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開發(fā)性能優(yōu)異的電容式觸摸屏

作者: 時間:2011-01-31 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
對觸摸屏性能影響最為深遠的技術(shù)改變要算是從電阻式轉(zhuǎn)移至電容式觸摸屏技術(shù)。根據(jù)市調(diào)機構(gòu)iSuppli預測,到2011年前,近25%的觸摸屏手機將由電阻式轉(zhuǎn)移至電容式觸摸屏。電容式觸摸屏技術(shù)帶來的各種效益,將促使市場快速成長。

傳統(tǒng)的電阻式觸控面板在感測到手指或觸控筆時,頂層柔性透明材料被下壓,接觸到下方的導電材料層;而投射式電容屏沒有可移動部件。事實上,投射式電容感測硬件包含玻璃材質(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,當手指或其它導電物體靠近屏幕時,就會在傳感器與手指之間產(chǎn)生一個電容。相對于系統(tǒng)而言,此電容相當小,但可利用多種技術(shù)測出此電容。

其中一種技術(shù)是采用TrueTouch組件,包括快速改變電容,并利用一個泄放電阻來測量放電時間。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)品制造商也偏愛玻璃屏,因為玻璃材質(zhì)會讓終端產(chǎn)品擁有線條美觀的工業(yè)設(shè)計感,并能為測量觸控提供優(yōu)質(zhì)的電容信號。最后,不僅要考慮觸控面板的外觀,了解其運作模式也相當重要。為設(shè)計出性能優(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,在一個預先定義的觸摸屏區(qū)域中最大的定位誤差,以手指的實際位置與測量位置之間的直線距離為單位。在測量精確度時,使用的是一只模擬或機械手指。手指置于面板上的一個準確位置,再把手指實際位置與測量位置進行比較。精確度非常重要,使用者希望系統(tǒng)能準確地找到手指位置。電阻式觸摸屏最令人詬病的一項缺點,就是低準確度,而且準確度會隨時間逐漸減弱。電容式觸摸屏的精確度創(chuàng)造出許多新應用,例如虛擬鍵盤,以及不用觸控筆的手寫辨識。圖1顯示一個結(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,而實際上模擬手指是進行直線移動。

圖1 范例顯示在觸控面板追蹤中的不準確度或誤差.
圖1 范例顯示在觸控面板追蹤中的不準確度或誤差.

手指間距:手指間距定義為,當觸摸屏控制器測量兩只手指的位置時,兩只手指中心點之間在屏幕上的最短距離。手指間距測量方法(圖2),是將兩個模擬或機械手指置于面板上,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,有些則是中心點之間的距離。10毫米機械手指的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,實際狀況取決于觸控控制器的規(guī)格定義。如果沒有良好的手指間距,就無法設(shè)計出多點觸控解決方案。對于仿真鍵盤而言,手指間距尤其重要,因為一般在使用仿真鍵盤時,手指在屏幕上的間距通常很短。

圖2 測量手指間距。
圖2 測量手指間距。

響應時間:響應時間定義為,觸摸屏上手指觸碰事件與觸摸屏控制器產(chǎn)生中斷信號之間的時間。測量方法是以電子觸動仿真手指觸摸屏的環(huán)境,或在面板上移動一只模擬手指。響應時間尤其重要,因為它直接影響用戶在屏幕上移動手指的速度;進行平移或輕彈的操作;用手指或筆在屏幕上書寫。響應時間緩慢的觸控面板,會有短暫停頓和偵測不到移動動作的情況。觸摸屏的響應時間是系統(tǒng)響應時間的一部分,其中包括:

? X/Y軸向掃描:觸控控制器掃描與測量傳感器上電容變化所耗費的時間。

? 手指偵測:比較面板電容變化與預先定義的手指默認值。若變化幅度超越手指默認值,就會偵測到手指的觸碰。

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

? 手指追蹤:當傳感器上置有多只手指,每只手指必須正確辨識,并指派一個獨特的辨識符號。

? 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,這種延遲不會超過100微秒。

? 通信:一般系統(tǒng)在400kHz時使用I2C,或在1MHz時使用SPI來與主控端進行通信。

市面上有許多工具能用來縮短響應時間,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,即可偵測到手指位置,當偵測到手指后,就能快速掃描,計算出手指實際的定位,藉此節(jié)省耗電與時間。另一個重要工具是并行處理,使用不同的硬件組件進行掃描、手指處理及通信,使這些工作同步進行。采用高度優(yōu)化的算法進行手指偵測、手指定位及手指識別碼(ID),能夠縮短處理與響應時間。

畫面更新率:當手指出現(xiàn)在觸摸屏上時,一個數(shù)據(jù)緩沖器內(nèi)觸摸屏數(shù)據(jù)的兩個相鄰幀之間的時間。低畫面更新率會導致系統(tǒng)偵測動作有停頓現(xiàn)象,偵測到的移動路線也會變成不連續(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,可轉(zhuǎn)譯成流暢或完整的形狀或動作軌跡,此外,高畫面更新率還能改進手勢的解譯功能。諸如TrueTouch這類智能觸摸屏控制器能夠調(diào)整其畫面更新率來配合系統(tǒng)需求。手繪或手寫應用需要相當高的畫面更新率,但手機撥號鍵盤僅需在使用者按下或放開按鈕時,截斷主控端即可。

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

功耗是很常見的性能參數(shù):測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,需要更精密的計算公式,因為不同使用模式會產(chǎn)生不同功耗。手機的待機時間取決于觸摸屏的待機或休眠模式消耗的電流。

觸摸屏在工作時,還分成許多種模式,例如觸碰喚醒(WOT)、面頰偵測(Cheek Detect),比如接聽一通5分鐘來電,正在檢視或輸入電話號碼時,手機可能切換至觸控模式達10秒,之后再切換至提醒通話時的WOT或面頰偵測模式。即使在傳送文字信息(SMS)時,仍是混合WOT模式與實際手指接觸,在按鍵輸入或思考時,控制器IC會在各種睡眠模式之間進行切換。

若不考慮這些功耗模式,就會很容易被系統(tǒng)耗電量所誤導,在大多數(shù)的情況中,觸摸屏90~99%的時間都是切換至面頰偵測模式及觸碰喚醒模式。有些系統(tǒng)允許使用者自行設(shè)定處理時間與休眠模式的比例,甚至手指仍置于面板的時候。若系統(tǒng)僅偵測到手指置于相同位置,就不需要200MHz的畫面更新率。想要開發(fā)一個高性能觸摸屏,必須運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工作。

系統(tǒng)研發(fā)人員在設(shè)計一個電容式觸摸屏系統(tǒng)時,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量到的電容。測量手指電容時,是使用一只真實手指,而不是金屬的機械手指,以確保測得符合實際狀況的數(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)是傳感器測得的手指信號與測量噪聲之比。這是個重要參數(shù),設(shè)計人員必須深入了解它,才能開發(fā)出高效率的觸控面板。系統(tǒng)必須能調(diào)節(jié)、適應并濾除移動系統(tǒng)中的寄生噪聲。為獲得高信號數(shù)以及極少的噪聲數(shù),可考慮針對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制。PSoC可編程模擬組件能重新組態(tài),以整合持續(xù)一段時間的信號,藉此濾除噪聲。不同的信號頻率,包括擴頻與虛擬隨機頻率,亦可用來避免電磁干擾。標準的數(shù)字濾波器能移除1~2位的信號抖動或提供類似IIR的低通濾波器。智能數(shù)字濾波器能比對附近區(qū)域偵測到的樣本,濾除不正常的樣本,智能濾波器僅受限于系統(tǒng)設(shè)計人員的創(chuàng)意。圖3顯示一個組件的噪聲水平范例,及偵測到的觸控行為。在這個例子中,擷取到的SNR為5。

圖3 信噪比(SNR)范例。
圖3 信噪比(SNR)范例。

了解與掌握重要的觸摸屏效能參數(shù),就能大幅改進觸摸屏設(shè)計。了解這些標準,也有助于選擇理想的設(shè)計伙伴,這些業(yè)者擁有適合的技術(shù),能妥善應對移動消費產(chǎn)品的噪聲與電氣問題。

觸摸屏吸引人的優(yōu)點,就在于其外表看似簡單的設(shè)計。在取代笨重的按鈕、軌跡球或傳統(tǒng)屏幕后,觸摸屏帶來一種全新的操作模式,創(chuàng)造出令人喜愛的使用體驗。觸摸屏設(shè)計的難點在于,想要提供美觀簡潔的設(shè)計,必須采用精密復雜的硬件、固件體以及制造技術(shù)。掌握觸摸屏的設(shè)計要點、關(guān)鍵性能參數(shù),以及觸摸屏設(shè)計的權(quán)衡考慮要素,是開發(fā)出一流觸摸屏產(chǎn)品的第一步。

Steve Kolokowsky

Trevor Davis

賽普拉斯半導體

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