手機觸摸屏及其目標提取方法探討

引言

　　近年來，觸控手機的數(shù)量成幾何倍數(shù)增長，用戶可以用手指直接與手機系統(tǒng)進行交互。觸摸屏觸控大體上有兩種方式：觸筆觸控和手指觸控。

　　觸筆觸控是使用特制的觸摸筆點擊界面上的圖形目標來完成交互，這種交互方式要求用戶一只手固定手機設(shè)備，另一只手操作觸筆點擊觸摸屏，交互過程需兩只手共同參與才能完成。由于手機用戶常處于移動狀態(tài)，很難滿足上述操作要求，控制效率低下。手指觸控可以單手持握手機，用拇指點擊或滑動來完成觸控，已是當今觸摸屏發(fā)展的主流。

　　1 觸摸屏構(gòu)成及原理

　　適用于移動設(shè)備和消費電子產(chǎn)品的觸摸屏技術(shù)包括電阻式觸摸屏和投射電容式（projectedcapacitive）觸摸屏。觸摸屏附著在顯示器的表面，與顯示器配合使用，能測量出觸摸點在屏幕上的坐標位置，就可根據(jù)顯示屏上對應坐標點的顯示內(nèi)容或圖符獲知觸摸者的意圖。

　　1.1 電阻式觸摸屏

　　電阻觸摸屏是一塊四層透明的復合薄膜屏，最下面是玻璃或有機玻璃構(gòu)成的基層，最上面是一層外表面經(jīng)過硬化處理從而光滑防刮的塑料層，中間是兩層金屬導電層ITO（Indium Tin Oxide ，銦錫氧化物，一種透明的導電材料），分別在基層和塑料層之內(nèi)，兩導電層之間有許多細小的透明隔離點把它們隔開。電阻式觸摸屏結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

　　圖1 電阻式觸摸屏結(jié)構(gòu)

　　當手指觸摸屏幕時，兩導電層在觸摸點處接觸。觸摸屏的兩個金屬導電層是觸摸屏的兩個工作面，在每個工作面的兩端各涂有一條銀膠，稱為該工作面的一對電極。若在一個工作面的電極對上施加電壓，則在該工作面上就會形成均勻連續(xù)的平行電壓分布。當在X方向的電極對上施加一確定的電壓，而Y方向電極對上不加電壓時，在X平行電壓場中，觸點處的電壓值可以在Y+（或Y-）電極上反映出來，通過測量Y+ 電極對地的電壓大小，便可得知觸點的X坐標值。同理，當在Y電極對上加電壓，而X電極對上不加電壓時，通過測量X+ 電極的電壓，便可得知觸點的Y坐標，如圖2 所示。根據(jù)X坐標和Y坐標可知觸摸點在屏幕上的位置。

　　圖2 電阻觸摸屏線路圖

　　電阻式觸摸屏是大批量應用、低成本的技術(shù)，其缺點是：堆疊厚，相對較為復雜；光學性能不良，需要較大功率的背光；不能檢測多個手指的動作；必須有壓力才能動作；需要用戶校準。

　　1.2 投射電容式觸摸屏

　　投射電容式觸控技術(shù)主要有兩種：一種是自電容型，另一種是互電容型。

　　互電容屏也是在玻璃表面用ITO 制作橫向電極與縱向電極，兩組電極交叉的地方會形成電容，也即這兩組電極分別構(gòu)成了電容的兩極，形成電容矩陣。

　　如圖3 所示，當手指觸摸到電容屏時，由于人體是導電的，所以在ITO 電極與手指之間形成了新的電容，從而改變了原來兩個ITO 電極之間的電容量。檢測兩電極間互電容大小時，橫向的電極依次發(fā)出激勵信號，縱向的所有電極同時接收信號，這樣可以得到所有橫向和縱向電極交匯點的電容值大小，即整個觸摸屏二維平面的電容大小。

　　圖3 投射電容式觸摸屏

　　根據(jù)觸摸屏二維電容變化量數(shù)據(jù)，行列傳感器信號最強的交叉點即為觸摸點，如圖4 所示，通過內(nèi)插法數(shù)值逼近能非常精確地確定手指位置的坐標值。設(shè)計一個投射電容傳感器陣列的目的是，在同一時間使手指能夠與多于一個的X傳感器和一個以上的Y傳感器發(fā)生作用，結(jié)合其它技術(shù)能實現(xiàn)多點觸摸。

　　圖4 行和列傳感器的信號強度確定了觸摸的位置

　　當幾個觸摸按鍵互相靠近時，接近的手指會導致多個按鍵電容的變化。Atmel 專利的鄰鍵抑制（AKS）技術(shù)采用迭代法重復測量每個按鍵上的電容變化，比較結(jié)果來確定哪個按鍵是用戶想要的。AKS抑制或忽略來自所有其它按鍵的信號，提供所選擇按鍵的信號，這可防止鄰鍵的假觸摸。

　　投射電容式觸摸屏相比其它觸摸屏技術(shù)的優(yōu)勢是：信噪比高；觸摸屏表面的清晰度和亮度比電阻屏高；能夠支持多點觸摸；無需用戶校準。其缺點之一是當戴手套或者用絕緣體觸摸時無反應，此外，還存在漂移現(xiàn)象，當溫度或濕度較高時會不敏感，當人體或另一只手靠近時會誤動作。

　　2 觸摸屏系統(tǒng)

　　如圖5 所示，一個觸摸屏系統(tǒng)包括：前面板、傳感器薄膜、顯示單元、控制器板和系統(tǒng)軟件。

　　圖5 觸摸屏系統(tǒng)

　　前面板是終端產(chǎn)品的最表層。在某些產(chǎn)品中，它將透明的蓋板圍起來，以免受到外部惡劣氣候或潮濕的影響，也防止下面的傳感產(chǎn)品受到劃刻以及破壞。

　　觸摸屏“傳感器”是一個帶有觸摸響應表面的透明玻璃板，用來檢測觸摸輸入。該傳感器被安放到LCD 上面，使得面板的觸摸區(qū)域能覆蓋顯示屏的可視區(qū)域。前已述及，在觸摸時，根據(jù)電容值變化的數(shù)據(jù)，從而可確定屏幕上的觸摸位置。

　　用于觸摸屏的LCD 選擇方法與傳統(tǒng)系統(tǒng)中基本相同，包括分辨率、清晰度、刷新速度、成本等。但在觸摸屏中另一個主要的考慮是輻射電平，由于觸摸傳感器中的技術(shù)基于面板被觸摸所產(chǎn)生的微小電容變化，能夠輻射許多電磁噪聲的LCD 是設(shè)計中的難點。

　　觸摸控制器是一個小型的微控制器芯片，它位于觸摸傳感器和嵌入式系統(tǒng)控制器之間。觸摸控制器提取來自觸摸傳感器的信息，并將其轉(zhuǎn)換成嵌入式系統(tǒng)控制器能夠理解的信息。該芯片可以裝配到系統(tǒng)內(nèi)部的控制器板上，也可以粘貼到玻璃觸摸傳感器上的柔性印刷電路上。

　　觸摸屏驅(qū)動器軟件可以來自原廠商，也可以是后來加裝的軟件。該軟件應能使觸摸屏和系統(tǒng)控制器一同工作，它將告訴產(chǎn)品的操作系統(tǒng)如何解析來自觸摸控制器的觸摸事件信息。在嵌入式系統(tǒng)中，嵌入式控制驅(qū)動器必須將出現(xiàn)在屏幕上的信息與接收到的觸摸位置進行比對。

　　3 MMI 目標提取方法

　　臺灣聯(lián)發(fā)科技公司提供的MTK 手機平臺中的MMI 模塊即人機界面模塊，主要負責人機界面的顯示、屏幕流的控制以及與L4 層進行通信完成人機交互。MMI 模塊主要由三部分組成，分別是應用層軟件、框架和圖像用戶接口。

　　3.1 按鍵提取方法

　　如圖6 所示，在獲得觸摸點消息后，系統(tǒng)MMI 層調(diào)用MMI 層坐標轉(zhuǎn)換函數(shù)提取驅(qū)動層發(fā)送的觸摸點位置信息，并轉(zhuǎn)化為MMI 層的位置信息。當有觸摸操作進行時，底層驅(qū)動程序向MMI 層發(fā)送觸摸點的位置信息。在獲得驅(qū)動層觸摸點信息后，系統(tǒng)MMI 層調(diào)用MMI 層坐標轉(zhuǎn)換函數(shù)提取驅(qū)動層發(fā)送的觸摸點位置信息，并轉(zhuǎn)化為MMI 層的位置信息。如果系統(tǒng)所發(fā)事件是按下事件（MMI_PEN_EVENT_DOWN），系統(tǒng)根據(jù)觸摸點坐標調(diào)用當前按鍵信息提取函數(shù)獲得被選按鍵信息；如果是滑動事件（MMI_PEN_EVENT_MOVE），則進行滑動方向判斷。

　　圖6 按鍵提取流程圖

　　3.2 滑動操作的目標提取方法

　　以圖片瀏覽為例，手指向左滑動顯示上一張圖片，向右滑動顯示下一張圖片。如圖7 所示，設(shè)置有效的滑動區(qū)域，并且根據(jù)屏幕大小設(shè)置一個合理的滑動閾值，以防手指的微小滑動導致誤操作。具體操作流程如圖8 所示。

　　圖7 手指滑動區(qū)域

圖8 使用拇指滑動控制圖片的操作流程

　　當手指按下時，首先判斷按下點的坐標是否在設(shè)定的有效區(qū)域內(nèi)，再判斷抬起點的坐標是否在設(shè)定的有效區(qū)域內(nèi)。當手指按下點和抬起點都在有效范圍內(nèi)時，計算滑動距離，若滑動距離小于設(shè)定閾值，當作是無效觸摸，不做任何處理?；瑒泳嚯x大于設(shè)定的閾值且向左滑動，切換為上一張圖片；滑動距離大于設(shè)定的閾值且向右滑動，切換為下一張圖片。

　　4 結(jié)論

　　從顯示器、手機，到GPS、辦公設(shè)備、醫(yī)療監(jiān)控等各種設(shè)備，觸摸屏都正在快速地應用到各個領(lǐng)域。

　　觸摸屏具有極好的外觀，觸控效率高，還提供了較高的安全性能、抗惡劣氣候性能和耐磨性，利用多點觸控技術(shù)將開辟一個全新的、廣闊的市場。