操作觸控螢幕系統的方法
2023-07-06 17:48:06
專利名稱：操作觸控螢幕系統的方法
技術領域：
本發明一般涉及觸控螢幕，更具體地說，涉及調整觸控螢幕控制器的頻率，以便使控制器與特定觸控螢幕的具體工作特性匹配的方法和裝置。
背景技術：
觸控螢幕配合各種顯示器類型、包括陰極射線管(即CRT)和液晶顯示屏(即LCD屏)，用作將信息輸入到數據處理系統的裝置。當觸控螢幕被置於顯示屏之上或集成到顯示屏中時，可以供用戶通過觸控螢幕幕上的目標圖標或元素所對應的位置來選擇所顯示的圖標或元素。在各種不同的應用中，包括例如銷售點系統、信息公告亭、自動出納機(即ATM)、數據輸入系統等，觸控螢幕已經成為常用之處。
在一種特定類型的觸控螢幕、聲學觸控螢幕中，產生聲波或超聲波，並且利用表面聲波現象如瑞利波、拉夫波或其他波直接將其通過觸控螢幕表面傳播。一般來說，觸控螢幕的各個軸包括單一的發射換能器和單一的接收換能器以及一對反射陣列。發射換能器和接收換能器連接到控制器，該控制器產生施加到發射換能器的驅動信號，並放大、調整和響應從接收換能器得到的信號。各發射換能器產生的聲波被位於觸控螢幕邊緣附近的反射陣列反射。反射陣列通常沿陣列全長成直角反射聲波，從而形成在觸控螢幕的有效區域傳播的表面聲波模式。傳播的表面聲波具有基本是振幅均勻的線性波前。相對的反射陣列將表面傳播的聲波反射到接收換能器。通過監視沿觸控螢幕各個軸的傳播聲波的到達時間和振幅，可以確定觸控螢幕表面上任何波衰減點的位置。衰減可能因手指或指示筆或其他媒體接觸屏幕所導致。
觸控螢幕系統的製造商通常製造或購買具有預定振蕩頻率的控制器，所述預定振蕩頻率處於界限明確的頻率範圍內，而晶體振蕩器提供參考頻率。這樣在製造過程中，根據需要，確定和調整各個觸控螢幕的特徵頻率，以便確保觸控螢幕與控制器的振蕩頻率之間充分匹配。
讓我們來更仔細地定義觸控螢幕的特徵頻率。這裡作為要關注類型的聲學觸控螢幕具有窄帶通濾波器的屬性。窄帶的中心頻率由反射器的間距和聲波的速度來決定。結果，在聲波以最短可能路徑傳到接收換能器所對應的時間延遲之後，施加到發射換能器的短脈衝串就會以長的拉長波列的形式出現。由於脈衝串的持續時間短，輸入脈衝串的頻譜通常相當寬，而輸出波列的頻譜會很理想，非常窄並且在特定頻率有突出的峰值。所述特定頻率稱為觸控螢幕的特徵頻率。最好是觸摸系統的工作頻率與觸控螢幕的特徵頻率匹配。
原則上，理想觸控螢幕具有單一特徵頻率。原則上，製造上的變化可能導致多個特徵頻率或一定範圍的特徵頻率。目前的實踐包括在觸控螢幕製造工藝上進行足夠的投資，使得有效地僅存在單一的觸控螢幕特徵頻率並且該特徵頻率與控制器的參考振蕩器所確定的頻率匹配。為了達到對觸控螢幕製造工藝期望的控制，需要陣列設計的精確配位，仔細監視輸入材料的供應鏈以及對反射陣列的迅速電子測試。此外，當發現未預想到的更改或變化時，還需要快速的校正動作。例如，陣列可能需要重新設計和製造新的印刷掩模。維持對觸控螢幕特徵頻率的控制所要求的配位、監視和測試程度增加了加工成本，並且使生產僅限於在具有聲學觸控螢幕製造的複雜性上受過良好培訓的工人的工廠來完成。這對現有聲學觸控螢幕技術是主要的限制。
一般來說，頻率失配在性質上可以歸類為全局性的或局部性的。在頻率失配為全局性的情況中，失配源會影響整個觸控螢幕。例如，如果控制器的參考振蕩器漂移，或者如果玻璃基板具有所不期望的聲速(例如，因為由不同玻璃供應商製造的玻璃基板)，觸控螢幕和控制器之間的頻率匹配都會受損，而與觸控螢幕上關注的位置無關。相比而言，在頻率失配為局部性的情況中，僅有觸控螢幕的特定區域可能呈現出與控制器的失配。
全局性或局部性頻率失配都可能由不同源所導致。雖然一些失配源可以通過充分的質量控制來克服，但是此類控制的成本通常會很高。例如，觸控螢幕玻璃基板方面的變化可能改變聲波速度，從而導致全局頻率失配，充分控制玻璃供應鏈和製造工藝來確保所有基板的聲波速度都處於窄範圍內可能在經濟上是不可行的。控制玻璃供應鏈和製造工藝在如下情況下更成問題聲反射陣列被直接印刷到陰極射線管(即CRT)的面板上。難以控制到避免全局頻率失配所要求的程度的特定玻璃特徵包括化學組成和受熱歷程(例如，退火時間和溫度等)。
另一個頻率失配源是由於印刷在觸控螢幕基板上的反射陣列內的非期望的變化引起的。這些變化可能是例如屏幕印刷工序中陣列掩模變形所致。如果陣列要直接印刷到CRT面板上，則印刷掩模變形尤其成問題。諸如壓印之類的其它陣列印刷技術也會遇到印刷工序中引入的配準誤差，這可能導致進一步的頻率失配。再一個頻率失配源可能來自於對非平面基板表面的球面幾何效應的不恰當校正。
現有技術中需要一種用於使控制器振蕩頻率適應特定觸控螢幕的工作頻率要求的方法和裝置。本發明提供了這種方法和裝置。
發明內容
本發明提供一種用於使控制器的頻率適應特定觸控螢幕基板的工作頻率要求的方法和裝置，其中觸控螢幕基板包括反射陣列。更具體地說，調整控制器，使得它將脈衝串信號輸出到觸控螢幕的發射換能器或者調節來自觸控螢幕的接收換能器的信號，從而適應觸控螢幕基板的特定工作頻率特性。
在本發明的一種應用中，首先確定特定觸控螢幕的一個或多個特徵頻率。然後調整將要配合這個基板使用的控制器頻率以匹配基板的一個或多個測量的特徵頻率，從而使這兩個組件配對成匹配組。在另一種應用中，在使觸控螢幕基板與控制器的工作頻率匹配之前，將這兩個組件配對。配對之後，系統在確定觸控螢幕基板的頻率特性期間進行初始化。然後調整控制器的頻率特性以便與基板的頻率特性匹配。如果需要的話，系統可以定期重新測試基板的頻率特性，並且在認為必要時重新調整控制器的輸出。
在本發明的主要為對全局頻率失配誤差進行補償而設計的一個實施例中，本發明的自適應控制器採用模擬信號處理和晶體參考振蕩器。採用數字乘法器來修改參考振蕩器的輸出，以便產生發送到發射換能器的音頻脈衝串的期望頻率和/或改變接收電路所用的頻率來生成基帶信號。脈衝串長度由脈衝串電路決定。期望的工作頻率由混頻器包含電路決定，該電路將數字乘法器的輸出與接收換能器的適當調節的輸出信號進行比較。混頻器包含電路的輸出被用於確定期望的工作頻率。
在本發明的為同時對全局和局部頻率變化進行補償而設計的另一個實施例中，本發明的自適應控制器採用數位訊號處理和晶體參考振蕩器。在該實施例中，數位訊號處理器從一對混頻器接收數位化和濾波後的輸出。送至混頻器的輸入是一對參考信號，其中之一已經被90度相移，以及適當濾波和放大的接收換能器RF信號。此實施例是採用對相位敏感的控制器的實例，其中將接收的信號的完全數學的內容、例如相位和振幅進行數位化。由於完全數位化的信息可供數位訊號處理器算法來處理，所以可以將軟體可調諧頻率濾波器運用於接收的信號。基於存儲器中所含的校正值的數位訊號處理器運用具有特定中心頻率的頻率濾波器，所述特定中心頻率最好是根據自上次發送脈衝串起的延遲時間而變化。由此，系統可以適應於由聲波反射陣列中的局部變化所導致的變化。
在本發明的另一個實施例中，採用非晶體本機振蕩器來提供自適應控制器中的參考信號。利用這種振蕩器可使控制器最小化到足以直接安裝在觸控螢幕基板上的程度。反饋環路用於補償振蕩器的漂移。在這個實施例中，來自觸控螢幕接收換能器的調節後的RF信號與本機振蕩器的輸出進行混頻。混頻器的IF輸出通過鑑頻器電路，該電路生成一個電壓，所述電壓的符號取決於頻率高於還是低於期望值，而其振幅取決於與期望頻率的偏離程度。鑑頻器的輸出被用於調整本機振蕩器的頻率，使其跟蹤觸控螢幕的頻率。為了得到期望的脈衝串頻率，將本機振蕩器的穩定輸出與IF振蕩器的輸出進行混頻。
在本發明的再一個實施例中，脈衝串是足夠寬帶的，使得足以通過電壓控制的可變頻率帶通濾波器來只調整處理接收電路的電路的中心頻率。
參考本說明書的以下部分和附圖，可以進一步理解本發明的特徵和優點。
圖1是根據先有技術的聲學觸控螢幕的圖解說明；圖2是關於先有技術的觸控螢幕的一條軸、由表面聲波換能器所接收的信號振幅-時間的波形圖；圖3是圖2中所示波形的示意圖，其中該波形已被觸控螢幕上的觸摸所擾動；圖4是在與圖2和圖3所示波形正交的方向上經過觸控螢幕表面的擾動波形的示意圖；圖5是說明利用本發明的一種方法的流程圖；圖6是說明利用本發明的另一種方法的流程圖；圖7示意說明根據本發明用於校正全局變化的自適應控制器；圖8是說明用於調諧圖7所示數字乘法器的頻率的技術的流程圖；
圖9示意說明正交和檢測器；圖10是說明與圖11所示的本發明另一個實施例相關的方法的流程圖；圖11示意說明根據本發明用於校正全局和局部變化的自適應控制器；圖12示意說明配合圖11和圖15所示自適應控制器使用的數字脈衝串處理器；圖13示意說明可以直接安裝在觸控螢幕基板上的控制器；圖14是說明與圖15所示的本發明另一個實施例相關的方法的流程圖；圖15示意說明根據本發明、對全局和局部變化都進行有效校正的自適應控制器；圖16示意說明根據本發明、只調整接收器中心頻率的自適應控制器；以及圖17是利用附加的用於觸控螢幕特徵化的換能器組的聲學觸控螢幕的圖解說明。
具體實施例方式
圖1是利用根據先有技術的表面聲波的觸控螢幕100的圖解說明。這種觸控螢幕適合於配合陰極射線管(即CRT)顯示器、液晶顯示器(即LCD)或其它顯示器類型使用。常見的聲學觸控螢幕採用瑞利波，這裡所用的術語包含準瑞利波。涉及瑞利波觸控螢幕的作為舉例說明的公開包括Adler的美國專利4642423、4645870、4700176、4746914、4791416以及Re 33151；Adler等人的美國專利4825212、4859996以及4880665；Brenner等人的美國專利4644100；Davis-Cannon等人的美國專利5739479；以及Kent的美國專利5708461和5854450。採用其他類型的聲波(如蘭姆波或切變波)或者不同類型聲波的組合(包括含瑞利波的組合)的聲學觸控螢幕也是已知的，作為舉例說明的公開包括Kent的美國專利5591945和5854450；Knowles的美國專利5072427、5162618、5177327、5243148、5329070和5573077；以及Knowles等人的美國專利5260521。本段落所提及的這些文件全部通過引用結合於本文中以用於各種目的。這裡將詳細討論表面聲波觸控螢幕，以便可以更全面地理解本發明。
觸控螢幕100包括適合於傳播表面聲波、例如對表面上觸摸敏感的瑞利波、洛夫波及其它波的基板101。為了確定沿x-軸103的觸摸坐標，所採用的系統包括發射換能器105、接收換能器107以及一對分別與之相關的反射陣列109和111。採用類似的系統來確定沿y-軸113的坐標，它包括發射換能器115、接收換能器117以及與之相關的反射陣列119和121。發射換能器105和115連接到控制器123，控制器通常是在處理器125的控制下。接收換能器107和117還連接到控制器123，所述控制器123包括信號處理系統127。雖然可以同時將信號施加到換能器105和115，但是最好是依次把信號加到這些換能器，由此減少兩個坐標檢測通道之間的幹擾和串音。依次檢測法還降低了電路複雜性，因為這兩個檢測通道中可以交替使用許多必需電路，從而免除不必要的電路重複。為了進一步降低電路複雜性，通常先有技術向發射換能器105和115發送相同頻率的脈衝串。
下面更詳細地說明檢測通道之一。對這個通道所作的說明同樣適用於第二個檢測通道。為了確定沿基板101的x-軸103的觸摸坐標，發射換能器105沿著路徑129發送脈衝串聲波(例如，約5微秒的脈衝串)。因為與此脈衝串聲波相關的帶寬相對較寬，所以頻率不是非常界限分明。反射陣列109包括多個沿路徑129設置的反射元件131，各個元件131與路徑129成大致45度角。元件131被設計為從沿路徑129傳播的聲波中抽取多個聲波分量133，並沿基板表面101傳送分量133，方向最好與y-軸113平行。陣列109的圖案設計是這樣的，使得各個反射器131反射的各個分量相干地加在一起，從而形成具有均勻振幅的基本線性的波前。聲波分量133通過陣列111內的多個反射元件135進行重新組合，元件135將沿路徑137的聲波分量引導到接收換能器107。各個陣列元件135被沿著路徑137設置並且取向與該路徑約成45度角。由於與基板101相關的聲音速度而引起換能器105所傳送的聲波的時間延遲，所以接收換能器107接收到相對較長持續時間的信號(例如約150微秒的持續時間)，而非短脈衝串。
接收換能器107將沿路徑137接收到的波形信息轉換為電信號。例如通過執行接收聲波的到達時間分析，分析此電信號。圖2是說明這種聲波的典型時間分析的圖。如圖所示，振幅、即所接收的波的RF信號的包絡是對應於時間繪製的。在時間t1，由源123將信號提供給換能器105。時間t2是換能器107接收的波的開始時間。t1和t2之間的時間延遲源於換能器105發出的波到達陣列109的第一元件139、通過板101表面傳播、以及被陣列111的第一元件141反射之間的時間延遲。在時間t3，聲波的末尾到達換能器107。由於陣列元件的間距和設計，假設聲波未受擾動，時間t2和t3之間曲線的振幅相對恆定。
圖3是換能器107所接收的第二波形的曲線。如圖所示，波形的振幅在時間t1存在下降301。下降301是由於基板101上位置143處的聲波衰減所致。通過分析t1和t2之間的時間延遲，信號處理器127與處理器125結合可以計算觸摸143的x坐標。同樣，處理器125和127連同源123、換能器115和117以及反射陣列119和121可以計算觸摸143的y坐標。圖4是換能器117所接收的波形的曲線，其中表示了因觸摸143而導致的衰減下降401。
圖5-6是說明與本發明的自適應控制器相關的基本方法的流程圖。圖5所示的方法最適合用於觸控螢幕系統製造工藝過程中，雖然在用戶位置也可以採用此方法。在步驟501，特定觸控螢幕的一個或多個特徵頻率是利用各種眾所周知的測試技術中的任一種來確定的。例如，如果製造商一方在測試觸控螢幕，則可以將其置於測試夾具中，可以在基板表面上發出聲波。一旦知道觸控螢幕的一個或多個特徵頻率，則可調整控制器的設計用於該觸控螢幕的頻率，以便與被測觸控螢幕頻率匹配(步驟503)。通常調整控制器的頻率，直到獲得期望的頻率為止。或者，控制器可以包括一個查找表，其中記錄了控制器設置以及得出的輸出頻率。最好該查找表專用於給定的控制器，即每個控制器都有一個考慮了各個控制器內變化的查找表。一旦確定觸控螢幕的工作頻率，就用與該給定觸控螢幕配對的控制器的查找表進行適當控制器設置。無論採用哪種方法來調整控制器，一旦將其調整成與基板匹配，就可以組裝觸控螢幕系統(步驟505)。
在圖6所示的方法中，在嘗試使控制器與觸控螢幕的頻率匹配之前，將兩者配對(步驟601)。然後，完成觸控螢幕系統的安裝(步驟603)並且開始系統初始化(步驟605)。在系統初始化過程中，測試觸控螢幕來確定其一個或多個特徵頻率(步驟607)。該測試步驟最好採用以單脈衝串測試模式工作的普通觸控螢幕發射器/接收換能器(即105/107和/或115/117)。或者，也可採用專用的換能器對。一旦確定基板的一個或多個特徵頻率，就調整控制器的頻率(步驟609)，從而對普通操作而言，系統已準備就緒(步驟611)。
作為圖6所示的上述方法的變體，將系統設計為在觸摸操作過程中定期調整控制器，以便確保最優的頻率匹配。但是，與先前所述系統不同，執行定期測試程序，其中重新測試觸控螢幕並重新調整控制器(步驟613)。可以將控制器的重新調整設置為在每次系統進入上電程序時或者在經過預定時段之後執行。通常在觸控螢幕基板或控制器傾向於溫度相關的波動時，需要定期控制器調整。例如，如果採用聚合物基板，基板的聲波速度很可能隨環境溫度變化而改變。同樣，如果控制器不採用晶體振蕩器，可能會使頻率參考受到漂移影響，因此需要主動的控制器調整。
在由於觸控螢幕基板的故障(例如有意破壞)或者控制器故障所導致的在用戶位置觸控螢幕系統失效的情況下，都會發現上述的自適應控制器的明顯優點。由於控制器的頻率自適應質量的原因，可以很容易地在現場安裝新觸控螢幕或新控制器，這種解決方案優於將整個觸控螢幕系統發回給製造商進行修理，或者將已匹配的觸控螢幕/控制器發送到用戶位置進行現場更換。例如，如果現有觸控螢幕系統的觸控螢幕需要更換，舊的控制器可以執行一個新初始化測試，其中確定新觸控螢幕的一個或多個特徵頻率，並重新設置控制器的頻率以使之與所述一個或多個特徵頻率匹配。或者，可以利用上述查找表使用新觸控螢幕的標識碼來設置控制器的頻率。同樣，如果用戶位置需要新的控制器，可以通過初始化測試使新的控制器與現有觸控螢幕匹配，或者可以利用查找表方法和舊觸控螢幕的標識碼來設置它。在後一種方法中，既可以在製造商處，也可以在用戶處設置控制器。
本發明的實施例有很多，它們各自提供使控制器的頻率適應觸控螢幕要求的功能。這些實施例在自適應控制器校正的頻率失配類型上有所不同。圖7所示實施例設計用於受到「全局」頻率失配誤差、即均勻地影響控制器和觸控螢幕之間的頻率兼容性的誤差影響的系統。例如玻璃片的聲波速度通常隨其確切成分而有所不同。這樣，由於各批玻璃或者各玻璃製造商之間成分是不同的，並且假定其他影響頻率的因素得到足夠的控制，則成分不同所引入的誤差會由於聲波速度上各批產品間的差異而均勻地影響整個觸控螢幕的特徵頻率。在特定實例中，觸控螢幕製造工序期間，通常需要進行玻璃回火步驟。隨玻璃回火步驟的時間和溫度特性而定，各個觸控螢幕之間的特徵頻率可能有所不同。
在受到非時變全局頻率失配誤差(例如，玻璃成分不同)影響的觸控螢幕中，本發明的自適應控制器最好是採用單一自適應頻率算法。在此方案中，不需要多次或連續的頻率適配，因為控制器和觸控螢幕之間的失配不隨時間而變化。相反，此實施例的意圖是使得在最終系統組裝或系統維修期間隨機選擇的觸控螢幕和隨機選擇的控制器(即非配對的觸控螢幕/控制器組)可以成功配對。由此，最好在配對的觸控螢幕/控制器的初試上電程序期間執行此自適應頻率算法。
圖7所示的自適應控制器的實施例採用模擬信號處理。但是，顯然也可在此實施例中採用數位訊號處理。控制器700內有以接近期望頻率的頻率振蕩的晶體振蕩器701。此參考振蕩器701的輸出被饋送到控制器700內的數字乘法器703(也稱為數字分頻器)以及微處理器705。數字乘法器703以數學方式修改晶體振蕩器的輸出(例如，把晶體振蕩器頻率乘以有理數A/B)，以便根據微處理器705發送給它的命令生成期望頻率。由此，數字乘法器703與晶體振蕩器701結合而構成與觸控螢幕相關的模擬系統的主振蕩器704。
數字乘法器703的輸出被用於生成音頻脈衝串，該音頻脈衝串沿線路707輸出到觸控螢幕的發射換能器(例如圖1的換能器105和115)。音頻脈衝串處於乘法器703輸出的頻率，並且具有與微處理器705連接的脈衝串電路709所確定的脈衝串長度。在音頻脈衝串被傳送到發射換能器之前，通常經脈衝串放大器711調節和放大。
為了確定期望的工作頻率，接收換能器的輸出(例如圖1的107和117)沿線路713發送到混頻器包含電路715。換能器輸出最好首先通過帶通濾波器717和RF放大器719。帶通濾波器717，通常是固定寬帶濾波器，主要用作噪聲抑制電路，調節RF輸入。RF放大器719將信號放大到期望的電平。混頻器包含電路715將來自接收換能器的調節和放大後的信號的頻率分量與數字乘法器703的輸出信號進行比較，從而輸出相對緩慢變化且基本為直流的基帶信號。混頻器包含電路715的輸出由模數轉換器723進行數位化，並被饋送到微處理器705。作為選擇方案，低通濾波器721在混頻器包含電路的輸出被數位化之前對其提供額外的調節，但是通常混頻器包含電路提供有限窄帶濾波。
如前面所述，項目703最好是A/B數字乘法器。但是，應該理解，籠統地說，項目703僅僅是頻率修改電路，因此可以包括響應來自微處理器705的控制信號修改晶體振蕩器頻率的任何數字、模擬或數/模混合電子電路。
隨應用而定，僅調整脈衝串中心頻率或接收中心頻率可能就足夠了。在僅調整脈衝串中心頻率就足夠的那些情況中，電路715無需來自數字乘法器703的輸入。因此，可以替代為更標準的檢測器元件，如現有控制器中常見的那些元件。在僅調整接收中心頻率就足夠的那些情況中，數字乘法器703和脈衝串電路709之間的連接不再是必需的。
圖8是說明用於調諧數字乘法器703的頻率以與要連接的觸控螢幕的頻率匹配的技術的流程圖。如上所述，該實施例最好只在上電時將控制器的頻率與觸控螢幕匹配(步驟801)。或者，可以將系統設計成定期地或者只在第一次上電周期中執行控制器頻率調整。
在上電步驟801，微處理器705使數字乘法器703的輸出在預定頻率範圍中掃描(步驟803)。控制器最好先執行粗調諧操作，然後執行精調諧操作，但是可以將這兩個操作組合在單一掃描程序中。因此，在步驟803中，採用相對較大頻率躍變掃描預定的頻率範圍。將各個頻率躍變的A-D轉換器723的輸出求和(步驟805)，並選擇最大信號振幅(步驟806)，它指示了主振蕩器的輸出和觸控螢幕之間最接近的匹配。然後重複執行此掃描/優化過程(步驟807-809)，採用較小頻率躍變在先前選擇的頻率附近掃描主振蕩器的輸出頻率。然後將步驟809中確定的最接近觸控螢幕固有頻率的頻率輸入存儲器中(步驟811)，由此確保主振蕩器的輸出維持在期望的頻率。
雖然圖8中表示了兩步頻率掃描法，但是本領域的技術人員應當知道，還有許多其他技術可用於確定期望的輸出頻率。例如，本發明還可以利用抖動或者逐次逼近法。
圖8的基本算法不需要使用A-D轉換器求和。一般來說，步驟805和808表示收集對頻率失配度敏感的任何可測量的量，而步驟806和809表示選擇對應於小到可接受的頻率失配的可測量的量。例如，對於給定的時間間隔，微處理器705可以在接收的信號和數字乘法器703的輸出中統計RF周期數。RF周期數之間的差異提供了頻率失配的量度。對於本領域的技術人員來說，還有其他眾所周知的電路和技術來實現同一目的。
圖9示意說明作為混頻器包含電路715的說明性實例的正交和檢測器。在混頻器903中，調節後的RF輸入信號901與來自數字乘法器703中的振蕩器輸出進行混頻。混頻器903輸出兩個輸入頻率的和頻率與差頻率。利用低通濾波器905濾除約10MHz處的和頻率。其餘頻率接近於零，即基帶。雖然可以採用上述單個混頻器電路提供基帶信號，但是輸出隨振蕩器輸出和RF輸入信號的相對相位而定。為了實現相對相位不相關性，即避免A-D轉換器723所數位化的波形中出現拍頻波形圖，正交和檢測器具有圖9所示的兩個信道。如圖所示，採用第二混頻器907，其中來自振蕩器的頻率輸入按90度進行相移。第二混頻器907的輸出，在通過另一個低通濾波器905之後，與來自正交和電路909的第一通道的輸出相加。電路909的輸出是一個基帶信號911，它免於拍頻波形圖並且與接收的信號的確切相位無關。圖9的正交和檢測器有效地提供窄帶帶通濾波器，其中心頻率可由數字乘法器703輸出的頻率進行調整和控制。
圖9所示的混頻器903和907是正交和檢測器以及其他可能的混頻器包含電路的基本組件。例如，混頻器903將線路713上始發的信號與源704的輸出組合，得到與這兩個輸入信號及其頻率間差異存在函數關係的期望輸出。在某些情況中，可能不需要全部正交和檢測器。例如，如果所需要的只是調整脈衝串頻率，要關注的輸出量是來自線路713和來自源704的信號之間差異的拍頻。這種差頻率信號可容易地由二極體混頻器生成。當然，先有技術中還有其他常用混頻設備，也可以在本發明中作為一種修改形式被採用。
在圖10-12所示的本發明另一個實施例中，控制器可以如下方式編程使之既可以適應全局變化、即均勻地影響整個觸控螢幕的特徵頻率的頻率變化，也可以適應局部變化，即觸控螢幕的局部區域內的頻率變化。僅為了說明的目的，本實施例採用數位訊號處理。但是應該理解，本實施例也可以採用模擬信號處理來實現。
圖10是說明與本發明實施例相關的方法的流程圖。觸控螢幕基板製造(包括任何所需的陣列澱積和玻璃回火工序)完成之後，測量該觸控螢幕的特徵頻率，包括任何局部陣列變形的影響(步驟1001)。這些測量最好在製造工廠中利用生產現場的測試設備來完成。根據這些測量，計算一系列的頻率校正值(步驟1003)，它們通常與x和y坐標的延遲時間成函數關係。然後將各個觸控螢幕所特有的這組校正值裝入自適應控制器1100的存儲器中(步驟1005)，該控制器與此特定觸控螢幕配對(步驟1007)。應當理解，步驟1005和1007可以在次序上顛倒，可以將觸控螢幕基板頻率變化測量步驟1001與校正值計算步驟1003組合起來。
對圖10所示的方法稍作改變，每個觸控螢幕基板設有一個標識碼。然後將標識碼和各標識碼所特定的相關校正值的表歸檔，最好由製造商、經銷商或二者一起來完成。由此，若例如由於破損而需要更換控制器，用戶只需要提供標識碼，以便得到已經預先裝入必需的校正值的新控制器。
在圖11和圖12所示的本發明實施例中，自適應控制器1100採用振蕩器1101作為參考。最好採用穩定的晶體振蕩器作為頻率源。振蕩器1101的輸出被傳送到分頻器/移相器1103，它將頻率從約22MHz分頻為約5.53MHz的期望頻率，並將一部分輸出移相90度。然後在混頻器1109和1111中將未移相的振蕩器頻率1105和移相的振蕩器頻率1107與適當濾波並放大的接收換能器RF信號進行混頻。與在控制器700中一樣，來自觸控螢幕的接收換能器的RF信號通過帶通濾波器1113、通常是固定寬帶濾波器進行濾波，從而除去各種噪聲分量，然後通過放大器1115進行放大，以便獲得期望的信號電平。
混頻器1109和1111的輸出在複平面中表示x和y信號振幅。由此，利用一對混頻器和一對參考信號(其中之一已經移相90度)，可以確定相位以及與相位有關的複數幅度。混頻器1109和1111的輸出分別通過一對低通濾波器1117和1119，然後分別通過A-D轉換器1121和1123進行數位化。然後將這些信號發送到數位訊號處理器(即DSP)1125。
DSP 1125充當頻率濾波器，其中可以數學方式控制中心頻率和帶寬。以數學方式控制DSP 1125來獲得可控制帶寬和中心頻率的方法是本領域的技術人員眾所周知的，因此不作詳細討論。連接到DSP1125的有存儲器1127。存儲器1127包含通過測量特定觸控螢幕(即要與控制器1100配對的觸控螢幕)的頻率特性獲得的校正值。根據存儲器1127中所含校正值，DSP 1125對特定的中心頻率作出響應。DSP 1125最好對根據延遲信號變化的中心頻率作出響應，由此考慮聲波反射陣列中局部變化所導致的變化。
圖11的項目1125在通常意義上是指數位訊號處理器(即DSP)。它表示對來自A-D轉換器1121和1123的數位化信號進行的數學或數字處理。DSP 1125可以多種方式實現。例如，DSP 1125可以是由微處理器1131執行的代碼。或者，DSP 1125可以是為聲學觸控螢幕控制器專門設計的數字電路。再者，數位訊號處理可以在封裝的矽晶片中執行，此類晶片通常被電子工程師稱為「DSP晶片」，但是應當理解它並不僅限於此。
為了提供發射換能器脈衝串，將晶體振蕩器1101的輸出饋送到數字脈衝串電路1129。脈衝串電路1129根據從微處理器1131接收的指令處理此信號，而微處理器1131從永久存儲器1127接收有關所需中心頻率的指令。如果需要的話，在將數字脈衝串電路1129的輸出沿線路1135發送到發射換能器之前，通過脈衝串放大器1133放大。
圖12是數字脈衝串電路1129的一個實例的示意圖。在脈衝串電路1129內，有連接到微處理器1131的位寄存器1201(例如64×8位寄存器)。微處理器1131將所需的位組合(即，微處理器1131響應永久存儲器1127的輸出而生成的數字圖案)裝入寄存器1201，該位組合確定脈衝串的中心頻率。對於每個脈衝串，裝入寄存器1201中的位組合被鎖存到移位寄存器1203中，為了產生脈衝串，移位寄存器要時鐘同步(clocked out)。應該理解，可以採用不同的位組合來確定觸控螢幕的x坐標和y坐標的脈衝串中心頻率，由此將這兩個軸之間的變化納入考慮。應該指出，位組合可以由微處理器1131響應從存儲器1127獲得的頻率校正數據來計算，也可以直接存儲在存儲器1127中。
在可以採用自適應控制器的這個實施例的另一個實例中，觸控螢幕採用光柵換能器。在光柵換能器中，將壓電元件運用於基板的背面，並將光柵運用於基板前面。光柵用來相干衍射壓電元件所產生的壓力波，由此生成沿表面的面傳播的聲波。這種光柵換能器證明在工作頻率對應於玻璃厚度諧振時最有效。因為基板的玻璃厚度諧振頻率取決於基板厚度，所以最好先測量玻璃厚度，然後計算最佳工作頻率，並運用針對該最佳工作頻率設計的適當反射陣列和光柵。然後利用本發明的自適應控制器、例如1100，將控制器的頻率與觸控螢幕的頻率特性匹配。但是不同於本實施例的一些應用，此實例要求該自適應控制器能夠對脈衝串頻率從參考振蕩器頻率作出10-20％的改變。任何接收帶通濾波器、如濾波器1113需要是可調諧的或者足夠寬帶的，以便涵蓋觸控螢幕頻率特性的整個變動範圍。
圖13示意說明自適應控制器的另一個實施例，它可以直接安裝到觸控螢幕基板上，因此提供了尺寸和成本效益。在此實施例中，晶體振蕩器被替換為本機振蕩器1301，由此提供所需的尺寸。例如，本機振蕩器1301可以完全由矽晶片上的電路元件來構成。假定本機振蕩器1301相對於晶體振蕩器有漂移，則需要反饋環路來提供必要的頻率穩定性。由於有反饋環路，控制器1300主動地、即反覆地將振蕩器頻率調整到期望頻率。
根據先前的實施例，來自觸控螢幕接收換能器的RF信號首先通過帶通濾波器1303和放大器1305以進行調節。調節後的RF信號在混頻器1307中與來自本機振蕩器1301的輸出進行混頻。振蕩器1301是可變頻率振蕩器，其中頻率由例如輸入電壓控制。利用電容器1308和振蕩器1301之間適當的緩衝電路，振蕩器1301可以提供其他類型的電輸入，比如電流。在此實施例中，本機振蕩器或參考振蕩器工作在比觸控螢幕頻率高的頻率上。例如，對於5.5MHz的標稱觸控螢幕頻率，振蕩器1301可以工作在大約6MHz的頻率上。混頻器1307的輸出則是在大約500kHz的IF頻率上。
混頻器1307的IF輸出在進入鑑頻器1311之前先通過帶通濾波器1309。鑑頻器1311生成一個電壓，其符號根據該頻率是高於還是低於鑑頻器1311的中心頻率而定，其振幅取決於與鑑頻器中心頻率之間偏離的程度。然後利用鑑頻器1311的輸出調整本機振蕩器1301的頻率，例如利用變容二極體來將鑑頻器輸出電壓降低到零附近。連接到控制處理器1314的開關1313是樣本和保持電路的一部分，它使本機振蕩器1301可保持在脈衝串/接收周期之間先前確定的頻率上。在接收周期中，開關1313是閉合的。
系統上電過程中，本機振蕩器1301可能偏離期望頻率相當大的差額，從而阻止反饋環路有效地穩定振蕩器。為此，控制器1300最好包括逐漸地調整本機振蕩器1301的頻率的斜坡處理功能，直到反饋環路可以接管為止。在一種工作方式中，上電期間，開關1313斷開而第二開關1315閉合。數-模轉換器(即DAC)1317在微處理器1314的控制下調整振蕩器1301的頻率，增大(或減小)該頻率同時利用檢測器1319觀測混頻器1307的輸出。檢測器1319通過A-D轉換器1321與微處理器1314連接。當檢測器1319的輸出超過預定閾值、從而指示本機振蕩器1301接近期望頻率時，微處理器1314斷開開關1315並閉合開關1313，使反饋環路可以微調本機振蕩器的頻率。或者，在上電過程中，可以將開關1313和開關1315都閉合。在此方式中，一旦振蕩器頻率處於帶通濾波器1303的帶寬內，微處理器1314就斷開開關1315，從而使反饋環路可以自此點向前微調頻率。
與先前所述實施例不同，不將本機振蕩器1301的頻率調整到期望的脈衝串頻率。而是，本機振蕩器1301的頻率跟蹤觸控螢幕的頻率，以便維持兩個頻率之間的固定差(在本例中為500kHz)。因此，為了獲得期望的脈衝串頻率，在第二混頻器1323中將本機振蕩器1301的穩定輸出與IF振蕩器1325的輸出進行混頻。IF振蕩器1325工作於與IF帶通濾波器1309相同的頻率(即本例中約為500kHz)。混頻器1323的輸出處於期望的脈衝串頻率(即本例中約為5.5MHz)。帶通濾波器(未顯示)可以插入到混頻器1323和脈衝串電路1327之間，以便只從混頻器1323通過期望的和或差頻率。與先前的實施例一樣，此頻率上的音頻脈衝串的長度由連接到微處理器1314的脈衝串電路1327控制。音頻脈衝串通常在沿線路1331輸出到觸控螢幕發射換能器之一之前被脈衝串放大器1329放大到期望的振幅。
圖13中的電路是一種電路實例，它將接收信號從RF頻率移頻到較低的不一定是基帶的頻率，例如500kHz。對於自適應頻率控制器的設計人員，有一種通用技術可用。這種較低頻率可以選在RF頻率與基帶之間的任何位置。它的最優值取決於特定電路的具體特性、噪聲源等。
圖14-15說明對於使用過程中存在基板聲波速度上的變化的觸控螢幕較理想的本發明另一個實施例。例如，如先前提到的，聚合物基板的聲波速度特性可能與溫度相關。因此，在使用過程中，基於聚合物基板的觸控螢幕可能會呈現全局變化(例如整個房間溫度的變化所引起的)或局部變化(例如屏幕不同部分的溫度不同引起的)。圖14和15所示的實施例被設計為適應這種變化。
圖14是說明其中控制器1500與需要主動適配的觸控螢幕相連的實施例的方法的流程圖。在此實施例中，第一步驟是確定觸控螢幕是否感應到觸摸(步驟1401)。如果未感應到觸摸，控制器1500執行測試程序以確定觸控螢幕的頻率特性。此程序中的第一步驟最好是確定自從上次測試程序之後經過了多長時間(步驟1403)。如果未超過預置時段(步驟1405)，則系統循環返回到起始點。如果超過預置時段，系統則測量基板x和y坐標的基板頻率特性(步驟1407)，並確定一組校正值(步驟1409)。這些校正值被裝入控制器1500的存儲器(步驟1411)，系統循環返回到起始點(步驟1413)。然後，一旦感應到觸摸(步驟1415)，系統則確定觸摸坐標(步驟1417)並且將這些坐標發送到作業系統(步驟1419)。
主動自適應控制器1500如圖15所示。此控制器基本上與控制器1100相同，不同之處是一些小的改變。例如，將永久存儲器1127替換為暫時存儲器1501。與控制器1100中一樣，存儲器1501存儲校正觸控螢幕的特徵頻率變化所需的頻率校正值。本實施例中需要暫時存儲器，因為控制器1500定期更新如上所述的校正值。此外，因為存儲器必須定期更新，它是雙向連結到微處理器1131的。因此，在特性測試程序期間，微處理器1131利用DSP 1125的輸出來確定期望的頻率校正值，將它們存儲在存儲器1501。
與圖11所示的實施例一樣，數字脈衝串處理器1129輸出期望脈衝串頻率的脈衝串。此外，還根據存儲在暫時存儲器1501中的校正值對輸出脈衝串的功率譜進行修整。可以採用各種技術來調整脈衝串功率譜，包括對各個RF脈衝的相位進行時間調製(例如，基於sin(x)/x曲線的脈衝相位調整)，對脈衝串進行振幅調製(例如不同長度的數字脈衝串的梯形包絡或疊加)，或者利用以RF周期為單位的非整數脈衝串長度。
在圖16所示的實施例中，只調整用於處理接收信號的中心頻率，即不調整脈衝串的頻率。本實施例適用於無需調整脈衝串頻率的情況，如脈衝串非常短，例如持續時間少於10個RF周期，因此足夠寬帶以涵蓋觸控螢幕特徵頻率中預期的變化。
如圖16所示，微處理器1601接受標稱RF工作頻率，並觸發脈衝串電路1603，從而激勵發射換能器(未顯示)。與先前的實施例一樣，脈衝串放大器1605可用於調節脈衝串電路1603的輸出。接收器電路鏈中最窄的帶通濾波器是可變帶通濾波器1607。可變帶通濾波器1607的中心頻率由D-A轉換器1609所提供的電壓控制，D-A轉換器又由微處理器1601來控制。針對可變帶通濾波器、如濾波器1607設計的相應電路是本領域的技術人員眾所周知的，因此不作進一步的說明。來自接收換能器(未顯示)的信號可以被傳遞通過相對較寬的帶通濾波器1611，並在被傳遞通過可變帶通濾波器1607之前由放大器1613進行放大，所述濾波器1607定義中心頻率。然後通過檢測器1615將信號從RF轉換成基帶，並利用A-D轉換器1617將其數位化。微處理器1601確定D-A轉換器1609的最優設置，例如利用圖8所示的處理程序。然後將最優D-A轉換器設置存儲在存儲器1619中，微處理器1601在一般觸摸操作過程中使用所存儲的值。對於x信號和y信號，可以分別存儲D-A轉換器的值。
在上面公開的各個實施例中，最好觸摸感應過程中所用的換能器如換能器105、107、115和117也用於將控制器與觸控螢幕適配。由此，例如換能器105發出的和換能器107接收的聲波所產生的接收信號都可以用作本發明的自適應控制器的頻率參考，或者以與常規觸控螢幕相同或相似的方式提供觸摸信息。但是，應該理解，這些用於確定觸控螢幕特徵頻率以便調整控制器的換能器不需要與用於檢測觸摸和信息收集的換能器相同。例如，如圖17所示，換能器對1701和1703用於延遲線路反饋振蕩器(未顯示)中以確定觸控螢幕的特徵頻率，這些換能器作為對觸摸感應過程中使用的換能器105、107、115和117的附加物。或者，可以在觸控螢幕基板背面設置具有單獨反射陣列的單獨換能器。最好附加的換能器的輸入和輸出與控制器700的線路707和713復用，或者與控制器1100、1300或1500的對應線路復用。這種方法提供了優化頻率參考信號的性質的自由，而與觸摸感應聲路的需要無關。
雖然上面描述和說明了本發明的多個實施例，但是應該理解，可以設想利用本發明的自適應方法的其他實施例。此外，還應該理解，上述實施例的各個方面在不背離本發明的前提下可以更改。例如，可以採用圖13所示的實施例中所用的非晶體參考振蕩器和反饋環路來替代圖11-12所示的實施例中所用的晶體振蕩器。因此，在不背離本發明精神和基本特徵的前提下，本發明可以其他特定形式來實施。因此，本文的公開內容和描述僅用於說明，而非作為限定，本發明的範圍由下列權利要求書來陳述。
權利要求
1.一種操作觸控螢幕系統的方法，所述方法包括如下步驟為所述觸控螢幕系統提供電力，所述觸控螢幕系統包括觸控螢幕基板和自適應觸控螢幕控制器；在所述觸控螢幕基板上發出聲波；接收所述聲波；分析所述聲波以確定所述觸控螢幕基板的特徵頻率的測量值；以及調整所述自適應觸控螢幕控制器的頻率，以便基本與所述觸控螢幕基板的所述特徵頻率匹配。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述調整步驟是自動進行的。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述調整步驟調整所述控制器的可變帶通濾波器的中心頻率。
4.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，重複所述發出、接收、分析以及調整的步驟，以便獲得所述自適應觸控螢幕控制器的所述頻率和所述觸控螢幕基板的所述特徵頻率之間的最佳匹配。
5.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述分析和調整步驟在每次向所述觸控螢幕系統提供電力時執行。
6.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述分析和調整步驟是定期進行的。
7.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述分析和調整步驟在所述觸控螢幕系統初始上電期間執行。
全文摘要
提供一種使聲學觸控螢幕控制器適應特定觸控螢幕的工作頻率要求的方法和裝置。自適應控制器可以利用查找表獲得所期望的輸出頻率或者可以採用多步處理，其中首先確定觸控螢幕的頻率要求，然後根據觸控螢幕要求調整脈衝串頻率特性、接收器電路中心頻率或兩者。在一個實施例中，自適應控制器對全局頻率失配誤差進行補償。在此實施例中，採用數字乘法器修改晶體參考振蕩器的輸出。採用參考振蕩器輸出控制來自接收換能器的信號的頻率和/或生成發送到發射換能器的音頻脈衝串的期望頻率。在設計為同時補償全局和局部頻率變化的另一實施例中，自適應控制器採用數位訊號處理器。數位訊號處理器根據存儲器中包含的校正值，定義最好根據信號延遲變化的特定中心頻率，從而考慮聲波反射陣列中局部變化所導致的變化。在再一個實施例中，採用非晶體本機振蕩器來提供自適應控制器中的參考信號。使用這種振蕩器使控制器能夠最小化到可直接安裝至觸控螢幕基板的足夠程度。採用反饋環路來補償振蕩器漂移。鑑頻器電路確定與期望頻率的偏離程度。利用鑑頻器的輸出調整本機振蕩器的頻率，使得它跟蹤觸控螢幕的頻率。
文檔編號G06F3/043GK1722073SQ200510085929
公開日2006年1月18日 申請日期2000年11月21日 優先權日2000年11月21日
發明者R·阿德勒, A·拉維, P·I·戈梅斯, 蒲原茂樹, 金田宏, J·肯特, J·L·夏普, G·D·威爾遜 申請人:伊羅接觸系統公司