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用低端单片机实现电容型触摸板高分辨率输出的处理方法
相关引用信息
0001 该应用引用并延续了于2016年6月17号定档的U.S.Ser.No.15/185,307号文件，而该文件引用并延续了于2014年6月30号定档的U.S.Ser.No.14/369,779号文件，而该文件相继引用并延续了于2012年1月11号定档的CN201210006920.5号文件和于2012年12月27号定档的PCT/CN 2012/087711号文件，上述整体在此公开合并声明。
该发明的技术领域
0002当今触摸板的数据处理技术发明，特别是用低端单片机实现电容型触摸板的高分辨率输出。
背景
0003 电容型触摸板的工作原理是：电极上有一小块区域是电容传感面板（电极板的形状可以是方形，三角形，圆形或者任何形状）通过电线跟电容感应模块的电容传感通道相连，因而能够在电导体中产生一个低压电场；当触摸或关闭传感面板时，由于人体有电场，手指和导电层之间便会产生一个耦合电容，这样电容感应模块的传感通道和电容感应面板（电极）之间就形成通路，然后电容感应模块就将感应的电容转换成相应的值并与电流变化保持一致。整个触摸板由一堆小型感应面板以特定的布局排列组成，因此触摸点的位置可以通过每个面板（每条通道）的电容值和其布局计算出来。
0004 触摸板和感应电极可以用PCB和写入电路来制作。通常来说，感应电极的写入被设置在和额外的绝缘层一起的顶层。与普通的电阻型触摸板相比，电容型触摸板变得更受欢迎而且被更广泛的使用因为它有更快的反应速度而且能支持很多技术，比如多重触摸技术等等。
0005 为了将电容型触摸板应用到电子设备上，一般设计上需要使用更高级单片机，比如16位或32位的单片机，这样电容型触摸板才能有更好的工作性能和表现效果。这些高端的单片机可以选择ARM系列或MIPS系列等等。但是这些芯片很昂贵而且相对上耗能也更高，这便会导致生产成本和高性能的能量供应模块需求的增加。所以当前能够装备电容型触摸板的电子设备只有几个大工厂的高端应用设施。因此电容型触摸板不适合那些过低能耗的设备（现在的能耗低于几十uA，甚至不到几uA），比如远端控制器。随着电子设备的多元发展，急需发展能适合更多低端设备的应用方案。因此，将8位单片机作为电容型触摸板的主控仍存在困难。
摘要
0006 当前的发明旨在提供一种方法使低端单片机能实现电容型触摸板的高频输出。在这种方法里，将低端单片机和电容型触摸板结合起来以充分利用低端单片机的计算和处理能力来提高数据处理速度，从而实现电容型触摸板的高频输出。
0007 上述的发明能以下技术手段实现：用低端单片机实现电容型触摸板高频输出的处理方法，其中低端单片机设备由一个主控单片机模块，一个自检电容感应模块和一块电容触摸板组成；主控单片机模块控制自检电容感应模块来获取电容型触摸板的源数据，然后源数据提交给主控单片机进行触点计算从而得到一个初调的触点数据，接着经过优化计算程序得到终调数据；其中触点优化计算程序由主控单片机进行，步骤如下：
0008 （a）预处理：用改良的开尔曼滤波过滤收集的原始数据；
0009 （b）平滑：通过不断的中值演算处理滤波后的数据；
0010 （c）滤波：用数字低通滤波器处理数据；
0011 步骤（a）的计算公式如下：
0012 当 n：2时；
0013 当n=1或n=0时，
0014 其中，X(n)是在原坐标值的基础上计算的，在当前实例n的电容式触控板上，自校验电容传感模块获得的原始数据;Y#39;a(n)是当前实例n中系统坐标的预先测量值;Ya(n)是当前实例n中系统坐标的最优值，即步骤(a)的输出;Ya(n-1)和Ya(n-2)是最后一个实例和系统最后一个实例之前的最优值;Kg是卡尔曼谷物。
0015 步骤(b)中使用的计算公式如下:
0016 当ngt;1时， Yb(n)=(Ya(n-2) Ya(n))/2;
0017 当n=1或n=0,Yb（n）=Ya（n）;
0018 其中，Ya(n-2)、Ya(n-1)和Ya(n)为步骤(a)的输出值，为步骤(b)的输入值;Y， (n)是步骤(b)的输出值。
0019 步骤c中使用的计算公式为:
0020 当nge;1时，Yc（n）=aYb（n） （1-a）Yc（n-1）
0021 当n=0，Yc（n）=Yb（n）
0022 其中，Yb(n)为步骤(b)的输出值，为步骤(c)的输入值;Y}(n)是步骤(c)的输出;a是滤波平滑因子。
0023 自校验电容传感模块从电容式触控板获取源数据时，电容式触控板的若干感应路径乘以2毫秒;主控制单片机模块从自检电容传感模块获取源数据的周期为20毫秒。
0024 在步骤(a)中卡尔曼增益的值设为0.5625。
0025 步骤(c)中滤波平滑因子的值设为0.375。
0026 本发明还提供了一种使用上述处理方法的电容式触控装置，包括8位主控单片机模块、自检电容传感模块、电容式触控板和数据传输模块;在说8位单片机主控制模块控制自检电容传感模块和获取源数据通过自检电容传感模块的电容式触摸板,然后源数据受到触摸位置计算和处理以获得触摸点的坐标;最后，由数据传输模块发送对应于坐标的信息。
0027 本发明还提供了一种包含上述电容式触控装置的遥控器，包括8位主控单片机模块、自检电容传感模块、电容式触控板、数据传输模块和键盘扫描模块;8位主控单片机模块首先等待自校验电容传感模块或键盘扫描模块发送的中断请求;从自检电容传感模块接收到中断请求后，8位主控制单片机模块控制自检电容传感模块，从电容式触控板获取自检电容传感模块获取的源数据，而源数据在接触位置计算时，为了获得接触点的原始坐标数据，需要优化计算处理以提供优化坐标位置;最后，由数据传输模块发送对应于坐标的信息;中断请求处理后，8位主控制单片机模块返回到等待中断请求的状态。
0028 与现有技术相比，本发明具有以下优点:
0029 1:自本发明采用此类解决方案的电子设备低端单片机与电容式触摸板结合,它可以充分利用低端单片机的计算和处理能力,从而可以提高数据处理效率,从而实现高的影响能力和高分辨率输出电容式触摸板的低端单片机。
0030 2:本发明使用改进的卡尔曼滤波来处理原始坐标数据，通过计算先前记录的坐标数据和当前测量的坐标数据，得到一个最优值作为后续处理的原始值。改进的卡尔曼滤波器的计算方法是比之前的计算方法更简单卡尔曼滤波器最初用于高能力单片机,以便改进的卡尔曼滤波器适用于使用低端单片机的平台上,可以很容易地应用于一些低成本或低标准设计平台,同时实现良好的过滤效果。
图纸简述
0031 图1是一个示意图，说明了根据本发明具有电容式触控装置的远程控制器的内部模块;
0032 图2是本发明所使用的电容式触控板部分结构的示意图。
0033 图3是直接绘制在图2中所示的电容式触摸板上的字母Z所产生的原始坐标的显示效果视图，并根据触摸板的自校验电容传感模块获得的触摸原始数据进行计算;
0034 图4是利用改进的卡尔曼滤波在方法的数据处理过程中处理原始坐标数据后的显示效果视图;
0035 图5(a)显示效果视图的图纸上的字母Z触摸板用手指以极低的速度在使用mi之前即关节值算法;
0036 图5(b)是图的显示效果视图上的字母Z触摸板用手指以极低的速度使用mi后即关节值算法;
0037 图5(c)是图的显示效果视图上的字母Z触摸板用手指在低速使用mi即关节值算法;
0038 图S(d)是在使用中点值算法后，用手指在触控板上以低速度绘制字母Z的显示效果视图;
0039图6 (a)是在使用数字低通滤波器之前，用手指在触控板上以极低的速度绘制字母Z的显示效果视图;
0040 图6 (b)是在使用数字低通滤波器后，用手指在触控板上以极低的速度绘制字母Z的显示效果视图;
0041 图6 (c)是在使用数字低通滤波器之前，用手指在触控板上以低速度绘制字母Z的显示效果视图;
0042 图6(d)是在使用数字低通滤波器后，用手指在触控板上以低速度绘制字母Z的显示效果视图;
0043 图7是自检电容传感模块的电路图;
0044 图8是主控制单片机和物理按键的电路图;
0045 图9是具有如图1所示的电容式触控装置的远程控制器的外观结构视图;
0046 图10 (a)是17个采样点原始数据的示意图;
0047 图10 (b)为图10 (a)中所示17个采样点的预处理后的示意图。
0048 图10 (c)为图10 (b)中所示17个采样点的平滑处理后的示意图。
0049 图10(d)是经过滤波处理后的图10(c)中17个采样点的示意图。
详细描述
0050 现在，本发明的优选实施例将会详细描述，并参考与之相关的图纸。在所有的附图中，参考数字都是指相同或相等的部分。
0051 图1说明了内部模块的配置远程控制器使用的电容式触摸控制装置根据本发明,该部分主要包括以下模块:一个8位单片机主控制模块,自检电容传感模块(传感器IC),一个电容触摸板,射频或红外基带数据传输模块,键盘扫描模块。主控单片机模块控制自检电容传感模块，通过电容式触控板采集自校验电容传感模块检测的原始数据，通过对原始数据进行触摸位置计算和优化计算，获得触点的坐标;最后，通过数据传输模块发送对应于坐标的信息。每个模块的工作流程如下:
0052 (1)对主控制单片机模块进行复位和自初始化;
0053 (2)通过主控制单片机模块向自检电容传感模块发送复位控制信号，通过复位输入控制接口，在低功耗下触发;复位请求可以通过输入控制接口或软件命令来完成(这是指由主控制单片机通过IZC通信接口向电容传感模块发送的硬件复位推荐);
0054 (3)自检电容传感模块进行硬件复位后，主控制单片机模块通过IZC接口向自检电容传感模块发送功能初始化指令，初始化电容传感模块，设置其工作状态;然后主控单片机模块进入睡眠模式，等待自检电容传感模块或键盘扫描模块发送的interrapt请求;和
0055 (4)当触摸板被触摸时，电容传感IC将2个低电平脉冲中断信号通过中断输出接口输出到主控制单片机模块;在接收到中断信号后，主控制单片机开始从自检电容传感模块采集原始数据;然后利用所述处理方法计算原始数据，并通过数据传输模块发送计算结果。
0056 自检电容传感模块的周期自动从电容式触摸板采集数据，即在电容式触控板上周期性收集数据的周期，是感知路径的数量乘以2毫秒。只要电容传感模块处于运行状态，自检电容传感模块就会用这个恒定的周期来更新数据，不管主控单片机是否从电容传感模块请求数据。主控制单片机以20毫秒的间隔从容量传感模块请求数据。这些数据是从电容式触摸板采集的原始数据。
0057 由于自检电容传感模块和键盘扫描模块分别是独立的中断源，单片机可以独立处理相关中断请求，并对相应的二次过程进行响应，无论自校验电容感知模块或键盘扫描模块是否被中断。在处理中断事件完成后，MCU自动返回其休眠模式。自然，由于它是一个单任务系统，MCU不能同时响应自校验电容传感模块和键盘扫描模块的中断请求。因此，单片机只能对第一个到达的中断请求作出响应，只有在退出当前运行中断的二级过程后才能响应另一个或一个新的中断请求。，当MCU再次返回其休眠模式时。主控制单片机和物理键的电路图如图8所示，其中通信接口由数字1表示;主控制单片机由数字2表示。遥控装置的外形如图9所示。
0058 数据传输模块是一个共享模块。这意味着电容传感模块和键盘扫描模块在发送信息时使用相同的数据传输模块。
0059 8位主控单片机控制的整个运行传感芯片,包括初始化、检测的数据改变电容输入路径,计算每一层(在责备主波即本发明的算法)和处理后输入数据和数据传输,以及其他管理功能,如功耗管理、中断管理,等等。
0060 感测芯片(Sensor IC)是一种多路电容传感模块。如图7所示,一个主要的集成电路自检电容传感模块由数字表示3集IZC接口(由数字5表示)和SPI通信接口,以方便单片机在阅读的电容值的电容感应路径。传感器IC上的每条路径都应该连接到触控板上的一个小触摸板(图中数字4表示)，以检测不同的电容值。由图2中电容传感板的结构视图所示，以一定的方式将多个小的触摸块排列成一个正交触摸板。为了保证触控板的平整度和线性度，可以选用合适的衬底材料选择FR4板作为PCB材料。当然，其他材料也可以使用。
0061 传感芯片中使用这个特殊的直观体现是一系列的名字LDS6100芯片和由ID工集成设备设计和制造技术。在本发明的设计中，该系列芯片的LDS6107被用作设计检测的主要部件。但是，如果仅仅使用这个组件，那么高级的设计和应用程序的效果很难达到。将本发明的三种算法应用于LDS 6107触控板的设计中，可以实现优秀的输出改进，也可以获得与高水平设计方案等效的效果。
0062 本发明的电容式触摸板传感矩阵的设计采用了现有技术，如IDT技术。基于这种触摸板，并结合插值算法方法，可以计算出触摸位置的坐标，即可以得到触摸位置的原始坐标数据。如图2所示，图中所示的每个小三角形都是指一个小的触点;C0, C1, C2，分别指不同的路径，其中有6条横向路径(C8, C7, C9, C10, C11和C12)，每条都有5个小的触点横向排列，相互连接;有五种垂直路径(C4, C3, C2, C1和C0)，每条都有六个小的触摸板垂直排列，并相互连接。
0063 如图2所示，电容式触控板上有11条感应路径，每一条都对
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