Сенсорная панель управления Советский патент 1991 года по МПК H03K17/945 

Тант

О

ю ю

со

ел VJ

ы

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в уст ройствах ввода и вывода информации. Цель изобретения - упрощение и повышение достоверности работы за счет уменьшения влияния паразитной емкости монтажа и сенсорной площадки, расширение области применения и повышение электробезопасности, а также осуществление возможности рдновременного прикосновения к нескольким сенсорным площадкам. Устройство содержит тактовую шину 1 сенсорных площадок 2, блок 3 управления, блок 4 регистрации, преобразователь 5, линию 6 передача, блок 7 согласования, формирователь 8 и нагрузку 9. 12 з.п.ф-лы. 6 ил.

фие1

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в устройствах ввода и вывода информации.

Цель изобретения - упрощение и повышение достоверности работы за счет уменьшения влияния паразитной емкости монтажа и сенсорной площадки, расширение области применения и повышения элек- тробезопасности оператора, а также осуществление возможности одновременного прикосновения к нескольким сенсорным площадкам.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства; на фиг. 2 - электрическая функциональная схема устройства; на фиг. 3 - электрическая функциональная схема устройства на 4-х линиях передачи; на фиг. 4 - электрическая схема линии передачи с трансформатором; на фиг. 5 - линия передачи с конструктивно выполненными конденсаторами; на фиг. 6 - линия передачи с конструктивно выполненными конденсаторами и индуктивностями.

Блок-схема устройства (фиг. 1) содержит тактовую шину 1, М сенсорных площадок 2, блок 3 управления, блок 4 регистрации, преобразователь 5, линию 6 передачи, блок 7 согласования, формирователь 8 и нагрузку 9.

Блок 3 управления (фиг. 2) содержит RS- триггер 10, первый формирователь 11 импульсов, второй формирователь 12 импульсов. Блок 4 регистрации содержит счетчик 13 и управляемый генератор 14. Преобразователь 5 содержит компаратор 15. Линия 6 передачи содержит М катушек 16 индуктивности и М конденсаторов 17. Блок 7 согласования содержит первый рези- стор 18. Нагрузка 9 содержит второй резистор 19.

Блок 3 управления (фиг. 3) содержит двухразрядный счетчик 20, вторую линию 21 передачи, третью линию 22 передачи, четвертую линию 23 передачи, соответствующие сенсорные площадки 24, 25 и 26 соответствующие блоки 27,28 и 29 согласования, соответствующие нагрузки 30, 31 и 32. Преобразователь 5 дополнительно содержит второй 33, третий 34 и четвертый 35 компараторы и мультиплексор 36.

Линия 6 передачи (фиг. 4) содержит трансформатор 37 с первичной 38 и вторичной 39 обмотками.

Линия 6 передачи (фиг. 5 и 6) содержит диэлектрический слой 40, первый проводящий слой 41, второй проводящий слой 42. дискретную катушку 43 индуктивности, печатную катушку 44 индуктивности.

Способ определения состояния сенсорных площадок состоит в следующем (фиг. 1).

Линия 6 передачи включена в режим согласования как по входу, так и по выходу при помощи блока 7 согласования и нагрузки 9.

В линию 6 передачи от тактовой шины 1

через блок 3 управления, формирователь 8 и блок 7 согласования подают импульс напряжения.

При отсутствии прикосновения оператором к одной из сенсорных площадок 2 амплитуда импульса в точке соединения блока 7 согласования, входа линии 6 передачи и входа преобразователя 5 уменьшается в два раза. Проходя по линии 6 передачи,

импульс поглощается в нагрузке 9 без отражения. Порог срабатывания преобразователя 5 устанавливают ниже уровня половины амплитуды импульса на выходе формирователя 9, поэтому сигнал на выходе преобразователя 5 отсутствует и по второму входу блока 3 управления, подключенному к выходу преобразователя 5, сигнала также нет и блок 3 управления продолжает формировать импульс, который поступает на первый

вход блока 4 регистрации. Блок 4 регистрации при поступлении на его первый вход импульса, по длительности превышающего время двойного пробега сигнала по линии 6 передачи, на первом выходе, подключенном

к третьему входу блока 3 управления, вырабатывает импульс сброса блока 3 управления, при этом импульс на первом выходе блока 3 управления прекращается. На втором выходе блока 4 регистрации, который

и является выходом всего устройства, устанавливается код, соответствующий режиму отсутствия касания к сенсорным площадкам 2.

При наличии прикосновения оператора к одной из сенсорных площадок 2, эквивалентная емкость тела оператора оказывается подключенной к линии 6 передачи. При этом линия 6 передачи рассогласовывается

и в ней возникает отражение в месте касания. Отраженный сигнал представляет собой отрицательный импульс, амплитуда которого определяется отношением волнового сопротивления линии 6 передачи к экбивалентному сопротивлению растекания тела оператора, причем, чем больше волновое сопротивление линии 6 передачи, тем больше амплитуда отраженного импульса и соответственно ниже требование к чувствительности преобразователя 5. Приход отраженного сигнала по времени на вход преобразователя 5 определяется местом подключения сенсорной площади 2, к которой осуществлено прикосновение оператора.

При наличии отраженного сигнала преобразователь 5 на своем выходе вырабатывает сигнал, который поступает на третий вход блока 3 управления, на выходе которого, подключенном к первому входу блока 4 регистрации и ко входу формирователя 8, прекращается сигнал. В результате на указанном выходе блока 3 управления оказывается сформированным импульс, длительность которого равна времени двойного пробега сигнала по линии б передачи от качала до отвода, с подключенной к нему возбужденной сенсорной площадкой 2. Блок А регистрации измеряет длительность этого входного импульса и на своем выходе вырабатывает код, однозначно соответствующий номеру сенсорной площадки, в которой осуществлено прикосновение. Установка блока 4 регистрации в исходное состояние осуществляется по тактовому сигналу, поступающему по тактовой шине 1 на первый вход блока 3 управления, который вырабатывает на своем втором выходе, подключенном ко второму входу блока 4 регистрации, импульс установки в исходное состояние.

Чем больше задержка сигнала в линии 6 передачи между двумя соседними отводами, тем ниже требования к разрешающей способности блока 4 регистрации. Например, при использовании элементов базы ТТЛ-типа с диодами Шоттки разрешающая способность блока 4 регистрации составляет около 20 не, таким образом, задержка сигнала в линии 6 передачи между двумя соседними отводами должна составлять около 10 не (двойное время пробега сигнала будет 20 не).

Устройство (фиг. 2) работает следующим образом.

Тактовый импульс с тактовой шины 1, проходя через первый формирователь 11 импульсов блока 3 управления, преобразуется в короткий импульс отрицательной полярности, который устанавливает RS- триггер 10 блока 3 управления в состояние лог. 1, а счетчик 13 блока 4 регистрации - в нулевое состояние. Длительность этого импульса выбирается минимальной величины, но достаточной для указанной установки RS-триггера 10 и счетчика 13. На первом выходе блока 3 управления формируется положительный фронт импульса, разрешающий работу генератора 14 блока 4 регистрации, импульсы с выхода которого поступают на счетный вход счетчика 13 блока 4 регистрации и заполняют его. Период следования импульсов генератора 14 выбирается равным двойному времени задержки сигнала в линии 6 передачи между двумя

соседними отводами. Кроме того, положительный фронт импульса с первого выхода блока 3 управления поступает на вход формирователя 8, формирующего этот импульс 5 по амплитуде, исходя из требований электробезопасности оператора и чувствительности преобразователя 5.

Линию 6 передачи в ряде случае удобно выполнить в виде многозвенной искусст- 0 венной линии задержки, состоящей из катушек 16 индуктивности и конденсаторов 17. Волновое сопротивление линии задержки должно иметь величину, сопоставимую с величиной эквивалентного сопротивления 5 растекания тела оператора. Чем больше величина волнового сопротивления линии задержки по сравнению с величиной эквивалентного сопротивления растекания тела оператора, тем больше амплитуда отражен- 0 ного сигнала при прикосновении оператора к сенсорной площадке 2 и ниже требования к чувствительности преобразователя 5.

Величина задержки одного звена линии задержки определяет требование к разре- 5 шающей способности счетчика 13 блока 4 регистрации. Чем больше величина задержки одного звена линии задержки, тем ниже требования к разрешающей способности счетчика 13 блока 4 регистрации. Таким об- 0 разом, для снижения требований к схемотехнике устройства по чувствительности преобразователя 5 и разрешающей способности счетчика 13 блока регистрации жела- тельно выполнение линии задержки с 5 максимально возможной величиной волнового сопротивления и времени задержки одного звена линии задержки, что ограничивается конструктивными и технологическими возможностями. Например, при 0 использовании элементной базы i ТТЛ-типа с диодами Шоттки необходима линия задержки с волновым сопротивлением более 1 кОм и величиной задержки одного звена более 10 не.

5Линия задержки из катушек 16 индуктивности и конденсаторов 17 последовательно согласовывается по входу первым резистором 18 блока 7 согласования и по выходу согласовывается параллельно вто- 0 рым резисторам 19 нагрузки 9. Величина резисторов 18 и 19 выбирается равной по величине волновому сопротивлению линии задержки. В этом случае амплитуда импульса на входе линии задержки и преобразова- 5 теля 5 будет равна половине амплитуды сигнала на выходе формирователя 8. Преобразователь 5 состоит из компрессора 15, один из входов которого подключен ко входу линии задержки и к первому резистору 18, а другой вход подключен к шине порогового напряжения, которое устанавливается меньше половины амплитуды импульса, действующего на выходе формирователя 8, но больше нижнего уровня отраженного сигнала.

При отсутствии прикосновения сепаратора к одной из сенсорных площадок 2 импульс, проходя по линии задержки до конца, поглощается вторым резистором 19 нагрузки 9 без отражения. Компаратор 15 преобразователя 5 не изменяет своего состояния на выходе и не сбрасывает RS-триггер 10 блока 3 управления. Генератор 14 блока 4 регистрации продолжает свою работу и заполняет счетчик 13 блока 4 регистрации до конца, на выходе переноса этого счетчика 13 возникает отрицательный импульс, который сбрасывает RS-триггер 10 блока 3 управления. На выходе RS-триггера 10 устанавливается уровень лог. О и работа всего устройства прекращается до следующего тактового сигнала, Счетчик 13 блока 4 регистрации остается в состоянии лог. О на всех его выходах, что является состоянием отсутствия прикосновения к какой-либо сенсорной площадке 2. Выходы счетчика 13 блока 4 регистрации являются выходами устройства.

При наличии прикосновения оператором к одной из сенсорных площадок 2 линия задержки рассогласовывается и на входе компаратора 15 преобразователя 5 возникает отраженный импульс, момент прихода которого определяется местом подключения сенсорной площадки 2, к которой осуществлено прикосновение, к линии задержки. Это время равно двойному времени пробега фронта импульса от входа ли- .нии задержки до места подключения сенсорной площадки, к которой осуществлено прикосновение, и обратно.

Под воздействием отраженного сигнала компаратор 15 преобразователя 5 срабатывает, на его выходе образуется фронт сигнала, который поступает на второй формирователь 12 импульсов блока 3 управления, на выходе которого образуется отрицательный импульс, устанавливающий RS-триггер 10 блока 3 управления в состоянии лог. О. При этом генератор 14 блока 4 регистрации прекращает свою работу и счет импульсов в счетчике 13 блока 4 регистрации прекращается. Работа всегрустройства заканчивается до прихода следующего тактового сигнала. При этом в счетчике 13 блока 4 регистрации оказывается записан код, соответствующий номеру сенсорной площадки, к которой осуществлено прикосновение оператора. Период следования тактовых сигналов для нормальной работы

устройства должен быть больше времени заполнения счетчика 13 блока 4 регистрации.

В тех случаях, когда требуется одновременное прикосновение к двум и более сенсорным площадкам 2, необходимо использовать несколько линий передачи б, к которым подключают группы сенсорных площадок 2 таким образом, чтобы те сенсор0 ные площадки 2, к которым возможно одновременное прикосновение, были бы подключены к разным линиям б передачи. Использование нескольких линий 6 передачи необходимо и в тех случаях, когда коли5 чество сенсорных площадок 2 превышает возможное количество включения их в одну линию передачи 6 из-за ухудшения фронта отраженного сигнала при касании сенсорной площадки 2, расположенной в конце

0 линии передачи 6.

Устройство на нескольких линиях передачи, например на 4-х (фиг. 3), работает следующим образом.

Период следования тактовых импульсов

5 разбивается на четыре временных отрезка. За каждый временной отрезок обслуживается одна из четырех линий 6, 21, 22 и 23 передачи.

Первый тактовый импульс с тактовой

0 шины 1, проходя через первый формирователь 11 импульсов блока 3 управления, преобразуется в короткий ИМПУПЬС отрица- . тельной полярности, который устанавливает RS-триггер 10 блока 3 управления в

5 состояние лог. 1, счетчик 20 блока 3 управления в состояние лог. О на обоих выходах и, поступая на второй вход блока 4 регистрации, устанавливает его в исходное состояние. Образующийся на выходе RS-триггера

0 Ю блока 3 управления положительный фронт сигнала поступает на первый вход блока 4 регистрации и разрешает его работу. Одновременно положительный фронт с выхода RS-триггера 10 блока 3 управления

5 поступает через формирователь 8 и блоки 7, 27, 28 и 29 согласования соответственно на входы линий б, 21, 22 и 23 передачи и на входы соответствующих компараторов 15, 33,34 и 35 преобразователя 5. Выходы счет0 чика 20 блока 3 управления подключены к управляющим входам мультиплексора 36 преобразователя 5 и устанавливает его в состояние подключения входа О к выходу, так как код на управляющих входах его 00

5 Таким образом образуется схема, аналогичная уже описанной и приведенная на фиг. 2 При поступлении по тактовой шине 1 второго тактового импульса счетчик 20 блока 3 управления устанавливается в состояние по выходу 01 и мультиплексор 36

преобразователя 5 подключает выход компаратора 33 к выходу преобразователя 5. Таким образом устройство начинает работать с линией 21 передачи и сенсорными площадками 24. При поступлении по тактовой шине 1 третьего тактового импульса аналогично подключается компаратор 34 преобразователя 5 и устройство работает с линией 22 передачи и сенсорными площадками 26.

При поступлении по тактовой шине 1 четвертого тактового импульса аналогично подключается компаратор 35 преобразователя 5 и устройство работает с линией 23 передачи и сенсорными площадками 2б.

На выходе блока 4 регистрации после поступления первого тактового импульса образуется код, соответствующий номеру сенсорной площадки 2, к которой осуществлено прикосновение, из первой группы сенсорных площадок 2, подсоединенных к отводам линии 6 передачи. После второго тактового импульса на выходе блока 4 регистрации образуется код, соответствующий номеру сенсорной площадки 24, к которой осуществлено прикосновение из второй группы сенсорных площадок 24, подсоединенных к отводам линии 21 передачи, После третьего тактового импульса на выходе блока 4 регистрации образуется код, соответствующий номеру сенсорной площадки 25, к которой осуществлено прикосновение, из третьей группы сенсорных площадок 25, подсоединенных к отводам линии 22 передачи. После четвертого тактового импульса на выходе блока 4 регистрации образуется код, соответствующий номеру сенсорной площадки 20, к который осуществлено прикосновение, из четвертой группы сенсорных площадок 26, подключенных к отводам линии 23 передачи.

При работе оператора с сенсорными панелями управления должны выполняться требования по электробезопасности. Для выполнения этих требований сенсорные площадки 2 покрывают диэлектриком, и оператор в этом случае касается пальцем не непосредственно электронной схемы, а через защитный диэлектрик.

С целью дальнейшего повышения электробезопасности на входе линии 6 передачи включают изолирующий трансформатор 37 (фиг. 4), первичная обмотка 38 которого включена между входом линии 6 передачи и общей шиной, а вторичная обмотка 39 включена между первым выводом первой катушки 16 индуктивности и общей шиной. Этот же трансформатор может быть использован для создания возможности раздельного конструктивного исполнения и физического

удаления линии 6 передачи с сенсорными площадками 2 от остальной электронной схемы устройства. В этом случае трансформатор выполняется также согласующим вол- 5 новое сопротивление линии 6 передачи с волновым сопротивлением линии связи, соединяющей выход блока 7 согласования со входом линии 6 передачи.

Конструктивно основной элемент сен- 10 сорной панели управления - линия 6 передачи с подключенными к ней сенсорными площадками 2 может быть выполнена из дискретных элементов - катушек 16 индуктивности и конденсаторов 17 (фиг. 2), Для 15 повышения технологичности изготовления конденсаторы 17 могут быть выполнены конструктивно на печатной плате (фиг. 5). Возможно одновременно конструктивно выполнить на печатной плате катушки ин- 20 дуктивности и конденсаторы (фиг, 6).

В этих случаях на диэлектрическом слое 40 нижний проводящий i слой 41 образует одну обкладку конденсаторов 17, подключенных к общей шине, второй проводящий 5 слой 42 образует вторые обкладки конденсаторов. Печатные катушки 44 индуктивности, выполненные согласно фиг. 6, представляют собой одну из обкладок конденсаторов 17.

0Сенсорными площадками 2 в линии 6

передачи при реализации в соответствии с фиг. 5 являются непосредственно площадки второго проводящего слоя 42.

Сенсорными площадками 2 в линии 6 5 передачи при реализации в соответствии с фиг. 6 являются непосредственно печатные катушки 44 индуктивности.

Печатные катушки 44 индуктивности (фиг. 6) имеют размер около 1-2 см , что 0 определяется размерами сенсорной панели управления и имеют низкое значение индуктивности (около 5-10 мкГн), что приводит к низкой величине задержки одного звена линии задержки (около 10 не) и к высоким 5 требованиям по быстродействию к электронной схеме устройства. Для снижения требований к электронной схеме устройства необходимо увеличивать значения индук- тивности и емкости, что может быть 0 достигнуто путем введения магнитного сердечника в конструкцию катушки 44 индуктивности, но усложняет технологический процесс. Преодоление этих противоречий возможно путем создания полосковой ли- 5 нии передачи на материале с высокими значениями диэлектрической и магнитной . проницаемости (более 100), например из феррита. Задержка распространения сигнала в такой линии 6 передачи между двумя соседними сенсорными площадками 2 должна превышать разрешающее время блока 4 регистрации, а волновое сопротивление полосковой линии 6 передачи должно превышать величину эквивалентного сопротивления растекания тела оператора при максимальном нажатии.

Формула изобретения

а прямой выход RS-триггера подключен к первому выходу блока управления.

управляемого генератора и счетчика, причем вход управления управляемого генератора подключен к первому входу блока регистрации, выход управляемого генератора подключен к счетному входу счетчика,

0 вход сброса которого подключен к второму входу блока регистрации, выход переноса счетчика подключен к первому выходу блока регистрации, а остальные выходы счетчика подключены, к соответствующим остальным

5 выходам блока регистрации.

0 вход компаратора подключен к шине порогового напряжения, а выходы компаратора подключены к выходу преобразователя,

0 сенсорным площадкам, в него введены N-1 групп no M сенсорных площадок в каждой, N-1 линий передачи, N-1 блоков согласования N-1 нагрузок, в преобразователь введены мультиплексор и N-1 компараторов, а в

5 блок управления введен счетчик, причем М сенсорных площадок каждой из N-1 групп подключены к соответствующим отводам соответствующих N-1 линий передачи, N-1 блоков согласования подключены каждый

0 между выходом формирователя и входами соответствующих линий передачи, подключенных к соответствующим информационным входам преобразователя, выходы N-1 линий передачи подключены к входам соот5 ветствующих нагрузок, выход первого формирователя импульсов блока управления подключен к счетному входу счетчика, выходы которого подключены к соответствующим адресным выходам блока управления и

0 далее к соответствующим адресным входам преобразователя, выходы N компараторов преобразователя подключены к соответствующим информационным входам мультиплексора, адресные входы которого

5 подключены к соответствующим адресным входам преобразователя, а выход мультиплексора подключен к выходу преобразователя, первые входы N--1 компараторов подключены к шине опорного напряжения, а вторые входы N компараторов подключены к соответствующим информационным входам преобразователя.

2

D

4 Гвс

/0 1

Г

-/б

, БР(

счет уменьшения количества дискретных элементов, конденсаторы линии передачи выполнены конструктивно на печатной плате, первый проводящий слой которой

подключен к общей шине, а на втором проводящем слое сформированы обкладки конденсаторов соответствующих размеров, соединенные друг с другом через соответствующие катушки индуктивности,

на печатной плате, первый проводящий слой которой соединен с общей шиной, а на втором проводящем слое сформированы печатные катушки индуктивности, соединенные последовательно друг с другом.

U....U

/е

rrvx

6 1 ГУ

9 п

19

±47 ±/7

J L -,

3

5

15 лД1

(«ЈОР.|

Вьпод

фиг. г

зб ёб

26

Р Р--Ф.

Л/7-V

3

Л

et-q

И 7-З

«

у gygy

р p--q.

/f/7 &

Фч. 3

а з.

D D.

А/а. V

26

--Ф.

Л/7-V

3 52

М

-q

И 7-З

«ЈУ

//5J

30

/f/7Выход

J

pue.s

фиг.6