從控制器角度談感應(yīng)電容觸控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

作者：時(shí)間：2011-07-31 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)

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  技術(shù)方案與實(shí)用技巧

自2007年iPhone出現(xiàn)后，感應(yīng)電容觸摸屏的應(yīng)用范圍就在不斷擴(kuò)大。盡管如此，真正把感應(yīng)電容觸摸屏集成到設(shè)備中仍存在著很大的挑戰(zhàn)，尤其在液晶顯示器(LCD)、外圍器件產(chǎn)生干擾及嘈雜的環(huán)境中。有效的解決方案之一是使用高信噪比(SNR)的觸摸屏 控制器來(lái)對(duì)抗噪聲。一個(gè)高信噪比控制器還會(huì)有其它優(yōu)勢(shì)，下面將會(huì)詳細(xì)描述。

SNR定義為信號(hào)(有用的信息)和噪聲(無(wú)用信號(hào))的功率比。如果信號(hào)和噪聲在相同的負(fù)載下測(cè)量，SNR可以通過(guò)計(jì)算幅度均方根(RMS)的平方獲得。功率比的值(PS/PN)通常很大，通常用對(duì)數(shù)(dB)來(lái)描述。SNR可以表示為：

從控制器角度談感應(yīng)電容觸控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

高SNR意味著測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度比背景噪聲高。

整體觸控性能

主要由兩個(gè)器件決定整體觸控性能：觸摸屏傳感器和觸摸屏控制器。觸摸屏傳感器種類繁多，它們的名稱形象的說(shuō)明了其形狀和結(jié)構(gòu)，例如三角形、菱形、雪花形、條形等等。例如，“菱形”是菱形的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，而“條形”是行列交叉的網(wǎng)格，像一個(gè)城市的街道。一些傳感器類型使用一層ITO，而其它的則需要兩層或三層，這決定于所需的系統(tǒng)性能和觸摸屏控制器芯片。

通常要根據(jù)觸摸屏控制器結(jié)構(gòu)來(lái)決定觸摸屏傳感器樣式和層結(jié)構(gòu)(“堆疊”)以最大化SNR。例如，在單層互容帶有交叉(搭橋)的菱形樣式中，觸摸屏表面到ITO的X層和Y層的距離是一樣的，這降低了增益誤差并使行和列的SNR很接近。盡管如此，仍需要增加一層屏蔽層防止傳感器受到LCD噪聲干擾。使用高SNR的觸摸屏控制器可以降低觸摸屏傳感器的成本，放寬設(shè)計(jì)限制，使用更多的樣式和層結(jié)構(gòu)。正如下面將要討論的一樣，高SNR觸摸屏控制器還可提供額外的好處，例如較容易找到觸摸中心，降低了觸摸屏對(duì)環(huán)境噪聲的靈敏度，并允許使用手套或尖導(dǎo)電筆。

控制器架構(gòu)

自容式和互容式[1]是兩種主要的電容觸摸屏感應(yīng)檢測(cè)技術(shù)，自容式和互容式的特性簡(jiǎn)單歸納如下：

自容式

●今天仍在使用的早期技術(shù)。

●受限于“鬼點(diǎn)”(相對(duì)于真實(shí)觸摸位置的錯(cuò)誤觸摸位置)，通常為一點(diǎn)觸摸或兩點(diǎn)觸摸。

●菱形樣式最普遍。

●對(duì)LCD噪聲抑制較差。

●簡(jiǎn)單，低成本控制器。

互容式

●正在攻占市場(chǎng)的新一代設(shè)計(jì)。

●真正的兩點(diǎn)或多點(diǎn)觸摸。

●較高的精度。

●傳感器樣式設(shè)計(jì)更加靈活，這有助于最大化SNR。

●較好的噪聲抑制。

●更復(fù)雜，高成本控制器。

很多應(yīng)用僅需要一個(gè)或兩個(gè)觸點(diǎn)，因此自容方案更有吸引力，尤其當(dāng)用戶界面的觸摸位置可控以消除“鬼點(diǎn)”的時(shí)候。自容方案的典型SNR超過(guò)30dB，通常需要在LCD和傳感器的觸摸層底部之間增加屏蔽層，這會(huì)增加成本，降低顯示亮度。

其它技術(shù)可被用到自容方案以進(jìn)一步提高SNR。這包括(a)增加每通道的采樣數(shù)；(b)增加傳感器驅(qū)動(dòng)電壓，這增加了固定噪聲(如來(lái)自LCD的噪聲)下的信號(hào)幅度；(c)在不同頻率采樣以避免固定頻率干擾，如避開(kāi)60Hz(這被稱為“頻率抖動(dòng)”)。盡管如此，該技術(shù)通常會(huì)降低幀率，增加功耗，這兩樣都是不希望的。

從以上討論中可以很清楚地看出，為了最大化SNR并支持兩點(diǎn)或多點(diǎn)的觸摸，互容式是最有希望的感應(yīng)檢測(cè)技術(shù)。圖1的系統(tǒng)框圖歸納了互容式的實(shí)現(xiàn)方法，即把一個(gè)激勵(lì)信號(hào)加在觸摸屏傳感器電容的一極，把另一極連接到觸摸屏控制器的模擬前端(AFE)，AFE的輸出被轉(zhuǎn)化成數(shù)字格式并在數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)中進(jìn)行進(jìn)一步處理。

圖1. 互容式系統(tǒng)框圖

設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

當(dāng)把電容觸摸屏傳感器集成到觸控設(shè)備中時(shí)會(huì)遇到很多技術(shù)挑戰(zhàn)。下文所述情況均可受益于高SNR的觸摸屏控制器。

傳感器層設(shè)計(jì)：如今存在各種各樣的觸摸屏傳感器層結(jié)構(gòu)，分別對(duì)應(yīng)材料、厚度、性能和成本的不同要求。如圖2所示。而單層還是多層襯底，“向上”還是“向下”架構(gòu)，X和Y層厚度的變化，透光膠(OCA)厚度的變化以及其它因素都會(huì)影響傳感器產(chǎn)生的信號(hào)幅度。由于高SNR觸摸屏控制器可以處理較寬動(dòng)態(tài)范圍的觸摸屏傳感器信號(hào)，結(jié)構(gòu)差異引起的影響會(huì)被削弱。這就給了設(shè)計(jì)者更多的自由去選擇傳感器層結(jié)構(gòu)。