基于触摸按键的手写板设计

摘要：此设计在PCB上利用焊盘制作的触摸按键来构成触摸区域，实现触摸手写板的硬件设计。设计采用低功耗的MSP4302553作为手写板触摸检测核心，通过实验研究的方法，分析了PCB板上触摸按键尺寸和触摸板分辨率，按键到控制器的布线方式和距离，以及按键相互之间距离对手写检测的影响。在单个触摸按键准确检测的基础上，选择合适的参数完成了手写板设计，实现了对用户手写输入信息二值图像的准确获取。在PCB上设计触摸手写板，具有设计简单、造价低、耐磨损、不易损坏的特点。

传统手写板有电阻式、电容式、电磁压感式3类。电阻与电容式手写板分别通过阻值和容值的改变来判定用户输入;电磁压感式通过手写板上电后，表层电路在一定范围内产生的磁场与手写笔中产生的磁场形成互感完成对用户输入的检测。3类手写板都结合触摸屏作输入设备，难免有不能承受重压、耐磨性差、成本高的缺点。而直接在PCB上利用焊盘设计触摸按键构成手写板，实现电容式触摸手写输入，弥补了触摸屏输入在一些简单手写输入环境中的限制。

PCB板上手写板触摸按键区域的设计，借鉴矩阵键盘的结构方式。主控制器使用较少的I/O资源就可以实现手写板检测。控制器通过行列扫描手写触摸板上的触摸按键，并记录下各个触摸点状态，从而得到用户输入信息的二值图像。

1 单触摸点准确检测

1.1 触摸按键电容分布

电容式触摸按键的检测是通过一个张弛振荡器来完成的，当有触摸动作时按键电容值变大，张弛振荡器的振荡频率减小。主控制器通过检测张弛振荡的频率变化判定是否有触摸动作发生。

触摸按键电容分布如图1所示，无触摸时按键等效电容为C1=Cg∥Cp∥Ctr∥Ce;而有触摸时按键等效电容为C2=C1∥Cto。所以有触摸时按键的张弛振荡电容相对于无按键时变大，按键的振荡频率 相对无触摸时降低。

1.2 固定时间门变电极振荡按键检测

由于当有触摸动作发生时按键等效电容变大，所以在固定时间内按键的脉冲个数变小。从而通过检测两种情况下脉冲个数可以判断有无触摸动作发生。固定时间门变电极振荡的方式原理如图2所示。

分别记录等时间门Tgate内有无触摸时的张弛振荡器脉冲个数，可以得到脉冲个数的相对变化率为：

将η与参考相对变化率η0作比较就可以判断有无触摸动作。当η>η0时，说明电容明显增加，有触摸动作;当ηη0时，说明电容变化不明显，没有触摸动作。所以参考值η的值选取非常关键，直接决定了触摸按键的灵敏度和准确性。

1.3 单个按键检测的自适应算法

由于空气湿度、密度以及PCB上电路环境等因素的不稳定，没有按键按下时C1并非固定不变的，而存在一定的波动。所以，若Key_LVL=N无按键-N有按键值选取太小，即η0的选取太小，那么N无按键的变化就可能误判成有触摸动作;而Key_LVL的值选取过大，即η0大于有轻微触摸动作时的相对变化率，那么可能使触摸动作发生时不能被检测到，影响按键的灵敏度。Tgate内计数脉冲个数为N=Tgate/T，Tgate是给定的计数时间，T张弛振荡周期，则Key_LVL的表达式如下：

如果触摸按键所处的环境基本稳定，那么C1与 ，在Tgate时间给定后都是定值。但是，实际环境并不是稳定不变的，所以为了消除这些变化的因素对触摸检测的影响，基于自适应的思想对Key_LVL修改为：

Key_LVLi=Key_LVLi-1+△M[i(i-1)]。 (3)

其中△M[i(i-1)]。是每次判断参考的修正值，△M[i(i-1)]。

是前两次得到的Key_LVL作差所得的△Mi(i-1)。然而这种较少的比较结果的修正效果并不理想，受环境变化影响较大。于是记录前7次的Key_LVL值，并将相邻两次Key_LVL值做差，得到6次加权的差值，所以△M[i(i-1)]。的修正如下：

其中Ci-n是加权系数，表示各次比较的差值在△M[i(i-1)]。中所占权重。为了适应环境的改变，Ci-1…Ci-6依次减小，通过多次实验测试，系统设计中选取Ci-1=0.4，Ci-2=0.2，Ci-3=0.1，Ci-4=0.1，Ci-5=0.1，Ci-6=0.1，可使参考η0自动调整，减小环境因素的影响。根据大量实验测量设计中取η0=10%，可以较为准确的检测到触摸动作。

2 PCB上的手写板设计分析

在固定大小的PCB板上设计实现电容式手写板时，基本单元触摸按键是由两个分开的焊盘通过行列导线连接到控制器的两个I/O口上构成。手写板设计时主要考虑按键分辨率、触摸按键的尺寸、按键与按键之间的距离、按键与控制器之间导线的长度和布线等因素。这些参数的选取都会影响到手写板上用户输入信息检测的准确性。下面就分析每个因数对手写板的输入检测的影响程度，从而在PCB手写板设计选择合适的参数实现手写板的硬件设计。

2.1 按键分辨率与按键大小分析

手写板上按键的分辨率直接影响手写板对用户输入信息的检测，分辨率越大手写板对用户信息的获得的数字图像越准确，反之准确性越差。而手写板大小确定后，手写板上按键的分辨率与单个按键的面积呈反比的关系。而人体的触摸电容C=ε0εrs/d，随着按键面积的减小而减小。如果按键面积太小，触摸电容很小，触摸时的脉冲个数相对变化率小于η0，导致触摸板不能检测到按键的触摸动作;反之，触摸按键的面积过大，不仅会使手写板的分辨率减小，影响到手写板对用户输入信息检测的准确性，而且还可能使手写板出现触摸盲区，遗漏用户手写输入的信息。

在面积大小为10 cmx10 cm的PCB板上，利用焊盘制作尺寸不同的矩形触摸按键时，实验测得按键在有无按键时的张弛振荡脉冲数，如图3所示。

从图3中可以看出随着按键面积的变化，用户触摸时产生的触摸电容基本不变，但是电容C1和单个按键检测的脉冲相对变化率减小。所以触摸板的分辨率不能一直提高，当分辨率提高到某个点时，触摸动作产生时检测到的计数脉冲个数相对变化率ηη0，从而无法判断此时的触摸动作。因此，为了选择一个相对较高的分辨率，并且保证η>η0。此设计中手写板中单个触摸按键的尺寸选择为8 mmX8 mm，此时的脉冲相对变化率为12.3%>η0，可以检测到触摸动作。所以在10 cmx10 cm的手写板上按键分辨率选取8x8比较合适。

2.2 按键焊盘传输导线长度分析

传输导线给触摸按键带来寄生电容随着传输线的距离的变化关系如下式：

其中D为导线到地线的距离，d为导线的直径，L为导线的长度，ε0为真空介电常数。可以看出随着PCB板上制作的触摸按键到控制器的导线越长，则传输线电容越大。如图4所

示，为两个面积大小为8 mmx8 mm触摸按键0和1，在有无触摸动作发生时，所测得的脉冲个数和有无触摸动作时的脉冲个数差值随导线长度变化的曲线。

从图4可以看出触摸按键0和1的脉冲个数随着导线长度的增加基本上成线性减小的关系，这也满足式(5)的关系。而触摸动作发生时，变化的脉冲个数随导线据长度的增加基本保持在一个水平，所以随着导线长度的增加脉冲个数的相对变化率η也增加，但是不论导线的长度是多少都满足η>η0的触摸动作判决条件。

所以，PCB手写板的焊盘的导线长度对于人体接触的触摸电容检测并不会产生明显的影响。因此在大小为10 cmx10 cm左右的PCB板上设计电容式手写板，焊盘导线长度对于手写板的触摸检测不会产生明显的影响。

2.3 手写板上按键自由空间耦合电容分析

在触摸板上触摸按键和矩阵键盘的排列方式一样，行列导向成垂直走向。触摸按键之间的距离会引起横向和纵向按键的耦合电容产生明显的变化。PCB手写板设计需要找出横向和纵向按键之间的距离对按键电容量影响的变化规律。从而设计触摸按键时，确定按键之间应该预留的距离，使得一个按键触摸动作发生时，对周围按键的影响最小，从而提高手写板对手写输入信息检测的准确性。

如图5所示为手写板中4个不同位置的触摸按键发生触摸动作时，对x方向和y方向的触摸按键的影响测量数据曲线图。从图中曲线可以看出手写板上触摸点在x和y方向上，0到10 mm内成二次曲线快速的衰减，而在距离大于10 mm之后平缓的减小。说明在这种按行列式排列的触摸按键组成的手写板，要减小有触摸动作的按键对周围按键的影响，在横向和纵向按键之间的距离尽量的要保持在10 mm以上。从而在进行手写动作时，使被触摸点对周围按键的影响较小，尽可能的降低手相互影响产生不准确。

2.4 手写输入实验测试结果

通过实验研究分析在PCB板上利用焊盘制作的触摸按键构成的手写板的主要影响因素。确定在10 cmx10 cm的PCB板上制作分辨率为8x8的触摸手写板，每个触摸按键制作成大小为8 minx8 mim，行列之间的相互距离为2 mm的合适的参数后。在PCB上制作实现手写触摸板，控制器通过扫描横向和纵向的I/O口触摸电容对应的张弛振荡脉冲数，计算出每个按键的脉冲数相对变化率，并与选取的相对变化率进行比较，确定每个触摸按键的状态组成一幅数字图像。如图6所示，是PCB上手写板采集到的手写输入‘8’和‘S’时的二值数据图像。

从图6可得，PCB制作完成的触摸手写板可以较为准确的得到用户的手写输入数据的二值图像。进而，通过图像识别算法对二值图像进行处理实现手写字符识别，判断出手写板用户输入的字符信息，实现用户的手写输入。

3 结论

触摸按键手写板设计采用电容触摸的原理，在PCB上利用焊盘制作触摸按键来设计手写板输入设备。在实现了单个触摸按键准确检测的基础上，分析了在PCB上制作手写板制作时，单个触摸按键尺寸、按键到控制器的距离对手写检测的影响，以及在PCB上按键垂直布线时，按键横向和纵向距离对检测效果的影响。最后通过分析选取合适的参数，在10 cm×10 cm的PCB上实现手写板制作，并得到较为准确的手写输入字符的数字二值图像，完成了在PCB板上手写板的硬件设计。但是获得二值图像并没有完成手写板设计的全部任务，二值图像的识别还需要借鉴图像识别算法完成。