如何實現(xiàn)電容式觸摸屏的設(shè)計？設(shè)計時需考慮哪些問題？

電容式觸摸測試MCU靈活性

電容觸摸技術(shù)被應(yīng)用在廣泛的電子產(chǎn)品從智能手機(jī)，冰箱和汽車。在許多應(yīng)用中，電容式觸摸傳感器提供輸入到一個專用的控制器芯片。微控制器直接參與當(dāng)控制器集成為一個外圍設(shè)備的MCU模具。

不管在MCU是否具有傳感器/控制器電路集成在芯片上，或者如果觸摸傳感器信息是在一個專用設(shè)備，MCU必須處理，以達(dá)到令人滿意的用戶體驗的若干由電容觸摸輸入創(chuàng)建的問題。這些包括延遲(用于用戶及時響應(yīng))，準(zhǔn)確性及能源消耗。能耗是特別重要的電池供電設(shè)備。

MCU供應(yīng)商都提供了各種各樣的電容式觸摸解決方案，從專用外設(shè)與電容式觸摸傳感器的電池供電應(yīng)用的超低功耗接口。在回顧的解決方案，然而，電容式觸摸技術(shù)快速審查應(yīng)該是有幫助的。

電容式觸摸基礎(chǔ)知識

一般目前特殊設(shè)計的問題和電容式觸摸傳感器傳感器并沒有什么不同。多的復(fù)雜性是由于這樣的事實，即傳感器的電場的分布特性使它們的行為“集總元件”近似不準(zhǔn)確和誤導(dǎo)。為了解決這些問題，半導(dǎo)體公司已經(jīng)出版了許多應(yīng)用筆記，基本上提供規(guī)則 - 如果遵循 - 將導(dǎo)致一個成功的設(shè)計。本文將針對基本的考慮;了解一些基礎(chǔ)知識是必不可少的得到正確的方向開始的設(shè)計。

電容式觸摸傳感器都可以使用簡單的空間參數(shù)進(jìn)行大致分類：

零維傳感器單點聯(lián)系的回應(yīng)。一個簡單的按鈕是最常見的實現(xiàn)。

一維傳感器可以檢測手指的移動沿單一，線性軸。滑塊和滑輪是最流行的實現(xiàn)。

二維傳感器可以檢測手指的運(yùn)動沿兩個軸。觸摸屏和觸摸板都是很好的例子。

該技術(shù)是復(fù)雜得多，但是，一如既往，在設(shè)計最終用戶系統(tǒng)中的第一個重要步驟是選擇對應(yīng)于應(yīng)用程序的傳感器類型。

最基本的電容式觸控技術(shù)，一維和二維傳感器依賴于表面電容。所述面板的一側(cè)被涂覆有導(dǎo)電材料，而另一側(cè)是絕緣材料。一個小的電壓被施加到導(dǎo)電層以創(chuàng)建弱電場。當(dāng)導(dǎo)電手指或觸筆觸摸表面，電容器瞬間產(chǎn)生，這改變了電場。

該傳感器的控制器可以間接通過測量從四個角面板的電容的變化計算觸摸的位置。的電容變化較大，越接近觸摸是那個角落。表面電容技術(shù)具有相當(dāng)分辨率低且受引起的電容耦合的誤差。由于這些原因，它通常用于工業(yè)控制和亭。

投射電容式觸摸

投射電容式觸摸(PCT)技術(shù)更準(zhǔn)確，靈活的比使用表面電容。該導(dǎo)電層被蝕刻在X-Y柵格。有兩種類型的PCT傳感器技術(shù)：自電容和互電容。

在自電容感測，在XY網(wǎng)格的行和列獨(dú)立操作。位置由一個手指上的每個列或行的容性負(fù)載的相對位置來確定。創(chuàng)建一個強(qiáng)信號，但自電容感測不能準(zhǔn)確地解析多于一個手指，這可能會導(dǎo)致“鬼影”或放錯位置的位置感測。

互電容式傳感器具有一個電容器在每行和每列的交叉點。當(dāng)將電壓施加到行或列，甚至使手指或?qū)щ娪|針的傳感器的表面附近改變局部電場，降低了互電容。觸摸位置可以非常精確地通過測量電容變化在網(wǎng)格上的每個單獨(dú)的點來確定。互電容支持多點觸控操作，這意味著，多個手指的位置可以準(zhǔn)確地跟蹤在同一時間。

PCT是銷售點的需要，記錄簽名能力的設(shè)備一個受歡迎的傳感選項。然而，PCT性能可以負(fù)面在面板表面導(dǎo)電污跡的影響。塵埃附著在面板也可以是一個問題。

MCU供應(yīng)商設(shè)計產(chǎn)品系列正是為了處理傳感器的剛剛討論的類型。愛特梅爾，例如，開發(fā)的傳感器控制器系列的按鈕，滑塊和滑輪。該產(chǎn)品可作為無論是IP集成在Atmel的AVR或使用該公司的QTouch軟件庫Atmel基于ARM的MCU內(nèi)核的一個或作為特定應(yīng)用的設(shè)備。 QTouch軟件家族用于與自電容傳感器的設(shè)計。其QMatrix感應(yīng)控制器用于與互電容傳感器。愛特梅爾使得可舉家評估板。

德州儀器MSP430超值系列G2xx2 / 3 MCU的某些配置是專為電容式觸摸應(yīng)用而設(shè)計的。這些MCU包括電容式觸摸感應(yīng)IO的，使開發(fā)人員能夠使用，無需外部元件電容觸摸板直接連接。對于更復(fù)雜的應(yīng)用，公司的MSP430F51x2設(shè)備，如MSP430F5152IDAR，包括，提供4納秒的分辨率，它能使高精度觸摸感測了高性能的計時器。

許多IC公司具有電容式觸摸產(chǎn)品線。它們包括但不限于愛特梅爾，Cypress半導(dǎo)體公司，飛思卡爾半導(dǎo)體，Microchip的技術(shù)，恩智浦半導(dǎo)體，Silicon Labs公司和德州儀器。

設(shè)計注意事項

電容式觸摸應(yīng)用程序要求設(shè)計師要考慮的不僅僅是MCU。功率消耗是重要的，電池供電的設(shè)計，并經(jīng)過多按鈕被按下的時刻，并從系統(tǒng)的反應(yīng)之間(等待時間)的時間也是非常重要的。

其他因素也必須在光應(yīng)用程序的情況下使用的考慮。這包括環(huán)境光線的靈敏度(屏幕眩光)，成本，耐久性和最小/最大尺寸。所有這些標(biāo)準(zhǔn)的探索已經(jīng)超出了本文的范圍，但是2014年的分析由明尼蘇達(dá)州立大學(xué)出版的論文集ASEE(ASSE-NWMSC2014-1C1)包括一個表(圖1)，應(yīng)該是設(shè)計師的幫助。電阻式觸摸技術(shù)也被包括在分析中，因為它仍然是在廣泛使用，雖然一般不作為能夠作為電容性觸摸。這些技術(shù)都排的規(guī)模為0至5，用5是“最好的”和0是“最差”的表現(xiàn)。 PCT擁有最好的收視率，但整體表面電容技術(shù)，應(yīng)考慮對成本敏感的應(yīng)用和產(chǎn)品，更大的屏幕。

中心議題：

電容式觸摸屏系統(tǒng)設(shè)計要點

解決方案：

注意防護(hù)層(觸摸表面)是平面還是曲面

注意防護(hù)層非工作區(qū)(不透明區(qū))的邊沿寬度

注意保護(hù)層的使用材料

注意保護(hù)層底面與液晶顯示模塊(LCM)之間的距離

靜電放電(ESD)處理

隨著消費(fèi)移動通信設(shè)備越來越多地采用數(shù)字方式和集成更多的功能，對于設(shè)備的設(shè)計來說，開發(fā)直觀的創(chuàng)新型用戶接口(UI)方案變得更為重要。作為用戶接口設(shè)計的一部分，投射式電容觸摸屏有助于應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。

要設(shè)計一款成功的投射式電容觸摸屏系統(tǒng)，需要仔細(xì)考慮設(shè)備的機(jī)械設(shè)計、基底選擇和用戶接口，另外，在設(shè)計過程的所有階段都不能忘記在成本和技術(shù)之間進(jìn)行折衷。

與電阻式觸摸屏技術(shù)不同，投射式電容觸摸屏更易于處理手指的動作，特別是多點觸摸的用戶輸入。電阻技術(shù)需要依靠手指壓力使觸摸屏的多個機(jī)械層產(chǎn)生電氣接觸。

這種操作方法會影響手指滑動的流暢性和手勢操作的靈巧性。另外，電阻式觸摸屏的多層機(jī)械結(jié)構(gòu)易于因重復(fù)使用而較早產(chǎn)生磨損。

用投射式觸摸屏實現(xiàn)的幾種常見的多點觸摸手勢包括手指的張合、縮放、雙指的滑動和旋轉(zhuǎn)。它們可以快速方便地處理數(shù)據(jù)、內(nèi)容和用戶參數(shù)。便攜游戲和文本/電子郵件應(yīng)用也可以利用多點觸摸技術(shù)。在一個多指觸摸過程中，多觸點APA(全點可尋址)模式可以精確地測定每個手指所按壓的坐標(biāo)位置。

不用先按Shift更換字符集然后再輸入實際字符，多點觸摸可以同時點擊Shift+實際字符。多點觸摸方式在GPS導(dǎo)航中也有廣泛的應(yīng)用。不用輸入起始地和目的地，APA可在屏幕上實現(xiàn)目標(biāo)位置的選擇，讓人們更快地到達(dá)目的地。圖1演示了多點觸摸操作可能出現(xiàn)的一些情況。

要評價一個設(shè)備的機(jī)械設(shè)計，必須解決幾個關(guān)鍵問題：

1.防護(hù)層(觸摸表面)是平面還是曲面?

通常建議把電容式觸摸屏安裝在平板式觸摸表面上。曲面會增加復(fù)雜性。要實現(xiàn)魯棒的電容式觸摸設(shè)計，透明的觸摸傳感器必須整齊地夾在防護(hù)層的下面。因壓合不均勻而產(chǎn)生的任何氣泡都會降低觸摸性能并影響產(chǎn)品的美觀。

曲面防護(hù)層只能以PET(聚脂)作為觸摸傳感器的基底。塑料傳感器可通過彎曲來適應(yīng)防護(hù)層的外形。如果必須使用曲面的防護(hù)層，從反射的角度看，建議曲率不超過45度。曲率增大會增加壓合工藝的難度，并可能損壞ITO(氧化銦錫)圖案，進(jìn)而可能會影響成品率。

使用壓敏粘合劑(PSA)來實現(xiàn)壓合較為便宜，但它不能用于曲面防護(hù)層。要保證更好的壓合完整性，可能須使用更為昂貴的UV固化粘合劑。UV粘合劑價格昂貴，但使用方便、粘合層薄，并具有非常高的光學(xué)品質(zhì)(透明度大于95%)。

2.防護(hù)層非工作區(qū)(不透明區(qū))的邊沿寬度為多少?

對尺寸小于4英寸(10厘米)的觸摸屏，觸摸屏的邊沿寬度，在觸摸傳感器尾線一側(cè)應(yīng)不窄于10mm,與尾線側(cè)毗鄰的兩側(cè)應(yīng)不窄于3mm.這個邊沿空間用于隱藏把透明的ITO圖案鏈接到控制電路的非透明銀質(zhì)箔線并隱藏控制電路本身。對于使用玻璃基底的觸摸屏，邊沿的寬度或許可以做得更窄，但仍建議使用上述指導(dǎo)原則。圖2描述了這些指導(dǎo)原則。