柔性導電織物鍵盤設計

摘要：針對便攜式電子設備及可穿戴計算機系統(tǒng)對柔性、可折疊、多功能輸入設備的需求，采用導電織物結(jié)合觸摸屏控制器開發(fā)一種織物鍵盤，對設備組成原理、傳感器材料選取、鍵盤結(jié)構(gòu)設計、控制程序編寫等3個關(guān)鍵問題進行探討。測試了4種導電織物的面電阻值，根據(jù)標準差率最小原則，選取面電阻值為2 646 Ω，標準差為114 Ω的織物作為傳感器材料；根據(jù)五線式觸摸屏控制電路的功能要求設計了全織物的5層鍵盤結(jié)構(gòu)，其中2層為導電織物層，實現(xiàn)按壓點位置與電壓信號的轉(zhuǎn)換。采用Cypress公司的軟件開發(fā)包，USB接口協(xié)議，在Microsoft VS20 05開發(fā)環(huán)境下設計了計算機采集程序。經(jīng)測試，織物鍵盤定位值的線性擬合R2值為0．999 5，提供了一種完全基于織物的高精度、柔性鍵盤解決方案。
關(guān)鍵詞：導電織物；柔性；輸入設備；表面電阻；觸摸屏

0 引言
隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，電子設備逐漸小型化、低功耗化、模塊化，各種類型的便攜設備如手機、MP3、PDA乃至超便攜計算機不斷涌現(xiàn)，并逐步融入大眾的生活，成為人們獲取、傳輸信息的主要手段。使用方捷、易于攜帶的輸入設備成為提高信息輸入效率、增強用戶體驗的關(guān)鍵，微型鍵盤、觸摸屏、語音控制等技術(shù)的應用不斷提高電子設備的人機交互性能?；诳椢锏妮斎朐O備由于采用織物作為主體，具有輕薄、柔軟可折疊，便于與服裝進行集成的優(yōu)點而成為便攜式輸入設備的理想選擇。
基于導電織物的柔性鍵盤一般分為開關(guān)原理的掃描式鍵盤及觸摸屏原理的電阻式鍵盤2種。開關(guān)鍵盤采用導體或是銀漿作為導電通路嵌入織物面料中，通過輪詢掃描按壓點的通斷信息，判斷按鍵位置，其結(jié)構(gòu)和控制電路比較簡單，功能也較為單一。同時，由于導體材料與織物面料力學特性存在差異，在折疊及受力情況下容易發(fā)生導體斷裂、移位等現(xiàn)象，導致按鍵功能失效。采用電阻式觸摸屏原理的織物輸入設備用具有均勻表面電阻的導電織物代替通常觸摸屏的透明氧化金屬導電層作為傳感器，對導電織物表面電阻值的一致性要求較高，必須選用表面電阻均勻的織物作為基材。同時，設備基于電阻分壓原理設計，電壓測量控制與位置計算也相對復雜，一般采用專用的芯片實現(xiàn)電路功能。與開關(guān)式鍵盤不同，觸摸鍵盤屬于連續(xù)型電壓模擬量測量，原理上可以細分到控制芯片DA分辨率相同數(shù)量的按鍵數(shù)目，還可通過軟件配合完成鍵盤、鼠標等多種自定義功能，具有更為廣泛的用途。
信息化服裝及可穿戴計算機是將信息處理設備穿戴在于人體身上，與人所穿的衣物相結(jié)合實現(xiàn)人與計算機之間自然、方便和有效的信息交互，因此需要將鍵盤、鼠標進行柔性化、織物化后與服裝進行有效集成。針對信息化服裝及可穿戴計算機要求輸入方式靈活，特別是對鼠標控制功能的需求，傳統(tǒng)掃描式按鍵已無法滿足需求。設計基于導電織物的柔性輸入鍵盤，對輸入設備原理、導電織物面電阻分布規(guī)律、織物鍵盤結(jié)構(gòu)、接口電路及程序設計等關(guān)鍵問題進行了探討。

1 柔性輸入設備的原理
基于電子織物的柔性輸入設備組成如圖1所示，主要由織物傳感器、觸屏控制電路、USB接口電路組成。其中，織物傳感器采用具有一定表面電阻的導電織物材料作為核心，結(jié)合多層結(jié)構(gòu)設計，將按壓位置信號線性轉(zhuǎn)換為對應電壓信號；觸屏控制電路包括標準電壓生成、模／數(shù)轉(zhuǎn)換、邏輯控制3大功能，基于電阻分壓原理在導電織物表面形成標準的電壓梯度，測量按壓點的電壓后進行模／數(shù)轉(zhuǎn)換，生成數(shù)字信號向外輸出；接口電路采用USB接口芯片，寫入觸屏控制電路參數(shù)，實時獲取傳感器輸出數(shù)據(jù)，向主控設備傳輸；上位計算機接收數(shù)據(jù)后完成電壓與按鍵位置的線性轉(zhuǎn)換。

為簡化系統(tǒng)設計，提高設備運行的可靠性，選用高度集成的5線制觸摸屏控制芯片ADS7845實現(xiàn)標準電壓的生成、數(shù)據(jù)采集處理及邏輯控制。芯片采用5 VUSB電源供電，生成的5 V參考電壓輸出管腳UR，LR，UL，LL與具有一定面電阻的織物材料的4角分別相連，織物表面形成橫向及縱向的梯度電壓。在按壓狀態(tài)下，位置點P處橫向及縱向的電壓通過wiper引腳分時刻進入芯片內(nèi)部12位ADC，將模擬電壓量化為數(shù)字信號。芯片接口電路將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過USB接口向計算機輸出。計算機程序獲取按壓點電壓值，與5 V參考比較，確定按壓點在傳感器中的相對坐標，從而確定其所在的具體位置及對應的控制符號，進而實現(xiàn)相應的控制操作。

2 導電織物電學性能的分析
作為織物鍵盤的核心部件，導電織物表面電阻值的均勻性與一致性是織物鍵盤實現(xiàn)的基礎(chǔ)。導電織物一般采用鍍銀工藝或是高分子導電布料形成具有一定表面電阻的織物面料，用于抗靜電及抑制電磁輻射等場合。由于紡織及織造工藝的限制，其織物不同區(qū)域表面電阻的差異非常大，均勻性較差，必須在使用前進行電學性能分析。