CN101515202A - 触摸式接口设备和方法 - Google Patents

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亚历山大·佩罗
塞巴斯蒂安·里戈莱
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Abstract

触摸式接口设备，包括：一个触摸式键盘(105)，包括至少一个受机械变形影响的电压生成设备(110)以及一个处理信号的电子接口(120，135)，适于检测电压生成装置的被按压和/或被放松以及在每个电压生成装置被按压和/或被放松之后将自身转为待机状态。优选地，电压生成装置(110)包括一个压电元件。在实施方式中，电子接口(120，135)包括至少一个电压比较装置(125)，被所述电压比较装置用于与电压生成装置的端电压进行比较的可作参数的阈值电压(130)的生成，以及一个包括中央单元的卡(135)及其电源(140)。所述可作参数的阈值电压可被升高或降低，以检测分别由至少一个电压生成装置被按压和/或被放松引起的至少一个电压生成装置的正峰值与负峰值。

Description

触摸式接口设备和方法
技术领域
本发明涉及触摸式接口设备和方法。本发明尤其应用于保障配备有触摸式人机接口(“IHM”)且不连接于不间断电源的电子产品的续航力。
背景技术
专用于触摸式接口的电子解决方式为了保障不连接于不间断电源的产品至少两年的续航时间而消耗过多的电流。
通常情况下，配备触摸式接口且不连接于不间断电源的移动电子产品，例如数字随身听，移动电话，个人数字助理和地理定位系统，使用可充电电池。关于触摸式接口技术，这些被称为“电容的”技术，均是低能耗的但是，在至少两年内，若不做诸如更换电池组、给电池再充电或更换电池或者将产品连上电源这样的干预的话，它仍不能够使产品正常工作。
通常，在这些使用压电传感器的设备中，仅利用在压电元件上的按压。这些利用压电传感器的被按压和放松的设备采用中央单元(“CPU”即中央处理单元)，其持续地探测源自压电传感器的信号。这意味着中央单元应该总是活动的，其结果是，缩短的续航力。
另一方面，基于触摸式IHM的许多应用都使用“电容的”技术，它需要一个更高的电流方式，因为中央单元从不待机。这与依靠非充电电池工作的产品的固有能耗限制不符。
发明内容
本发明旨在改善这些不便。
为此，根据第一方面，本发明涉及一种触摸式接口设备，其特征在于包括：
-一个触摸式键盘，包括至少一个受机械变形的影响的电压生成装置以及
-一个处理信号的电子接口，适于检测电压生成装置的被按压和/或被放松以及在每个电压生成装置被按压和/或被放松之后将自身转为待机状态。
根据另一方面，本发明涉及一种触摸式接口设备，其特征在于包括：
-一个触摸式键盘，包括至少一个受机械变形的影响的电压生成装置以及
-一个处理信号的电子接口，适于检测电压生成装置的被放松以及在每个电压生成装置被放松之后将自身转为待机状态。
本发明因此具有在休息时的能耗仅与电子接口在待机时的能耗，其中有一个中央单元待机时的能耗，相等这一优势。本发明的效果特别体现在其平均能耗极低这一事实。实际上，电子接口只有在按压电压生成装置的持续期间内才明显处于活动状态，以便执行待完成的动作(action)。剩余的时间，电子接口处于“休眠”，被消耗的电流则是待机电流。
发明人的测试已表明，在目前的技术情况下，例如对一个靠一个市售电池组“CR2032”(注册商标)工作的产品，是有可能采用具有至少五个按键的触摸式接口且具有至少两年续航力的。
根据特殊特征，电子接口包括至少一个电阻桥，其适于把至少一个电压生成装置的电压和对应于键松开的检测极限值电压进行比较。
根据特殊特征，电压生成装置包括一个压电元件。
应当注意到，在一个压电晶体振荡器中，一次机械变形生成一个电压。这些元件的使用使得低成本制造成为可能。
根据特殊特征，本发明的设备，如上面简要描述的那样，包括每个所述键盘的触摸式按键一个电压生成装置。
自按键被按下开始每一个按键上的按压由此被实时采用。一个与按键按压有关的动作精确地持续了按键按压的时间。
根据特殊特征，电子接口适于检测分别对应于电压生成装置上的按压和放松的每个电压生成装置端电压的正波动和负波动。
因此能够精确地检测按键被按压和松开时刻。
根据特殊特征，电子接口适于把每个电压生成装置端电压与至少一个高阈值电压比较以检测在与一个电压生成装置相关联的一个键上的按压，并与至少一个低阈值电压比较以检测所述键的松开。
因此对应这两个比较结果的二进制信号在按压持续在电压生成装置上的过程中取一个预定值。
根据特殊特征，电子接口包括至少一个电压比较装置和一个阈值电压修改装置，所述电压比较装置把电压生成装置端电压与阈值电压进行比较。
借助这一布置，仅一个电压比较装置就可以检测电压生成装置端电压的正和负波动。
根据特殊特征，阈值电压修改装置适于在阈值电压已被电压生成装置的端电压超过时降低阈值电压。
根据特殊特征，所述电子接口包括至少一个适于把每个电压生成装置的端电压与阈值电压作比较的电压比较装置，当所述电压低于所述阈值电压时电子接口处于待机状态。
本发明的实施因此尤为简单。
根据特殊特征，电子接口包括一个中央单元，其适于当按压和/或放松每个电压生成装置时执行不同的动作。
本发明的设备因此可以根据用户按压的一个或多个键对多种动作或功能进行控制。
根据第二个方面，本发明涉及一种开关，其特征在于包括本发明的接口设备，如上简述。
根据第三个方面，本发明涉及一种调节器，其特征在于包括本发明的接口设备，如上简述。
根据第四个方面，本发明涉及一种遥控器，其特征在于包括本发明的接口设备，如上简述。
根据第五个方面，本发明涉及一种触摸式接口方法，其特征在于包括：
-检测键盘的电压生成装置上的按压和/或松开和唤醒电子接口的步骤，和
-将所述电子接口重新置于待机的步骤。
该开关、调节器和该方法的优点、目的及特征与如上简述的本发明的设备的相似，在此不再赘述。
附图说明
本发明的其他优势、目的及特征将在后续的、旨在说明且绝不局限于附件中图案的描述中再次出现，其中：
——图1，以示意图形式，表示本发明的设备的一种具体实施方式，
——图2，以示意图形式，表示当按压和松开与压电元件关联的键盘上的一个键时压电元件端电压的变化情况，
——图3表示本发明的开关的一种具体实施方式，
——图4表示本发明的调节器的一种具体实施方式，
——图5表示纳入一遥控器键盘的本发明的设备的一种具体实施方式，
——图6表示该设备的一种具体实施方式的电路图以及
——图7，以逻辑图的形式，表示本发明的方法的一种具体实施方式的各步骤。
具体实施方式
我们观察到，图1中，在一种具体实施方式中，设备100包括，一方面，一个包括键110和电压生成装置115的键盘105以及，另一方面，一个包括电压比较装置125、一个修改施加于电压比较装置125上阈值电压的装置130和一个中央单元卡135的电子接口120。
中央单元135卡包括一个电源140。中央单元是，例如，微控制器、数字信号处理器或“DSP”(数字信号处理器Digital SignalProcessor的首字母缩写)或者是包括一个处理器的元件。
电压生成装置115适于在其受到机械变形时生成电压。优选的是，电压生成装置115包括用常规方法机械连接到键盘按键的压电元件。例如，键盘105由一块由夹层结构的多种材料组成的板材构成，其中有压电元件材料。在该键盘105前面板上画有标识用户应该按压的区域的象形符号。在每一个象形符号下，有一个压电元件。这种触摸式板材带有一个包括两个接地信号和压电信号的软层。一个连接器可以与这些信号建立电连接。可以观察到键盘105的每一按键被关联到一个电压生成装置115、一个电压比较装置125和中央单元135的一个输入端。阈值电压修改装置130给所有电压比较装置125提供同样的阈值电压。然而，作为变型，我们借助键盘105的按键预设一个阈值电压修改装置。这一变型，尤其，适用于希望同时检测在几个不同的按键上的按压的情况。
每一个电压生成装置115由一个电阻620充电(参看图6)，结果电压被输送到电压比较装置125的“-”输入端，而由阈值电压修改装置130提供的阈值电压被施加于电压比较装置125的“+”输入端。
所有电压比较装置125的输出端均被连接到一个中央单元的中断输入端650，例如卡135上的一个处理器元件(参看图6)。因此，当电压比较装置125的一个输出信号切换为“0”时，中央单元，其刚刚处于待机模式，被唤醒。相反地，当所有电压比较装置125的输出信号重回到“1”时，中央单元恢复到待机模式。
阈值电压修改装置130适合以下情况，即阈值电压，在长期情况下，具有被称为“高阈值”和“低阈值”的两种阈值电压中的任一个。这些阈值电压被选择为高阈值＝Vréf传感器+E1和低阈值＝Vréf传感器-E2，其中E1＞0，E2＞0且Vréf传感器即是压电元件115的参考电压，换而言之即休息电压。
比较装置125将压电元件115的端电压与阈值电压作比较，该比较产生的信号是任何一个中央单元都可以理解的二进制信号。在所述实施方式中，当按键处于休息状态时该二进制信号赋值为“1”而当按压持续作用于按键时为“0”。
对于与触摸式键盘105的一个键110关联的每一个电压比较装置125而言，源自相应压电元件115的电压施加于电压比较装置125的“-”输入端而由修改装置提供的阈值电压施加于该电压比较装置125的“+”输入端。因此，在休息时，连接于中央单元的中断输入端的电压比较装置125的输出端被赋值“1”。中央单元处于待机并且一旦该输入端切换为“0”时它可被唤醒。
修改装置130包括一个通常与前述相同的中央单元，和一个接收源自中央单元“阈值变化量”输出端的信号的电阻桥(参看图6)。当有按压时，来自压电元件115的电压变得高于“高阈值”并且电压比较装置输出端值切换为“0”。中央单元被唤醒并立即将被称为“阈值变化量”的一条输出线切换为“0”(该线在休息时是“1”)。这条线使得可以修改由修改装置130施加于电压比较装置125“+”输入端的阈值电压，使得源自压电元件115的电压高于阈值(即“低阈值”)。因此只要放松未被检测到，电压比较装置125的输出端就保持为“0”。所有其余的电压比较装置125的输出端在阈值电压切换时亦切换为“0”，源自电压生成装置的电压均高于“低阈值”。一旦“放松”介入，源自电压生成装置115的电压即刻变得低于“低阈值”，对应于所按按键105的电压比较装置125的输出端相应地再次回到“1”，并且由于所有电压比较装置125的输出端在阈值电压切换成“高阈值”时均切换成“1”，中央单元则立即将“阈值变化量”线切换成“1”以等待另一次的按压。
因此，在这些实施方式下，处理信号的电子接口检测电压生成装置的放松并且在每个电压生成装置的每一次放松之后启动待机状态。
在这些实施方式下，处理信号的电子接口检测电压生成装置的被按压和/或被放松并在每个电压生成装置的每一次被按压和/或被放松之后启动待机状态。
由于使用极低能耗的电压比较装置125，例如MAXim MAX9120(注册商标)比较器，其电源电压为3伏时待机电流为0.45μA，使得能够制造出，例如配备一个由市售电池组“CR2032”供电且在不更换电池组的情况下有两年续航能力的触摸式接口的开关(参看图3)或照明调节器(参看图4)。
因此，本发明的设备使用一个触摸式键盘，它包括电压生成装置，压电元件尤佳，在其中机械变形产生一个电压；还包括一个能耗极低的处理信号的电子接口。通过一方面只有当一个压电元件已被激活电子接口才能脱离待机状态并且一旦该元件被放松该电子接口又恢复待机状态，和另一方面使用低压电压比较装置，获得这一低能耗。
该接口的平均能耗直接取决于需用的触摸式按键的数量，这是由于电压比较装置的数量对应于这些按键的数量。
发明人例如已为一个用单独一个市售电池组“CR2032”供电的产品实现了拥有至少五个按键并具有至少两年续航力的接口。
本发明投入实施的一个优势在于休息时的能耗仅仅与电子接口的能耗相等，其中有待机下中央单元的能耗。当二进制信号(对应被按压的压电按键)从“1”切换为“0”时中央单元被唤醒。压电键盘的能耗为零。
在未表示出的变型情况下，电子接口包括至少一个适于将每一个电压生成装置的端电压与阈值电压作比较的电压比较装置，当每一个电压生成装置的端电压低于阈值电压时电子接口处于待机状态。本发明的实施因此尤为简单。
可以观察到，图2中，对应于一受到按压而后被放松的压电元件的端电压的信号205的变化情况。也可观察到一个“高阈值”值210和一个“低阈值”值215。此外，可观察到参考电压“Vréf传感器”225和一个表示电压比较结果的二进制信号220，该比较是由信号205表示的电压与阈值210之间的比较，而后一旦该数值超出，则与阈值215比较。在相应按键上没有出现机械变形时，或出现长时间机械变形时，压电元件端电压与“Vréf传感器”相等。
当电压生成装置端电压超出“高阈值”时，电子接口检测对应于键盘的一个键被按压的正峰值，而后当该电压低于“低阈值”时，检测对应于被放松的负峰值。因此如图2所绘在持续按压与该压电元件关联的按键期间，电压比较装置输出端的二进制信号值为“0”。
中央单元卡一旦脱离待机状态，换而言之一旦电压比较装置125检测到一压电元件的端电压超过“高阈值”值，就由中央单元卡进行阈值电压的改变。“低阈值”值则变成所有电压比较装置125的参考电压。
在休息时，键盘的任一键上没有按压，压电元件的端电压等于Vréf传感器并且所有电压比较装置125的输出端都在电平“1”。
当键盘上的一个键上有按压时，相应压电元件的端电压形成一个超过“高阈值”值的正峰值。实际上，在按压压电传感器的那一刻，即生成电荷，它将流动于电阻620中：这在电压中形成电压峰值。
当压电元件端电压低于“高阈值”值，相应电压比较装置输出则切换成“0”。中央单元则立即被唤醒并发出阈值电压控制信号，其被指派“低阈值”值。在超出“高阈值”值之后，压电元件端电压在按压持续进行时又变得等于Vréf传感器，“Vréf传感器”值高于新的阈值电压“低阈值”。电压比较装置的输出端因此保持在“0”而中央单元因此保持在苏醒状态并执行对于按压指定键已被编程的动作。
在该键上的按压停止时，相应压电元件端电压形成一个向下低于“低阈值”值的负峰值。实际上，在松开压电传感器时，朝另一个方向发生电荷的转移，而这正对应按压的开始，并且因此产生负电压峰值。
相应的电压比较装置输出端信号因此变成“1”，这使“阈值变化量”控制信号立即切换成“1”并且指派阈值电压为“高阈值”值。因此，所有其它电压比较装置重新提供同样的输出信号“1”，任一压电元件的每一个端电压等于“Vréf传感器”，即在“低阈值”和“高阈值”之间。
中央单元则切换成待机状态，同时因此将耗电量减到最低。
在图3中可以观察到一个包括图1中所绘设备100的开关305。在一个键310上按压使得开关从一个状态切换到另一个状态。在图4中可以观察到一个包括图1所绘设备100的调节器405。在“+”键410上的按压可以控制控制信号例如照明强度的增强。在“-”键415上的按压可以控制控制信号的减少。图5中可以观察到一个包括图1所绘设备100的遥控器505。在按键510至525上的按压可以遥控一个远距离的仪器，例如一个警报器，一个电动门或住宅自动化设施的电动机。
在图3至5中，设备100用虚线表示，因为它分别位于开关、调节器或遥控器的前面板的后面。
因此，得益于电子接口120，在持续按键在键盘105的按键110上期间，人们可以把精确动作的实现联系起来(如打开光源或其指令改变)。人们也可以将这些动作仅仅与按键110的按压和/或松开动作的开始信号联系起来。
涉及图4所绘的调节器405，我们可以因此通过保持手指按压在“+”键上逐渐增加一个光源的亮度，而保持手指按压在“-”键上来逐渐降低光源的亮度。
图6中仅示出了与一个键盘按键有关的组件。为了构造一个利用多个按键的设备，我们为被虚线围绕的组件建立双工通信。然而，涉及不同按键的中央单元的各输入端并不相同。
在图6中可以观察到，压电元件参考电压615由第一个电阻桥605后跟着一个安装在随动装置上的运算放大器630构成。端子连接于运算放大器630输出端及源自中央单元650的“阈值变化量”阈值控制的第二个电阻桥610向一个电压比较装置640提供阈值电压“高阈值”或“低阈值”，该电压比较装置640此外还接收压电元件615的端电压。电压比较装置640的输出信号被连接于中央单元650的中断输入端。中央单元650被连接于一个射频通信电路660，用于发射无线电通信信号。
在一个具体实施方式中，电压V等于3.3伏。第一电阻桥605的两个电阻均相等，参考电压为1.65伏。连接于参考电压的第二电阻桥610的电阻等于连接于中央单元650的“阈值变化量”输出端的电阻的7.5％，且当“阈值变化量”信号逻辑值为“1”，换而言之等于3.3伏时，“高阈值”阈值电压等于1.77伏而当“阈值变化量”信号逻辑值为“0”，换而言之等于0伏时，“低阈值”阈值电压等于1.53伏。
在选择高电阻的情况下，这两个分压器(diviseur)桥一共消耗0.24μA。在使用由一个比较器Maxim MAX9120(注册商标)(其待机时3伏情况下约消耗0.45μA)和一个运算放大器Maxim MAX4464(注册商标)(其3伏情况下消耗0.75μA)构成的电压比较装置时，对一个有N个键并因此有N个电压比较装置的设备来说，消耗电流，在待机状态下，因此等于(0.24+N×0.45+0.75)μA，其中要加入中央单元待机时的消耗电流，对于一个微处理器来说即低于1μA。
关于图6，电压比较装置640用以与电压生成装置615端电压作比较的阈值电压修改装置是由电阻桥610构成，其一桥被连接于中央单元650的一个二进制输出(“阈值变化量”)，该中央单元比较两个可能的阈值电压值。
在变型中可以注意到，比较装置被纳入中央单元650。因此省略了几个组件，这降低了设备的消耗和成本。
在图7中可观察到，在步骤705的过程中，本发明的设备处于待机初始状态。
在步骤710过程中，用户按压该设备的键盘的一个键。
在步骤715过程中，确定每一个电压生成装置的端电压是否高于“高阈值”值。若否，回到步骤715。若是，在步骤720过程中，唤醒中央单元。
在步骤725过程中，中央单元修改用于与电压生成装置端电压比较的阈值电压，为作此步骤，在步骤715中已检测出超出初始阈值电压(“高阈值”)的情况。新的阈值电压作为“低阈值”值。
在步骤730过程中，中央单元执行一项与从步骤710开始所按压的键有关的任务。例如，中央单元修改开关或调节器的状态以使得增强或减弱一个信号，例如亮度控制信号、发动机信号、致动器信号、电子或信息系统信号。
随后，在步骤735过程中，确定每一个电压生成装置的端电压是否低于“低阈值”值。若否，回到步骤730。若是，在步骤740中，将中央单元置于待机状态。
在变型中，将中央单元置于待机状态因中央单元自身而有不同，例如因为它能完成一项任务或存储有用参数数值以备下次苏醒后使用。在变型中，当用户按在键盘的一个键上时，这一动作在确定的一段时间之后触发一个动作。中央单元，当它被任一电压比较装置的输出端的一个信号唤醒时，可以决定立即行动或者等待。
在变型中，当用户按压在一个键上时，这触发一个由中央单元操纵的动作，而后是中央单元自动进入待机状态。在变型中，仅仅考虑为执行一个动作按压一个键或松开该键。则仅有一个阈值电压值被利用。在变型中，当用户松开该键时，这触发一个新的动作和一次新的待机状态。则两个阈值电压被使用并在待机阶段被保持。
本发明适用于所有可能装有触摸式接口的设备。

Claims (13)

1.一种触摸式接口设备(100)，其特征在于包括：
触摸键盘(105)，包括至少一个受机械变形的影响的电压生成装置(110，310，410，415，510，515，520，525，615)以及
处理信号的电子接口(120，135，605，610，630，640，650)，适于检测电压生成装置的被按压和/或放松并适于在每个电压生成装置被按压和/或被放松之后转为待机状态。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于电压生成装置(110，310，410，415，510，515，520，525，615)包括压电元件。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于包括每个所述键盘的触摸键一个电压生成装置(110，310，410，415，510，515，520，525，615)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其特征在于电子接口(120，135，605，610，630，640，650)适于检测分别对应于电压生成装置上的按压和放松的每个电压生成装置(110，310，410，415，510，515，520，525，615)的端电压的正和负波动。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其特征在于电子接口(120，135，605，610，630，640，650)适于比较每个电压生成装置(110，310，410，415，510，515，520，525，615)的端电压和至少一个称作“高阈值”的阈值电压，以检测与一个电压生成装置关联的一个键上的按压；并适于比较每个电压生成装置(110，310，410，415，510，515，520，525，615)的端电压和至少一个称作“低阈值”的阈值电压，以检测所述键的松开。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于电子接口(120，135，605，610，630，640，650)包括至少一个电压比较装置(125，640)和一个阈值电压修改装置(130，610，650)，所述电压比较装置将电压生成装置的端电压与该阈值电压进行比较。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于阈值电压修改装置(130，610，650)适于当该阈值电压被电压生成装置的端电压超过时降低该阈值电压，并当该阈值电压被所述电压生成装置的端电压向下越过时升高该阈值电压。
8.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于所述电子接口(120，135，605，610，630，640，650)包括至少一个电压比较装置(125，640)，该电压比较装置适于将每个电压生成装置(110，310，410，415，510，515，520，525，615)的端电压和一个阈值电压进行比较，当每个电压生成装置的端电压低于该阈值电压时，电子接口处于待机状态。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的设备，其特征在于电子接口(120，135，605，610，630，640，650)包括中央单元(650)，该中央单元适于在每个电压生成装置(110，310，410，415，510，515，520，525，615)的被按压和/或被放松时执行不同的动作。
10.一种开关(305)，其特征在于包括根据权利要求1至9中任一项所述的接口设备(100)。
11.一种调节器(405)，其特征在于包括根据权利要求1至9中任一项所述的接口设备(100)。
12.一种遥控器(505)，其特征在于包括根据权利要求1至9中任一项所述的接口设备(100)。
13.一种触摸式接口方法，其特征在于包括：
检测在键盘(105)的电压生成装置(110，310，410，415，510，515，520，525，615)上的按压和/或放松并唤醒电子接口(120，135，605，610，630，640，650)的步骤(715)，和
将所述电子接口再次置于待机状态的步骤(735)。
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