在觸摸式用戶界面中實(shí)現(xiàn)觸覺(jué)技術(shù)

　　電容式觸摸界面正在逐步取代消費(fèi)、汽車、工業(yè)與醫(yī)療應(yīng)用中的機(jī)械開(kāi)關(guān)、旋鈕與調(diào)諧鈕。電容式觸摸傳感器由于其美觀、更高可靠性和更低生產(chǎn)/加工成本而大受歡迎。另外，由于不存在容易發(fā)生故障的機(jī)械組件，因此基于電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)的用戶界面能夠改善用戶體驗(yàn)和延長(zhǎng)產(chǎn)品使用壽命。

　　但是，由于電容式觸摸傳感器不具備機(jī)械按鈕與開(kāi)關(guān)那樣的觸覺(jué)反饋，因此，從機(jī)械按鈕、旋鈕與調(diào)諧鈕轉(zhuǎn)變到電容式觸摸界面會(huì)給設(shè)計(jì)人員帶來(lái)挑戰(zhàn)。以在鍵盤(pán)上打字的體驗(yàn)為例。在按下和釋放某個(gè)鍵后，由于彈簧的作用它可以彈起。我們可以通過(guò)手指感受到鍵彈回的力量，從而確認(rèn)已完成按鍵操作。而采用電容式觸摸界面無(wú)法提供內(nèi)在的機(jī)械反饋，所以用戶無(wú)法獲得與機(jī)械鍵相同的感受。由于主要目的是改善用戶體驗(yàn)，因此缺乏觸覺(jué)反饋會(huì)給設(shè)計(jì)人員帶來(lái)挑戰(zhàn)。開(kāi)發(fā)人員可以借助觸覺(jué)技術(shù)提供觸覺(jué)反饋、改善用戶體驗(yàn)和增加產(chǎn)品價(jià)值。

　　圖1：在手機(jī)中實(shí)現(xiàn)的、用于提供觸覺(jué)反饋的觸覺(jué)技術(shù)示例。

　　觸覺(jué)技術(shù)是利用人的觸覺(jué)提供反饋、通過(guò)向用戶提供壓力、振動(dòng)或運(yùn)動(dòng)感受的觸覺(jué)反饋技術(shù)。觸覺(jué)技術(shù)的一個(gè)簡(jiǎn)單例子就是手機(jī)和平板電腦中采用的振動(dòng)提醒。當(dāng)手機(jī)進(jìn)入振動(dòng)模式后，在有來(lái)電或消息時(shí)手機(jī)會(huì)采用促動(dòng)器振動(dòng)提醒用戶，用戶甚至無(wú)需查看屏幕。

　　圖2舉例說(shuō)明了在電容式觸摸系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的觸覺(jué)技術(shù)。其中，當(dāng)用戶觸摸電容式觸摸界面時(shí)就會(huì)啟動(dòng)促動(dòng)器產(chǎn)生振動(dòng)。用戶的手指感覺(jué)到振動(dòng)后可確認(rèn)觸摸操作。通過(guò)控制施加到促動(dòng)器的電壓與頻率可以產(chǎn)生不同的觸摸反饋效果，如：?jiǎn)螕襞c雙擊。

　　圖2：觸覺(jué)技術(shù)的工作原理

????? 在觸摸式用戶界面中實(shí)現(xiàn)觸覺(jué)技術(shù)：

　　圖3舉例說(shuō)明了在觸摸式用戶界面中實(shí)現(xiàn)的觸覺(jué)反饋。此系統(tǒng)由以下組件構(gòu)成：

　　? 觸摸界面

　　? 觸摸感應(yīng)控制器

　　? 觸覺(jué)處理器

　　? 促動(dòng)器

　　? 促動(dòng)器驅(qū)動(dòng)器

　　圖3：觸覺(jué)系統(tǒng)方框圖

????? 觸摸界面：觸摸界面是用戶與系統(tǒng)進(jìn)行互動(dòng)的區(qū)域。它由觸摸敏感型傳感器組成。觸摸界面可以是觸摸屏、觸摸按鍵或者兼而有之。例如，在手機(jī)應(yīng)用中，觸摸界面是LCD顯示屏上面的透明觸摸屏。在家用電器應(yīng)用中，觸摸界面則采用FR4/FPC PCB上的銅覆層。

　　觸摸感應(yīng)控制器：觸摸感應(yīng)控制器可以探測(cè)手指觸摸動(dòng)作或者手指在觸摸表面上的觸摸位置。對(duì)于觸摸屏而言，觸摸控制器可以把觸摸坐標(biāo)發(fā)送到應(yīng)用處理器進(jìn)行處理。對(duì)于觸摸按鍵而言，觸摸控制器則向應(yīng)用處理器發(fā)送開(kāi)/關(guān)狀態(tài)信息。觸摸控制器的實(shí)例包括賽普拉斯的TrueTouch?與CapSense?控制器。

　　觸覺(jué)處理器：觸覺(jué)處理器由控制軟件以及可生成觸覺(jué)波形驅(qū)動(dòng)促動(dòng)器的算法構(gòu)成。觸覺(jué)處理器可以采用以下方式實(shí)現(xiàn)：

　　? 與應(yīng)用處理器/MCU集成

　　? 采用獨(dú)立處理器

　　? 與觸摸控制器集成

　　? 與促動(dòng)器驅(qū)動(dòng)IC集成

　　? 與應(yīng)用處理器/MCU集成的觸覺(jué)處理器：在應(yīng)用處理器/MCU具有適當(dāng)處理帶寬和硬件資源的應(yīng)用中，觸覺(jué)處理器可以按圖3所示方法進(jìn)行集成。此方法無(wú)需專用的觸覺(jué)處理器，因此能夠降低BOM成本和節(jié)省板級(jí)空間。

　　為了產(chǎn)生不同的觸覺(jué)效果，設(shè)計(jì)人員可以開(kāi)發(fā)定制軟件，也可以獲得觸覺(jué)軟件供應(yīng)商的軟件許可。開(kāi)發(fā)定制觸覺(jué)軟件需要大量設(shè)計(jì)工作、時(shí)間和附加成本。但是，定制觸覺(jué)軟件的優(yōu)勢(shì)在于設(shè)計(jì)人員能夠按照其最終應(yīng)用需求優(yōu)化觸覺(jué)效果。

　　為了減少設(shè)計(jì)工作和時(shí)間，設(shè)計(jì)人員可以獲取供應(yīng)商的觸覺(jué)軟件許可，也可以采用支持觸覺(jué)軟件的控制器。一個(gè)采用內(nèi)置觸覺(jué)軟件庫(kù)的MCU實(shí)例就是賽普拉斯的PSoC1控制器。

　　? 與獨(dú)立處理器集成的觸覺(jué)處理器：在應(yīng)用處理器/MCU不具備集成觸覺(jué)處理功能所需的帶寬或資源的應(yīng)用中，可以采用獨(dú)立處理器/MCU作為觸覺(jué)處理器。在大多數(shù)情況下都不會(huì)采用這種方法，因?yàn)槠洳坏黾映杀荆視?huì)占用更多板級(jí)空間。

　　? 與觸摸控制器集成的觸覺(jué)處理器：此外，有些觸摸感應(yīng)控制器也會(huì)集成觸覺(jué)處理器。例如，賽普拉斯的CapSense控制器具有可靠的電容式觸摸感應(yīng)硬件，而且采用Immersion的TouchSense觸覺(jué)庫(kù)提供觸覺(jué)反饋。設(shè)計(jì)人員可以采用觸覺(jué)庫(kù)在其觸摸界面中快速實(shí)現(xiàn)觸覺(jué)反饋。在觸摸控制器中集成觸覺(jué)處理器能夠降低應(yīng)用處理器/MCU的負(fù)載，同時(shí)提供低成本實(shí)現(xiàn)方案。

　　? 與促動(dòng)器驅(qū)動(dòng)器集成的觸覺(jué)處理器：有少數(shù)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)IC提供集成型觸覺(jué)處理器。此方法適用于需要在現(xiàn)有觸摸用戶界面中實(shí)現(xiàn)觸覺(jué)反饋的情況。采用在現(xiàn)有觸摸界面中具備集成觸覺(jué)處理器的促動(dòng)器驅(qū)動(dòng)IC可以最大限度地減少應(yīng)用處理器/MCU固件和電路板設(shè)計(jì)所需的修改工作。應(yīng)用處理器能夠向促動(dòng)器驅(qū)動(dòng)IC發(fā)送相應(yīng)的觸覺(jué)波形生成指令。

　　促動(dòng)器：促動(dòng)器是用于產(chǎn)生振動(dòng)并且向用戶提供觸摸反饋的機(jī)電組件。促動(dòng)器的輸入由觸覺(jué)處理器提供。促動(dòng)器與觸摸式用戶界面集成在一起，以便在促動(dòng)器獲得輸入時(shí)使設(shè)備產(chǎn)生振動(dòng)。

　　觸覺(jué)系統(tǒng)可以采用各種促動(dòng)器。最常用的包括：

　　? 偏心旋轉(zhuǎn)質(zhì)量(ERM)促動(dòng)器 – ERM促動(dòng)器是一種電機(jī)軸附帶偏移質(zhì)量塊的直流電機(jī)，如圖4所示。由于電機(jī)軸附帶偏移質(zhì)量塊，因此在電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)偏移質(zhì)量塊具有不均勻的向心力，從而產(chǎn)生一個(gè)凈離心力。該離心力會(huì)造成電機(jī)的位移。由于電機(jī)與設(shè)備連接，因此電機(jī)位移會(huì)造成整個(gè)設(shè)備振動(dòng)。ERM電機(jī)的輸入是DC電壓。ERM電機(jī)的輸入電壓范圍為1~10V，而工作電流范圍是130~160mA。工作頻率范圍是90~200Hz。ERM電機(jī)成本低，但是能夠提供強(qiáng)勁振動(dòng)。不過(guò)，其響應(yīng)時(shí)間非常長(zhǎng)(40~80ms)，因此不適合高質(zhì)量觸覺(jué)反饋。ERM電機(jī)可在手機(jī)中用于提供簡(jiǎn)單的觸覺(jué)效果，如：振動(dòng)提醒。

　　圖4：ERM制動(dòng)器結(jié)構(gòu)

　　
?????? ? 線性諧振促動(dòng)器(LRA)– LRA由可動(dòng)質(zhì)量塊、永磁體、音圈和振動(dòng)彈簧組成，如圖5所示。在音圈獲得正弦輸入時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生與永磁體相互作用的磁場(chǎng)，從而造成其線性運(yùn)動(dòng)。永磁體推動(dòng)可動(dòng)質(zhì)量塊上下運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生振動(dòng)?？蓜?dòng)質(zhì)量塊連接的彈簧使其返還初始位置。LRA的輸入是正弦波。LRA的工作電壓范圍是2.5~10V，工作電流范圍是65~70mA。LRA電機(jī)的典型工作頻率(諧振頻率)是175Hz。與ERM相比，LRA響應(yīng)時(shí)間更短(20~30ms)，而且能夠提供更精確、更溫柔的振動(dòng)。LRA常用于在手機(jī)中提供虛擬鍵盤(pán)按鍵操作時(shí)的觸摸反饋。

　　圖5：LRA促動(dòng)器結(jié)構(gòu)