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如何轻松面对多点电容触摸屏的设计挑战

作者:翁小平时间:2011-09-21来源:电子产品世界

一. 引言

        多触点已经并且正在继续改变人们与手持设备之间的人机交互方式并给人们带来许多新的操作体验。从手机到、电子写字板、导航仪、电子游戏机和笔记本电脑等等无不纷纷抛弃原来的轻触按键,竞向选择多点来进行人机交互。尤其是I-Phone和I-Pad的横空出世,使多点深入人心。然而,多点电容触摸屏的设计并非轻而易举、唾手可得。严格地讲,多点电容触摸屏技术还并不是一个完全成熟的技术,它还是一个处于发展阶段并且不断发展不断完善的技术。对于一个多点电容触摸屏的设计者而言,在它面前仍然面临着诸多的设计挑战。本文介绍多点电容触摸屏设计有哪些设计挑战和如何使用TTSP方案来帮助设计者面对这些挑战,使多点电容触摸屏设计比以往更容易。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/123761.htm

二. 设计挑战

设计挑战一 

        来自多点电容触摸屏设计的第一个挑战是如何将由于手指触摸而产生的微小的互电容变化转化成数字信号并具有足够的分辨率。我们知道,一般地讲,多点触摸是基于互电容感应原理,而互电容是发射感应条与接受感应条在交叉点处的寄生电容,这个电容是非常的小,通常在0.2~4pF, 而手指触摸而产生的互电容的变化就更小了。对这种微小的互电容变化的检测,不仅需要有对电容变化高度灵敏的硬件检测电路以实现微弱模拟电量到数字信号的转换,同时也需要相应的软件来进行控制协调以保证在整个触摸屏上的每一点对手指触摸信号有足够高的灵敏度。

设计挑战二


         如何获得足够快的扫描时间是多点电容触摸屏设计的第二个挑战。对于一个M行和N列感应条的单点触摸屏,使用自电容扫描,它仅需要分别扫描M行和N列后就可以根据每一行和每一列信号来进行计算,定位手指在触摸屏上的坐标。它扫描感应条的次数是M+N次。当你使用多触点互电容扫描时,由于必须是行和列的交叉点扫描,所以它的扫描次数是MXN次扫描交叉点的次数。 对于一个10行20列的3.2寸屏,自电容扫描只需要10+20=30次,而互电容扫描却要10X20=200次。当触摸屏的尺寸越来越大时,扫描次数的增加越来越快。为了使用户有比较好的触摸体验,它需要每秒至少扫屏50次。 这就意味着每一个点的扫描加数据处理的时间必须少于100us, 这样才能保证有足够快的响应时间。而触摸屏的尺寸越大时,行和列数目就会越多,这个时间就更短。

设计挑战三
 
        触摸按键、触摸滑条和触摸板都使用铜箔作为触摸感应器,但触摸屏基本上都使用ITO(Indium Tin Oxides)材料作为触摸感应层。铜箔的电阻率极小,因而它的电阻几乎可以忽略不计。ITO透明而导电,但ITO却有比较高的电阻率。 通常在触摸屏上ITO的电阻率用方阻来表示,即一个单位方块的电阻是多少。 一般地,ITO的方块电阻从45~350欧姆不等,取决于触摸屏生产厂家的涂层工艺。由于ITO电阻的存在,使得在触摸屏上的每一个感应条的近端和远端会有3K~30K欧姆的电阻,这个电阻结合每一个感应条上的自电容所产生的RC延迟,就使感应条的近端和远端会对发射的信号有不同的响应时间或者充放电时间,进而导致在近端和远端的手指触摸信号有大小的不同。严重的情况,这种不同可以达到50%以上。如何消除或减少这个差异,是多点电容触摸屏设计的第三个挑战。虽然选择方阻更低的ITO涂层是减少这个差异最直接的方法,但通常方阻更低的ITO涂层的厚度会更厚,导致透明度的下降和成本的增加。对很多终端客户来讲是不可接受的。

设计挑战四 

        信噪比(SNR)是多点电容触摸屏设计中最重要的指标之一。对一个触摸屏来讲,有足够大的手指信号是远远不够的。事实上,触摸屏并非置身于象牙塔上,在它的周围有诸多的噪声源。比如,紧贴在它下面的LCD就是一个噪声源,不同的LCD甚至不同的显示画面,其噪声的大小和频谱都不一样。尤其是对有些AC Vcomm类型的LCD,它能够在LCD的表面产生高达15nA/mm2的电流噪声和1V以上的电压噪声。虽然一个ITO的屏蔽层被放在触摸屏的下面的方案被一些设计者所采用,  但屏蔽层的增加,导致触摸屏厚度的增加和成本的增加,也一定程度影响了可视性。并非所有的终端客户都可以接受。手机本身的射频信号和外界的电磁波也会对其产生干扰。当采用触摸屏的终端采用外部市电供电时,通过来自电网和电源适配器可能产生很大的共模噪声。还有使人感到棘手的充电器噪声,触摸屏及系统本身所产生的噪声如AD转换带来噪声、开关噪声以及电源噪声和ESD测试所使用的8千伏ESD噪声。在这么一个多噪声的环境中,如何使触摸屏系统对各种噪声源的噪声有很好的噪声免疫力获得足够高的信噪比是多点电容触摸屏设计的第四个挑战。

设计挑战五 

        手指定位精度是多点电容触摸屏设计的第五个挑战。现在的终端客户对手指在触摸屏上的定位精度要求越来越高,尤其在触摸屏边缘上定位精度。我们知道通常使用质心算法来实施手指的定位计算。然而由于电容触摸屏在边缘上的感应单元的不完整性和手指在边缘上先天地缺失半边的权重信号,在触摸屏的边缘仍然使用质心算法将带来较大的误差。因此,改进手指定位的算法,不仅适用于触摸屏的中间区域,同时适用于触摸屏的边缘区域使手指触摸的定位更准确是多点电容触摸屏设计必须面对的挑战。

设计挑战六  

        多点触摸手势识别和跟踪。多点电容触摸屏就是为了多点触摸和手势识别而设计的。一般使用最多可以识别十个手指的触摸。最常用的手势为一或二个手指的手势。它不仅要能识别单触点的十四种手势(上、下、左、右、左上、左下、右上、右下、左旋、右旋、单击、双击、点住和抬起),而且要能识别双触点的二十七种手势(双触点上移、双触点下移、双触点左移、双触点右移、双触点左上移、双触点左下移、双触点右上移、双触点右下移、、双触点缩小、双触点放大、双触单击、一触一上移、一触一下移、一触一左移、一触一右移、一触一左上移、一触一左下移、一触一右上移、一触一右下移、一触一左下左拐、一触一右下右拐、一触一右下左拐、一触一右上右拐、一触一Z形移、一触一三角移、一触一正方移和一触一画圆)。此外,在多于两个手指触摸时要能实时地跟踪这些手指的移动,赋予每一个触摸手指的临时识别代码不能搞错。它对手势识别算法的设计和芯片的运算速度都是一个实实在在的挑战。

设计挑战七 

        低功耗。任何使用电池供电的移动设备对其每一个功能单元设计的功耗要求都会非常苛刻,尤其是在当下的低碳时代。多点电容触摸屏作为移动设备中的一个功能单元当然也不会例外。要使多点电容触摸屏在完全激活的情况下功耗小于35mW、在待机的状态下功耗小于100uW并非是一件容易的事。如果一个多点电容触摸屏的设计不能达到这个要求,将会在激烈的市场竞争中处于非常不利的境地。 

设计挑战八 

        防水性能是衡量多点电容触摸屏设计性能的标志性指标。似乎使用互电容扫描的多点电容触摸屏具有天然的防水能力,它并不构成一个设计挑战。为什么这样说呢?因为使用自电容扫描的触摸屏,水滴和手指触摸产生的信号变化的方向是相同的,要将水滴从手指触摸中分辨出来颇费周折。而互电容扫描的触摸屏水滴和手指触摸产生的信号变化的方向正好是相反的,因为手指触摸使互电容减少,水滴却使互电容增加。这就给人这样一个感觉,使用互电容扫描的多点电容触摸屏具有天然的防水能力而不需要采用特别的措施去做防水处理。真实的情况并非如此简单,当水滴滴到互电容屏上时,确实不会也没有产生误触发,但当水滴被擦掉以后再用手指触摸原来的地方就不灵了。运气好的时候,过一段时间可以恢复到原先的手指触摸灵敏度。我们知道一个合格的产品是不允许这样的情况出现的,更不会去依赖好运气。因此如何解决因水而带来的手指触摸失效的问题是多点电容触摸屏设计的又一个挑战。事实上因水而带来的触摸失效的问题不仅仅指水滴,它还包括水膜和大片的水。

设计挑战九 

        怎样克服来自低档充电器的噪声是多点电容触摸屏设计的第九个挑战。尤其是在中国市场,大量的低档充电器被用户所选用。这类充电器所产生的噪声和其他噪声有两个特别的不同:第一是它的噪声在没有手指触摸时并不呈现出来,仅当触摸时才显现出来并且非常地强烈,使得一个有效的触摸变得很不稳定进而变得失效;其次是这个噪声是来自充电器并通过地线传到触摸屏系统的一种共模噪声,它很难通过普通的硬件滤波来滤掉,常用的数字滤波对它的滤波效果也不理想。所以必须有一种高级的滤波方法来对付这种低档充电器的噪声。

设计挑战十 

        信号的一致性(SD)。很多多点电容触摸屏的设计师会遇到这样一个问题,当他们的设计完成,样品测试手指触摸信号的强度满足要求。当他们将触摸屏组装进入整机,甚至准备批量生产时,一个不大不小的问题会突然出现在他们的面前:使用多点电容触摸屏的手持设备拿在手里时操作正常,但将它放在桌子上,触摸功能就不灵了。这就是信号的一致性问题,或者我们称之为信号的不一致性(Signal Disparity),简称之为SD。它是触摸屏在测试时或者拿在手里时的手指信号幅度和放在桌子上手指触摸信号的幅度不一致造成的。放在桌子上手指触摸信号的幅度会小于在测试时或者拿在手里时的手指信号幅度。当二者的幅度差足够大时,桌子上手指触摸信号的幅度时不时不能达到和超过手指信号阈值,一个有效的触摸就不能被捕捉到。这种信号的不一致性在多手指和大手指的情况下会变得非常厉害。如何解决信号的不一致性问题是多点电容触摸屏的设计第十个挑战。

        虽然上面罗列了多点电容触摸屏的设计的十个挑战,但事实上要满足客户越来越高的要求,多点电容触摸屏的设计还并不仅仅限于这十个挑战。譬如,为了得到更薄的触摸屏,一种将ITO感应层直接涂敷在顶层的玻璃上的层叠技术(简称为Sensor On Lens)已经并正在开始实施,这个屏紧贴在LCD屏上,使得LCD屏上的噪声影响在触摸屏上达到最大。这使多点电容触摸屏的设计面临更为严峻的挑战。还有,长时间以来不能在电容触摸屏上使用手写笔一直是电容触摸屏的设计的一个遗憾,也一直被广大的电容触摸屏用户们耿耿于怀。因为手写笔的笔尖太小,难以在电容屏上产生足够大的象手指触摸时所产生的偶合电容,它成为和电阻屏比较最大的先天不足。难道在电容触摸屏上就真的不能使用手写笔吗?难道多点电容触摸屏的设计者对此就真的束手无策、无能为力了吗?它不仅仅挑战多点电容触摸屏的设计者的技术水平,更多的是挑战他们的勇气和智慧!此外,多点电容触摸屏的设计还要面对触摸屏在使用过程中可能出现的细节问题,如,大手指的油炸圈效应;手机上触摸屏打电话时的脸庞的接近和贴近检测。当然,单芯片、小尺寸、最少的外围元件也是多点电容触摸屏设计方案所必须追求的性能。随着多点电容触摸屏朝着大尺寸屏方向发展,多点电容触摸屏设计将面对更多新的挑战……

三. TTSP方案轻松实现多点电容触摸屏的设计

        TTSP是TrueTouch Standard Product的缩写。它是Cypress为电容触摸屏应用而开发的标准产品。TTSP是基于PSoC并在其中嵌入了专门为多点电容触摸屏而设计的TTUM模块。就象PSoC一样,它也是一个真正的数模混合信号处理芯片。TTSP不仅包含了用于检测互电容和自电容的硬件电路模块,而且包括非常丰富的软件;在它的软件中,不仅包含用于控制和协调硬件电路工作的程序,而且包括各种各样的信号处理和多种算法程序,还有与主控芯片的通信程序和Bootloader程序。对于一个多点电容触摸屏设计而言,它是一个真正的单芯片解决方案。

1. 容易使用

        容易使用是TTSP方案的第一个特点。在TTSP方案中它不需要用户写一行代码。仅需要用户通过管脚定义和设置参数或选择参数就可以得到所有需要的代码。它大致可以分为三步完成这些设置。第一步在PSoC Designer 的开发平台上通过TTUM模块的Wizard Form设置触摸屏上感应器排和列的数目并且定义排和列上的每一个感应器到TTSP芯片上可以用作感应器发射或接受的管脚上。这种定义通过鼠标点击感应器在排和列中的序号并拖动鼠标到代表芯片管脚名称的方块上就可完成。见图1。
 

图1 定义感应器到芯片管脚

        在X和Y方向的最大分辨率也在此设定。在Wizard Form的其他选项夹中还可以选择一些与扫描密切相关的初始设定值,如扫描所使用的频率、一次转换中子转换的次数和一次子转换所使用的扫描信号的周期数等等。第二步在TTUM的参数表中设置参数。在TTUM的参数表中包括了象手指信号阈值、噪声阈值、最多可给出的手指数目、多种数字滤波器的选择等等各种各样的参数选择。第三步是选择通信协议和协议参数。通信协议包括I2C、SPI和UART。协议参数包括端口及端口号定义,通信速率等等。所有参数设置完毕,通过点击Generate/Building Project所有的代码就产生了。将其中的十六进制代码编程到TTSP芯片中,通过USB-I2C桥工具和TTUM模块所配带的调试软件TUNER就可以对触摸屏系统进行调试了。图2是使用TUNER调试的一个界面。
 

图2 使用TUNER调试的一个界面

2. 功能完备

        TTSP方案最多可提供十个手指的触摸检测,四个手指的连续跟踪,最多可以识别单触点的十四种手势和两个手指的二十七种手势。它不仅可以实施互电容扫描,也可以实施自电容扫描。事实上它还可以实施互电容和自电容的交替扫描,正是这种交替扫描的使用,使多点电容触摸屏的性能得到了提升。多点电容触摸屏的防水功能设计和手写笔的实现就是利用了互电容和自电容的交替扫描和选择性扫描。TTSP允许用户在同一个触摸屏项目中同时使用触摸按键,这对有些希望使用与触摸屏加分开的触摸按键的手机用户是非常有益的。TTSP所提供的调试功能也使多点电容触摸屏的开发变得更直观和容易。TTSP方案支持手写笔和接近检测使得它的功能显得更为完备。

3. 性能良好
 
        TTSP方案有不仅有足够高的灵敏度来检测手指的触摸,它也有足够高的灵敏度来检测手写笔的“触摸”和滑动。TTSP方案有很强的噪声免疫力,它不仅通过合理的硬件设计来减少输入噪声,更是针对各种各样的噪声开发了多种专门的滤波软件来消除噪声的影响。尤其是对于低档充电器噪声,它使用了专门为之开发的现在被命名为“盔甲”的滤波方法,对其噪声实施了有效的抑制。通过选择性地使用这些滤波器可以使TTSP具有足够高的信噪比。TTSP方案在触摸屏的中间区域的定位精度可以达到0.5mm,在触摸屏的边沿的定位精度可以小于1.5mm。TTSP方案也是低功耗的,在完全激活的情况下功耗小于35mW、在待机的状态下功耗小于100uW。TTSP方案更是单芯片、外围元件只有4~5只小电容、方便FPC布线的小体积高效率方案。

四.结束语
 
        虽然多点电容触摸屏设计有诸多设计挑战,但使用TTSP方案可以帮助设计者轻松面对这些挑战,使多点电容触摸屏设计比以往更容易、更快。

参考文献: 1. 带多点触控功能的电容式触摸屏方案 – 周永宏  世界电子元器件 - 2008(4)
2.触摸屏多点触摸技术揭秘  - 郑赞   电子产品世界   2008年11期

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