компьютерных программ, т.е. одного или нескольких модулей инструкций компьютерной программы, кодированных на носителе данных компьютера для исполнения устройством обработки данных или для управления работой его. Альтернативно или в дополнение, инструкции программы могут кодироваться на искусственно сгенерированный распространяемый сигнал, например, генерируемый машиной электрический, оптический или электромагнитный сигнал, который генерируется для кодирования информации для передачи на подходящее устройство приемника для исполнения устройством обработки данных. Устройство обработки данных может включать в себя датчик, может быть частью датчика, может быть частью системы с датчиком, может быть интегрировано в систему и/или датчик, может быть частью приемников, передатчиков, компонентов и/или логики, связанной с датчиком или приемниками и/или передатчиками, или любой их комбинацией. Носитель данных компьютера может представлять собой, или может быть включен в, считываемое компьютером запоминающее устройство, считываемую компьютером запоминающую подложку, матрицу или устройство памяти с произвольным или последовательным доступом, или комбинацию одного или нескольких из них. Кроме того, хотя носитель данных компьютера не является распространяемым сигналом, носитель данных компьютера может представлять собой источник или пункт назначения инструкций компьютерной программы, кодированных в искусственно генерируемом распространяемом сигнале. Носитель данных компьютера также может представлять собой, или может быть включен в, один или несколько отдельных физических компонентов или носителей (например, многочисленные компакт-диски, диски или другие запоминающие устройства).
Операции, описанные в данном описании изобретения, могут быть реализованы как операции, выполняемые устройством обработки данных над данными, хранимыми на одном или нескольких считываемых компьютером запоминающих устройствах или принимаемыми от других источников.
Различные устройства, приборы и машины для обработки данных могут использоваться в качестве «устройства обработки данных», включая, в качестве примера, программируемый процессор, компьютер, систему на кристалле или многочисленные вышеупомянутые, или комбинации вышеупомянутых. Устройство может включать в себя логические схемы специального назначения, например, FPGA (программируемая вентильная матрица) или ASIC (специализированная интегральная схема). Устройство также может включать в себя, в дополнение к аппаратному обеспечению, код, который создает среду исполнения для рассматриваемой компьютерной программы, например, код, который составляет аппаратно-программное обеспечение процессора, стек протоколов, систему управления базой данных, операционную систему, межплатформную среду выполнения, виртуальную машину или комбинацию одного или нескольких из них. Устройство и среда исполнения могут реализовывать различные разные инфраструктуры модели вычислений, такие как веб-службы, распределенные вычислительные инфраструктуры и инфраструктуры сетевых вычислений.
Компьютерная программа (также известная как программа, программное обеспечение, прикладная программа, сценарий или код) может быть написана на языке программирования любого вида, включая компилируемый или интерпретируемый языки, декларативные или процедурные языки, и она может применяться в любой форме, включая в виде автономной программы или в виде модуля, компонента, подпрограммы, объекта или другой единицы, пригодной для использования в вычислительной среде. Компьютерная программа может соответствовать, но нет необходимости в этом, файлу в файловой системе. Программа может храниться в части файла, который содержит другие программы или данные (например, один или несколько сценариев, хранимых в документа на языке разметки), в одном файле, назначенным рассматриваемой программе, или в многочисленных координированных файлах (например, файлах, которые хранят один или несколько модулей, подпрограмм или частей кода). Компьютерная программа может применяться для исполнения на одном компьютере или на многочисленных компьютерах, которые расположены на одном узле или распределены по многочисленным узлам и соединены между собой посредством сети связи.
Процессы и логические потоки, описанные в данном описании изобретения, могут выполняться одним или несколькими программируемыми процессорами, исполняющими одну или несколько компьютерных программ для выполнения действий, работая над входными данными и генерируя выходной результат. Процессы и логические потоки также могут выполняться посредством, и устройство также может быть реализовано в виде, логических схем специального назначения, например, FPGA (программируемая вентильная матрица) или ASIC (специализированная интегральная схема).
Процессоры, подходящие для исполнения компьютерной программы, включают в себя, в качестве примера, микропроцессоры как общего, так и специального назначения, и любой один или несколько процессоров любого вида цифрового компьютера. Обычно процессор принимает инструкции и данные от постоянного запоминающего устройства или оперативного запоминающего устройства, или от обоих. Существенными элементами компьютера являются процессор для выполнения действий в соответствии с инструкциями и одно или несколько устройств памяти для хранения инструкций и данных. Обычно компьютер также включает в себя, или функционально связан для приема данных от, или переноса данных на, или для обоих случаев, одно или несколько массовых запоминающих устройств для хранения данных, например, магнитные, магнитооптические диски, или оптические диски. Однако компьютеру нет необходимости иметь такие устройства. Кроме того, компьютер может быть встроен в другое устройство, например, мобильный телефон, персональный цифровой помощник (PDA), мобильный аудио- или видеопроигрыватель, игровую консоль или портативное запоминающее устройство (например, флеш-накопитель с универсальной последовательной шиной (USB)), помимо прочего. Устройства, подходящие для хранения инструкций компьютерной программы и данных, включают в себя все виды энергонезависимой памяти, устройства хранения данных и памяти, включающих в себя, в качестве примера, устройства полупроводниковой памяти, например, стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (EPROM), электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (EEPROM) и устройства флэш-памяти; магнитные диски, например, внутренние жесткие диски или съемные диски; магнитооптические диски; и ПЗУ на компакт-дисках (CD-ROM) и ПЗУ на многофункциональных универсальных дисках (DVD-ROM). Процессор и память могут быть дополнены логическими схемами специального назначения или встроены в них.
Чтобы обеспечить взаимодействие с пользователем, варианты осуществления объекта патентования, описанного в данном описании изобретения, могут быть реализованы на компьютере, имеющем устройство отображения, например, монитор с электронно-лучевой трубкой (CRT) или жидкокристаллическим дисплеем (LCD), для отображения информации пользователю, и клавиатуру и указательное устройство, например, мышь или трекбол, посредством которых пользователь может обеспечивать ввод в компьютер. Другие виды устройств также могут использоваться для обеспечения взаимодействия с пользователем; например, обратная связь, обеспечиваемая для пользователя, может быть любого вида сенсорной обратной связи, например, визуальной обратной связи, слуховой обратной связи или тактильной обратной связи; и ввод от пользователя может приниматься в любом виде, включая акустический, речевой или тактильный ввод. Кроме того, компьютер может взаимодействовать с пользователем посредством посылки документов на устройство и приема документов от него, который используется пользователем; например, посредством посылки веб-страниц на веб-браузер на клиентском устройстве пользователя в ответ на запросы, принимаемые от веб-браузера.
Хотя данное описание изобретения содержит многочисленные конкретные подробности по реализации, они не должны толковаться как ограничения объема любых изобретений или того, что может быть заявлено, но скорее, как описание признаков, характерных для конкретных вариантов осуществления конкретных изобретений. Некоторые признаки, которые описываются в данном описании изобретения в контексте отдельных вариантов осуществления, также могут быть реализованы в комбинации в одном варианте осуществления. И наоборот, различные признаки, которые описываются в контексте одного варианта осуществления, также могут быть реализованы в многочисленных вариантах осуществления отдельно или в любой подходящей субкомбинации. Кроме того, хотя признаки могут описываться выше как действующие в некоторых комбинациях и даже первоначально заявленные как таковые, один или несколько признаков из заявленной комбинации в некоторых случаях могут быть исключены из комбинации, и заявленная комбинация может быть отнесена к субкомбинации или варианту субкомбинации.
Аналогично, хотя операции описываются на чертежах в конкретном порядке, это не должно пониматься как требующее того, чтобы такие операции выполнялись в конкретном показанном порядке или в последовательном порядке, или чтобы выполнялись все изображенные операции, для достижения требуемых результатов. При некоторых обстоятельствах могут быть полезными многозадачность и параллельная обработка. Кроме того, разделение различных системных компонентов в описанных выше вариантах осуществления не должно пониматься как требующее такого разделения во всех вариантах осуществления, и не должно пониматься, что описанные программные компоненты и системы, в основном, могут быть интегрированы вместе в один программный продукт или упакованы в многочисленные программные продукты.
Таким образом, были описаны конкретные варианты осуществления объекта патентования. Другие варианты осуществления находятся в пределах объема последующей формулы изобретения. В некоторых случаях, действия, изложенные в формуле изобретения, могут выполняться в другом порядке и все же могут достигать требуемых результатов. Кроме того, процессы, изображенные на прилагаемых фигурах, необязательно требуют конкретного показанного порядка или последовательного порядка для достижения требуемых результатов. В некоторых реализациях могут быть полезными многозадачность и параллельная обработка.