詳解多點(diǎn)電容觸摸屏的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

多觸點(diǎn)電容觸摸屏已經(jīng)并且正在繼續(xù)改變?nèi)藗兣c手持設(shè)備之間的人機(jī)交互方式并給人們帶來許多新的操作體驗(yàn)。從手機(jī)到電子書、電子寫字板、導(dǎo)航儀、電子游戲機(jī)和筆記本電腦等等無不紛紛拋棄原來的輕觸按鍵，競向選擇多點(diǎn)電容觸摸屏來進(jìn)行人機(jī)交互。尤其是I-Phone和I-Pad的橫空出世，使多點(diǎn)電容觸摸屏深入人心。然而，多點(diǎn)電容觸摸屏的設(shè)計(jì)并非輕而易舉、唾手可得。嚴(yán)格地講，多點(diǎn)電容觸摸屏技術(shù)還并不是一個(gè)完全成熟的技術(shù)，它還是一個(gè)處于發(fā)展階段并且不斷發(fā)展不斷完善的技術(shù)。對于一個(gè)多點(diǎn)電容觸摸屏的設(shè)計(jì)者而言，在它面前仍然面臨著諸多的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。本文介紹多點(diǎn)電容觸摸屏設(shè)計(jì)有哪些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)和如何使用TTSP方案來幫助設(shè)計(jì)者面對這些挑戰(zhàn)，使多點(diǎn)電容觸摸屏設(shè)計(jì)比以往更容易。

　　設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

　　設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)一

　　來自多點(diǎn)電容觸摸屏設(shè)計(jì)的第一個(gè)挑戰(zhàn)是如何將由于手指觸摸而產(chǎn)生的微小的互電容變化轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號并具有足夠的分辨率。我們知道，一般地講，多點(diǎn)觸摸是基于互電容感應(yīng)原理，而互電容是發(fā)射感應(yīng)條與接受感應(yīng)條在交叉點(diǎn)處的寄生電容，這個(gè)電容是非常的小，通常在0.2~4pF, 而手指觸摸而產(chǎn)生的互電容的變化就更小了。對這種微小的互電容變化的檢測，不僅需要有對電容變化高度靈敏的硬件檢測電路以實(shí)現(xiàn)微弱模擬電量到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，同時(shí)也需要相應(yīng)的軟件來進(jìn)行控制協(xié)調(diào)以保證在整個(gè)觸摸屏上的每一點(diǎn)對手指觸摸信號有足夠高的靈敏度。

　　設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)二

　　如何獲得足夠快的掃描時(shí)間是多點(diǎn)電容觸摸屏設(shè)計(jì)的第二個(gè)挑戰(zhàn)。對于一個(gè)M行和N列感應(yīng)條的單點(diǎn)觸摸屏，使用自電容掃描，它僅需要分別掃描M行和N列后就可以根據(jù)每一行和每一列信號來進(jìn)行計(jì)算，定位手指在觸摸屏上的坐標(biāo)。它掃描感應(yīng)條的次數(shù)是M+N次。當(dāng)你使用多觸點(diǎn)互電容掃描時(shí)，由于必須是行和列的交叉點(diǎn)掃描，所以它的掃描次數(shù)是MXN次掃描交叉點(diǎn)的次數(shù)。 對于一個(gè)10行20列的3.2寸屏，自電容掃描只需要10+20=30次，而互電容掃描卻要10X20=200次。當(dāng)觸摸屏的尺寸越來越大時(shí)，掃描次數(shù)的增加越來越快。為了使用戶有比較好的觸摸體驗(yàn)，它需要每秒至少掃屏50次。 這就意味著每一個(gè)點(diǎn)的掃描加數(shù)據(jù)處理的時(shí)間必須少于100us, 這樣才能保證有足夠快的響應(yīng)時(shí)間。而觸摸屏的尺寸越大時(shí)，行和列數(shù)目就會越多，這個(gè)時(shí)間就更短。

　　設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)三

　　觸摸按鍵、觸摸滑條和觸摸板都使用銅箔作為觸摸感應(yīng)器，但觸摸屏基本上都使用ITO(Indium Tin Oxides)材料作為觸摸感應(yīng)層。銅箔的電阻率極小，因而它的電阻幾乎可以忽略不計(jì)。ITO透明而導(dǎo)電，但I(xiàn)TO卻有比較高的電阻率。 通常在觸摸屏上ITO的電阻率用方阻來表示，即一個(gè)單位方塊的電阻是多少。 一般地，ITO的方塊電阻從45~350歐姆不等，取決于觸摸屏生產(chǎn)廠家的涂層工藝。由于ITO電阻的存在，使得在觸摸屏上的每一個(gè)感應(yīng)條的近端和遠(yuǎn)端會有3K~30K歐姆的電阻，這個(gè)電阻結(jié)合每一個(gè)感應(yīng)條上的自電容所產(chǎn)生的RC延遲，就使感應(yīng)條的近端和遠(yuǎn)端會對發(fā)射的信號有不同的響應(yīng)時(shí)間或者充放電時(shí)間，進(jìn)而導(dǎo)致在近端和遠(yuǎn)端的手指觸摸信號有大小的不同。嚴(yán)重的情況，這種不同可以達(dá)到50%以上。如何消除或減少這個(gè)差異，是多點(diǎn)電容觸摸屏設(shè)計(jì)的第三個(gè)挑戰(zhàn)。雖然選擇方阻更低的ITO涂層是減少這個(gè)差異最直接的方法，但通常方阻更低的ITO涂層的厚度會更厚，導(dǎo)致透明度的下降和成本的增加。對很多終端客戶來講是不可接受的。

　　設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)四

　　信噪比(SNR)是多點(diǎn)電容觸摸屏設(shè)計(jì)中最重要的指標(biāo)之一。對一個(gè)觸摸屏來講，有足夠大的手指信號是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。事實(shí)上，觸摸屏并非置身于象牙塔上，在它的周圍有諸多的噪聲源。比如，緊貼在它下面的LCD就是一個(gè)噪聲源，不同的LCD甚至不同的顯示畫面，其噪聲的大小和頻譜都不一樣。尤其是對有些AC Vcomm類型的LCD，它能夠在LCD的表面產(chǎn)生高達(dá)15nA/mm2的電流噪聲和1V以上的電壓噪聲。雖然一個(gè)ITO的屏蔽層被放在觸摸屏的下面的方案被一些設(shè)計(jì)者所采用,但屏蔽層的增加，導(dǎo)致觸摸屏厚度的增加和成本的增加，也一定程度影響了可視性。并非所有的終端客戶都可以接受。手機(jī)本身的射頻信號和外界的電磁波也會對其產(chǎn)生干擾。當(dāng)采用觸摸屏的終端采用外部市電供電時(shí)，通過來自電網(wǎng)和電源適配器可能產(chǎn)生很大的共模噪聲。還有使人感到棘手的充電器噪聲，觸摸屏及系統(tǒng)本身所產(chǎn)生的噪聲如AD轉(zhuǎn)換帶來噪聲、開關(guān)噪聲以及電源噪聲和ESD測試所使用的8千伏ESD噪聲。在這么一個(gè)多噪聲的環(huán)境中，如何使觸摸屏系統(tǒng)對各種噪聲源的噪聲有很好的噪聲免疫力獲得足夠高的信噪比是多點(diǎn)電容觸摸屏設(shè)計(jì)的第四個(gè)挑戰(zhàn)。

　　設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)五

　　手指定位精度是多點(diǎn)電容觸摸屏設(shè)計(jì)的第五個(gè)挑戰(zhàn)?，F(xiàn)在的終端客戶對手指在觸摸屏上的定位精度要求越來越高，尤其在觸摸屏邊緣上定位精度。我們知道通常使用質(zhì)心算法來實(shí)施手指的定位計(jì)算。然而由于電容觸摸屏在邊緣上的感應(yīng)單元的不完整性和手指在邊緣上先天地缺失半邊的權(quán)重信號，在觸摸屏的邊緣仍然使用質(zhì)心算法將帶來較大的誤差。因此，改進(jìn)手指定位的算法，不僅適用于觸摸屏的中間區(qū)域，同時(shí)適用于觸摸屏的邊緣區(qū)域使手指觸摸的定位更準(zhǔn)確是多點(diǎn)電容觸摸屏設(shè)計(jì)必須面對的挑戰(zhàn)。

　　設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)六

　　多點(diǎn)觸摸手勢識別和跟蹤。多點(diǎn)電容觸摸屏就是為了多點(diǎn)觸摸和手勢識別而設(shè)計(jì)的。一般使用最多可以識別十個(gè)手指的觸摸。最常用的手勢為一或二個(gè)手指的手勢。它不僅要能識別單觸點(diǎn)的十四種手勢(上、下、左、右、左上、左下、右上、右下、左旋、右旋、單擊、雙擊、點(diǎn)住和抬起)，而且要能識別雙觸點(diǎn)的二十七種手勢(雙觸點(diǎn)上移、雙觸點(diǎn)下移、雙觸點(diǎn)左移、雙觸點(diǎn)右移、雙觸點(diǎn)左上移、雙觸點(diǎn)左下移、雙觸點(diǎn)右上移、雙觸點(diǎn)右下移、、雙觸點(diǎn)縮小、雙觸點(diǎn)放大、雙觸單擊、一觸一上移、一觸一下移、一觸一左移、一觸一右移、一觸一左上移、一觸一左下移、一觸一右上移、一觸一右下移、一觸一左下左拐、一觸一右下右拐、一觸一右下左拐、一觸一右上右拐、一觸一Z形移、一觸一三角移、一觸一正方移和一觸一畫圓)。此外，在多于兩個(gè)手指觸摸時(shí)要能實(shí)時(shí)地跟蹤這些手指的移動，賦予每一個(gè)觸摸手指的臨時(shí)識別代碼不能搞錯(cuò)。它對手勢識別算法的設(shè)計(jì)和芯片的運(yùn)算速度都是一個(gè)實(shí)實(shí)在在的挑戰(zhàn)。

　　設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)七

　　低功耗。任何使用電池供電的移動設(shè)備對其每一個(gè)功能單元設(shè)計(jì)的功耗要求都會非?？量?，尤其是在當(dāng)下的低碳時(shí)代。多點(diǎn)電容觸摸屏作為移動設(shè)備中的一個(gè)功能單元當(dāng)然也不會例外。要使多點(diǎn)電容觸摸屏在完全激活的情況下功耗小于35mW、在待機(jī)的狀態(tài)下功耗小于100uW并非是一件容易的事。如果一個(gè)多點(diǎn)電容觸摸屏的設(shè)計(jì)不能達(dá)到這個(gè)要求，將會在激烈的市場競爭中處于非常不利的境地。