触摸传感器面板的算法补偿系统及其方法 本发明的领域
本发明涉及一种方法和系统，它们用于导出或使用一种映射关系，以根据多个探测器确定一个基底上的一个物理作用的坐标位置。较具体地说，本发明涉及一种带有多个顶角探测器的触摸屏系统，它能与构形和可能的制造偏差无关地利用映射关系根据探测器输出精确地确定一个触摸的坐标位置。
本发明的背景
触摸屏系统(它典型地包括一个触摸屏和一个电子控制器)的工作原理要求在例如手指触摸的物理位置和某个坐标系统之间存在一个对应关系。通常选取的坐标系统是一个二维笛卡儿系统，其水平轴(X)和垂直轴(Y)互相正交。系统的精度被定义为：触摸的物理位置和触摸屏/控制器所报告地位置之间的误差。典型地，系统的精度被表达成触摸屏尺寸的百分比。
可以认为触摸屏系统具有两类误差=(ⅰ)由坐标变换方法的设计和实施所造成的误差(系统误差)；以及(ⅱ)对于给定类型的传感器，由各个系统之间的随机差别所造成的误差(制造偏差)。
已知的导电触摸屏含有一个其上淀积了例如铟锡氧(ITO)导电膜的透明基底，导电膜表面导电率有±5％或±10％的偏差。采用这种基底的系统还附加有一个特别的误差源，即一般在顶角处设置一些电极的矩形基底结构所固有的探测到的探针注入电流的非线性变化。这使得在基底的各个部分，特别是在靠近电极部分，有非均匀的电流密度。由于有很大的非线性程度，一般认为不应该试图进行逐段的线性补偿，即根据查找表标定程序去直接补偿可重新放置的探针电极位置。因此，为了减小表面电流密度的非均匀性和使基底上的电位分布线性化，以往的方法探索了添加物理的线性化结构，例如复杂的电流注入电极。这些复杂的线性化结构常常要有复杂的导电图案和一些二极管或晶体管，以使电流重新分布或控制其重新分布。另外一些方法探索用数学算法来补偿因矩形物理构形所造成的预期畸变。
以往系统所采用的坐标变换方法可以分成两类基本技术，这里称它们为电机械技术和建模技术，它们都基于比例度量方法，其中在测量数据和传感器表面上的物理位置之间有一个假定的数学关系。图1示出了一个未补偿矩形导电基底的X、Y坐标值的典型畸变。
查找表提供了关于校正系数的可访问存储，并被建议用来借助于一些技术来校正触摸位置传感器的输出。这些系统接收一个对应于未校正坐标的地址，即一对X、Y值；输出用于补偿期望误差的数据；并产生校正的坐标值，它们通常与未校正坐标值位在同一坐标空间中。对于这种方案的建议有零级校正直到多项式校正。参见美国专利NO.4,678,869,该专利在此引用作为参考。通常，输入给所建议查找表的未校正坐标值事先就用下面将讨论的物理手段或算法手段被线性化了，因此查找表在线性化空间中操作。这样，从标定程序导出的查找表数据值将直接对应于标定数据的坐标值，并确定了标定区域。
电机械方法
有一类补偿系统误差的方法，这种方法包括对触摸屏系统的电机械修改，目的是试图根据图1所示的特性找到一个接近正交的电位栅格。这一类中有4个基本方法(下面将概述)。如上所述，这类电机械方法的设计针对着某一给定类型触摸屏的系统误差。这类方法的性质往往造成系统中较大的电流泄漏，并且多重的电极和/或电阻图案将导致传感器的高成本。此外，校正方法的管理，例如激励转换、探测平面选择，电极选择等等要求一种交互式的控制机制，这又增加了系统的成本。为了校正由于给定类型触摸屏的制造偏差所引起的不可接受的误差，可以对各个触摸屏单独地作用额外的误差校正方法，例如查找表方法。
总线方法
这是一种校正基础畸变特性的最基本方法，具体做法是在基底1(图2)的两相对轴上生成一对高导电率的总线3。在一对总线4上施加激励使一个导电盖板2提供可重新放置的电极。如同该触摸屏好像是一个电位计那样进行测量，“电刷”的位置就是激励平面上的触摸位置。然后把激励转换到一个正交平面的第二组总线上(某些情形中位在盖板2上)，以确定第二个坐标值。这个技术在美国专利NO.3,622,105中给出了范例。该技术的主要缺点是它的电流泄漏。此外，对于把盖板用作第二激励平面的情况，盖板的任何损伤都将造成定位误差。
多馈法
如图3所示，以美国专利NO.5,438,168为代表的多馈法利用了对位在电阻性基底11周边上的多个电极10的主动控制。这类系统的工作一般与总线技术在功能上是等价的，其中也产生线性的电压梯度以被盖板可重新放置位置传感器采样。因为所有的电极10都位在基底11上，所以它不受盖板损伤的影响；然而，这是一种高电流泄漏系统，并需要大量的互连。其任一个转换元件12的失效或降质都将造成系统误差。
电阻图案方法
如图4所示，许多已知的校正方法利用了做在触摸屏20上或其外部的电阻图案21，其布局使得触摸屏20的电阻梯度在其表面上接近于相同。美国专利NO.3,798,370、NO.4,293,734和NO.4,661,655代表了这一技术。这些系统具有与电机械方法相关连的高电流损耗，并且由于电阻图案21的复杂性，它们易有因制造偏差而产生的误差。
建模方法
第二类坐标值产生技术基于根据给定类型触摸屏的假设数学关系所选择的数学函数。这些方法所得到的X和Y值需要进一步调整或校正，其原因是该假设不适当或制造偏差，或者两者都有。
美国专利NO.4,631,355和Federico等人的论文“17.2:CurrentDistribution Electrograph(17.2：电流分布电图)”(SID86 Digest,p.307)中所说明的一种方法依赖于对触摸屏上一些点的数学分布的事先假设，每个平面都用电位计方法提取，然后每个平面的如图1所示例的轴上“像散”都用一个其系数凭经验导出的二次多项式方程进行线性化。美国专利NO.4,631,355指出，通常会有5％左右的制造偏差误差，但对之并没有补偿，所以如果要给出精确的触摸位置探测方法，需要用另外的技术来校正。于是，Federico等人的“17.2:Current Distribution Electrograph”(SID 86 Digest)建议把标定数据存储在一个查找表中，作为一个与算法补偿系统相分开的操作和一个后继的步骤，来校正传感器的输出。
美国专利NO.4,806,709的叙述等于这样的假设，即认为位于导电表面上一个电极处的信号和电极至触摸位置的距离之间存在着线性关系。利用这个假设，根据来自各个电极的信号可以得到以相应电极为圆心的各个圆弧方程，由两个或几个这样的圆弧的交点方程便可确定触摸位置。这种方法的实施可能会有两个主要的误差源：(a)假设的信号/距离关系中有非线性成份，测量数据已证实了这种非线性，而且/或者制造偏差会导致各圆弧半径的计算误差，以及，(b)存在着当两圆弧接近相切时因难以分辨相交角度而导致的位置误差这一经典困难。
本发明概述
本发明提供一种系统，它能精确确定作用在一个带有多个传感器的媒体上的一个物理作用的坐标位置，其中每个传感器都通过该媒体探测该作用。借助一个映射关系这多个传感器被映射到输出坐标系统中，其中不需要有探测到的作用和坐标系统之间的预定关系。一般，该映射关系的形式是一个方程，例如一个由一些项组成的多项式，为了对付各自的制造偏差和各探测器对坐标值输出的系统性关系，该映射方程的各个系数是对传感器整体的每一个实例来确定的。
在一个优选实施例中提供了一个触摸屏，它含有一个导电矩形基底，在该基底的每个顶角处都带有电极。当有一个作用要素靠近时将诱导出或改变一个电场，该电场被多个电极测量。一般，由于基底的导电性质，将测量各探测器之间的电流分布，这一分布随着该作用要素在基底上的位置不同而不同。这样，对于每一个要素位置，将得到一组唯一的探测器输出。估算出一个把探测器输出映射成所希望的位置坐标系统的映射方程。虽然可以给出各种各样的映射，但一般希望的位置坐标系统是笛卡儿坐标系统。
在制造过程中，利用多个测试点对每个传感器基底都进行各自的映射。这些测试点虽然最好有较大的数目并分散在基底的表面上，或者至少分布在准备使用的区域上，但并不一定要位在基底的某些特殊位置上。每个测试点的物理位置都要和与该测试点对应的一组探测器输出一起精确地记录下来。然后根据记录的数据确定出一个映射方程，它能优化相应于探测器输出的输出坐标位置的误差。例如，可以用最小均方差曲线拟合法来确定方程的各个系数。
在一个优选实施例中，对于一个给定类型的传感器系统，方程的形式是预定的，这意味着给定类型的每一个传感器系统都要与一组系数一起给出，这组系数是对具有同样的一般形式的映射方程估算得到的。当然，对于所有的实施例不需要都有一个预定的映射方程，在此情形下映射方程的形式必须专门规定。
本发明的一个特色是，在不需要物理的或算法的预先线性化的情况下，映射方程便能以单一的表达式从各探测器的输出精确地给出坐标位置输出。因此，存储在存储器中的数据形式并不是可访问的误差查找表，而是描述一组传感器数据坐标值对触摸坐标值的映射关系的数据，其中没有任何假设的线性关系。最好至少有三个探测器输出来映射两个坐标轴的值。这样，作为本发明一个实施例的特征，映射关系的输入数目大于相应的输出数目，它们不是一对一的关系。
根据一个优选实施例提供了一种导电触摸屏，它通过测量触摸位置对多个电极的作用来确定该触摸的位置。该触摸可以注入一个电流，如电阻性触摸屏情形；也可以改变一个电场，如电容性触摸屏。虽然各种基底形状和电极布局都是可能的，但在大多数应用中提供的是有四个顶角电极的矩形基底。
在另一个实施例中，物理作用是对一个硬的或能传力的元件施加一个局部的力。该元件由多个力传感探测器支承，这些探测器的类型可以是电阻、压电、电感、光学、声学或任何其他已知的类型。各个力传感探测器的输出被映射到加力点的坐标位置。这种映射考虑到了元件的柔性、元件的形状、力在各探测器位置处的分布、和元件及探测器的制造偏差。
因此，原则上都是媒体传导一个物理作用，同时在多个探测位置处探测被传导的物理作用。在许多事例中，作用位置到某个探测器距离与该探测器的输出之间有单调的关系，虽然这并不是必要的。然而，总是要求每组探测器输出都唯一对应着一个位置。另外，探测器响应对作用位置的一阶导数最好是连续的，这使得可以使用连续的映射函数。物理作用不一定要是电作用或力作用，也可以是磁、振动或声作用，或者任何其他类型的作用。
本发明并不依赖于作用的比例度量假设。
许多过去建议的方法依赖于传导媒体的均匀性来探测信号的振幅、分布或延迟，从而存在因不满足均匀性假设而直接导致的误差。因此，根据本发明的一个方面，为了确定探测器输出的作用位置之间的实际映射关系，要获得关于媒体和使用该媒体的系统的实际观察数据。这种数据可以处理到各种程度。最好使用一个有效的模型，其中存储有一个多项式曲线拟合方程的有限数目的系数。这些系数最好用最小均方差拟合方法导出。该多项式方程中所用的各个具体的项可以根据灵敏度分析选定，最好仅含有为达到给定的使用精度所必须的那些项。一般，由于这种系统是一个映射系统而不是一个先线性化然后进行标定的系统，所以存储的各个系数并不分别对应着媒体的某些区域、位置或坐标值。
限制映射估算方程复杂性的一个方法是定义媒体的一些区域，每个区域与一组系数相关连。在使用时，先估算物理作用的区域，然后用对应于该估算区域的那组系数来把探测器输出映射成作用位置。因此，虽然需要增加存储的系数，但映射关系的复杂性可以减少和/或结果精度可以增大。一般，对区域的估算只是根据探测器输出数据的比较所进行的简单的边界区域的映射，因此没有必要确定作用地点的估计坐标位置。典型地，对于一个矩形基底媒体可定义4个区域，每个区域对应于一个顶角电极附近的一个面积。对于4个区域或4个象限的情况，可以通过确定哪一个探测器有最大的输出信号来简单地确定区域。
根据本发明，对于例如带有顶角电极的导电矩形基底的双曲线电流分布畸变的非线性性，或者是对于带有柱形、锥形、球形、椭球形或其他曲面或非平面区域的矩形或非矩形基底的非线性性，都可以校正到能把探测器输出映射成触摸位置坐标值。另外，在这同一映射过程中，例如表面导电率偏差、电极布局偏差、盖板偏差等制造偏差也可得到校正。其他方面的扰动作用也可以被考虑到。所以，在一个统一的系统中，该映射关系可以补偿：
(a)媒体的形状和性质；
(b)探测器的数目、位置和每个探测器的特性；
(c)媒体、探测器、和系统其他部分的制造偏差。
本发明利用分别对每个传感器系统确定的映射方程来同时校正非线性性和制造偏差，以提供高精度的位置坐标输出。由于诸如镀层厚度的非均匀性、镀层中的气泡或划痕、盖板或固定探测电极的连接电阻的差别、或者接口电路特性的偏差等制造偏差所造成的误差因素都已被包含在该映射关系中了。
根据本发明的系统借助于多个实际测量来确定映射关系，能够补偿传感器系统的总体和实际性质。此外，映射算法的系数的产生可以在控制器内部进行，也可以在一个外部系统上进行。
各个测量点的间隔一般应小于明显变化的空间奈奎斯特(Nyquist)频率的一半，并且这些变化必须实际测量。根据本发明的一个实施例，映射算法可以实现对实际存在的变化的补偿，而不进一步增加复杂性。因此有可能对所需精度为每一个别的传感器系统唯一地确定映射特性，并使用最小必要复杂性的算法。例如，如果在一个传感器系统的某一象限中出现了一个特殊的制造偏差，则对这个象限所使用的映射方程可以比其他象限较复杂一些。映射方程的格式可以在存储数据中以显式方式或隐式方式存储。
由于通过使用该算法可以达到基本上完善的映射，所以本发明的系统不需要物理手段来控制电流在导电表面上的分布，从而可以采用带有多个项角电极的简单形状基底，例如带有4个顶角电极的矩形面板，来接收电信号。应该指出，这种电信号可以例如为直流信号的恒定电流，也可以例如为交流信号的具有恒定RMS(均方根)值的随时间变化电流波形。有利的是，顶角电极不需要是串连的或需要复杂的时间域分析的；因此可以只提供一个简单的电流源和互导式放大器。根据本发明的该系统既可用于电阻性传感系统，也可用于电容性传感系统。该系统还允许叠加一些不同的传感系统，例如可以同时测量静态的和动态的信号。
有利的是，实际存储的是映射关系的系数组。另外，本系统的方案不假设物理作用和探测器输出之间的比例度量关系，使得即使对非均匀和非线性的系统也具有高的性能。
与典型的位置确定方程相关连的计算量是，计算X和Y这两个坐标值需要26次乘法操作和20次加法操作，这个计算量完全在典型的低成本处理器，例如Intel 8051及其衍生产品，在适当的时间帧中进行处理的能力之内。事实上，根据本发明的系统一般不需要触摸屏和系统其余部分之间的双向作用，就可以完成探测信号到位置坐标值的转换，这就可以使用不带有通常所需的触摸屏控制器的低成本系统，而算法的执行则由一个同时含有一些相关应用程序的主计算机完成，像Microsoftwindows(微软视窗)兼容计算机这样的主处理器在系统中同时与各个触摸屏传感器相连接，它们有足够的处理能力来估算触摸屏传感器的映射关系和执行应用程序，而不会明显地降低性能。
映射关系信息可以存储在直接与传感器系统相关连的存储装置中，或者也可以存储在与该系统共同工作的分开的存储器中，所需系数的数目比较少这一事实允许使用一个较小的存储装置，而且因为在装置的初始化过程中可以把系数转移到处理器的当地存储器内，所以存储器的速度也不是关键问题。对主处理器用一个串行接口的EEPROM(电可擦除可编程只读存储器)来存储这些系数是有利的，该EEPROM直接与触摸屏接口电路相关连。其他可用的存储装置还有软盘等旋转式磁性媒体和半导体存储器。应该指出，映射方程的生成可以在制造过程之后，例如在把装置安装到主系统之后再进行，虽然这并不是优选的。
如上所述，确定映射方程系数的一个优选方法是成熟的最小二乘优化方法。在该技术中，给出一组X、Y坐标值作为一个映射多项式方程的希望输出值，这组值是探测器输出值的函数。对每个作用点的坐标值和由多项式给出的坐标值之间的差值取平方。这形成了一个N维的碗形表面，它在N维空间中的某个点上有最小值。求解多项式系数的方法是使该多项式能对一个给定的数据组(关于媒体上一组位置已知或确定的特定点的一个探测器输出值阵列)产生最小的误差。对系数的求解涉及到，把平方误差项分别对每个系数求偏导数，把每个偏导数设定为零，然后联立求解所得到的N个等式。虽然可以定义一个一般的多项式使每一个数据点都有一个系数，但最好是定义一个系数较少的较简单的方程，然后根据已有的数据通过优化该较简单的方程来优化误差。应该指出，最小均方误差法只是优化技术的一种，如果愿意，熟悉该技术的人们也可以用其他方法优化。
如果在传感器的设计阶段中发现映射算法方程中有一个项对整个映射范围意义不大，则可以略去这一项。所以，在一个把传感器系统分成4个象限的实施例中，各种较高级次的项可以有选择地估算或略去。这样，对于将映射空间划分成多个区域的情况，在任一区域中有低的期望意义的那些项可以对该区域略去，使得能在减少处理和保持精度的条件下产生校正的输出。
因此，本发明的一个方面提供了一种利用一个或一组映射方程的基于可重新放置探针的多个位置的电极输入的算法映射，其中的映射方程由个别化的测量程序导出。
在一个实施例中，算法所定义的映射区域并不等同于或大于由特定的测量点布局和其他测量点布局所定义的测量区域。根据本发明的映射算法最好在复杂程度上不超过两次或三次，虽然在本发明的范畴内也可提供四次或更高次的映射方案。应该指出，对于两个坐标轴的映射关系不一定要有相同的形式，特别当基底为非对称时更是如此。
除了其简单性和低制造成本之外，该触摸屏系统的功率要求也是最小的，大约比普通电阻性触摸屏小三个数量级，从而促进了它在电池供电系统中的应用。
各种建模或算法技术和各种电机械线性化技术可以有利地结合起来以降低实现这两类技术的复杂性。因此，虽然各种补偿方案希望最好能线性化输出的量，但本发明的更一般的表述是使电机械技术产生需要较少复杂性的算法来进行线性化的输出信号。
建模技术和电机械技术相结合的一个特别优点是，电机械技术可以在形成一个电阻或电容性触摸屏的探测电路导电层的同一个制造步骤中实现。因此，处理的复杂性从而成本是几乎相等的。然而，在由该系统所产生的结果信号中，各种高次项的作用却比较小，或者说，对于同样复杂程度的计算来说所得到的精度被提高了。因此，降低了存储校正系数所需的存储器要求和执行计算时的计算资源要求。对于例如像个人数字助理器中的触摸屏或其他集成式触摸屏系统这样的需要主处理器实时进行校正的情况，这种降低将变得是重要的考虑因素。
线性化图案例如可以是靠近基底周边的一组断开的线段。这些断开的导体趋于重新分布如图1所示的从基底中心到基底边缘的等电位线。因此，系统的灵敏度在其表面上被均匀化了，同时输出变得更为线性而较少具有抛物线性质。
类似地，触摸屏的输出可以通过模拟的或数字的电子预先线性化步骤处理，其中输出信号被预先处理得能减少产生坐标值输出时所需的计算复杂性。在此情形下，只要预先线性化系统有良好的重复性或者考虑到了温度等的其他影响，该系统的精度不必很高。这又进而使得可以使用低成本和/或低复杂度的预先线性化电路，例如以模拟模式驱动的CMOS(互补金属氧化物半导体)逻辑单元电路。
如上所述，根据本发明的系统不局限于电探测方法。
本发明的目的
因此，本发明的一个目的是提供一种导出用来从多个输入值确定坐标位置的映射方程的方法，其中输入值对应于由多个情况探测器所探测到的一些信号，这些探测器与一个具有一个能传导关于该情况的信号的表面的媒体相关连，这些信号的变化与一个情况作用要素在该表面上的坐标位置有关，该方法包括以下步骤：提供该情况作用要素在多个确定位置处产生的测量输入值；结合相应的确定位置处理这些测量输入值以产生一个含有多个项的映射方程的一组系数，其中每一项都是一个系数或者是关于至少一个系数和至少一个输入值的数学函数，该映射方程把输入值与情况作用要素位置的坐标值联系起来。
本发明的另一个目的是提供一种把多个探测器输出映射成坐标位置的方法，它包括以下步骤：提供一个用来传导一个物理作用的媒体，其上至少有三个用来探测该媒体上不同位置处的该物理作用的传导部分的探测器；用该至少三个探测器测量从该物理作用的原作用点通过媒体传导的物理作用部分；以及，利用一个考虑到媒体和探测器的实际构形对媒体和探测器从实验数据导出的映射方程，把从该至少三个探测器测量到的物理作用映射成物理作用的原作用点的坐标位置。
本发明的又一个目的是提供一种导出用来从多个输入值确定相对于带有一个表面的媒体的坐标位置的映射关系的方法，这些输入值对应于一些由多个情况探测器探测到的信号，每个情况探测器都与该媒体相关连，该媒体能传导关于该情况的信号，这些信号的变化与一个情况作用要素在该表面上的坐标位置有关系，该方法包括以下步骤：提供该情况作用要素在多个确定位置处产生的测量输入值；以及，结合这些相应的确定位置处理这些测量输入值，以导出一个把这些输入值与情况作用要素的位置的坐标值联系起来的映射关系，上述映射关系能够把输入值直接映射成坐标位置而基本上不出现代表未校正坐标位置的中间数据。
本发明的再一个目的是提供一种位置确定系统，它包括：一个带有一个表面并能把物理作用从一个部分传导到另一部分的媒体；多个分开的探测器，用来探测在上述的媒体中传导的物理作用，并且每个探测器都产生一个探测器输出；以及，一个存储器，用来存储多个信息值，这些信息值对应于上述各探测器输出和一个施加在上述媒体上的物理作用相对于上述表面的多个预定位置的映射关系。
本发明的另一个目的是提供一种用来把多个探测器输出映射成坐标位置的设备，它包括：一个能传导一个物理作用的媒体；位在上述媒体上不同位置处的至少三个探测器，每个探测器都探测上述物理作用的被传导部分；以及，一个存储器，用来存储关于从上述至少三个探测器处探测到的当地物理作用映射到上述物理作用的地点的坐标位置的信息，上述存储信息包括为考虑到上述媒体和探测器的实际构形而对上述媒体和探测器从实验观察导出的信息。
本发明的还有一个目的是提供一种位置确定系统，它包括：一个带有一个表面并能把物理作用从一个部分传导到另一部分的媒体；多个分开的探测器，用来探测在上述媒体中传导的物理作用，并且每个探测器都产生一个探测器输出；以及，一个存储器，用来存储多个信息值，这些信息值对应于上述各探测器输出和一个施加在上述媒体上的物理作用相对于上述表面的多个预定位置的映射关系，上述映射关系是从下面这组中选出的：
(a)映射方程，它包括多个项，每一个项都是一个系数或者一个关于至少一个系数和一个至少与一个探测器输出相关连的值的数学函数，该映射方程把探测器输出与施加物理作用的位置相联系起来；
(b)映射函数，它能把探测器输出直接映射成物理作用的校正的坐标位置，而不出现代表未校正坐标位置的中间数据；以及
(c)映射函数，它能把由至少三个探测器探测到的当地物理作用映射成上述物理作用的地点的坐标位置，上述存储的信息包括为考虑到上述媒体和探测器的实际构形而对上述媒体和探测器从实验观察导出的信息。
这些目的和其他目的都将变得清楚明白。为了充分地理解本发明，现在应参阅下面对附图所示的本发明优选实施例的详细说明。
附图的简单说明
本发明的优选实施例将借助于附图来说明，在附图中：
图1示出以往技术的根据对一个未校正表面的比例度量关系假设所得到的X和Y坐标图；
图2示出以往技术的一个总线系统，当在任一轴的两条总线之间施加一个电压时从一端到另一端将产生比较线性的梯度；
图3示出以往技术的一个多元件系统，它使用了准总线方法，其中通过接通沿一个轴的电压而切断其他电压并依次接通所选电极对之间的电压，将产生有较好线性性的梯度；
图4示出以往技术的一个电阻网络，其中基底的各边缘与屏幕中央有相同的电阻特性；
本发明的图5是基底划分成几个象限时精度的图形表示；
本发明的图6是一个利用主计算机来补偿输出的触摸屏传感器的简化方框图；
本发明的图7是一种对根据图6的传感器进行映射的方法的流程图；
本发明的图8是一个电容性实施例，其中的激励源是从一个顶角处馈送的交流电流，流经其余顶角处的三个电流探测器的电流用来监测一个电介质的作用；
图9是图6触摸屏的另一种控制器的方框图；
图10是根据本发明的测量程序的流程图；
图11是一个算法补偿压力和位置传感器的半原理图；
图12是一个导电触摸屏周边处的金属化图案的项视图。
优选实施例的详细说明
现在将参考附图详细说明本发明的各优选实施例。各附图中类似的特征用同样的代号表示。
根据本发明的系统利用了一种映射关系，例如一种含有一个多项式方程的算法，它能以所要求的精度把一些来自探测器的输入值有效地映射到一个坐标系统中。事实上，本发明的发明人已发现，对于某一希望的性能，例如满标度的1％的精度，所需的多项式系数数目远小于导出这些系数所需的测量点的数目。
对于用于电阻性触摸位置探测器的典型地镀有ITO的玻璃基底，这导致了有效的多项式系数存储。原则上，这种系统对于需要在关于一个物理扰动的多个探测器输出和该物理扰动的坐标系统位置之间进行映射的情况有广泛的应用。
当这种传感器系统含有一个专用控制器时，这个算法映射系统控制器最好以单芯片微控制器形式实现，该微控制器也起着触摸屏装置的通信控制器的作用，它例如通过一个串行通信接口把坐标值输出给主计算机系统。此外，对映射关系处理的前端部最好足够地少，使得能采用简单的低成本低功耗微控制器，例如Intel 80C51及其各种已知的衍生产品和以80C51为核心器件的应用专用集成电路。微控制器含有一个至少有10比特分辨率的模数转换器(ADC)将是有利的，虽然也可以使用一个单独的12-16比特的ADC。根据本发明的映射数据被存储在一个存储器中，该存储器最好物理地连接在触摸屏上。为了存储这些系数，例如可以把一个串行输出电可编程只读存储器(EEPROM)物理地含在传感器的盒室内或所连接的电缆上。另一个例子是EEPROM含在单芯片微控制器内或与之相连。
根据本发明的映射系统也能够以一个相连主处理器中的软件驱动系统的形式提供。在此情形中，必须向该主处理器传送关于传感器面板映射的算法系数。该主机系统例如可以是一个运行Macintosh系统7、UNIX、或者Windows计算机系统。
本系统提供多个探测器，最好至少三个探测器，作为给映射方程的输入。更好的是提供4个探测器，分别位在一个矩形基底的4个顶角处。
作为一个传感器系统生产过程的一部分，要对每一个触摸屏得到一组测量数据，即对应一组预定地点的一组探测器输出。这些点最好位在一个栅格点阵上，更好的是位在一个预定阵列中。不过，只要物理作用的物理位置精确地已知，则对各个传感器系统这组点不一定要相同。然后一个计算机程序对上述的N个联立方程求解，找出对应一个特定触摸屏的映射方程的多项式系数，然后把它们存储到一个永久性存储装置中，该存储装置最好是触摸屏组件整体的一个组成部分。使用时，当该触摸屏连接到它的计算机(或者是一个独立控制器中的一个专用计算机，或者是与该触摸系统相连的主计算机)上时，在系统初始化过程中该计算机将读出该永久性存储器，提取出关于该特定屏幕的系数并把它们存储在其当地存储器中，供以后利用它们来从测量电流数据导出触摸位置。这样，每一个屏幕都被各别地特性化，使得各单元之间的差异分别得到校正。最终的精度仅仅取决于硬件和所选模型的复杂程度。因此，本发明允许实现各种程度的映射复杂性。
例1
如图9所示，一个传感器基底110由在约为10英寸×12英寸的一个碳酸钠石灰玻璃基底112上镀以一个平均电阻率约为250欧姆/平方的铟锡氧(ITO)镀层111构成，其每个顶角处都提供有一个0.5英寸见方的含银玻璃(silver frit)镀层。ITO镀层电阻率的制造容差约为±10％，所以可能存在明显的表面偏差。基底每个顶角处的连接电极约为0.25英寸见方，位在距相邻边缘0.25英寸处。接触探针116连接在一个一200μA的恒流源121上，它带有一个小的(约0.032英寸)的球项金属探头，该探头直接压在ITO表面上。为了标定测量位置，接触地点由一个方格形栅格确定，该栅格用一个0.062英寸的ABS塑料板做成，其上以1英寸的中心距开设了99个0.062英寸的小孔，其中11列用于X,9行用于Y。
由于该系统使用了恒流源驱动器，氢在传感器设计中镀层的电阻率不是一个因素，这样便能选用成本性能比最低的镀层。
该传感器装置连接有一个电路，用来测量通过从可重新放置探针到各固定电极的所有可能路径的电信号。例如，通过可重新放置探针(不论作为源或作为漏)注入一个恒定的电流，同时把各固定电极箝位在地电位(或者相对于地的任何参考电位)，在此情形下测量流经各个电极的电流。或者，也可以在可重新放置探针和每个固定电极之间提供一个电流，同时测量相应的阻抗。
电连接是由含银玻璃触点形成的，但也可使用其他适当的稳定电接触系统。每个顶角电极都被一个有互导式放大器120结构的运算放大器，例如National Semiconductor的LF347N，保持为虚地，从而相应的电流被转换成电压信号。使用互导式放大器可得到高增益和低探测电流工作，并避免一般由探测器电阻引入的失真和可能会损伤某些镀层，例如镍金镀层，的大电流。已知的还有其他类型的电流测量技术，它们也可以使用。本系统中使用的互导式放大器是倒相的，因此为了得到放大器的正输出可重新放置探针应该是电流的漏而不是源。
在确定准备由传感器系统使用的映射关系，也即在确定准备存储在与传感器系统相连的存储器内的信息值的最初测量程序过程中，如图10所示，模数转换器的输出直接通过电路板上的串行接口被微处理器转送出去，而不作任何算法处理。这样，一个外部系统将得到这些探测器输出值，并把它们与测量特性化的实际条件一起记录下来。
最初的测量程序是这样进行的：执行对与基底各个位置接触时的依次测量的循环150，直到获得所有的值151。得到所需的数据之后，算出最小均方差拟合下的各个映射系数。然后把这些系数存储在存储器中153。
根据本发明，在确定算法映射时要分析多个测量点。这多个测量点最好是传感器基底表面上的例如99个点，它们排列成一个9×11的矩形阵列，相邻点的中心距为1英寸；或者，对于基于分象限的系统，最好是每个象限中有30个点。较一般地说，测量点的数目要在分布稠密的基础上选得足够地多，以为触摸屏提供适当的精度。当获得足够多的数据时，可以使对于每个新增点的标准偏差值的变化(这是用来检验拟合良好程度的一个统计量度)小到所希望的范围内。
这些信号被输入给一个带有一个12比特模数转换器(ADC)和4个输入端的微计算机系统。该ADC前面有一个转接器124，它使ADC依次读出每个顶角电极互导放大器的电压输出，然后再传送给处理器125。确定了4个顶角电流值之后，处理器利用存储在一个永久性存储器，即一个电可编程只读存储器(EPROM)中的预定系数计算出校正的位置。在另一个实施例中，该永久性存储器123是与传感器相连的，它通过一个串行接口把数据提供给处理器。然后位置数据可以通过一个串行接口126传送给主处理器128。
映射系数是利用MathCad软件根据用上述方法得到的测量数据计算的。下面概述该计算方法。应该指出，C编程语言代码能较有效地执行，所以使用它是有利的。
从可重新放置探针注入到基底中的电流是4个探测电极各自电流的和。于是，在4个电流的和为常量，即A+B+C+D=常量的情形下，对于触摸屏上的每一个电流注入位置都存在着唯一的一组4个顶角电流值，这组值中包含了该特定触摸屏组件的任何制造偏差。
采用了一个直接把这4个顶角电流转换成物理X和Y坐标值的映射多项式表达式，其普遍形式为：
y=(a0+a1A+a2B+a3C+a4D+a5A2+a6AB+a7AC+a8AD+a9B2+a10BC+a11BD+a12C2+a13CD+a14D2)
x=(b0+b1A+b2B+b3C+b4D+b5A2+b6AB+b7AC+b8AD+b9B2+b10BC+b11BD+b12C2+b13CD+b14D2)
其中A、B、C、D为各个顶角电流，a1…a14和b1…b14为推导的系数，x和y为坐标位置。
根据本发明的一个系统采用了一个具有个别化数学系数的映射算法，它适合于确定传感器系统的整个部分或一部分。该算法可能含有一些各种不同大小的项，实际上那些在输入的整个范围内都预期有小绝对值的项可以不予考虑，这样便可简化对映射算法的估算。传感器的工作面积也即接触位置敏感部分可以被分割成几个区域，每个区域与一组不同的算法映射系数相对应。例如，传感器可以划分成4个象限，可以根据找出4个顶角电极数据中哪一个值最大这样的简单预先分析来确定可重新放置探针出现在那一个象限中。这样的区域定位使得能应用含有对该区域优化的系数组的那个映射关系。
因为各顶角电流的平方项a5A2、a9B2、a12C2和a14D2等对某些屏幕设计来说预期在映射算法中有较小意义，为了达到特定的希望性能通常不需要对它们进行估算，所以对这些屏幕设计可以将它们略去(a5、b5、a9、b9、a12、b12、a14和b14都等于零)。这样方程式中将含有零次项、一次项和交叉相乘项，但没有更高次的项。
对于每一个传感器系统的特性化处理涉及到记录对应于基底上一组栅格点物理位置的每个探测电极处的电信号，每个栅格点位置都要用一个可重新放置探针来激励，一个高精度的定位装置用来使探针的探头定位在盖板上进行激励，然后暂时保存在测试计算机中的记录值被用于该测试计算机中的一个最小二乘曲线拟合程序，为一个拟合方程选择能使该方程所产生的坐标值与实际的物理坐标值之间的方差和最小的系数。
给出一组X、Y坐标值作为该模型方程的希望输出。每个实际点的值和多项式给出的值之间的差被平方。作为示例，给出如下形式的Y轴方差简化公式：
其中
Ycalci=a0+a1·Ai+a2·Bi+a3·Ci+a4·Di+a5(Ai)2+a6·Ai·Bi+a7·Ai·Ci+a8·Ai·Di+a9·(Bi)2+a10·Bi·Ci+a11·Bi·Di+a12·(Ci)2+a13·Ci·Di+a14·(Di)2
这给出了一个N维碗形表面的形式，该表面在N维空间中的某个点上有极小植(维数取决于系数数目)。目的是要解出能对一个给定数据组(对应于触摸屏上一组特定栅格点的各探测电极的电流值阵列)给出最小误差的多项式系数。在求解这组系数时首行需求出该平方误差项对每个系数的偏导数并分别令这些偏导数等于零，以得到对各个系数的最小误差，然后求解这样得到的N个联立方程，解出使误差最小的各个系数。
这样，对两个坐标轴将分别导出关于各个系数的15个方程。例如，上述误差项对系数a5的偏导数为：然后把它设定为零以求取使误差最小的各系数：
这样对每个坐标轴都可以由15个方程解出15个未知的系数。类似地，其他方程的最小平均方差拟合系数也可以被确定并用来产生传感器系统的输出。
虽然上面的讨论是最小二乘法的标准说明，但在某个特定屏幕设计的设计阶段中采用上述技术不能容易地改变映射方程。对这些偏微分方程的运算是麻烦的，而且其后计算机求解这些方程是费时的。一种较好的求解最小二乘曲线拟合的技术是矩阵技术，它利用剩余误差矢量正交于各探测器值矢量这一事实。利用这一技术，不再需要计算起来很麻烦的N个偏导数。
下面给出采用一般矩阵符号的简短推导。
令Ycalci=a0+a1·Ai+a2·Bi+a3·Ci+a4·Di+a5(Ai)2+a6·Ai·Bi+a7·Ai·Ci+a8·Ai·Di+a9·(Bi)2+a10·Bi·Ci+a11·Bi·Di+a12·(Ci)2+a13·Ci·Di+a14·(Di)2
其中Ycalc是坐标Y的计算值。现在令A代表由系数(a0,a1,a2,…,a14)所构成的矢量。又令G代表由各探测器测量值和它们的各种组合所构成的矢量：
G=(1ABCDAA2·BA·CA·DB2B·CB·DC2C·DD2)
则由于剩余矢量，即实际坐标值和计算坐标值之间的差值矢量，与测量值矢量正交，所以
GT·(Y-Ycalc)=0
又由于Ycalc=G·A
所以GT·(Y-G·A)=0和GT·G·A=GT·Y
解出A得到：
A=(GT·G)-1·GT·Y
该系数矢量A与通过前述偏导数方法求得的相同。
在G矩阵中可以容易地加上额外的参数(例如从4个顶角电流值中选出的一些项)来估算它们对剩余误差的影响。含在上述矢量A中的各个系数可以用例如LU分解或者QR分解(Gram-Schmidt正交化)等标准的线性代数方法求出。优选的方法是使用QR分解技术，它对于病态的矩阵比较不敏感。QR分解的一个附带好处是它可证实各测量的值是互相线性独立的，从而证实了对于每个触摸位置它们是唯一的。
所得到的系数被存储在作为触摸屏组件一部分的一个永久性存储器中(或者也可以存储在一个计算机的软盘上，准备以后安装到主计算机中，触摸屏最终将成为该主计算机的一个部分)。使用时，触摸屏系统将利用这些系数从测量的探测器值直接计算出触摸位置。这些探测器值被用作X轴和Y轴的方程中的变量A、B、C、D，其中X轴的方程与上述Y轴的方程相类似，输出的坐标值将精确到所希望的范围，不需要做进一步的校正。描述触摸屏特性仅有的值就是这些导出的系数。在进行了曲线拟合处理之后不再使用从测试栅格物理位置得到的原始值。这样，与查找表校正方案相反，不再需要这些原始值。所存储的只是能把探测电极值直接映射成X、Y坐标值的一个数学函数的系数。
在又一个实施例中，触摸位置所在的象限是根据原始的数据输入和所用的适当算法估算的。然后在每个象限中对每一个坐标轴从11个方程求解出11个未知系数。在该情形中，有一个系数可以归一化，所以对每个多项式只需存储10个系数。然后这些系数被存入与数字信号处理器相连的永久性存储器中。
用这种象限方法容易达到百分之一满度值左右的精度。图5示出了根据本发明的一个触摸屏实施例的X报告对X实际的典型精度。应该指出，顶角电流的相乘项对于两个坐标轴的映射算法中的对应项来说只需要计算一次，由此简化了计算量。
可以通过添加一些高次项，例如BCD等三次项，并利用上述技术来改进曲线拟合。参见美国专利申请NO.08/616,851中的附录，这里引用其整体内容作为参考。
使用本发明系统时，对于4个象限中每一象限的每一坐标轴(X或Y)需要10个系数，因此总共需存储80个系数。这些系数以16比特的精度计算和使用，适合于存储在一个2kbit(千比特)的存储装置，例如93C56A EEPROM中，可以得到约百分之二满度值的精度。
根据一个优选实施例，根据本发明的系统采用带有一组系数的一个预定形式的算法，对于传感器系统的各个具体实现，这些系数是随各自单独的测量而不同的。因此，在这种系统中，每一个单元都通过执行一个预定的初始测量过程以确定对应于准备存储的映射关系的信息值，来进行装配，其中的初始测量过程包括：用一个可重新放置探针电极或把探针电极固定在多个位置上以注入电流信号，并测量导电表面上多个电极探测到的电信号。完成该测量后，对测量数据进行处理导出一组系数，这组系数被存储在一个与该传感器系统相结合的存储器中。例如，可以使用一个耦合的存储装置，如美国专利NO.5,101,081所公开的，这里引用该专利作为参考。当然，也可以采用其他的布局。映射系数也可以与传感器系统分开提供，例如提供在一个磁盘(软盘)或一个模块上。因此，用来映射成传感器系统输出的算法处理器不一定要传感器系统集成在一起，有利的做法是使处理器是一个主处理器，它既执行映射算法，又执行应用软件。
如图7所示，工作时该处理器控制一个转接器以依次地对从通过各个顶角电极的电流导出的值进行采样160，对电压值数字化，并把这些值存储在处理器的一个随机存取存储器内。然后对这些值进先预先分析，分析是否探测到一个触摸161，如果探测到了触摸，则连续处理以确定触摸位置。计算各个相乘项162，并确定触摸发生在哪个象限内163。然后处理器对X和Y轴估算映射方程164，并以逐个比特串行的方式通过串行数据接口输出X和Y坐标值，其中的串行数据接口通常符合RS-232格式，数据传送率约为9600波特。
在处理来自各电极的信号时，可以加上任选的附加处理以减小噪声，还可能引入一个小面积的滞迟回线。此外，一些标准的输入处理技术，例如输入反跳抑制(input debouncing)，也可以结合本发明一起使用。
处理器还可以任选地通过确定电流源施加在可重新放置探针电极上的电压来确定接触阻抗，以判断盖板上的力或触摸是否足以让正常的电流流过，也即判断电流源是否在电源的“轨道”上工作。这样可以定义一个触摸阈值，以防止虚假的触摸指示。
可以使用一种基于传感器系统基线读数的自我标定。这样，可以将探测器在“无触摸”基线时期的输出用来提取任何基线漂移或干扰。通常，这种补偿要求在该系统中信号是相加性叠加的，或者叠加效果是已知的。
例2
与例1基本相同，提供一个导电表面基底110。不过，如图6所示，在传感器系统中不提供微控制器。这里代之以提供一个带有输入转接器和串行接口的模拟数据获取系统200，它依次地选出各个输入并以串行方式通过一个串行接口驱动器202把数据传送给一个主处理器201，后者再根据原始数据来估算映射算法。起动时，主处理器201通过该串行接口驱动器读出系数存储永久性存储器123中的内容。当存储的数据被转移之后，该系统再从模拟数据获取系统200发送数字化的数据。
例3
根据本发明的本系统也适用于电容性触摸位置传感器。在该情形中，一个具有恒定RMS的交流电流信号，例如一个RMS为200μA的正弦电流信号，被有选择地通过导电表面上的某一个固定电极注入。可重新放置的探针电极含有一个电介质阻挡层材料，该材料相对于一个参考点有一个阻抗，使得该导电阻挡层触点的靠近将使该点的信号衰减，造成可变的电流损耗。测量每个另外的电极处的电流。因此，输入电流等于其他各顶角电极上测得的电流加上系统的寄生损耗。当有一个电介质接触该表面时将发生进一步的损耗，接触的位置可以作为三个探测电极电流的函数测量。
在另一种电容性触摸系统中，一个具有恒定RMS的交流电流信号被有选择地从一个接触位置发送给导电表面。利用已知技术测量多个电极处的交流电流。在美国专利4,623,757中公开了一种已知的电容性传感器系统，它含有一个与一个导电基底之间有一个绝缘隔离器的盖板，在此引用该专利作为参考。这种类型的触摸位置传感器一般也可以根据本发明来进行补偿。
本发明的一个电容性实施例是这样实现的：如图8所示，给一个镀有电阻层的基底上的一个顶角提供一个交流电流源，并探测其余三个顶角处的电流。基底表面上任何位置处的一个接触将使得部分电流从该处引出，又由于前面在电阻性实施例中所讨论的电流关系，三个探测顶角处将出现一组对该接触位置来说是唯一的电流，以类似于电阻实施例中所说明的方式，可以导出一组系数，使三个探测电极的映射能把这组唯一的电流转换到二维坐标系统中。
总的来说与例1相似，提供了一个基底。如图8所示，基底210的一个项角被连接在一个输出为200μA RMS值的交流恒流源250。如果与放大器之间是直流耦合，则输入信号最好有一个负的偏置电压。探针251可以是任一个带有通地路径的电介质，例如一个手指。基底的其余三个顶角连接在三个互导式放大器253上。然后这些互导式放大器253的输出被转接，依次被一个模数转换器255读出。传感器系统256通过一个串行接口261与主机257以串行方式连接。有一个永久性存储器258与该传感器系统相连，其中含有存储的映射系数。在初始化阶段，主机系统256通过串行接口261从该永久性存储器258读出其存储的映射系数并把它们存储在与主计算机257相关连的随机存取存储器中。这样，不需要为传感器系统256提供微处理器。
例4
如图11所示，提供一个带有多个力探测器(FSR)221的基底220。各个力探测器221的输出经过转接器222的转接被模数转换器223数字化。一个微控制器224接收模数转换器223的输出并根据存储在ROM(只读存储器)226中的映射算法确定出接触位置，该映射算法是基于存储在永久性存储器227中的一系列系数确定的，而这些系数又是从最初的测量程序和最小平均方差拟合导出的。施加在基底上的力以接触位置和任一探测器221的响应之间的一种非线性关系分配在各个探测器221上。每个探测器221的输出响应也可以是非线性的。此外，基底220的柔性也可能产生非线性性质。该算法校正力的作用位置和探测器221的输出之间的关系，产生经校正的结果。
例5
这里，代替例1方法中的导电表面基底110的是使用了一个带有图12所示的金属化图案的基底。虽然也可以使用如图4所示的线性化阵列，但这里没有必要使用这种复杂而且空间占用率大的阵列。金属化图案包括一组位在周边的金属化单元301、302和303，其中的顶角电极301用于对基底的电连接。该基底是一个用已知方法镀以ITO的玻璃板。周边处的金属化图案包括一个由金属淀积条形成的断开的线段阵列，这些金属条约1/32英寸宽，相互间隔约0.25英寸。沿着长度方向提供了5个金属条301、302，其中两端的两个条301长度约为0.75英寸，中间三个条302的长度各约1.5英寸。沿长度方向的阵列中的两个端部条301各带有一个接线斑，适合于外部引线的连接。沿着宽度方向提供了三个金属化条303，各约1.25英寸长。这种金属化图案减小了流经基底的电流密度的空间变化，从而对于某一给定输出精度减小了基于模型的顶角电流输出补偿的复杂性。
利用这种基底和例1中说明的系统，并采用7行×10列的数据点阵列，发现从顶角电流输出到笛卡儿坐标值的算法补偿结果能小于约1.5％的满标度值，其中对每个象限都使用了6个系数，即A、B、C、D、A·C和B·D的系数。这些系数为：
象限 象限 象限 象限 象限 象限 象限 象限
1X 1Y 2X 2Y 3X 3Y 4X 4Y A -208.3493 1402.4748 -522.4589 966.3413 -39.4771 1112.7328 8.0038 854.7218 B 568.4577 867.6197 629.8414 1094.0803 1350.7934 878.5731 1031.0120 1476.8373 C -601.7910 -70.9592 -259.7697 -616.7527 56.8489 -64.8017 -11.0829 -341.3996 D 662.9957 -325.0109 906.2397 -111.4978 997.4295 -627.4712 1285.1652 -83.7687 A·C 456.2494 -316.2586 453.3092 285.2872 -336.3443 -46.0594 -330.5493 87.4825 B·D 323.2241 80.3876 329.4955 -53.3598 -417.3282 304.8422 -408.7326 -297.4285
上面示出说明了接触状态确定系统的一些新的类型和新的特性，这些系统满足了所寻求的全部目的和优点。然而，对于熟悉本技术领域的人们来说，在考虑了公开本发明优选实施例的本说明书和各附图之后，关于本发明的许多变化、修改、改变、组合、部分组合、以及其他用途和应用都将变得清楚明白。所有不偏离本发明的精神和范畴的这些变化、修改、改变以及其他用途和应用都应看作为本发明所包涵，本发明的精神和范畴仅受后附权利要求的限制。