開(kāi)發(fā)性能優(yōu)異的電容式觸摸屏

傳統(tǒng)的電阻式觸控面板在感測(cè)到手指或觸控筆時(shí)，頂層柔性透明材料被下壓，接觸到下方的導(dǎo)電材料層；而投射式電容屏沒(méi)有可移動(dòng)部件。事實(shí)上，投射式電容感測(cè)硬件包含玻璃材質(zhì)的頂層，之后是X與Y軸的組件，以及覆蓋在玻璃基板上的氧化銦錫(ITO)絕緣層。部分傳感器供貨商會(huì)做一顆單層傳感器，內(nèi)嵌X與Y軸傳感器和小型橋接組件于一單層ITO之中，當(dāng)手指或其它導(dǎo)電物體靠近屏幕時(shí)，就會(huì)在傳感器與手指之間產(chǎn)生一個(gè)電容。相對(duì)于系統(tǒng)而言，此電容相當(dāng)小，但可利用多種技術(shù)測(cè)出此電容。

其中一種技術(shù)是采用TrueTouch組件，包括快速改變電容，并利用一個(gè)泄放電阻來(lái)測(cè)量放電時(shí)間。這種全玻璃的觸控表面帶給使用者光滑流暢的觸感。終端產(chǎn)品制造商也偏愛(ài)玻璃屏，因?yàn)椴ＡР馁|(zhì)會(huì)讓終端產(chǎn)品擁有線條美觀的工業(yè)設(shè)計(jì)感，并能為測(cè)量觸控提供優(yōu)質(zhì)的電容信號(hào)。最后，不僅要考慮觸控面板的外觀，了解其運(yùn)作模式也相當(dāng)重要。為設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的觸摸屏產(chǎn)品，必須注意以下參數(shù)。

精確度：精確度可定義為，在一個(gè)預(yù)先定義的觸摸屏區(qū)域中最大的定位誤差，以手指的實(shí)際位置與測(cè)量位置之間的直線距離為單位。在測(cè)量精確度時(shí)，使用的是一只模擬或機(jī)械手指。手指置于面板上的一個(gè)準(zhǔn)確位置，再把手指實(shí)際位置與測(cè)量位置進(jìn)行比較。精確度非常重要，使用者希望系統(tǒng)能準(zhǔn)確地找到手指位置。電阻式觸摸屏最令人詬病的一項(xiàng)缺點(diǎn)，就是低準(zhǔn)確度，而且準(zhǔn)確度會(huì)隨時(shí)間逐漸減弱。電容式觸摸屏的精確度創(chuàng)造出許多新應(yīng)用，例如虛擬鍵盤，以及不用觸控筆的手寫辨識(shí)。圖1顯示一個(gè)結(jié)構(gòu)不完整的觸控面板數(shù)據(jù)，顯示手指位置有游移現(xiàn)象，而實(shí)際上模擬手指是進(jìn)行直線移動(dòng)。

圖1　范例顯示在觸控面板追蹤中的不準(zhǔn)確度或誤差.

手指間距：手指間距定義為，當(dāng)觸摸屏控制器測(cè)量?jī)芍皇种傅奈恢脮r(shí)，兩只手指中心點(diǎn)之間在屏幕上的最短距離。手指間距測(cè)量方法(圖2)，是將兩個(gè)模擬或機(jī)械手指置于面板上，然后逐漸拉近兩只手指的距離，直到系統(tǒng)測(cè)到兩只手指為一只手指為止。有些觸摸屏供貨商的手指間距是指邊緣至邊緣的距離，有些則是中心點(diǎn)之間的距離。10毫米機(jī)械手指的10毫米手指間距，表明有多只手指觸碰到屏幕，或是手指之間的距離為10毫米，實(shí)際狀況取決于觸控控制器的規(guī)格定義。如果沒(méi)有良好的手指間距，就無(wú)法設(shè)計(jì)出多點(diǎn)觸控解決方案。對(duì)于仿真鍵盤而言，手指間距尤其重要，因?yàn)橐话阍谑褂梅抡骀I盤時(shí)，手指在屏幕上的間距通常很短。

圖2　測(cè)量手指間距。

響應(yīng)時(shí)間：響應(yīng)時(shí)間定義為，觸摸屏上手指觸碰事件與觸摸屏控制器產(chǎn)生中斷信號(hào)之間的時(shí)間。測(cè)量方法是以電子觸動(dòng)仿真手指觸摸屏的環(huán)境，或在面板上移動(dòng)一只模擬手指。響應(yīng)時(shí)間尤其重要，因?yàn)樗苯佑绊懹脩粼谄聊簧弦苿?dòng)手指的速度；進(jìn)行平移或輕彈的操作；用手指或筆在屏幕上書寫。響應(yīng)時(shí)間緩慢的觸控面板，會(huì)有短暫停頓和偵測(cè)不到移動(dòng)動(dòng)作的情況。觸摸屏的響應(yīng)時(shí)間是系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的一部分，其中包括:

? X/Y軸向掃描：觸控控制器掃描與測(cè)量傳感器上電容變化所耗費(fèi)的時(shí)間。

? 手指?jìng)蓽y(cè)：比較面板電容變化與預(yù)先定義的手指默認(rèn)值。若變化幅度超越手指默認(rèn)值，就會(huì)偵測(cè)到手指的觸碰。

? 手指位置：根據(jù)多個(gè)傳感器得到的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行推算，判斷手指的實(shí)際位置。

? 手指追蹤：當(dāng)傳感器上置有多只手指，每只手指必須正確辨識(shí)，并指派一個(gè)獨(dú)特的辨識(shí)符號(hào)。

? 中斷延遲：是指主控端上岔斷指示和服務(wù)之間的延遲，在大多數(shù)的系統(tǒng)中，這種延遲不會(huì)超過(guò)100微秒。

? 通信：一般系統(tǒng)在400kHz時(shí)使用I2C，或在1MHz時(shí)使用SPI來(lái)與主控端進(jìn)行通信。

市面上有許多工具能用來(lái)縮短響應(yīng)時(shí)間，關(guān)鍵在于觸控芯片的智能，比如較有創(chuàng)意的方法僅需掃描部分屏幕，即可偵測(cè)到手指位置，當(dāng)偵測(cè)到手指后，就能快速掃描，計(jì)算出手指實(shí)際的定位，藉此節(jié)省耗電與時(shí)間。另一個(gè)重要工具是并行處理，使用不同的硬件組件進(jìn)行掃描、手指處理及通信，使這些工作同步進(jìn)行。采用高度優(yōu)化的算法進(jìn)行手指?jìng)蓽y(cè)、手指定位及手指識(shí)別碼(ID)，能夠縮短處理與響應(yīng)時(shí)間。

畫面更新率：當(dāng)手指出現(xiàn)在觸摸屏上時(shí)，一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖器內(nèi)觸摸屏數(shù)據(jù)的兩個(gè)相鄰幀之間的時(shí)間。低畫面更新率會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)偵測(cè)動(dòng)作有停頓現(xiàn)象，偵測(cè)到的移動(dòng)路線也會(huì)變成不連續(xù)的線段，而不是流暢的曲線。換言之，若觸控面板擁有高畫面更新率，就能提供更多的數(shù)據(jù)點(diǎn)，可轉(zhuǎn)譯成流暢或完整的形狀或動(dòng)作軌跡，此外，高畫面更新率還能改進(jìn)手勢(shì)的解譯功能。諸如TrueTouch這類智能觸摸屏控制器能夠調(diào)整其畫面更新率來(lái)配合系統(tǒng)需求。手繪或手寫應(yīng)用需要相當(dāng)高的畫面更新率，但手機(jī)撥號(hào)鍵盤僅需在使用者按下或放開(kāi)按鈕時(shí)，截?cái)嘀骺囟思纯伞?

平均功耗：是指觸控系統(tǒng)的平均功耗，包括控制器IC工作時(shí)的時(shí)間掃描、處理、通信、休眠等，以及主處理器接收與解譯觸控?cái)?shù)據(jù)的時(shí)間。

功耗是很常見(jiàn)的性能參數(shù)：測(cè)量裝置消耗的電流乘以電壓，就能推算出功耗。在觸控面板的功耗方面，需要更精密的計(jì)算公式，因?yàn)椴煌褂媚Ｊ綍?huì)產(chǎn)生不同功耗。手機(jī)的待機(jī)時(shí)間取決于觸摸屏的待機(jī)或休眠模式消耗的電流。

觸摸屏在工作時(shí)，還分成許多種模式，例如觸碰喚醒(WOT)、面頰偵測(cè)(Cheek Detect)，比如接聽(tīng)一通5分鐘來(lái)電，正在檢視或輸入電話號(hào)碼時(shí)，手機(jī)可能切換至觸控模式達(dá)10秒，之后再切換至提醒通話時(shí)的WOT或面頰偵測(cè)模式。即使在傳送文字信息(SMS)時(shí)，仍是混合WOT模式與實(shí)際手指接觸，在按鍵輸入或思考時(shí)，控制器IC會(huì)在各種睡眠模式之間進(jìn)行切換。

若不考慮這些功耗模式，就會(huì)很容易被系統(tǒng)耗電量所誤導(dǎo)，在大多數(shù)的情況中，觸摸屏90～99%的時(shí)間都是切換至面頰偵測(cè)模式及觸碰喚醒模式。有些系統(tǒng)允許使用者自行設(shè)定處理時(shí)間與休眠模式的比例，甚至手指仍置于面板的時(shí)候。若系統(tǒng)僅偵測(cè)到手指置于相同位置，就不需要200MHz的畫面更新率。想要開(kāi)發(fā)一個(gè)高性能觸摸屏，必須運(yùn)用休眠模式的低功耗系統(tǒng)，并搭配創(chuàng)新的休眠與喚醒模式來(lái)工作。

系統(tǒng)研發(fā)人員在設(shè)計(jì)一個(gè)電容式觸摸屏系統(tǒng)時(shí)，還要考慮許多其它重要因素：

手指電容:是指手指與單一傳感器組件之間測(cè)量到的電容。測(cè)量手指電容時(shí)，是使用一只真實(shí)手指，而不是金屬的機(jī)械手指，以確保測(cè)得符合實(shí)際狀況的數(shù)據(jù)。影響回授電容(CF)的因素包括覆蓋上層的鏡片厚度及覆蓋外層材料的介電常數(shù)。

系統(tǒng)本底噪聲:系統(tǒng)本底噪聲是指電容至數(shù)字轉(zhuǎn)換器輸出端所測(cè)量到的噪聲，是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的輸入(電容)值。

信噪比:信噪比(SNR)是傳感器測(cè)得的手指信號(hào)與測(cè)量噪聲之比。這是個(gè)重要參數(shù)，設(shè)計(jì)人員必須深入了解它，才能開(kāi)發(fā)出高效率的觸控面板。系統(tǒng)必須能調(diào)節(jié)、適應(yīng)并濾除移動(dòng)系統(tǒng)中的寄生噪聲。為獲得高信號(hào)數(shù)以及極少的噪聲數(shù)，可考慮針對(duì)觸控功能采用精確的模擬前端組件。

諸如TrueTouch系列可編程解決方案這類產(chǎn)品，可在濾除噪聲方面提供許多絕佳的機(jī)制。PSoC可編程模擬組件能重新組態(tài)，以整合持續(xù)一段時(shí)間的信號(hào)，藉此濾除噪聲。不同的信號(hào)頻率，包括擴(kuò)頻與虛擬隨機(jī)頻率，亦可用來(lái)避免電磁干擾。標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字濾波器能移除1～2位的信號(hào)抖動(dòng)或提供類似IIR的低通濾波器。智能數(shù)字濾波器能比對(duì)附近區(qū)域偵測(cè)到的樣本，濾除不正常的樣本，智能濾波器僅受限于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)意。圖3顯示一個(gè)組件的噪聲水平范例，及偵測(cè)到的觸控行為。在這個(gè)例子中，擷取到的SNR為5。

圖3　信噪比(SNR)范例。

了解與掌握重要的觸摸屏效能參數(shù)，就能大幅改進(jìn)觸摸屏設(shè)計(jì)。了解這些標(biāo)準(zhǔn)，也有助于選擇理想的設(shè)計(jì)伙伴，這些業(yè)者擁有適合的技術(shù)，能妥善應(yīng)對(duì)移動(dòng)消費(fèi)產(chǎn)品的噪聲與電氣問(wèn)題。

觸摸屏吸引人的優(yōu)點(diǎn)，就在于其外表看似簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)。在取代笨重的按鈕、軌跡球或傳統(tǒng)屏幕后，觸摸屏帶來(lái)一種全新的操作模式，創(chuàng)造出令人喜愛(ài)的使用體驗(yàn)。觸摸屏設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于，想要提供美觀簡(jiǎn)潔的設(shè)計(jì)，必須采用精密復(fù)雜的硬件、固件體以及制造技術(shù)。掌握觸摸屏的設(shè)計(jì)要點(diǎn)、關(guān)鍵性能參數(shù)，以及觸摸屏設(shè)計(jì)的權(quán)衡考慮要素，是開(kāi)發(fā)出一流觸摸屏產(chǎn)品的第一步。

Steve Kolokowsky

Trevor Davis

賽普拉斯半導(dǎo)體