低成本阻性觸摸屏上實現(xiàn)手勢識別

對于各種消費、醫(yī)療、汽車和工業(yè)設(shè)備，增強的低成本觸控 式用戶界面是一個極具價值的特性。在許多消費電子應(yīng)用 中，設(shè)計師偏向使用容性觸摸屏，而不愿使用阻性觸摸技 術(shù)，原因是前者可以跟蹤手指，似乎能夠提供更友好的用戶 交互體驗。目前，低成本阻性技術(shù)的應(yīng)用市場包括：只需要 單點觸控、至關(guān)重要的極其精確的空間分辨率、利用觸控筆 來實現(xiàn)特定功能（如亞洲語言符號識別等），或者用戶必須 戴手套的場合。 雖然阻性技術(shù)傳統(tǒng)上是用來檢測屏幕上“單點觸摸”的位 置，但本文提出了一個創(chuàng)新的“兩點觸摸”概念，它利用阻 性觸摸屏控制器 AD7879 在廉價的阻性觸摸屏上檢測最常見 的雙指手勢（縮放、捏合和旋轉(zhuǎn)）。

　　阻性觸摸屏的經(jīng)典方法

　　典型的阻性觸摸屏包括兩個平行的氧化銦錫（ITO）導(dǎo)電層，中 間的間隙將兩層分開（圖 1）。上層（Y）的邊緣電極相對于下 層（X）的邊緣電極旋轉(zhuǎn) 90°。當(dāng)對屏幕的一個小區(qū)域施加壓 力，使這兩層發(fā)生電氣接觸時，就發(fā)生了“觸摸”現(xiàn)象。如 果在上層的兩個電極之間施加一個直流電壓，而下層懸空， 則觸摸將使下層獲得與觸摸點相同的電壓。判斷上層方向觸 摸坐標(biāo)的方法是測量下層的電壓，以便確定觸摸點處的電阻 占總電阻的比值。然后交換兩層的電氣連接，獲得觸摸點在 另一個軸上的坐標(biāo)。

　　連接直流電壓的層稱為“有源”層，電流與其阻抗成反比。 測量電壓的層稱為“無源”層，無相關(guān)電流流經(jīng)該層。發(fā)生 單點觸摸時，在有源層中形成一個分壓器，無源層電壓測量 通過一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器讀取與觸摸點和負(fù)電極之間的距離成比 例的電壓1.

　　由于成本低廉，傳統(tǒng)的 4 線阻性觸摸屏深受單點觸控應(yīng)用的 歡迎。實現(xiàn)阻性多點觸控的技術(shù)有多種，其中總是會用到一 個矩陣布局屏幕，但屏幕制造成本高得嚇人。此外，控制器 需要許多輸入和輸出來測量和驅(qū)動各個屏幕帶，導(dǎo)致控制器 成本和測量時間增加。

　　圖 1. （a） 阻性觸摸屏的結(jié)構(gòu)；（b） 用戶觸摸屏幕時的電氣接觸

　　超越單點觸控

　　雖然如此，但通過理解并模擬該過程背后的物理原理，我們 可以從阻性觸摸屏提取更多信息。當(dāng)發(fā)生兩點觸摸時，無源 屏幕中的一段電阻加上觸點的電阻與有源屏幕的導(dǎo)電段并 聯(lián)，因此電源的負(fù)載阻抗減小，電流增大。阻性控制器的經(jīng) 典方法是假設(shè)有源層中的電流恒定不變，無源層為等電位。 兩點觸摸時，這些假設(shè)不再成立，為了提取所需的信息，需 要進(jìn)行更多測量。

　　阻性屏幕中的兩點觸摸檢測模型如圖 2 所示。Rtouch為層間的 接觸電阻；在現(xiàn)有的大多數(shù)屏幕中，其數(shù)量級一般與兩層的 電阻相同。如果有一個恒定的電流I流經(jīng)有源層的兩端，則有 源層上的電壓為：

　　圖 2. 阻性屏幕兩點觸摸的基本模型

　　手勢識別

　　以“捏合”（pinch）作為范例可以更好地描述手勢識別的工作 原理。捏合手勢從兩根分開較遠(yuǎn)的手指觸摸開始，產(chǎn)生雙重 接觸，使得屏幕的阻抗降低，有源層兩根電極之間的電壓差 因此減小。隨著兩根手指越來越接近，并聯(lián)面積減小，因而 屏幕的阻抗提高，有源層兩根電極之間的電壓差相應(yīng)地增 大。

　　緊密捏合后，并聯(lián)電阻趨于 0，Ru + Rd提高到總電阻，因此電 壓增大到：

　　圖 3 顯示了一個沿著垂直（Y）軸捏合的例子。當(dāng)手勢開始時， 其中一層的兩根電極之間的電壓恒定不變，另一層則表現(xiàn)出 階躍性降低，然后隨著手指相互靠近而提高。

　　圖 3. 垂直捏合時的電壓測量

　　圖 4 顯示傾斜捏合時的電壓測量結(jié)果。這種情況下，兩個電 壓均表現(xiàn)出階躍性降低，然后緩慢恢復(fù)。兩個恢復(fù)速率（利 用各層的電阻歸一化）的比值可以用來檢測手勢的角度。

　　圖 4. 傾斜捏合時的電壓測量

　　如果手勢為縮放（手指分開），其行為可以從上述討論推導(dǎo) 出來。圖 5 顯示了沿各軸及沿傾斜方向縮放時測得的兩個有 源層電壓趨勢。

　　圖 5. 沿不同方向縮放時的電壓趨勢

　　利用 AD7879檢測手勢

　　AD7879 觸摸屏控制器設(shè)計用于與 4 線式阻性觸摸屏接口。除 了檢測觸摸動作外，它還能測量溫度和輔助輸入端的電壓。 所有四種觸摸測量加上溫度、電池、輔助電壓測量，均可以 通過編程寫入其片內(nèi)序列器。

　　AD7879 結(jié)合一對低成本運算放大器，可以執(zhí)行上述捏合和縮 放手勢測量，如圖 6所示。

　　下面的步驟說明了手勢識別的過程：

　　在前半周期中，將一個直流電壓施加于上層（有源 層），并測量X+引腳的電壓（對應(yīng)于VY+ – VY–），以提 供與Y方向上的運動（接近還是分開）相關(guān)的信息。

　　在后半周期中，將一個直流電壓施加于下層（有源 層），并測量Y+引腳的電壓（對應(yīng)于VX+ – VX–），以提 供與X方向上的運動（接近還是分開）相關(guān)的信息。

　　圖 6 所示的電路需要為差分放大器提供保護，防止短接到 VDD。在前半周期中，下方放大器的輸出短接到VDD。在后半 周期中，上方放大器的輸出短接到VDD。為避免這種現(xiàn)象， AD7879的GPIO可以控制兩個外部模擬開關(guān)，如圖 7所示。

　　圖 6. 基本手勢檢測應(yīng)用圖

　　圖 7. 避免放大器輸出短接到VDD的應(yīng)用圖

　　這種情況下，AD7879 設(shè)置為從機轉(zhuǎn)換模式，并且僅測量半個 周期。當(dāng) AD7879 完成轉(zhuǎn)換時，產(chǎn)生一個中斷，主處理器重 新設(shè)置 AD7879 以測量第二個半周期，并且改變 AD7879 GPIO 的值。第二轉(zhuǎn)換結(jié)束時，兩層的測量結(jié)果均存儲在器件 中。

　　旋轉(zhuǎn)可以通過一個方向上的同時縮放和一個傾斜捏合來模 擬，因此檢測旋轉(zhuǎn)并不困難。挑戰(zhàn)在于區(qū)別旋轉(zhuǎn)是順時針 （CW）還是逆時針（CCW），這無法通過上述過程來實現(xiàn)。為了 檢測旋轉(zhuǎn)及其方向，需要在兩層（有源層和無源層）上進(jìn)行測量，如圖 8 所示。圖 7 中的電路無法滿足之一要求，圖 9 提出了一種新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　圖 8. 順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)時的電壓測量

　　圖 9所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實現(xiàn)了如下功能：

　　半周期 1：電壓施加于Y層，同時測量（VY+ – VY–）、VX–和 VX+。每完成一個測量，AD7879 就會產(chǎn)生一個中斷，以 便處理器改變GPIO配置。

　　半周期 2：電壓施加于X層，同時測量（VX+ – VX–）、VY–和VY+。

　　圖 9 中的電路可以測量所有需要的電壓來實現(xiàn)全部性能，包 括：a）單點觸摸位置；b）縮放、捏合、旋轉(zhuǎn)手勢檢測和量化； c）區(qū)別順時針與逆時針旋轉(zhuǎn)。用兩點觸摸手勢來完成單點觸 摸操作時，可以估計手勢的中心位置。

　　圖 9. 單點觸摸位置和手勢檢測的應(yīng)用圖

　　實用提示

　　輕柔手勢產(chǎn)生的電壓變化相當(dāng)微細(xì)。通過放大這種變化，可 以提高系統(tǒng)的魯棒性。例如，可以在屏幕的電極與 AD7879 的引腳之間增加一個小電阻，這將能提高有源層的壓降，但 單點觸摸定位精度會有所下降。

　　另一種方法是僅在低端連接上增加一個電阻，當(dāng) X 層或 Y 層 為有源層時，僅檢測 X–或 Y–電極。這樣就可以應(yīng)用一定的 增益，因為直流值相當(dāng)?shù)汀?/p>

　　ADI公司有許多放大器和多路復(fù)用器可以滿足圖 6、圖 7 和圖 9 所示應(yīng)用的需求。測試電路使用AD8506 雙通道運算放大器和ADG16xx 系列模擬多路復(fù)用器；多路復(fù)用器的導(dǎo)通電阻很 低，采用 3.3 V單電源供電。

　　結(jié)束語

　　利用 AD7879 控制器和極少的輔助電路，可以檢測縮放、捏 合和旋轉(zhuǎn)。只需在有源層上進(jìn)行測量，就能識別這些手勢。 在主處理器的控制下，利用兩個 GPIO 測量無源層的電壓， 可以區(qū)別旋轉(zhuǎn)方向。在該處理器中執(zhí)行相當(dāng)簡單的算法，就 能識別縮放、捏合和旋轉(zhuǎn)，估計其范圍、角度和方向。

　　感謝

　　本文獲得了西班牙瓦倫西亞中小企業(yè)協(xié)會（IMPIVA）通過項目 IMIDTF/2009/15 和西班牙教育與科學(xué)部通過項目 Consolider/CSD2007-00018提供的部分資助。

　　本文作者感謝 Colin Lyden、John Cleary和 Susan Pratt在討論 中提供的有益建議。

　　參考文獻(xiàn)

　　（Information on all ADI components can be found at www.analog.com.）

　　1 Finn， Gareth. “New Touch-Screen Controllers Offer Robust Sensing for Portable Displays.” Analog Dialogue， Vol. 44， No. 2. February 2010. （return to text）

　　Authors

　　Javier Calpe ［javier.calpe@analog.com］ 分別于 1989年和 1993年獲得西班牙瓦倫西亞大學(xué)物理 學(xué)學(xué)士學(xué)位和博士學(xué)位，為該校講師。Javier自 2005 年起擔(dān)任ADI公司瓦倫西亞開發(fā)中心的設(shè) 計中心經(jīng)理。

　　Italo Medina ［italo.medina@analog.com］ 于 2010 年獲得西班牙瓦倫西亞理工大學(xué)電子工程學(xué)士 學(xué)位。Italo于 2010 年加入ADI公司，成為愛爾 蘭利默里克精密DAC部模擬設(shè)計師。

　　Alberto Carbajo ［alberto.carbajo@analog.com］于 2000 年獲得西班牙瓦倫西亞理工大學(xué)電子工程 學(xué)士學(xué)位，2004 年獲得愛爾蘭科克大學(xué)（UCC） 工程碩士學(xué)位。Alberto于 2000 年加入ADI公 司，在測試與設(shè)計部門工作。目前，他的工作 重點是基于IC的檢測產(chǎn)品，包括信號處理和微 控制器設(shè)計集成。

　　María José Martínez ［maria.martinez@analog.com］ 于 2005 年獲得西班牙瓦倫西亞理工大學(xué)電信工 程學(xué)士學(xué)位。她于 2006 年加入ADI公司，擔(dān)任 觸摸屏產(chǎn)品應(yīng)用工程師，重點關(guān)注CapTouch®觸 摸屏控制器和透鏡驅(qū)動器產(chǎn)品。Maria目前在 ADI瓦倫西亞的便攜產(chǎn)品部門工作。