用Gen4平臺消除電容觸摸屏設計屏障

將電容式觸摸屏設計到產品并不是一項簡單的任務。這個復雜的機電系統(tǒng)面臨著許多集成方面的嚴峻挑戰(zhàn)。終端用戶希望他們的產品輕薄，市場需要長電池壽命。對觸摸性能的預期相當驚人：4mm手指，防手掌誤觸，1毫米觸控筆以及懸停。系統(tǒng)需要與低成本的通用USB電池充電器配合工作，抑制來自不斷增長的大量無線噪聲源的噪聲，以及忽視水的影響。還需注意，其價格必須便宜。解決這些問題并不容易。幸運的是，賽普拉斯(Cypress)公司推出了Gen4(圖1)。

速度

從設計之初，Gen4旨在逐一解決這些設計問題。第一個挑戰(zhàn)是性能。雖然市場上一些觸摸屏聲稱高達250Hz，但在存在噪聲的現(xiàn)實應用中卻不可能達到。這是由于這些器件中的8位MCU核能力不足，不具備實現(xiàn)滿足現(xiàn)今環(huán)境要求的先進濾波算法所需的數學計算能力。一旦濾波完成，就需要像DSP一樣執(zhí)行8位數學計算，實現(xiàn)精確的位置測量，而又不降低系統(tǒng)性能。實測結果表明，在真實世界環(huán)境下，觸摸屏控制器的速度將減少到60Hz。這將導致在快速輕擊，尤其是觸筆跟蹤時，性能表現(xiàn)不佳。Gen4旨在解決這些問題。

圖1：Gen4觸摸屏系統(tǒng)原理。

Gen4平臺具備片上ARM M0核，從尺寸、速度和功耗而言，它都是世界上最好的處理器。完全流水線掃描引擎和真正的32位處理能力，使得Gen4可以克服最苛刻的環(huán)境。它內置DSP功能和觸摸屏子系統(tǒng)，能夠以1kHz頻率掃描面板，此外，它還能使下一次面板掃描與CPU處理之前的數據集相獨立。所有這些能力加起來，在手機應用中可以達到高達400Hz的刷新率。這意味著，高性能觸摸可以應付各種噪聲環(huán)境，并跟上未來的操作系統(tǒng)。

功耗

快速運行的另一項優(yōu)勢是能夠節(jié)省功耗。通過快速掃描和處理，Gen4可以在掃描之間進入睡眠。在移動設備應用中，節(jié)省電池壽命至關重要。有功功耗非常重要，它可以低至1.9mW。比有功功耗更重要的是待機功耗，因為顯示器會消耗掉更多功耗。Gen4有一個獨特的能力，那就是進入睡眠模式只消耗1.8uW。極為獨特的是，在這種模式下，它可以通過IIC或SPI端口的地址匹配來喚醒。這很關鍵，因為Gen4可以比其它設備更快喚醒(其他設備需要一個引腳變化中斷，且必須啟動到準備好狀態(tài)來處理觸摸數據)。這能幫助設計人員為用戶提供最靈敏的用戶體驗。

解決充電器噪聲問題

充電器噪聲是電容式觸摸屏設計中談論最多的噪聲源之一。當觸摸發(fā)生時，這種噪聲通過電池充電器物理耦合至傳感器。它可以表現(xiàn)為觸摸的精度或線性度下降，錯誤或幻覺觸摸，甚至是觸摸屏變得無效或者不正確。罪魁禍首一般是配件市場的低成本充電器(圖2)。

圖2：低成本充電器的架構及其缺陷。

一些振蕩線圈變換器充電器可以被認為是寬帶噪聲發(fā)生器，因為它們產生了范圍從1kHz到近100kHz的多達40Vpp的噪聲。大多數最終還具有伴隨許多諧波的更多周期噪聲的傾向。

設計用于配合特定電話工作的OEM廠商的充電器具有較嚴格的噪聲規(guī)格，同時，在充電電路中廣泛采用USB連接器為配件市場創(chuàng)造了巨大的機會。為了在其中進行競爭，配件廠商充分地降低充電器成本。采用低成本電子器件的充電器給手機充電將注入很多噪聲到觸摸屏，而導致其很可能無法使用。

因此，OEM廠商要求觸摸屏IC具有更高水平的噪聲處理能力。許多規(guī)范要求從1kHz到400kHz要有40Vpp，并在50~60Hz范圍要有95Vpp的抑制能力。幸運的是，市場上已有專門的算法和方法(例如：Cypress的Charger Armor)可以滿足嚴格的要求，并具備400Vpp以上的電池充電器抗噪聲能力。這種水平是通過各種手段來實現(xiàn)的，無論是經過非線性濾波，跳頻，還是其它的硬件方法。Gen4可以實現(xiàn)這一切。

實現(xiàn)滿足當今移動行業(yè)要求規(guī)格的抗噪聲能力并非瑣事。觸摸屏通常采用處理器濾波解決這個問題。俗話說的“根不正，苗必歪，染坊拿不出白布來”也并不是百分百準確，但一開始就采用干凈的信號卻仍很關鍵?？朔潆娖髟肼暤囊粋€最好方法，特別是那些輸出寬帶噪聲，是使用純凈的信號來予以克服。因為從觸摸控制器模擬端產生的未經處理的信噪比和設備驅動面板的電壓成正比(SNR∝VTx)，所以期望采用高電壓的Tx。

典型的觸摸屏控制器一般以連接到面板的2.7V電壓軌來驅動它，而Gen4系列則有一些區(qū)別。它同樣采用2.7V的模擬電源，但實際上卻以10V驅動面板。電荷泵和10V晶體管集成到Gen4器件系列，這使得它們能夠實現(xiàn)較其他任何芯片近4倍的未經處理的信噪比。

一旦信號獲取后，就可以采用中值濾波或是其他更先進的非線性濾波等典型技術來進一步提高信噪比，但這將以犧牲刷新率為代價。10V Tx已顯示出能夠處理充電器輸出高達31Vpp的帶內噪聲，而并不需要采用這種先進的濾波類型。

但是當帶內噪聲太高時又將怎樣？這就是其他先進技術的重要性所在。如果設備需處理的帶內噪聲變得很大，則Gen4具有的獨特處理能力便可派上用場：通過動態(tài)調整其發(fā)射頻率并轉換信道來避免噪聲。自適應跳頻技術是觸摸屏中解決充電器噪聲問題的另一個關鍵技術。

解決顯示器噪聲問題

顯示器給投射式電容觸摸屏系統(tǒng)帶來了許多挑戰(zhàn)。這是因為它們產生了相當大的噪聲，這些噪聲可直接傳導到電容觸摸屏傳感器。還有一件更難的事情是，OEM廠商要求手機模型更薄，這意味著要使實際的觸摸屏傳感器更加接近顯示器，甚至就在里面。

多年來，業(yè)內已使用屏蔽層來保護傳感器免受顯示器噪聲的影響。這會增加任何手機的成本與厚度，但卻十分有效。業(yè)內還在顯示屏和傳感器之間使用了一個通常約為0.3毫米厚度的小氣隙，利用自然空氣消除來自顯示器的傳導噪聲。然而，隨著手機變得越來越薄，對于當今的設計來說，這兩種選擇都不是很理想。

在傳統(tǒng)的TFT液晶顯示器中，公共電極(VCOM)由直流或交流電壓驅動。ACVCOM層通常用來降低顯示器驅動的工作電壓，同時保持液晶電壓恒定。這是一個相對低成本的顯示器，相對與DCVCOM來說，這種類型的顯示器功耗更高，噪聲也更大。我們簡單看看ACVCOM顯示器的典型波形(圖3)。

圖3：ACVCOM顯示器典型噪聲波形。