电容触摸屏检测电路及其控制方法与流程

1.本发明涉及电容触摸屏检测领域，具体是电容触摸屏检测电路及其控制方法。


背景技术：

2.电容触摸屏由于其坚固耐用、反应速度快、节省空间、透光率高等优点在各种电子设备领域得到了越来越多的应用，并正在成为市场主流产品。电容式触摸屏采用透明的氧化铟锡(ito)材料在玻璃基板表面形成电极阵列。根据不同的检测原理，电容式触摸屏分为自电容触摸屏和互电容触摸屏两种：自电容触摸屏通过检测触摸前后电极对地电容的变化确定触控物在触摸屏上的触摸位置；互电容触摸屏通过检测触摸前后两组电极之间电容改变确定触控物在触摸屏上的触摸位置。即自电容触摸屏通过检测电极对地电容改变来触摸检测，而互电容触摸屏通过检测两电极之间的电容改变实现触摸检测。
3.自电容触摸屏的检测电路中，一般将电容的变化量转换成电压的变化量，而且电压的变化量是正比于电容的变化量的。该电压通过数字转换器(adc)转换成数字量之后再传给微处理器(mcu)做后续判断处理。一般为了提高信噪比(snr)，会将该过程重复多次，将多次的转换结果做累加平均，每累加4次，snr可以提升2倍。
4.从现有方案的工作方式来看，当存在像电容触摸屏这种有多个触摸电极需要检测的应用场景时，只有通过两种方式：
5.1、采用分时检测的方式，通过一个多选一开关依次将触摸电极接入到afe进行检测，为了确保足够高的snr，需要保证每个通道的检测时间足够长，当触摸电极比较多时，总的检测时间被拉长，这样就严重限制了刷新率。
6.2、每个通道单独配一个afe，所有通道进行同时检测，该方案虽然还可以提高刷新率，但是由于每个通道需配一个afe，面积和功耗代价非常大
7.上述两种方式均存在一定的缺陷，因此，本领域技术人员提供了电容触摸屏检测电路及其控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供电容触摸屏检测电路及其控制方法，通过正交编码打码、数字解码的方式，实现用单个afe实现多通道电容同时检测，且进一步减小了芯片的面积，以解决上述背景技术中提出的问题。
9.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
10.电容触摸屏检测电路，包括编码模块、时序检测模块、触摸电极、开关模块、电荷抵消模块、电荷转电压模块、数字转换器以及解码模块；
11.所述编码模块与时序检测模块连接，用于产生对应开关模块、电荷抵消模块、电荷转电压模块的控制时序；
12.所述时序检测模块与开关模块、电荷抵消模块、电荷转电压模块连接，用于检测编码模块产生的控制时序是否异常；
13.所述开关模块与电荷抵消模块连接，用于控制各触摸电极充放电以及与电荷抵消模块之间的通断；
14.所述触摸电极获取外部第一电荷；
15.所述第一电荷在所述触摸电极与所述电荷抵消模块之间进行电荷重分配，所述电荷抵消模块获得所述第二电荷；
16.所述电荷抵消模块与电荷转电压模块连接，用于将所述第二电荷转成电压；所述电荷转电压模块与数字转换器连接，用于将上述电压转换成数字量；
17.所述数字转换器与解码模块连接，解码模块包括多个以矩阵配置的输出迹线，根据所述时序逻辑对所述数字量进行计算即可得到各个触控电极的电容值。
18.本发明通过正交编码打码、数字解码的方式，实现用单个afe实现多通道电容同时检测，且进一步减小了芯片的面积。此外，通过检测编码模块产生的控制时序是否异常，进一步提高检测的精准度。
19.作为本发明进一步的方案，所述时序检测模块的具体检测过程为：
20.s1：构建检测模型，导入标准时序参数；
21.s2：将编码模块输出的控制时序输入检测模型进行检测，若检测合格则判断控制时序正常，将控制时序输送给开关模块、电荷抵消模块、电荷转电压模块；若检测不合格则判断控制时序异常，进入下一步骤；
22.s3：向编码模块发送指令，编码模块接到指令后再次输出控制时序，重复步骤s2；若连续三次输出的控制时序均为异常则进行报警。
23.三次异常才触发报警提高报警的可靠性。
24.作为本发明再进一步的方案：所述标准时序参数包括标准时序对应的标准高电平个数与标准低电平个数。
25.标准高电平个数与标准低电平个数便于后期和编码模块产生的控制时序进行比较。
26.作为本发明再进一步的方案，所述检测模型的具体检测过程为：
27.s201：将控制时序的高电平个数与标准高电平个数进行比较，若二者相同，则输出参数p1＝0；否则，取高电平个数与标准高电平个数二者相减的绝对值，令其为n1，输出参数p1＝0.1*n1；
28.s202：将控制时序的低电平个数与标准低电平个数进行比较，若二者相同，则输出参数p2＝0；否则，取低电平个数与标准低电平个数二者相减的绝对值，令其为n2，输出参数p2＝0.1*n2；
29.s203：令pi＝p1 p2，若pi为0则输出检测合格，否则输出检测异常。
30.该检测过程简单高效，能够快速识别编码模块产生的控制时序是否产生异常。
31.作为本发明再进一步的方案：所述报警模块与时序检测模块连接，用于在控制时序连续三次异常情况下进行分级报警。
32.分级报警便于工作人员了解编码模块产生控制时序的异常程度。
33.作为本发明再进一步的方案：所述分级报警具体为：设定一个预设值qi，若三次异常对应的pi均大于qi，则发出三级警报；若三次异常对应的pi中两次大于qi，则发出二级警报；若三次异常对应的pi中一次大于qi，则发出一级警报。
34.工作人员可根据需要自行设置预设值qi，便于其后期检测时查看辨别。
35.作为本发明再进一步的方案：所述报警模块为显示屏，报警时显示屏上显示三次异常的参数pi，且当发出三级报警时，显示屏边框闪烁红光；当显示屏发出二级报警时，显示屏边框闪烁黄光；当显示屏发出一级报警时，显示屏边框闪烁蓝光。
36.该设置便于工作人员辨别警报的级别。
37.作为本发明再进一步的方案：所述时序逻辑一个完整的采样周期中采样脉冲数量与所述触摸电极数量相等，且触摸电极其中一个电极根据所述采样脉冲信号依序放电时其余电极进行充电。
38.作为本发明再进一步的方案：所述触摸电极的数量为四个，分别为，ctp1、ctp2、ctp3与ctp4，当所述时序脉冲信号处于第一个高电平时，ctp1、ctp2、ctp3充电，ctp4放电；所述时序脉冲信号处于第二个高电平时，ctp1、ctp2、ctp4充电，ctp3放电；所述时序脉冲信号处于第三个高电平时，ctp1、ctp4、ctp3充电，ctp2放电；所述时序脉冲信号处于第四个高电平时，ctp4、ctp2、ctp3充电，ctp1放电。
39.作为本发明再进一步的方案：所述编码模块可通过改变时序方式，进而实现相干双采样来减小低频噪声。
40.作为本发明再进一步的方案：所述相干双采样的时序逻辑一个完整的采样周期中采样脉冲数量为所述触摸电极数量的两倍，且触摸电极其中一个电极根据所述采样脉冲信号依序放电时其余电极进行充电或其中一个电极根据所述采样脉冲信号依序充电时其余电极进行放电，二者交替进行。
41.作为本发明再进一步的方案：所述触摸电极的数量为四个，分别为，ctp1、ctp2、ctp3与ctp4，所述时序脉冲信号处于第一个高电平时，ctp1、ctp2、ctp3充电，ctp4放电；所述时序脉冲信号处于第二个高电平时，ctp1、ctp2、ctp3放电，ctp4充电；所述时序脉冲信号处于第三个高电平时，ctp1、ctp4、ctp2充电，ctp3放电；所述时序脉冲信号处于第四个高电平时，ctp1、ctp4、ctp2放电，ctp3充电；所述时序脉冲信号处于第五个高电平时，ctp1、ctp4、ctp3充电，ctp2放电；所述时序脉冲信号处于第六个高电平时，ctp1、ctp4、ctp3放电，ctp2充电；所述时序脉冲信号处于第七个高电平时，ctp2、ctp4、ctp3充电，ctp1放电；所述时序脉冲信号处于第八个高电平时，ctp2、ctp4、ctp3放电，ctp1充电。
42.电容触摸屏检测电路的控制方法，包括以下步骤：
43.步骤一：产生控制时序；
44.步骤二：检测控制时序是否异常；
45.步骤三：控制各触摸电极在电路中的通断；
46.步骤四：获取外部第一电荷；
47.步骤五：将所述第一电荷进行电荷重分配，获得第二电荷；
48.步骤六：将第二电荷转成电压；
49.步骤七：根据所述时序检测模块所预设的时序逻辑将上述电压转换成数字量；
50.步骤八：根据所述时序逻辑对所述数字量进行计算即可得到各个触控电极的电容值。
51.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
52.1、通过正交编码打码、数字解码的方式，实现用单个afe实现多通道电容同时检
测，有效的提高刷新率和snr，并且减小了芯片的面积，降低了芯片运行功耗；在同时检测的过程中还可以利用正交编码的特性，利用通道电容来进行电荷抵消(cancel)，有效减小cancel电容的容值，进一步减小了芯片的面积。
53.2、通过设置的时序检测模块，构建检测模型，能够快速有效的检测编码模块产生的控制时序是否出现异常，并在出现异常时，根据其严重程度进行分级报警。
附图说明
54.参照附图来说明本发明的公开内容。应当了解，附图仅仅用于说明目的，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。在附图中，相同的附图标记用于指代相同的部件。其中：
55.图1为本发明实施例的电容触摸屏检测电路的结构示意图；
56.图2为本发明实施例的时序检测流程图；
57.图3为本发明实施例的时序逻辑图；
58.图4为本发明实施例的相干双采样的时序逻辑图；
59.图5为本发明实施例的控制时序正交编码示意图；
60.图6为本发明实施例的电容触摸屏检测电路的控制方法的流程示意图。
具体实施方式
61.容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的多种结构方式以及实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。
62.根据本发明的一实施方式结合图1至4示出。电容触摸屏检测电路，包括编码模块、时序检测模块、触摸电极、开关模块、电荷抵消模块、电荷转电压模块、数字转换器以及解码模块；
63.编码模块与时序检测模块连接，用于产生对应开关模块、电荷抵消模块、电荷转电压模块的控制时序；
64.时序检测模块与开关模块、电荷抵消模块、电荷转电压模块连接，用于检测编码模块产生的控制时序是否异常；
65.开关模块与电荷抵消模块连接，用于控制各触摸电极充放电以及与电荷抵消模块之间的通断；
66.触摸电极获取外部第一电荷；
67.第一电荷在触摸电极与电荷抵消模块之间进行电荷重分配，电荷抵消模块获得第二电荷；
68.电荷抵消模块与电荷转电压模块连接，用于将第二电荷转成电压；
69.电荷转电压模块与数字转换器连接，用于将上述电压转换成数字量；
70.数字转换器与解码模块连接，解码模块包括多个以矩阵配置的输出迹线，根据时序逻辑对数字量进行计算即可得到各个触控电极的电容值。
71.本发明通过正交编码打码、数字解码的方式，实现用单个afe实现多通道电容同时检测，其中，正交编码是一种典型编码形式，具有良好的抗噪性能，在检测时能有效提高准
确性，且进一步减小了芯片的面积。此外，通过检测编码模块产生的控制时序是否异常，进一步提高检测的精准度。
72.在本实施例中，如图2所示，时序检测模块的具体检测过程为：
73.s1：构建检测模型，导入标准时序参数；
74.s2：将编码模块输出的控制时序输入检测模型进行检测，若检测合格则判断控制时序正常，将控制时序输送给开关模块、电荷抵消模块、电荷转电压模块；若检测不合格则判断控制时序异常，进入下一步骤；
75.s3：向编码模块发送指令，编码模块接到指令后再次输出控制时序，重复步骤s2；若连续三次输出的控制时序均为异常则进行报警。
76.三次异常才触发报警提高报警的可靠性。
77.在本实施例中：标准时序参数包括标准时序对应的标准高电平个数与标准低电平个数。标准高电平个数与标准低电平个数便于后期和编码模块产生的控制时序进行比较。
78.在本实施例中，如图2所示，检测模型的具体检测过程为：
79.s201：将控制时序的高电平个数与标准高电平个数进行比较，若二者相同，则输出参数p1＝0；否则，取高电平个数与标准高电平个数二者相减的绝对值，令其为n1，输出参数p1＝0.1*n1；
80.s202：将控制时序的低电平个数与标准低电平个数进行比较，若二者相同，则输出参数p2＝0；否则，取低电平个数与标准低电平个数二者相减的绝对值，令其为n2，输出参数p2＝0.1*n2；
81.s203：令pi＝p1 p2，若pi为0则输出检测合格，否则输出检测异常。
82.该检测过程简单高效，能够快速识别编码模块产生的控制时序是否产生异常。
83.在本实施例中：报警模块与时序检测模块连接，用于在控制时序连续三次异常情况下进行分级报警。分级报警便于工作人员了解编码模块产生控制时序的异常程度。
84.在本实施例中：分级报警具体为：设定一个预设值qi，若三次异常对应的pi均大于qi，则发出三级警报；若三次异常对应的pi中两次大于qi，则发出二级警报；若三次异常对应的pi中一次大于qi，则发出一级警报。工作人员可根据需要自行设置预设值qi，便于其后期检测时查看辨别。
85.在本实施例中：报警模块为显示屏，报警时显示屏上显示三次异常的参数pi，且当发出三级报警时，显示屏边框闪烁红光；当显示屏发出二级报警时，显示屏边框闪烁黄光；当显示屏发出一级报警时，显示屏边框闪烁蓝光。该设置便于工作人员辨别警报的级别。
86.在本实施例中：如图3所示，时序逻辑一个完整的采样周期中采样脉冲数量与触摸电极数量相等，且触摸电极其中一个电极根据采样脉冲信号依序放电时其余电极进行充电。
87.在本实施例中：如图5所示，触摸电极的数量为四个，分别为，ctp1、ctp2、ctp3与ctp4，每个采样周期4次采样，计算采样序列的数字频率为π/2，即每两个采样脉冲之间相位差90度，因此便于对触摸电极电容值进行正交编码，当时序脉冲信号处于第一个高电平时，ctp1、ctp2、ctp3充电，ctp4放电；时序脉冲信号处于第二个高电平时，ctp1、ctp2、ctp4充电，ctp3放电；时序脉冲信号处于第三个高电平时，ctp1、ctp4、ctp3充电，ctp2放电；时序脉冲信号处于第四个高电平时，ctp4、ctp2、ctp3充电，ctp1放电。
88.在本实施例中：编码模块可通过改变时序方式，进而实现相干双采样来减小低频噪声。
89.在本实施例中：如图4所示，相干双采样的时序逻辑一个完整的采样周期中采样脉冲数量为触摸电极数量的两倍，且触摸电极其中一个电极根据采样脉冲信号依序放电时其余电极进行充电或其中一个电极根据采样脉冲信号依序充电时其余电极进行放电，二者交替进行。
90.在本实施例中：触摸电极的数量为四个，分别为，ctp1、ctp2、ctp3与ctp4，时序脉冲信号处于第一个高电平时，ctp1、ctp2、ctp3充电，ctp4放电；时序脉冲信号处于第二个高电平时，ctp1、ctp2、ctp3放电，ctp4充电；时序脉冲信号处于第三个高电平时，ctp1、ctp4、ctp2充电，ctp3放电；时序脉冲信号处于第四个高电平时，ctp1、ctp4、ctp2放电，ctp3充电；时序脉冲信号处于第五个高电平时，ctp1、ctp4、ctp3充电，ctp2放电；时序脉冲信号处于第六个高电平时，ctp1、ctp4、ctp3放电，ctp2充电；时序脉冲信号处于第七个高电平时，ctp2、ctp4、ctp3充电，ctp1放电；时序脉冲信号处于第八个高电平时，ctp2、ctp4、ctp3放电，ctp1充电。
91.请参阅图3至图6，本发明还公开了电容触摸屏检测电路的控制方法，包括以下步骤：
92.步骤一：产生控制时序；
93.步骤二：检测控制时序是否异常，具体为：
94.构建检测模型，导入标准时序参数；
95.将编码模块输出的控制时序输入检测模型进行检测，若检测合格则判断控制时序正常，将控制时序输送给开关模块、电荷抵消模块、电荷转电压模块；若检测不合格则判断控制时序异常，进入下一步骤；
96.向编码模块发送指令，编码模块接到指令后再次输出控制时序，重复步骤s2；若连续三次输出的控制时序均为异常则进行报警；
97.步骤三：控制各触摸电极在电路中的通断；
98.步骤四：获取外部第一电荷，具体如下：
99.在t0～t1时间，cf复位，触摸电极ctp1、ctp2、ctp3充电，ctp4以及电荷抵消电容cc放电。各个电容上的电荷量分别为：
100.q
ctp1
＝v
ddctp1
101.q
ctp2
＝v
ddctp2
102.q
ctp3
＝v
ddctp3
103.q
ctp4
＝q
cc
＝q
cf
＝0
104.其中，vdd指电源电压；
105.步骤五：将第一电荷在触摸电极与电荷抵消模块之间进行电荷重分配，电荷抵消模块获得第二电荷，具体如下：
106.在t2～t3时间，cc电容与ctp1、ctp2、ctp3、ctp4进行电荷抵消，本质上就是电荷在cc、ctp1、ctp2、ctp3、ctp4之间进行电荷重分配；
107.步骤六：将多余的电荷转成电压，具体如下：
108.在t4～t5时间将多余的电荷转成电压，方便adc处理，本质上是电荷在cc、ctp1、
ctp2、ctp3、ctp4、cf之间进行电荷重分配。根据电荷守恒，有：
109.q
total，分配前
＝q
total，分配后
[0110]vddctp1
v
ddctp2
v
ddctp3
[0111]
＝v
cm
(c
tp1
c
tp2
c
tp3
c
tp4
cc) (v
cm-v
out1
)cf[0112]
可以计算出vout的表达式为：
[0113][0114]
设置vcm＝vdd/2，vout可以改写为：
[0115][0116]
步骤七：根据时序检测模块所预设的时序逻辑将上述电压转换成数字量，具体如下：
[0117]
根据同样的方法可以写出t10～t11时间的vout2、t16～t17时间的vout3、t22～t23时间的vout4如下：
[0118][0119][0120][0121]
上式中变化的只有ctp1、ctp2、ctp3、ctp4，其他都是固定的，因此为了方便理论推导，经过adc转成数字量之后这些固定量都认为是固定的增益进行归一化或者固定的offset进行消除。dout1～4可以表示为：
[0122]dout1
＝c
tp1
c
tp2
c
tp3-c
tp4
[0123]dout2
＝c
tp1
c
tp2-c
tp3
c
tp4
[0124]dout3
＝c
tp1-c
tp2
c
tp3
c
tp4
[0125]dout4
＝-c
tp1
c
tp2
c
tp3
c
tp4
[0126]
写成矩阵形式：
[0127][0128]
步骤八：根据时序逻辑对数字量进行计算即可得到各个触控电极的电容值，具体如下：
[0129]
解码模块根据时序逻辑产生解码矩阵h-1
[0130]
[0131]
与dout矩阵相乘
[0132][0133]
最后得到各个触控电极的电容值。
[0134]
在本实施例中，编码模块可通过改变时序方式，进而实现相干双采样来减小低频噪声，如图4所示，分析方法与上类似，区别在于每两个adc的数据需要进行相减：t4～t5时间转换的adc数据减去t10～t11时间转换的adc数据，得到dout1；t16～t17时间转换的adc数据减去t22～t23时间转换的adc数据，得到dout2；t28～t29时间转换的adc数据减去t34～t35时间转换的adc数据，得到dout3；t40～t41时间转换的adc数据减去t46～t47时间转换的adc数据，得到dout4。
[0135]
本发明通过正交编码打码、数字解码的方式，实现用单个afe实现多通道电容同时检测，有效的提高刷新率和snr，并且减小了芯片的面积，降低了芯片运行功耗；在同时检测的过程中还可以利用正交编码的特性，利用通道电容来进行电荷抵消(cancel)，有效减小cancel电容的容值，进一步减小了芯片的面积。此外，通过设置的时序检测模块，构建检测模型，能够快速有效的检测编码模块产生的控制时序是否出现异常，并在出现异常时，根据其严重程度进行分级报警。
[0136]
以上所述的，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。