如何輕松面對多點電容觸摸屏的設(shè)計挑戰(zhàn)
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一． 引言
多觸點電容觸摸屏已經(jīng)并且正在繼續(xù)改變?nèi)藗兣c手持設(shè)備之間的人機交互方式并給人們帶來許多新的操作體驗。從手機到電子書、電子寫字板、導(dǎo)航儀、電子游戲機和筆記本電腦等等無不紛紛拋棄原來的輕觸按鍵，競向選擇多點電容觸摸屏來進行人機交互。尤其是I-Phone和I-Pad的橫空出世，使多點電容觸摸屏深入人心。然而，多點電容觸摸屏的設(shè)計并非輕而易舉、唾手可得。嚴(yán)格地講，多點電容觸摸屏技術(shù)還并不是一個完全成熟的技術(shù)，它還是一個處于發(fā)展階段并且不斷發(fā)展不斷完善的技術(shù)。對于一個多點電容觸摸屏的設(shè)計者而言，在它面前仍然面臨著諸多的設(shè)計挑戰(zhàn)。本文介紹多點電容觸摸屏設(shè)計有哪些設(shè)計挑戰(zhàn)和如何使用TTSP方案來幫助設(shè)計者面對這些挑戰(zhàn)，使多點電容觸摸屏設(shè)計比以往更容易。
二． 設(shè)計挑戰(zhàn)
設(shè)計挑戰(zhàn)一
來自多點電容觸摸屏設(shè)計的第一個挑戰(zhàn)是如何將由于手指觸摸而產(chǎn)生的微小的互電容變化轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號并具有足夠的分辨率。我們知道，一般地講，多點觸摸是基于互電容感應(yīng)原理，而互電容是發(fā)射感應(yīng)條與接受感應(yīng)條在交叉點處的寄生電容，這個電容是非常的小，通常在0.2~4pF, 而手指觸摸而產(chǎn)生的互電容的變化就更小了。對這種微小的互電容變化的檢測，不僅需要有對電容變化高度靈敏的硬件檢測電路以實現(xiàn)微弱模擬電量到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，同時也需要相應(yīng)的軟件來進行控制協(xié)調(diào)以保證在整個觸摸屏上的每一點對手指觸摸信號有足夠高的靈敏度。
設(shè)計挑戰(zhàn)二
如何獲得足夠快的掃描時間是多點電容觸摸屏設(shè)計的第二個挑戰(zhàn)。對于一個M行和N列感應(yīng)條的單點觸摸屏，使用自電容掃描，它僅需要分別掃描M行和N列后就可以根據(jù)每一行和每一列信號來進行計算，定位手指在觸摸屏上的坐標(biāo)。它掃描感應(yīng)條的次數(shù)是M+N次。當(dāng)你使用多觸點互電容掃描時，由于必須是行和列的交叉點掃描，所以它的掃描次數(shù)是MXN次掃描交叉點的次數(shù)。 對于一個10行20列的3.2寸屏，自電容掃描只需要10+20=30次，而互電容掃描卻要10X20=200次。當(dāng)觸摸屏的尺寸越來越大時，掃描次數(shù)的增加越來越快。為了使用戶有比較好的觸摸體驗，它需要每秒至少掃屏50次。 這就意味著每一個點的掃描加數(shù)據(jù)處理的時間必須少于100us, 這樣才能保證有足夠快的響應(yīng)時間。而觸摸屏的尺寸越大時，行和列數(shù)目就會越多，這個時間就更短。
設(shè)計挑戰(zhàn)三
觸摸按鍵、觸摸滑條和觸摸板都使用銅箔作為觸摸感應(yīng)器，但觸摸屏基本上都使用ITO（Indium Tin Oxides）材料作為觸摸感應(yīng)層。銅箔的電阻率極小，因而它的電阻幾乎可以忽略不計。ITO透明而導(dǎo)電，但ITO卻有比較高的電阻率。 通常在觸摸屏上ITO的電阻率用方阻來表示，即一個單位方塊的電阻是多少。 一般地，ITO的方塊電阻從45~350歐姆不等，取決于觸摸屏生產(chǎn)廠家的涂層工藝。由于ITO電阻的存在，使得在觸摸屏上的每一個感應(yīng)條的近端和遠端會有3K~30K歐姆的電阻，這個電阻結(jié)合每一個感應(yīng)條上的自電容所產(chǎn)生的RC延遲，就使感應(yīng)條的近端和遠端會對發(fā)射的信號有不同的響應(yīng)時間或者充放電時間，進而導(dǎo)致在近端和遠端的手指觸摸信號有大小的不同。嚴(yán)重的情況，這種不同可以達到50%以上。如何消除或減少這個差異，是多點電容觸摸屏設(shè)計的第三個挑戰(zhàn)。雖然選擇方阻更低的ITO涂層是減少這個差異最直接的方法，但通常方阻更低的ITO涂層的厚度會更厚，導(dǎo)致透明度的下降和成本的增加。對很多終端客戶來講是不可接受的。
設(shè)計挑戰(zhàn)四
信噪比（SNR）是多點電容觸摸屏設(shè)計中最重要的指標(biāo)之一。對一個觸摸屏來講，有足夠大的手指信號是遠遠不夠的。事實上，觸摸屏并非置身于象牙塔上，在它的周圍有諸多的噪聲源。比如，緊貼在它下面的LCD就是一個噪聲源，不同的LCD甚至不同的顯示畫面，其噪聲的大小和頻譜都不一樣。尤其是對有些AC Vcomm類型的LCD，它能夠在LCD的表面產(chǎn)生高達15nA/mm2的電流噪聲和1V以上的電壓噪聲。雖然一個ITO的屏蔽層被放在觸摸屏的下面的方案被一些設(shè)計者所采用, 但屏蔽層的增加，導(dǎo)致觸摸屏厚度的增加和成本的增加，也一定程度影響了可視性。并非所有的終端客戶都可以接受。手機本身的射頻信號和外界的電磁波也會對其產(chǎn)生干擾。當(dāng)采用觸摸屏的終端采用外部市電供電時，通過來自電網(wǎng)和電源適配器可能產(chǎn)生很大的共模噪聲。還有使人感到棘手的充電器噪聲，觸摸屏及系統(tǒng)本身所產(chǎn)生的噪聲如AD轉(zhuǎn)換帶來噪聲、開關(guān)噪聲以及電源噪聲和ESD測試所使用的8千伏ESD噪聲。在這么一個多噪聲的環(huán)境中，如何使觸摸屏系統(tǒng)對各種噪聲源的噪聲有很好的噪聲免疫力獲得足夠高的信噪比是多點電容觸摸屏設(shè)計的第四個挑戰(zhàn)。
設(shè)計挑戰(zhàn)五
手指定位精度是多點電容觸摸屏設(shè)計的第五個挑戰(zhàn)?，F(xiàn)在的終端客戶對手指在觸摸屏上的定位精度要求越來越高，尤其在觸摸屏邊緣上定位精度。我們知道通常使用質(zhì)心算法來實施手指的定位計算。然而由于電容觸摸屏在邊緣上的感應(yīng)單元的不完整性和手指在邊緣上先天地缺失半邊的權(quán)重信號，在觸摸屏的邊緣仍然使用質(zhì)心算法將帶來較大的誤差。因此，改進手指定位的算法，不僅適用于觸摸屏的中間區(qū)域，同時適用于觸摸屏的邊緣區(qū)域使手指觸摸的定位更準(zhǔn)確是多點電容觸摸屏設(shè)計必須面對的挑戰(zhàn)。
設(shè)計挑戰(zhàn)六
多點觸摸手勢識別和跟蹤。多點電容觸摸屏就是為了多點觸摸和手勢識別而設(shè)計的。一般使用最多可以識別十個手指的觸摸。最常用的手勢為一或二個手指的手勢。它不僅要能識別單觸點的十四種手勢（上、下、左、右、左上、左下、右上、右下、左旋、右旋、單擊、雙擊、點住和抬起），而且要能識別雙觸點的二十七種手勢（雙觸點上移、雙觸點下移、雙觸點左移、雙觸點右移、雙觸點左上移、雙觸點左下移、雙觸點右上移、雙觸點右下移、、雙觸點縮小、雙觸點放大、雙觸單擊、一觸一上移、一觸一下移、一觸一左移、一觸一右移、一觸一左上移、一觸一左下移、一觸一右上移、一觸一右下移、一觸一左下左拐、一觸一右下右拐、一觸一右下左拐、一觸一右上右拐、一觸一Z形移、一觸一三角移、一觸一正方移和一觸一畫圓）。此外，在多于兩個手指觸摸時要能實時地跟蹤這些手指的移動，賦予每一個觸摸手指的臨時識別代碼不能搞錯。它對手勢識別算法的設(shè)計和芯片的運算速度都是一個實實在在的挑戰(zhàn)。
設(shè)計挑戰(zhàn)七
低功耗。任何使用電池供電的移動設(shè)備對其每一個功能單元設(shè)計的功耗要求都會非常苛刻，尤其是在當(dāng)下的低碳時代。多點電容觸摸屏作為移動設(shè)備中的一個功能單元當(dāng)然也不會例外。要使多點電容觸摸屏在完全激活的情況下功耗小于35mW、在待機的狀態(tài)下功耗小于100uW并非是一件容易的事。如果一個多點電容觸摸屏的設(shè)計不能達到這個要求，將會在激烈的市場競爭中處于非常不利的境地。
設(shè)計挑戰(zhàn)八
防水性能是衡量多點電容觸摸屏設(shè)計性能的標(biāo)志性指標(biāo)。似乎使用互電容掃描的多點電容觸摸屏具有天然的防水能力，它并不構(gòu)成一個設(shè)計挑戰(zhàn)。為什么這樣說呢？因為使用自電容掃描的觸摸屏，水滴和手指觸摸產(chǎn)生的信號變化的方向是相同的，要將水滴從手指觸摸中分辨出來頗費周折。而互電容掃描的觸摸屏水滴和手指觸摸產(chǎn)生的信號變化的方向正好是相反的，因為手指觸摸使互電容減少，水滴卻使互電容增加。這就給人這樣一個感覺，使用互電容掃描的多點電容觸摸屏具有天然的防水能力而不需要采用特別的措施去做防水處理。真實的情況并非如此簡單，當(dāng)水滴滴到互電容屏上時，確實不會也沒有產(chǎn)生誤觸發(fā)，但當(dāng)水滴被擦掉以后再用手指觸摸原來的地方就不靈了。運氣好的時候，過一段時間可以恢復(fù)到原先的手指觸摸靈敏度。我們知道一個合格的產(chǎn)品是不允許這樣的情況出現(xiàn)的，更不會去依賴好運氣。因此如何解決因水而帶來的手指觸摸失效的問題是多點電容觸摸屏設(shè)計的又一個挑戰(zhàn)。事實上因水而帶來的觸摸失效的問題不僅僅指水滴，它還包括水膜和大片的水。
設(shè)計挑戰(zhàn)九
怎樣克服來自低檔充電器的噪聲是多點電容觸摸屏設(shè)計的第九個挑戰(zhàn)。尤其是在中國市場，大量的低檔充電器被用戶所選用。這類充電器所產(chǎn)生的噪聲和其他噪聲有兩個特別的不同：第一是它的噪聲在沒有手指觸摸時并不呈現(xiàn)出來，僅當(dāng)觸摸時才顯現(xiàn)出來并且非常地強烈，使得一個有效的觸摸變得很不穩(wěn)定進而變得失效；其次是這個噪聲是來自充電器并通過地線傳到觸摸屏系統(tǒng)的一種共模噪聲，它很難通過普通的硬件濾波來濾掉，常用的數(shù)字濾波對它的濾波效果也不理想。所以必須有一種高級的濾波方法來對付這種低檔充電器的噪聲。
設(shè)計挑戰(zhàn)十
信號的一致性（SD）。很多多點電容觸摸屏的設(shè)計師會遇到這樣一個問題，當(dāng)他們的設(shè)計完成，樣品測試手指觸摸信號的強度滿足要求。當(dāng)他們將觸摸屏組裝進入整機，甚至準(zhǔn)備批量生產(chǎn)時，一個不大不小的問題會突然出現(xiàn)在他們的面前：使用多點電容觸摸屏的手持設(shè)備拿在手里時操作正常，但將它放在桌子上，觸摸功能就不靈了。這就是信號的一致性問題，或者我們稱之為信號的不一致性（Signal Disparity）,簡稱之為SD。它是觸摸屏在測試時或者拿在手里時的手指信號幅度和放在桌子上手指觸摸信號的幅度不一致造成的。放在桌子上手指觸摸信號的幅度會小于在測試時或者拿在手里時的手指信號幅度。當(dāng)二者的幅度差足夠大時，桌子上手指觸摸信號的幅度時不時不能達到和超過手指信號閾值，一個有效的觸摸就不能被捕捉到。這種信號的不一致性在多手指和大手指的情況下會變得非常厲害。如何解決信號的不一致性問題是多點電容觸摸屏的設(shè)計第十個挑戰(zhàn)。
雖然上面羅列了多點電容觸摸屏的設(shè)計的十個挑戰(zhàn)，但事實上要滿足客戶越來越高的要求，多點電容觸摸屏的設(shè)計還并不僅僅限于這十個挑戰(zhàn)。譬如，為了得到更薄的觸摸屏，一種將ITO感應(yīng)層直接涂敷在頂層的玻璃上的層疊技術(shù)（簡稱為Sensor On Lens）已經(jīng)并正在開始實施，這個屏緊貼在LCD屏上，使得LCD屏上的噪聲影響在觸摸屏上達到最大。這使多點電容觸摸屏的設(shè)計面臨更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。還有，長時間以來不能在電容觸摸屏上使用手寫筆一直是電容觸摸屏的設(shè)計的一個遺憾，也一直被廣大的電容觸摸屏用戶們耿耿于懷。因為手寫筆的筆尖太小，難以在電容屏上產(chǎn)生足夠大的象手指觸摸時所產(chǎn)生的偶合電容，它成為和電阻屏比較最大的先天不足。難道在電容觸摸屏上就真的不能使用手寫筆嗎？難道多點電容觸摸屏的設(shè)計者對此就真的束手無策、無能為力了嗎？它不僅僅挑戰(zhàn)多點電容觸摸屏的設(shè)計者的技術(shù)水平，更多的是挑戰(zhàn)他們的勇氣和智慧！此外，多點電容觸摸屏的設(shè)計還要面對觸摸屏在使用過程中可能出現(xiàn)的細節(jié)問題，如，大手指的油炸圈效應(yīng)；手機上觸摸屏打電話時的臉龐的接近和貼近檢測。當(dāng)然，單芯片、小尺寸、最少的外圍元件也是多點電容觸摸屏設(shè)計方案所必須追求的性能。隨著多點電容觸摸屏朝著大尺寸屏方向發(fā)展，多點電容觸摸屏設(shè)計將面對更多新的挑戰(zhàn)……
三． TTSP方案輕松實現(xiàn)多點電容觸摸屏的設(shè)計
TTSP是TrueTouch Standard Product的縮寫。它是Cypress為電容觸摸屏應(yīng)用而開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。TTSP是基于PSoC并在其中嵌入了專門為多點電容觸摸屏而設(shè)計的TTUM模塊。就象PSoC一樣，它也是一個真正的數(shù)?；旌闲盘柼幚硇酒?。TTSP不僅包含了用于檢測互電容和自電容的硬件電路模塊，而且包括非常豐富的軟件；在它的軟件中，不僅包含用于控制和協(xié)調(diào)硬件電路工作的程序，而且包括各種各樣的信號處理和多種算法程序，還有與主控芯片的通信程序和Bootloader程序。對于一個多點電容觸摸屏設(shè)計而言，它是一個真正的單芯片解決方案。
1. 容易使用
容易使用是TTSP方案的第一個特點。在TTSP方案中它不需要用戶寫一行代碼。僅需要用戶通過管腳定義和設(shè)置參數(shù)或選擇參數(shù)就可以得到所有需要的代碼。它大致可以分為三步完成這些設(shè)置。第一步在PSoC Designer 的開發(fā)平臺上通過TTUM模塊的Wizard Form設(shè)置觸摸屏上感應(yīng)器排和列的數(shù)目并且定義排和列上的每一個感應(yīng)器到TTSP芯片上可以用作感應(yīng)器發(fā)射或接受的管腳上。這種定義通過鼠標(biāo)點擊感應(yīng)器在排和列中的序號并拖動鼠標(biāo)到代表芯片管腳名稱的方塊上就可完成。見圖1。
圖1 定義感應(yīng)器到芯片管腳
在X和Y方向的最大分辨率也在此設(shè)定。在Wizard Form的其他選項夾中還可以選擇一些與掃描密切相關(guān)的初始設(shè)定值，如掃描所使用的頻率、一次轉(zhuǎn)換中子轉(zhuǎn)換的次數(shù)和一次子轉(zhuǎn)換所使用的掃描信號的周期數(shù)等等。第二步在TTUM的參數(shù)表中設(shè)置參數(shù)。在TTUM的參數(shù)表中包括了象手指信號閾值、噪聲閾值、最多可給出的手指數(shù)目、多種數(shù)字濾波器的選擇等等各種各樣的參數(shù)選擇。第三步是選擇通信協(xié)議和協(xié)議參數(shù)。通信協(xié)議包括I2C、SPI和UART。協(xié)議參數(shù)包括端口及端口號定義，通信速率等等。所有參數(shù)設(shè)置完畢，通過點擊Generate/Building Project所有的代碼就產(chǎn)生了。將其中的十六進制代碼編程到TTSP芯片中，通過USB-I2C橋工具和TTUM模塊所配帶的調(diào)試軟件TUNER就可以對觸摸屏系統(tǒng)進行調(diào)試了。圖2是使用TUNER調(diào)試的一個界面。
圖2 使用TUNER調(diào)試的一個界面
2. 功能完備
TTSP方案最多可提供十個手指的觸摸檢測，四個手指的連續(xù)跟蹤，最多可以識別單觸點的十四種手勢和兩個手指的二十七種手勢。它不僅可以實施互電容掃描，也可以實施自電容掃描。事實上它還可以實施互電容和自電容的交替掃描，正是這種交替掃描的使用，使多點電容觸摸屏的性能得到了提升。多點電容觸摸屏的防水功能設(shè)計和手寫筆的實現(xiàn)就是利用了互電容和自電容的交替掃描和選擇性掃描。TTSP允許用戶在同一個觸摸屏項目中同時使用觸摸按鍵，這對有些希望使用與觸摸屏加分開的觸摸按鍵的手機用戶是非常有益的。TTSP所提供的調(diào)試功能也使多點電容觸摸屏的開發(fā)變得更直觀和容易。TTSP方案支持手寫筆和接近檢測使得它的功能顯得更為完備。
3. 性能良好
TTSP方案有不僅有足夠高的靈敏度來檢測手指的觸摸，它也有足夠高的靈敏度來檢測手寫筆的“觸摸”和滑動。TTSP方案有很強的噪聲免疫力，它不僅通過合理的硬件設(shè)計來減少輸入噪聲，更是針對各種各樣的噪聲開發(fā)了多種專門的濾波軟件來消除噪聲的影響。尤其是對于低檔充電器噪聲，它使用了專門為之開發(fā)的現(xiàn)在被命名為“盔甲”的濾波方法，對其噪聲實施了有效的抑制。通過選擇性地使用這些濾波器可以使TTSP具有足夠高的信噪比。TTSP方案在觸摸屏的中間區(qū)域的定位精度可以達到0.5mm，在觸摸屏的邊沿的定位精度可以小于1.5mm。TTSP方案也是低功耗的，在完全激活的情況下功耗小于35mW、在待機的狀態(tài)下功耗小于100uW。TTSP方案更是單芯片、外圍元件只有4~5只小電容、方便FPC布線的小體積高效率方案。
四．結(jié)束語
雖然多點電容觸摸屏設(shè)計有諸多設(shè)計挑戰(zhàn)，但使用TTSP方案可以幫助設(shè)計者輕松面對這些挑戰(zhàn)，使多點電容觸摸屏設(shè)計比以往更容易、更快。
參考文獻: 1. 帶多點觸控功能的電容式觸摸屏方案 – 周永宏 世界電子元器件 - 2008(4)
2．觸摸屏多點觸摸技術(shù)揭秘 - 鄭贊 電子產(chǎn)品世界 2008年11期
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