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触摸屏多点触摸技术揭秘

—— The Magic Behind Multi-Touch
作者:郑赞 赛普拉斯半导体时间:2008-11-28来源:电子产品世界

摘要:本文首先介绍多点触摸技术原理,然后介绍的物理结构,最后再对多点触摸关键技术——控制器进行介绍。
摘要:;多点触摸;手势;手指;TrueTouch

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/89891.htm

两种多点触摸技术

  多点触摸顾名思义就是识别到两个或以上手指的触摸。多点触摸技术目前有两种:Multi-Touch Gesture和Multi-Touch All-Point。通俗地讲,就是多点触摸识别手势方向和多点触摸识别手指位置。

识别手势方向

  我们现在看到最多的是Multi-Touch Gesture,即两个手指触摸时,可以识别到这两个手指的运动方向,但还不能判断出具体位置,可以进行缩放、平移、旋转等操作。这种多点触摸的实现方式比较简单,轴坐标方式即可实现。把ITO分为X、Y轴,可以感应到两个触摸操作,但是感应到触摸和探测到触摸的具体位置是两个概念。XY轴方式的触摸屏可以探测到第2个触摸,但是无法了解第二个触摸的确切位置。单一触摸在每个轴上产生一个单一的最大值,从而断定触摸的位置,如果有第二个手指触摸屏面,在每个轴上就会有两个最大值。这两个最大值可以由两组不同的触摸来产生,于是系统就无法准确判断了。有的系统引入时序来进行判断,假设两个手指不是同时放上去的,但是,总有同时触碰的情况,这时,系统就无法猜测了。我们可以把并不是真正触摸的点叫做“鬼点”,如图1所示。


图1 鬼点(无法分辨红点还是蓝点为真正的触摸)

识别手指位置

  Multi-Touch All-Point是近期比较流行的话题。其可以识别到触摸点的具体位置,即没有“鬼点”的现象。多点触摸识别位置可以应用于任何触摸手势的检测,可以检测到双手十个手指的同时触摸,也允许其他非手指触摸形式,比如手掌、脸、拳头等,甚至戴手套也可以,它是最人性化的人机接口方式,很适合多手同时操作的应用,比如游戏控制。Multi-Touch All-Point的扫描方式是每行和每列交叉点都需单独扫描检测,扫描次数是行数和列数的乘积。例如,一个10根行线、15根列线所构成的触摸屏,使用Multi-Touch Gesture的轴坐标方式,需要扫描的次数为25次,而多点触摸识别位置方式则需要150次。

  Multi-Touch All-Point基于互电容的检测方式,而不是自电容,自电容检测的是每个感应单元的电容(也就是寄生电容Cp)的变化,有手指存在时寄生电容会增加,从而判断有触摸存在,而互电容是检测行列交叉处的互电容(也就是耦合电容Cm)的变化,如图2所示,当行列交叉通过时,行列之间会产生互电容(包括:行列感应单元之间的边缘电容,行列交叉重叠处产生的耦合电容),有手指存在时互电容会减小,就可以判断触摸存在,并且准确判断每一个触摸点位置。


图2 互电容检测方式

触摸屏技术

  下面介绍一下触摸屏。触摸屏,简单讲就是输入和输出合二为一,不再需要机械的按键或滑条,显示屏就是人机接口。

  图3所示为一个触摸屏模组示意图,整个模组由LCD,触摸屏,触摸屏控制器,主CPU,LCD控制器构成。触摸屏和触摸屏控制器是整个模组的核心所在,所以我们会重点介绍这两个部分。


图3触摸屏模组示意图


图4感应电容触摸屏结构

  图4从上到下依次是:1表面护罩;2覆盖层;3掩膜层&标示层;4光学胶;5第一层感应单元与衬底;6光学胶;7第二层感应单元与衬底;8空气层或光学胶;9 LCD显示屏。

  表面护罩通常小于100um厚度。所有塑料覆盖层上面都需要硬护罩,这是因为手指触摸会划伤塑料表面,如果覆盖层是玻璃 可以不需要表面护罩,但玻璃必须经过化学加强或淬火处理,表面护罩需要与覆盖层进行光学匹配,以免光损失过多。

  覆盖层可以是0~3 mm厚,并不是所有的触摸屏都需要覆盖层,覆盖层越薄,越可以获得更高的信噪比和更好的感应灵敏度。常用材料有:聚碳酸脂、有机玻璃和玻璃。

  第三层是掩膜层与标示层,它的厚度大致是100mm。掩膜层位于覆盖物的下面,可以隐藏布线和LCD的边缘等。在设计中允许增加标示性文字或图标,不过标示物必须相当平整的压在ITO的衬底上,而且标示物材料应该是非导电的。

  第四层是光学胶,厚度约为25~200mm。光学胶越薄,信噪比越好,高介电常数(er)的光学胶可有更好的感应手指电容,从而也能获得更高的信噪比。通常应用 PSA压敏胶。

  第五层为感应单元与衬底,ITO涂层的厚度小于100nm,ITO涂层衬底可以是100 um ~1mm 的玻璃 (IR ~ 1.52)或是25mm ~ 300mm PET 薄膜 (IR ~ 1.65)。越厚的 ITO,单位面积电阻越低,信噪比越好;越薄的ITO ,透光率越好。衬底可以是薄膜或玻璃。如果ITO做在玻璃衬底的下表面,玻璃衬底可以作为表面覆盖物。

  第六层又是一层光学胶,与前一层光学胶比较,这一层光学胶越厚信噪比越好,这一层光学胶通常与ACA - 各向异性导电胶结合使用

  第七层也是感应单元与衬底,它与第一层衬底的材料相同。注意薄膜与玻璃不要混合使用。如果ITO 在衬底上表面,厚的衬底 可以获得更高的信噪比;如果ITO 在衬底的下表面,薄的衬底使信噪比更高。同样在边缘区域要求采用异向导电胶。现在已有单衬底工艺来简化生产和降低成本。

  第八层是空气或光学胶层,我们知道,空气的介电常数等于1,这可以减小来自LCD上表面的寄生电容。假如使用光学胶,可以使安装更坚固。需要使光学参数匹配可以使得光损失更小,需要选择尽可能最低介电常数的光学胶,还要保证ITO感应单元与LCD上表面之间的距离最小250mm。

  最后是LCD屏,对于触摸屏设计来说,它是一个噪声源,噪声来自于背光,LCD像素驱动控制信号,通常不要采用被动点阵屏,这会在LCD的正面产生高压信号,尽量使用带Vcom的有源点阵屏,这可构成虚地或屏蔽功能;如果确实需要采用被动点阵屏,需要在触摸屏中再增加一个ITO屏蔽层,屏蔽层必须接地, 以去除寄生电容CP的影响。

多点触摸屏控制器

  多点触摸屏控制器是触摸屏模组的核心,本文以Cypress的触摸屏控制器为例进行介绍。
Cypress的触摸屏控制器是Truetouch系列,它基于已经被广泛应用的PSoC(可编程系统芯片)技术。PSoC是集成了可编程模拟和数字外围以及MCU核的混合信号阵列,所以PSoC的灵活性、可编程性、高集成度等特性同样适用于Truetouch方案。

  TrueTouch方案是感应电容触摸屏方案。前面已介绍了这种触摸屏的结构。可以说LCD的厂家和种类有很多,感应器件也很多,玻璃、薄膜、ITO等,甚至ITO的模型也有多种。Truetouch基于PSoC技术,所以PSoC的灵活性使得它和众多的LCD和ITO都能很好配合。

  为什么Cypress的触摸屏控制器起名叫做Truetouch方案,或者是说这个“True”是怎么来的?回顾一下触摸屏的发展历程,从最初Single-touch—只能有一个手指进行触摸或滑动;后来Multi-touch gesture也产生了—可以识别到两个手指的方向,但还不能判断出他们的具体位置,可以进行缩放、平移、旋转等操作;发展到今天—Cypress的True touch可以做到Multi-touch all-point,可以识别到多个手指并判断出准确位置,是真正的多点触摸,这也是True的由来。

  Truetouch的产品系列可以分成三类,单点触摸, 多点触摸识别方向(multi-touch gesture)以及多点触摸识别位置( multi-touch all-point)。每一类又有各种型号,在屏幕尺寸、扫描速度、通讯方式、存储器大小、功耗等方面作了区别,可以满足不同的应用。Truetouch系列是基于PSoC技术的,所以这些器件可以使用简单方便但功能强大的PSoC designer软件环境进行设计。

  TrueTouch方案的价值主要体现在以下几个方面:保持了触摸屏固有的美观、轻、薄特点,可以使客户的产品脱颖而出;采用感应电容触摸屏技术,不需机械器件,更耐用;拥有完整的系列,从单点触摸,到多点触摸识别方向,再到多点触摸识别位置;基于PSoC技术,使用灵活,可以和众多的LCD和ITO配合使用;PSoC所有的价值在Truetouch里都能体现,例如灵活性,可编程性等等,可以缩短开发周期,使产品快速上市,还有集成度高,可以把很多外围器件集成到PSoC(即Truetouch产品),这样不仅可以降低系统成本以外,还可以降低总体功耗,提高电源效率。

结语

  本文介绍了多点触摸技术以及触摸屏和触摸屏控制器。可以说,触摸屏是人机接口的最终选择。不管是单点触摸,还是多点触摸识别方向,抑或多点触摸识别位置,它们在很多应用中都优势明显,例如手机、Mp3、GPS等等。这些产品本身就要求具有体积小便于携带的特点,如何能够使小体积产品发挥更多的功能,这就依赖于触摸屏的应用。

参考文献:
1. Edward Grivna, Designing Compelling User Interfaces with Multi-Touch All-Point Touchscreen Technology, Cypress Semiconductor
2. Edward Grivna, Touch Screen Essentials, Cypress Semiconductor
3. Yi Hang Wang, Practical considerations for capacitive touchscreen system design, Cypress Semiconductor
4. 王莹,全球首台触摸式波轮洗衣机诞生的背后,电子产品世界,2007.7
5. 中星微电子公司编,3G时代,从“芯”看来,电子产品世界,2008.9

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关键词: 触摸屏 200811

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