DE68918581T2 - Berührungseingabesystem mit umgebungskompensation und programmierbarer verstärkung. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Lichtsignaldetektorschaltung, eine Eingabedetektorvorrichtung mit einer solchen Lichtsignaldetektorschaltung und eine Berührungseingabeeinrichtung unter Verwendung einer solchen Lichtsignaldetektorschaltung, um das Vorhandensein eines Elements in einem Strahlungsfeld zu erfassen, insbesondere betrifft die Erfindung ein Berührungseingabesystem und eine Schaltung zur Verwendung in einem Berührungseingabesystem, um das Eindringen und die relative Lage eines in einem Strahlungsfeld befindlichen Elements in der Nähe einer elektronischen Anzeige zu erfassen, wobei das Strahlungsfeld durch mehrere Lichtquellen und Lichtdetektoren gebildet wird.
• Mit dem fortgesetzten und zunehmenden Einsatz von Videoanzeigen ging das Problem der Schnitt stelle Mensch/Maschine einher. Üblicherweise erfolgt die Steuerung angezeigter Information oder von Cursors über die Verwendung einer Tastatur. In jüngerer Zeit jedoch ermöglicht eine Anzahl von Geräten einer Bedienungsperson den direkten Dialog mit einer Videoanzeige. Diese Geräte umfassen Lichtgriffel, Tisch-Maus- Steuerungen oder Berührungseingabeeinrichtungen, beispielsweise Schaltermatritzen oder optoelektronische Matritzen. Während Auflagen vom Schaltertyp, die in der Nähe einer Videoanzeige angeordnet werden, im allgemeinen sowohl bei der Anbringung als auch im Einsatz billig sind, so sind sie aber auch Verschleißerscheinungen ebenso unterworfen, wie sie eine Verzerrung der Videoinformation hervorrufen, die von dem Betrachter oder der Bedienungsperson beobachtet wird, insbesondere in solchen Situationen, in denen eine starke Benutzung vorliegt. Optoelektronische Matrixformen verwenden Licht, welches grundsätzlich im Infrarotbereich angesiedelt ist, allerdings erzeugen sie eine Matrix, die für den Beobachter oder für die Benutzungsperson unsichtbar ist, so daß sie die angezeigte Videoinformation nicht verzerren und auch bei starker Benutzung keinem Verschleiß unterliegen. Systeme mit Opto-Matrixrahmen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Ein Beispiel für ein solches System ist die US -PS 4 267 443 mit dem Titel "Photoelectric Input Apparatus", erteilt am 12. Mai 1981 für Carroll et al.
• Probleme in Verbindung mit dem Einsatz derartiger Systeme sind beispielsweise erhöhte Rahmenauflösung ohne entsprechende Zunahme der Anzahl von Bauelementen, Kompensation von Seiten- oder Umgebungslicht und die Optimierung von Emitter/Detektor-Treiber- und -Detektornetzwerken. Derartige Systeme haben jedoch noch gewisse Nachteile. Beispielsweise führt der Einsatz einer großen Anzahl von Bauelementen zu höheren Kosten. Außerdem bereiten einige Systeme Schwierigkeiten bei der Kompensation von Reflexion und Blendung, die in einigen Fällen dazu führen, daß das System nicht in der Lage ist, eine Berührung oder einen Treffer festzustellen.
• Grundsätzlich ist es wünschenswert, ein Berührungseingabesystem zur Verfügung zu haben, welches die Anzahl von Bauelementen minimiert, die benötigt werden, um Lichtemitter und Lichtdetektoren zu adressieren und abzutasten. Außerdem ist es wünschenswert, das Gerät dynamisch hinsichtlich Umgebungs-Lichteffekten sowie hinsichtlich der Schwankungen der Lichtquellenausgabe und Detektorempfindlichkeit zu kompensieren. Gleichzeitig jedoch sollte das Gerät eine möglichst geringe Anzahl von Bauelementen aufweisen. Folglich ist es Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Berührungseingabesystem und eine Schaltung für ein solches System anzugeben, bei dem die Anzahl von Bauelementen minimiert ist, die notwendig sind, um die ein Strahlungsfeld umgebenden Lichtdetektoren und Lichtquellen zu adressieren und abzutasten.
• Andere Umgebungslicht-Kompensationssysteme haben den Einsatz umfangreicher Energiemengen zum Treiben der lichtemittierenden Bauelemente, beispielsweise Infrarot-Leuchtdioden (LEDs) erforderlich gemacht, um zu gewährleisten, daß die Stärke des von den LEDs emittierten Lichts größer ist als die Stärke des Umgebungslichts. Eine derartige Vorgehensweise macht den Einsatz teurer Lichtquellen- und Lichtdetektorelemente erforderlich. Außerdem erfordert eine solche Vorgehensweise, daß auch Hochleistungs-LEDs und -Phototransistoren außerhalb der normalen Betriebsbereiche arbeiten.
• Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Berührungseingabesystem und eine Schaltung für ein solches System zu schaffen, welches eine Rückkopplungsschleife verwendet, die selektiv das aus dem Umgebungsanteil resultierende Signal auf einem vorab ausgewählten Bezugspegel hält, um eine erhöhte Genauigkeit und erhöhtes Vertrauen bei der Bestimmung des Vorhandenseins eines Elements in einem Strahlungsfeld zu ermöglichen.
• Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines für die Praxis geeigneten Berührungseingabesystems und einer Schaltung für ein solches System, welches einen im wesentlichen rechteckigen Rahmen mit optischen Emittern und Detektoren aufweist, welche in den Seiten des Rahmens mit einer Einrichtung zum sequentiellen Abtasten und Aktivieren der Lichtdetektoren und Lichtquellen angeordnet sind.
• Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines kostengünstigen Berührungseingabesystems und einer Schaltung für ein solches System, um Probleme mit dem Umgebungslicht in einem Berührungseingabesystem durch Verwendung und Detektieren von Lichtimpulsen zu überwinden.
• Ein noch weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Berührungseingabesystems und einer Schaltung für ein solches System, welches Umgebungslichteffekte kompensiert, welches sich einfach herstellen läßt und mit einer minimalen Anzahl von Bauelementen bei minimalen Kosten produziert werden kann.
• Die WO-A-8 600 446 offenbart eine Berührungseingabeeinrichtung mit einer Software-Implementierung einer Umgebungslichtkompensation. Als erstes wird der Detektorpegel gelesen, wenn eine Lichtquelle aktiviert ist. Ist die Lichtquelle nicht aktiviert, erfolgt ein weiterer Lesevorgang beim Detektor, was zu einem Umgebungslicht-Lesesignal führt. Beide Lesewerte werden in eine digitale Zahl umgesetzt. Die das Umgebungslicht repräsentierende digitale Zahl wird von der digitalen Zahl subtrahiert, die den bei aktivierter Lichtquelle ermittelten Lesewert repräsentiert. Die Differenz wird mit einem Schwellenwert verglichen, um festzustellen, ob ein Strahl durch einen Stift unterbrochen wurde.
• Die EP-A-0 235 459 offenbart eine Phototransistorvorrichtung mit laufender Umgebungskompensation, umfassend eine Rückkopplungsschleifen-Kompensationsschaltung mit einem Integrator, einer Abtast- und Halteschaltung, einem Puffer und einer Stromkompensationsquelle. Wenn keine Lichtquelle aktiviert ist, wird ein Schalter geschlossen, und es wird ein dynamischer Kompensationsstrom in einen Schaltungsknoten injiziert, der mit den Kollektoren der Phototransistor-Detektoren verbunden ist. Wenn eine Lichtquelle aktiviert ist, wird der Schalter geöffnet, und der in den Knoten injizierte Strompegel wird bei dem früheren Pegel gehalten. Die Spannung am Kollektor eines Detektors wird anschließend gemessen.
• Die US-PS 4 243 879 offenbart eine Berührungstafel mit Umgebungslichtabtastung. Dieses Gerät enthält eine Abtasteinrichtung zum Abtasten des Umgebungs-Ausgangspegels für jeden einer Mehrzahl von Lichtdetektoren. Es werden Speichermittel verwendet, um das für das Umgebungslicht repräsentative Signal vorübergehend zu halten. Es erfolgt dann ein Vergleich des von demselben Detektor empfangenen Signals, wenn dieser von einer zugehörigen Infrarotlichtquelle beleuchtet wird, um das zusätzliche Licht zu erfassen. Wird kein zusätzliches Licht festgestellt, so wird dies als Treffer aufgrund des Vorhandenseins eines undurchsichtigen Elements gewertet, welches den Infrarotstrahl blockiert.
• Das in der US-PS 4 243 879 verwendete Gerät hat allerdings gewisse Nachteile, die nicht typisch für die vorliegende Erfindung sind. Es ist schwierig, eine genaue Abtastung mit dem herkömmlichen Gerät durchzuführen. Es müssen Widerstände hoher Präzision verwendet werden, um das Umgebungslichtsignal von dem aktivierten Signal zu subtrahieren. Deshalb gibt es Beschränkungen für den handhabbaren Umgebungslichtbereich, weil Offsets und Fehler bei der Subtraktion sich leicht zu einem Grenzwert aufsummieren können, bei der die Umgebungslichtmenge noch gerade gehandhabt werden kann.
• Die vorliegende Erfindung schafft eine Lichtsignaldetektorschaltung gemaß Anspruch 1, die in einer Eingabedetektorschaltung gemäß Anspruch 5 und in einer Berührungseingabeeinrichtung nach Anspruch 6 verwendet wird. Ausführungsformen von ihr sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Regelschleife verwendet, um den Umgebungsanteil zu eliminieren. Diese Regelschleife wird um die gesamte Verstärkerstufe herum angebracht, so daß sich sämtliche Offsets und Schaltungs-Widerstands- oder -Kondensator-Typ-Fehler eliminieren lassen. Dies ermöglicht eine Kompensation sämtlicher Faktoren in einer Schaltung, zusätzlich zu dem Umgebungslicht. Deshalb können Verstärker mit einem viel höheren Verstärkungswert verwendet werden, als das im Stand der Technik möglich war. Es ermöglicht der Eingangsstufe das Senden mit viel geringerer Verstärkung, was einen breiteren dynamischen Bereich für das Umgebungssignal gestattet. Je niedriger die Verstärkung des Eingangskreises ist, desto mehr Umgebungslicht läßt sich handhaben. Signalschwinger am Eingangskreis lassen sich dann durch die Regelschleife kompensieren, welche gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung einen programmierbaren Verstärker enthält. Ein früheres Abtasten des Umgebungseinflusses und des aktivierten Signals erfolgte vor dem Anwenden von Verstärkung, und dies erforderte einen Vergleich von zwei unterschiedlichen Widerstandswerten in dem Gerät nach dem Stand der Technik gemäß der US-PS 4 243 879. Daher wurden jedwede Fehler in dem Widerstandswert durch die anschließende Signalverstärkung noch gesteigert. Bei der Erfindung befindet sich das dem Umgebungssignal entsprechende Grundliniensignal auf Massepegel, also dort, wo es für die Analog-Digital-Umsetzer sein sollte, die in der Berührungseingabesteuerung verwendet werden, welche die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
• Offenbart wird eine Berührungseingabeeinrichtung zur Verwendung bei einer Sichtanzeige, beispielsweise einem Schirm einer Kathodenstrahlröhre, die als Ausgabeeinrichtung für einen Host-Rechner verwendet wird. Die als bevorzugte Ausführungsform der Erfindung offenbarte Berührungseingabeeinrichtung gestattet die Eingabe in den Host-Rechner durch Interaktion mit der Lichtanzeige. Die Berührungseingabeinrichtung besitzt mehrere Paare von Lichtquellen und Lichtdetektoren, beispielsweise Leuchtdioden und Phototransistoren bei der bevorzugten Ausführungsform, welche die die Sichtanzeige überspannenden Lichtstrahlen bilden. Die Emitter und Detektoren werden sequentiell aktiviert. Die Unterbrechung der einzelnen Strahlen durch einen opaken Griffel wird festgestellt, indem das Ausgangssignal des Detektors überwacht wird. Dieses Signal wird einer Rückkopplungsschleife zugeführt, welche einen programmierbaren Verstärker beinhaltet, der sich zur Berücksichtigung der Veränderlichkeit der Bauelemente einstellen läßt. Dann läßt sich ein Bezugspegel einrichten, wenn jede Lichtquelle inaktiv ist, so daß die von jedem Lichtstrahl hervorgerufenen Signale unterscheidbar sind von Signalen, die auf Umgebungseinflüsse und die Veränderlichkeit der Bauelemente der Berührungseingabeeinrichtung zurückzuführen sind.
• Im folgenden wird die Erfindung beisielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
• Fig. 1 die Art und Weise, in der eine Bedienungsperson direkt mit einer Sichtanzeige arbeitet, wenn eine Berührungseingabeeinrichtung gemaß der Erfindung verwendet wird;
• Fig. 2 die Art und Weise, in der lichtemittierende Einrichtungen wie Leuchtdioden und Lichtdetektoreinrichtungen, im vorliegenden Fall Phototransistoren, über den Umfang einer Sichtanzeige oder eines Strahlungsfeldes herum angeordnet sind,
• Fig. 3 ein Blockdiagramm einer Systemsteuerung gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
• Fig. 4A einen als Schnittstelle bezüglich der Phototransistoren verwendeten Photostrom-Spannungs-Umsetzer auf Operationsverstärkerbasis,
• Fig. 4B ein Tiefpaßfilter, wie es in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eingesetzt wird,
• Fig. 5 eine mittels Zerhackerschaltung stabilisierte programmierbare Verstärkerschaltung zur Kompensation von Umgebungslicht oder einen Servoverstärker, der benutzt wird, um Umgebungslichteinflüsse zu beseitigen,
• Fig. 6 einen hier verwendeten programmierbaren Verstärker,
• Fig. 7 und 8 aufgenommene Skop-Signale des Eingangssignals des Servoverstärkers für zwei unterschiedliche Umgebungslichtbedingungen,
• Fig. 9 die Rückkopplungsspannung am Ausgang des Integrators für den Zustand starken Umgebungslichts, dargestellt bezüglich der Signale nach Fig. 8,
• Fig. 10 und 11 detailliert die Ausgangssignale des programmierbaren Verstärkers mit und ohne programmierbare Verstärkungssteuerung,
• Fig. 12 und 13 illustrativ das Ausgangssignal in verschiedenen zeitlichen Streckungen, um das Verhalten während unterschiedlicher Abschnitte des Steuerungszyklus darzustellen.
• Fig. 1 zeigt die Art und Weise, in der eine Bedienungsperson direkt mit Information interagieren kann, welche auf einer Kathodenstrahlröhre angezeigt wird, die in Verbindung mit einem Host-Rechner verwendet wird, beispielsweise einem Personal Computer. Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung soll eine Echtzeiteingabe für einen Personal Computer ermöglichen, beispielsweise für einen IBM- PC. Als solches enthält diese Vorrichtung eine Einrichtung zum Übertragen von Echtzeit-Eingabeinformationen direkt in den Host- Computer. Es sollte allerdings verstanden werden, daß die vorliegende Erfindung so ausgelegt werden kann, daß Eingangsinformation verarbeitet wird, die dann über eine RS232-Schnittstelle in herkömmlicher Weise in den Host-Rechner eingegeben wird.
• Wie in Fig. 1 gezeigt ist, kann eine Bedienungsperson 56 über eine Kathodenstrahlröhre 50 interagieren, welche auf einem Schirm 52 Information anzeigt, indem einfach direkt spezielle Stellen auf dem Schirm 52 berührt werden. Infrarotlicht emittierende Dioden und Detektoren wie zum Beispiel Phototransistoren, können in einem Ring oder Rahmen 60 gelagert sein, der sich am Umfang der Anzeigefläche 52 befindet, und zwar in herkömmlicher Weise derart, daß mehrere Infrarotstrahlen die Anzeigefläche 52 abtasten. Legt die Bedienungsperson ihren Finger 58 auf eine spezielle Stelle auf der Anzeigefläche 52, werden ein oder mehrere Infrarotstrahlen unterbrochen, die sich zwischen den ausgerichteten Emittern und Detektoren erstrecken. Die spezielle Lage des Fingers der Bedienungsperson 58 würde dann an den Host-Rechner 70 übertragen. Allgemeiner gesagt, schafft die vorliegende Erfindung ein Mittel, mit dem ein opakes Element wie zum Beispiel der Finger 58 einer Bedienungsperson oder ein anderer Stift erfaßt werden kann, wenn er sich innerhalb eines Strahlungsfeldes befindet, beispielsweise dem Anzeigeschirm 52, welches gebildet wird durch Anordnen von lichtemittierenden Elementen, beispielsweise Phototransistoren, am Umfang des Strahlungsfeldes, wobei die individuellen lichtemittierenden Bauelemente ausgerichtet sind mit zugehörigen individuellen lichtdetektierenden Bauelementen.
• Fig. 2 zeigt Felder von lichtemittierenden Bauelementen und Felder von lichtdetektierenden Bauelementen, die über den Umfang eines bestrahlten Feldes 52 angeordnet sind. Eine Berührungseingabeeinrichtung, wie sie hier vorgestellt wird, könnte bei Verwendung in Verbindung mit einer Kathodenstrahlröhren-Anzeige auf diese Weise ausgebildet sein, indem zwei orthogonale Felder von lichtemittierenden Elementen und zwei orthogonale Felder von Photodetektoren entlang den Seiten einer rechteckigen Anzeigefläche 52 angeordnet sind. Leuchtdioden und Phototransistoren werden gemeinsam für derartige Berührungseingabesysteme verwendet, obschon es sich versteht, daß andere lichtemittierende Bauelemente und lichtdetektierende Bauelemente in geeigneter Weise verwendet werden könnten. Wie hier dargestellt, ist ein Y-Feld aus Leuchtdioden (LEDs) Y&sub1; bis YN entlang der linken Seite des die Anzeigefläche oder das Strahlungsfeld 52 umgebenden Rahmens 60 angeordnet. Ein ähnliches Feld aus Leuchtdioden X&sub1; bis XN ist entlang des Bodens des Rahmens 60 angeordnet. Felder von Phototransistoren Y&sub1; bis YN sind entlang der Oberseite des Rahmens 60 so angeordnet, daß die einander entsprechenden LEDs und Phototransistoren, beispielsweise X&sub1;-X&sub1; und X&sub2;-X&sub2; sowie Y&sub1;-Y&sub1; und Y&sub2;- Y&sub2; ausgerichtet sind. Wenn somit Licht von einem individuellen lichtemittierenden Bauelement, beispielsweise X&sub1;, emittiert wird, so fällt dieses Licht auf einen entsprechend ausgerichteten Phototransistor X&sub1;. Fig. 2 zeigt allerdings, daß das von einzelnen LEDs oder anderen Lichtquelleneinrichtungen ausgesandte Licht nicht nur auf den entsprechend ausgerichteten Detektor fällt, sondern ebenfalls auf benachbarte Photodetektoren. Während das entlang der Mittellinie 62 zwischen Emitter-Detektor-Paaren X&sub1; emittierte Licht auf den Detektor X&sub1; fällt, fällt entlang der Linie 64 emittiertes Licht innerhalb des Streuwinkels der üblichen lichtemittierenden Bauelemente auf den benachbarten Phototransistor X&sub2;. Bei 66 und 68 angedeutetes Licht könnte auch auf die Seiten des Rahmens 60 fallen, was gewisse Blend- und Reflexionsprobleme bei praktikablen Berührungseingabesystemen verursacht. Ein übliches Verfahren, mit dem sichergestellt wird, daß von einem gegebenen lichtemittierenden Bauelement ausgegebenes Licht nur von dem entsprechenden lichtdetektierenden Bauelement oder Phototransistor X&sub1;-X&sub1; detextiert wird, nicht aber von einem benachbarten Lichtdetektorelement, beispielsweise X&sub2;, besteht darin, sequentiell lichtemittierende Bauelemente zu aktivieren und die Felder von Phototransistoren sequentiell abzutasten. In anderen Worten: Wenn ein gegebenes lichtemittierendes Bauelement aktiviert wird und Licht abgibt, so wird nur der ausgerichtete Phototransistor und benachbarte Transistoren aktiviert. Damit würde die Aktivierung einer Leuchtdiode X&sub1; zur gleichen Zeit erfolgen wie die Aktivierung des Phototransistors X&sub1;, um einfallendes Licht zu detektieren. Der benachbarte Phototransistor X&sub2;, auf den ebenfalls Licht von der LED X&sub1; auftrifft, würde während des Intervalls, in welchem die LED X&sub1; aktiviert wird, nicht eingeschaltet werden. Diese sequentielle Aktivierung von Leuchtdioden und Phototransistoren ermöglicht eine exakte Erfassung des Vorhandenseins eines opaken Elements zwischen miteinander ausgerichteten LEDs und Phototransistoren. Das von einem benachbarten LED kommende Licht, welches nicht von einem in dem Feld angeordneten opaken Element blockiert wird, wird einen "blockierten" Phototransistor einfach deshalb nicht aktivieren, weil die LED während des Aktivierungsintervalls des "blockierten" Phototransistors nicht eingeschaltet ist. Dieses sequentielle Aktivieren der lichtemittierenden Bauelemente und lichtdetektierenden Bauelemente wird durch konventionelle Multiplex-Methoden mit Abtastraten von mindestens 20 Abtastungen pro Sekunde erreicht.
• Das in Fig. 3 gezeigte Blockdiagramm zeigt die wesentlichen Elemente der Steuerung zum Aktivieren der individuellen Leuchtdioden und der individuellen Phototransistoren im Abtastbetrieb, sowie zum Detektieren und Verarbeiten der Ausgangssignale der Phototransistoren sowie zum Kompensieren des Effekts von Umgebungslicht, welches während des Abtastzyklus von den Phototransistoren aufgenommen wird. Die verschiedenen Bauelemente, welche Teil dieser Systemsteuerung sind, stehen ihrerseits unter der Steuerung eines 80C31-Mikroprozessors 101. Das 2764-EPROM ist ein elektrisch programmierbarer Festspeicher, der den Systembetriebscode enthält. Als solcher bildet er die Firmware für das System. In einem 6234-Schreib/Lese-Speicher 103 sind Variable für ein spezielles System gespeichert. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Kommunikation zwischen dem Mikroprozessor 101 und dem EPROM 102 erleichtert durch den 74H373, der dazu dient, den gemultiplexten Adressen/Daten-Bus der dort verwendeten Mikrosteuerung zu demultiplexen. Der elektrisch löschbare, programmierbare Festspeicher 104 vom Typ 63C46 dient zur individuellen Ausgestaltung der Schaltung für unterschiedliche Produktgrößen, indem Parameter in diesen EEPROM 104 geladen werden. Beispiele für geladene Parameter enthalten die X- und Y- Achsen-Nummer der Opto-Bauelementpaare und Systemverstärkungspegel.
• Kommunikation zwischen den LED- und Phototransistor-Feldern und dem Mikroprozessor 101 erfolgt über einen Bus 105 und über das Acht- Bit-Register 106 vom Typ 74HC377. Die LEDs werden aktiviert von einem 2585-Treiber 107 über einen Drei-Leitungs-Acht-Leitungs- Decodierer 108 vom Typ 74HC138 und den Treiber 109 vom Typ 74LS145. Die Phototransistoren werden von dem 4051-Treiber 110 und dem 74LS145-Treiber 111 aktiviert.
• Ausgangssignale aus sowohl den X- als auch den Y-Feldern von Phototransistoren werden zwischenverarbeitet durch einen auf Operationsverstärkerbasis arbeitenden Photostrom-Spannungs-Wandler 112, der in Fig. 4A im Detail dargestellt ist. Der einzelne Operationsverstärker 112 wird sequentiell mit jedem individuellen Phototransistor während eines Phototransistor-Abtastzyklus verbunden. Diese Schnittstelle liefert eine relativ geringe Betriebsimpedanz, gutes Rauschverhalten und eine konstante Phototransistor-Betriebsspannung für gute Bauelementanpassung. Die relativ niedrige Betriebsimpedanz wird durch den Umstand erzielt, daß der Kollektor des Phototransistors den virtuellen Masseeingang des Operationsverstärkers treibt. Die Abweisung des Versorgungsspannungsrauschens ist deshalb gut, weil dieser Aufbau Vorteil aus dem Gleichtaktunterdrückungsverhältnis des Operationsverstärkers zieht. Bei der hier vorgestellten bevorzugten Ausführungsform resultiert eine konstante Phototransistor-Kollektor- Emitter-Spannung aus der Vorspannung des Operationsverstärkers insofern, als der negative Eingang durch die geschlossene Rückkopplungsschleife auf zwei Volt am positiven Eingang gehalten wird. Der Rückkopplungswiderstand am Strom-Spannungs-Wandler wird niedrig gehalten, um Spannungsschwinger aufgrund starken Umgebungslichts am Phototransistor aus der Sättigung des Ausgangssignals des Operationsverstärkers niedrig zu halten. Diese Spannungsschwinger werden in einem nachgeordneten Bereich der Signalverarbeitungskette kompensiert.
• Als nächstes gelangt das Ausgangssignal des auf Operationsverstärkerbasis arbeitenden Photostrom-Spannungs-Wandlers 112 über ein Tiefpaßfilter 113. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird gemäß Fig. 4B ein Tiefpaßfilter vierter Ordnung verwendet, um die Effekte von störendem HFI-Rauschen zu reduzieren. Dieses Filter wurde eingefügt, um einen zuverlässigen Betrieb bei elektrisch rauschstarken Plasmaanzeigegeräten zu ermöglichen. Es ist derart ausgebildet, daß es hohe Frequenzen stark beschneidet, während die impulsförmige Form der Berührungssignale beibehalten werden. Die Verwendung einer HF- Abschirmung für den Betrieb in großer Nähe von Plasmatafeln wird empfohlen. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Durchlaßfrequenz auf etwa 15 KHz begrenzt. Abhängig von der Betriebsumgebung könnte dieses Filter reduziert werden auf ein Tiefpaßfilter zweiter Ordnung, wenn dies von den Rauschpegeln ermöglicht wird.
• Nachdem das Berührungssignal das Tiefpaßfilter 113 durchlaufen hat, wird in der mittels Zerhacker stabilisierten Umgebungslicht kompensierenden programmierbaren Verstärker- oder Servoverstärker- Stufe 114 eine Kompensation der Umgebungslichteffekte und Verstärker- Offsets durchgeführt. Der Regelverstärker 114 ist in Fig. 5 in größerer Einzelheit dargestellt. Das vom Tiefpaßfilter 113 kommende Signal wird zunächst in einen Summierverstarker 115 eingegeben, welcher das Rückkopplungssignal vom Eingangssignal subtrahiert, während gleichzeitig auf beide Signale ein Verstärkungsfaktor aufgebracht wird. Anschließend wird das Signal in einen programmierbaren Verstärker 116 eingegeben, der an den Ausgang des Summierverstärkers 115 innerhalb der Rückkopplungsschleife angeschlossen ist. Die Gesamtverstärkung des Schaltkreises ist dann das Produkt aus der Verstärkung des Summierverstärkers und dem Strom des programmierbaren Verstärkers 116. Die Art und Weise der Einstellung der Verstärkung des programmierbaren Verstärkers 116 wird in bezug auf Fig. 6 diskutiert.
• Die Rückkopplungsschleife ist immer dann geschlossen, wenn eine Leuchtdiode nicht aktiviert ist. Während dieser Zeit arbeitet der Integrator 117 innerhalb der geschlossenen Schleife so, daß er den Ausgang zum A/D-Umsetzer unabhängig von der Eingangsspannung und Änderungen der Verstärker-Offsetspannungen auf null Volt bringt. Während der Zeitspanne, in der die LED aktiviert ist, wird der Schalter 118 geöffnet, welcher durch /LED-Freigabe gesteuert wird. Während dieser Zeit dient der Integrator 116 als Halteschaltung, um den letzten korrigierten Wert zu halten. Während dieser Zeit erfolgen keine zusätzlichen Korrekturen des Verstärkerbetriebs, so daß das von der LED gelieferte Signal unmodifiziert durch den Summierverstärker und den programmierbaren Verstärker läuft. Die Grundlinienkorrektur führt zu einem idealen Bezugspegel für den A/D-Umsetzer, der das LED- Signal liest. Der Aufbau ermöglicht eine individuelle Korrektur (ohne den Firmware-Überbau) für jede Opto-Paar, um Schwankungen im Umgebungssignal von Bauelement zu Bauelement individuell zuzulassen.
• Fig. 6 ist eine detaillierte Zeichnung des in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendeten programmierbaren Verstärkers. Der Verstärker 116 läßt sich auf 256 individuelle Verstarkungseinstellungen in jeder von vier Verstärkungsstufen einstellen. Ein 7524-Digital-Analog-(D/A-)Umsetzer 119 dient als Steuerelement zum Produzieren der 256 Stufen. Die Bezugsspannungseingabe des D/A dient als Eingabe für die Berührungssignale. Der 4052- Analogschalter dient zum Ändern der Gesamtverstärkung des Elements in vier unterschiedlichen Einstellungen. Die Gleichung für den Schaltungstransfer lautet:
• Ausgang = (30000/4700 + 1) * (D/A-Einstellwert/256)
• unter der Annahme, daß mit dem 4052-Analogschalter 120 ein 4700- Ohm-Widerstand ausgewählt wurde.
• Die durch Software auswählbare Steuerung der Stufengröße wurde dem 256-stufigen programmierbaren Primärelement deshalb hinzugefügt, um eine breitere mögliche Anwendung für diese Steuerung zu ermöglichen. Diese vierstufige Steuerung ermöglicht eine optimale Positionierung des 256-stufigen Elements, um den dynamischen Bereich zu erhalten. Benutzt wird sie zur Einstellung der Rahmengröße und zur Anpassung an Unterschiede der X- und Y-Abmessungen. Ausgewählt wird die Stufengröße über die durch die Mikrosteuerung angelegten Werte PGAINA und PGMNB.
• Die an den TLC549-Analog-Digital-(A/D-)Wandler 121 angelegte Spannung wird zwischen dem Ausgang des programmierbaren Verstärkers 116 und dem Ausgang der ersten Stufe der Signalverarbeitungskette umgeschaltet. Dies ermöglicht die Messung des momentanen Umgebungszustands derart, daß exzessive Lichtbedingungen Berührungsmessungen als unzulässig kennzeichnen. Das Ausgangssignal des A/D-Wandlers 121 wird dann über einen 74HC299-Serien-Parallel- Wandler 122 auf den Bus 123 und mithin auf den Mikroprozessor 101 gegeben. Die nachfolgenden Signale von den individuellen Phototransistoren, die ansprechend auf die Aktivierung entsprechender Leuchtdioden erhalten werden, werden nachfolgend durch den gleichen mittels Zerhacker stabilisierten Umgebungslicht kompensierenden programmierbaren Verstärker geschickt, welcher die Signale für individuelle Opto-Bauelement-Strahlpaare vorkonditioniert, wie dies in der US-PS 4,684,801 beschrieben ist. Zulässige Berührungseingabesignale entsprechend der Unterbrechung individueller Strahlen durch ein opakes Element lassen sich nun von dem Mikroprozessor detektieren, und ein diese Eingabeinformation lieferndes Signal kann nun an den Host-Rechner gegeben werden.
• Fig. 7 bis 13 zeigen Signale zum Demonstrieren der Art und Weise, in der eine Kompensation des Umgebungslichts und anderer Umgebungsvariablen sowie Rauschen erfolgen kann. Fig. 7 und 8 sind aufgenommene Oszilloskop-Messungen der Signaleingabe bei dem Regelverstärker für zwei verschiedene Umgebungslichtbedingungen. Fig. 7 steht für geringe Umgebungslichtstärke, während Fig. 8 für hohe Umgebungslichtstärke steht (9000 Fußkerzen). Die Abszisse ist die Zeit, und die verstrichene Zeit entspricht der Aktivierung einer Anzahl von Optobauelement-Paaren. Der Gleichstromunterschied aufgrund der Umgebungsbedingungen zwischen Opto-Paaren wird deutlich bei starkem Umgebungseinfluß. Fig. 9 zeigt die Rückkopplungsspannung am Ausgang des Integrators 117 für starke Umgebungslichteinflüsse gemäß
• Fig. 8. Dieses Rückkopplungssignal wird dann an den Summierverstärker 115 gegeben, um die Umgebungseinflüsse zu kompensieren. Fig. 10 und 11 zeigen im einzelnen das Ausgangssignal des programmierbaren Verstärkers 116 mit und ohne Anwendung der programmierbaren Verstärkung. Fig. 10 zeigt, daß durch Anwenden der programmierbaren Verstärkung das Ausgangssignal aufgrund der Erfassung eines Infrarotstrahls, in anderen Worten, der Strahl wird durch das Vorhandensein eines opaken Elements innerhalb des bestrahlten Feldes oder an einer Sichtanzeige nicht unterbrochen. Verglichen mit dem Ausgangssignal des programmierbaren Verstärkers ohne programmierbare Verstärkung wird deutlich, daß die Ausgangssignale für unterschiedliche Phototransistoren ungeachtet der Schwankungen durch Umgebungsbedingungen und Differenzen der Optobauelemente im wesentlichen konstant sind. Fig. 12 und 13 zeigen diese Ausgangssignale in verschiedenen zeitlichen Dehnungen, um das Verhalten während verschiedener Abschnitte des Steuerzyklus besser darzustellen. Fig. 13 zeigt deutlich beide Berührungssignale und Überschwinger aufgrund der Umgebungseinflußkorrektur-Regelschleife.

Claims (10)

1. Lichtsignaldetektorschaltung, umfassend:

eine Einrichtung (112, 113) zum Vorkonditionieren eines von einem Lichtdetektor erzeugten Signals und zum Bereitstellen eines ersten Signals als ihr Ausgangssignal;

eine Rückkopplungsschleife (114) mit einer Signalverstärkereinrichtung (115), einer programmierbaren Verstärkungseinrichtung (116) und einer Integriereinrichtung (117);

wobei die Signalverstärkereinrichtung (115) auf die Signal-Vorkonditioniereinrichtung (112, 113) anspricht, indem sie die Differenz zwischen dem ersten Signal und einem Rückkopplungssignal zur Bildung eines ersten Ausgangssignals verstärkt; die programmierbare Verstärkungseinrichtung (116) auf die Signalverstärkereinrichtung (115) und eine Mikroprozessor-Steuereinheit (101) anspricht, indem sie das erste Ausgangssignal selektiv verstärkt, wobei die programmierbare Verstärkungseinrichtung (116) einen stufenweise programmierbaren Verstärker aufweist und ein zweites Ausgangssignal liefert, wobei die Integriereinrichtung (117) auf das zweite Ausgangssignal und ein die Aktivierung einer Lichtquelle anzeigendes Freigabesignal anspricht, um das Rückkopplungssignal zu erzeugen, damit, wenn das Freigabesignal anzeigt, daß keine Lichtquelle aktiviert ist, die Rückkopplungsschleife geschlossen wird und das zweite Ausgangssignal der programmierbaren Verstärkungseinrichtung (116) auf einen vorbestimmten Wert getrieben wird, so daß die Lichtsignaldetektorschaltung eine Kompensation bezüglich Umgebungslicht-Bedingungen und der Veränderlichkeit von Bauelementen der Schaltung vornimmt.

2. Schaltung nach Anspruch 1, bei der die programmierbare Verstärkungseinrichtung (116), welche den stufenweise programmierbaren Verstärker enthält, aufweist:

einen Digital-Analog-Umsetzer (119), der auf die Signal-Vorkonditioniereinrichtung (112, 113) und die Mikroprozessor-Steuereinheit (101) anspricht;

einen auf die Mikroprozessor-Steuereinheit (101) ansprechenden Analogschalter (120); und

mindestens einen Widerstand, der auf ein von dem Analogschalter (120) kommendes Signal anspricht, wobei das von dem Analogschalter (120) kommende Signal auf ein Ausgangssignal des Digital- Analog-Umsetzers gekoppelt wird.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Signal-Vorkonditioniereinrichtung (112, 113) aufweist:

eine Einrichtung (112), die auf den Lichtdetektor anspricht, indem sie ein Stromsignal in ein Spannungssignal umsetzt; und

eine Einrichtung (113), die auf die Umsetzeinrichtung (112) anspricht, indem sie das Spannungssignal filtert und ein Ausgangssignal liefert.

4. Schaltung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, weiterhin umfassend:

eine Schalteinrichtung, die auf das Ausgangssignal der programmierbaren Verstärkungseinrichtung (116), die Signal-Vorkonditioniereinrichtung (112, 113) und auf ein Steuersignal anspricht; und

eine Analog-Digital-Umsetzereinrichtung (121), welche auf die Schalteinrichtung anspricht, indem sie ein Signal in digitale Form umsetzt und ein Ausgangssignal liefert, wobei dann, wenn das Steuersignal sich in einem ersten Zustand befindet, die Schalteinrichtung das Ausgangssignal der programmierbaren Verstärkungseinrichtung (116) auf die Analog-Digital-Umsetzereinrichtung (121) gibt, und dann, wenn das Steuersignal sich in einem zweiten Zustand befindet, die Schalteinrichtung den Ausgang der Signal- Vorkonditioniereinrichtung (112, 113) auf die Analog-Digital- Umsetzereinrichtung (121) koppelt.

5. Eingabedetektorvorrichtung zum Feststellen des Vorhandenseins eines Eingabeelements (58), welches eine Strahlung in einem einen Umfang aufweisenden bestrahlten Feld (52) unterbricht, umfassend:

ein Feld aus mehreren Lichtquellen und mehreren Lichtdetektoren (X&sub1;-XN, Y&sub1;-YN), die am Umfang des bestrahlten Feldes (52) angeordnet sind, wobei die Lichtquellen und die Lichtdetektoren (X&sub1;- XN, Y&sub1;-YN) derart ausgerichtet sind, daß es für jede Lichtquelle mindestens einen zugehörigen Lichtdetektor gibt;

eine Einrichtung (106, 107, 108, 10, 110, 111) zum selektiven Aktivieren der Lichtquellen und der Lichtdetektoren (X&sub1;-XN, Y&sub1;- YN), so daß, wenn eine spezielle Lichtquelle und der zugehörige Lichtdetektor aktiviert werden, der Lichtdetektor ein Detektor-Ausgangssignal erzeugt;

eine Lichtsignaldetektorschaltung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4;

wobei die Signal-Vorkonditioniereinrichtung (112, 113) das Detektor-Ausgangssignal empfängt und die Integriereinrichtung (117) auf die Einrichtung (106, 107, 108, 110, 111) zum selektiven Aktivieren der Lichtquellen und der Lichtdetektoren (X&sub1;-XN, Y&sub1;- YN) anspricht, um das zweite Ausgangssignal der programmierbaren Verstärkungseinrichtung (116) im wesentlichen auf einem vorab ausgewählten Bezugspegel zu halten, wenn keine Lichtquelle aktiviert ist, so daß dann, wenn eine Lichtquelle aktiviert ist, das zweite Signal der programmierbaren Verstärkungseinrichtung (116) sich von dem Bezugspegel unterscheidet; und

eine Detektiereinrichtung, die auf das zweite Ausgangssignal der programmierbaren Verstärkungseinrichtung (116) anspricht, indem sie die Anwesenheit eines Elements (58) in dem bestrahlten Feld erfaßt.

6. Berührungseingabeeinrichtung zur Verwendung bei einer Sichtanzeige (52) umfassend:

mehrere Paare (X&sub1;-XN, Y&sub1;-YN) von Lichtquellen und Lichtdetektoren, welche Lichtstrahlen (62) bilden, welche die Sichtanzeige (52) überspannen;

eine Einrichtung zum intermittierenden Aktivieren entsprechender Quellen und Detektoren, welche individuelle Lichtstrahlen (62) bilden; und

eine Lichtsignaldetektorschaltung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, um die Unterbrechung von individuellen Lichtstrahlen (62) zu erfassen, wobei die programmierbare Verstärkungseinrichtung (116) sequentiell auf Signale anspricht, die von jedem Detektor während eines Zeitintervalls erfaßt werden, welches größer ist als die Zeit, während der die entsprechende Quelle aktiviert wird, wobei das Ausgangssignal der programmierbaren Verstärkungseinrichtung (116) einen Bezugspegel während eines Abschnitts des Zeitintervalls festlegt, während dem die entsprechende Quelle inaktiv ist, wobei das in jedem Detektor von der zugehörigen Quelle hervorgerufene Signal zu einem Ausgangspegel der programmierbaren Verstärkungseinrichtung (116) führt, welcher den Bezugspegel übersteigt, so daß Signale, welche von jedem Lichtstrahl (62) verursacht werden, unterschieden werden können von Signalen, die auf Umgebungseinflüsse sowie die Veränderlichkeit der Bauteile der Berührungseingabeeinrichtung verursacht werden.

7. Berührungseingabeeinrichtung nach Anspruch 6, bei der die von jedem Detektor erfaßten Signale einen Fototransistorstrom aufweisen, die Signal-Vorkonditioniereinrichtung (112, 113) einen Operationsverstärker (112) aufweist, welcher den Fototransistorstrom in eine entsprechende Ausgangssignalspannung zur Eingabe in die Rückkopplungsschleife (114) umsetzt, wobei der Operationsverstärker (112) vorgespannt wird, um eine konstante Fototransistor- Kollektor-Emitter-Spannung aufrechtzuerhalten.

8. Berührungseingabeeinrichtung nach Anspruch 7, bei der die Signal- Vorkonditioniereinrichtung (112, 113) ein Tiefpaßfilter (113) aufweist und die Ausgangssignalspannung in das Tiefpaßfilter (113) eingegeben wird, bevor sie in die Rückkopplungsschleife (114) eingegeben wird.

9. Berührungseingabeeinrichtung nach Anspruch 7 oder 8, bei der die Signalverstärkereinrichtung einen Summierverstärker (115) aufweist.

10. Berührungseingabeeinrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 6 bis 9, bei der die Rückkopplungsschleife (114) immer dann geschlossen ist, wenn eine Lichtquelle nicht aktiviert ist.