柔性导电织物键盘设计

摘要：针对便携式电子设备及可穿戴计算机系统对柔性、可折叠、多功能输入设备的需求，采用导电织物结合触摸屏控制器开发一种织物键盘，对设备组成原理、传感器材料选取、键盘结构设计、控制程序编写等3个关键问题进行探讨。测试了4种导电织物的面电阻值，根据标准差率最小原则，选取面电阻值为2 646 Ω，标准差为114 Ω的织物作为传感器材料；根据五线式触摸屏控制电路的功能要求设计了全织物的5层键盘结构，其中2层为导电织物层，实现按压点位置与电压信号的转换。采用Cypress公司的软件开发包，USB接口协议，在Microsoft VS20 05开发环境下设计了计算机采集程序。经测试，织物键盘定位值的线性拟合R2值为0．999 5，提供了一种完全基于织物的高精度、柔性键盘解决方案。
关键词：导电织物；柔性；输入设备；表面电阻；触摸屏

0 引言
随着电子技术的快速发展，电子设备逐渐小型化、低功耗化、模块化，各种类型的便携设备如手机、MP3、PDA乃至超便携计算机不断涌现，并逐步融入大众的生活，成为人们获取、传输信息的主要手段。使用方捷、易于携带的输入设备成为提高信息输入效率、增强用户体验的关键，微型键盘、触摸屏、语音控制等技术的应用不断提高电子设备的人机交互性能。基于织物的输入设备由于采用织物作为主体，具有轻薄、柔软可折叠，便于与服装进行集成的优点而成为便携式输入设备的理想选择。
基于导电织物的柔性键盘一般分为开关原理的扫描式键盘及触摸屏原理的电阻式键盘2种。开关键盘采用导体或是银浆作为导电通路嵌入织物面料中，通过轮询扫描按压点的通断信息，判断按键位置，其结构和控制电路比较简单，功能也较为单一。同时，由于导体材料与织物面料力学特性存在差异，在折叠及受力情况下容易发生导体断裂、移位等现象，导致按键功能失效。采用电阻式触摸屏原理的织物输入设备用具有均匀表面电阻的导电织物代替通常触摸屏的透明氧化金属导电层作为传感器，对导电织物表面电阻值的一致性要求较高，必须选用表面电阻均匀的织物作为基材。同时，设备基于电阻分压原理设计，电压测量控制与位置计算也相对复杂，一般采用专用的芯片实现电路功能。与开关式键盘不同，触摸键盘属于连续型电压模拟量测量，原理上可以细分到控制芯片DA分辨率相同数量的按键数目，还可通过软件配合完成键盘、鼠标等多种自定义功能，具有更为广泛的用途。
信息化服装及可穿戴计算机是将信息处理设备穿戴在于人体身上，与人所穿的衣物相结合实现人与计算机之间自然、方便和有效的信息交互，因此需要将键盘、鼠标进行柔性化、织物化后与服装进行有效集成。针对信息化服装及可穿戴计算机要求输入方式灵活，特别是对鼠标控制功能的需求，传统扫描式按键已无法满足需求。设计基于导电织物的柔性输入键盘，对输入设备原理、导电织物面电阻分布规律、织物键盘结构、接口电路及程序设计等关键问题进行了探讨。

1 柔性输入设备的原理
基于电子织物的柔性输入设备组成如图1所示，主要由织物传感器、触屏控制电路、USB接口电路组成。其中，织物传感器采用具有一定表面电阻的导电织物材料作为核心，结合多层结构设计，将按压位置信号线性转换为对应电压信号；触屏控制电路包括标准电压生成、模／数转换、逻辑控制3大功能，基于电阻分压原理在导电织物表面形成标准的电压梯度，测量按压点的电压后进行模／数转换，生成数字信号向外输出；接口电路采用USB接口芯片，写入触屏控制电路参数，实时获取传感器输出数据，向主控设备传输；上位计算机接收数据后完成电压与按键位置的线性转换。

为简化系统设计，提高设备运行的可靠性，选用高度集成的5线制触摸屏控制芯片ADS7845实现标准电压的生成、数据采集处理及逻辑控制。芯片采用5 VUSB电源供电，生成的5 V参考电压输出管脚UR，LR，UL，LL与具有一定面电阻的织物材料的4角分别相连，织物表面形成横向及纵向的梯度电压。在按压状态下，位置点P处横向及纵向的电压通过wiper引脚分时刻进入芯片内部12位ADC，将模拟电压量化为数字信号。芯片接口电路将转换后的数据通过USB接口向计算机输出。计算机程序获取按压点电压值，与5 V参考比较，确定按压点在传感器中的相对坐标，从而确定其所在的具体位置及对应的控制符号，进而实现相应的控制操作。

2 导电织物电学性能的分析
作为织物键盘的核心部件，导电织物表面电阻值的均匀性与一致性是织物键盘实现的基础。导电织物一般采用镀银工艺或是高分子导电布料形成具有一定表面电阻的织物面料，用于抗静电及抑制电磁辐射等场合。由于纺织及织造工艺的限制，其织物不同区域表面电阻的差异非常大，均匀性较差，必须在使用前进行电学性能分析。