摘要：此設(shè)計在PCB上利用焊盤制作的觸摸按鍵來構(gòu)成觸摸區(qū)域，實現(xiàn)觸摸手寫板的硬件設(shè)計。設(shè)計采用低功耗的MSP4302553作為手寫板觸摸檢測核心，通過實驗研究的方法，分析了PCB板上觸摸按鍵尺寸和觸摸板分辨率，按鍵到控制器的布線方式和距離，以及按鍵相互之間距離對手寫檢測的影響。在單個觸摸按鍵準(zhǔn)確檢測的基礎(chǔ)上，選擇合適的參數(shù)完成了手寫板設(shè)計，實現(xiàn)了對用戶手寫輸入信息二值圖像的準(zhǔn)確獲取。在PCB上設(shè)計觸摸手寫板，具有設(shè)計簡單、造價低、耐磨損、不易損壞的特點。
傳統(tǒng)手寫板有電阻式、電容式、電磁壓感式3類。電阻與電容式手寫板分別通過阻值和容值的改變來判定用戶輸入;電磁壓感式通過手寫板上電后，表層電路在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生的磁場與手寫筆中產(chǎn)生的磁場形成互感完成對用戶輸入的檢測。3類手寫板都結(jié)合觸摸屏作輸入設(shè)備，難免有不能承受重壓、耐磨性差、成本高的缺點。而直接在PCB上利用焊盤設(shè)計觸摸按鍵構(gòu)成手寫板，實現(xiàn)電容式觸摸手寫輸入，彌補了觸摸屏輸入在一些簡單手寫輸入環(huán)境中的限制。
PCB板上手寫板觸摸按鍵區(qū)域的設(shè)計，借鑒矩陣鍵盤的結(jié)構(gòu)方式。主控制器使用較少的I/O資源就可以實現(xiàn)手寫板檢測?？刂破魍ㄟ^行列掃描手寫觸摸板上的觸摸按鍵，并記錄下各個觸摸點狀態(tài)，從而得到用戶輸入信息的二值圖像。
1 單觸摸點準(zhǔn)確檢測
1.1 觸摸按鍵電容分布
電容式觸摸按鍵的檢測是通過一個張弛振蕩器來完成的，當(dāng)有觸摸動作時按鍵電容值變大，張弛振蕩器的振蕩頻率減小。主控制器通過檢測張弛振蕩的頻率變化判定是否有觸摸動作發(fā)生。
觸摸按鍵電容分布如圖1所示，無觸摸時按鍵等效電容為C1=Cg∥Cp∥Ctr∥Ce;而有觸摸時按鍵等效電容為C2=C1∥Cto。所以有觸摸時按鍵的張弛振蕩電容相對于無按鍵時變大，按鍵的振蕩頻率 相對無觸摸時降低。
1.2 固定時間門變電極振蕩按鍵檢測
由于當(dāng)有觸摸動作發(fā)生時按鍵等效電容變大，所以在固定時間內(nèi)按鍵的脈沖個數(shù)變小。從而通過檢測兩種情況下脈沖個數(shù)可以判斷有無觸摸動作發(fā)生。固定時間門變電極振蕩的方式原理如圖2所示。
分別記錄等時間門Tgate內(nèi)有無觸摸時的張弛振蕩器脈沖個數(shù)，可以得到脈沖個數(shù)的相對變化率為：
將η與參考相對變化率η0作比較就可以判斷有無觸摸動作。當(dāng)η>η0時，說明電容明顯增加，有觸摸動作;當(dāng)η<η0時，說明電容變化不明顯，沒有觸摸動作。所以參考值η的值選取非常關(guān)鍵，直接決定了觸摸按鍵的靈敏度和準(zhǔn)確性。
1.3 單個按鍵檢測的自適應(yīng)算法
由于空氣濕度、密度以及PCB上電路環(huán)境等因素的不穩(wěn)定，沒有按鍵按下時C1并非固定不變的，而存在一定的波動。所以，若Key_LVL=N無按鍵-N有按鍵值選取太小，即η0的選取太小，那么N無按鍵的變化就可能誤判成有觸摸動作;而Key_LVL的值選取過大，即η0大于有輕微觸摸動作時的相對變化率，那么可能使觸摸動作發(fā)生時不能被檢測到，影響按鍵的靈敏度。Tgate內(nèi)計數(shù)脈沖個數(shù)為N=Tgate/T，Tgate是給定的計數(shù)時間，T張弛振蕩周期，則Key_LVL的表達(dá)式如下：
如果觸摸按鍵所處的環(huán)境基本穩(wěn)定，那么C1與 ，在Tgate時間給定后都是定值。但是，實際環(huán)境并不是穩(wěn)定不變的，所以為了消除這些變化的因素對觸摸檢測的影響，基于自適應(yīng)的思想對Key_LVL修改為：
Key_LVLi=Key_LVLi-1+△M[i(i-1)]。 (3)
其中△M[i(i-1)]。是每次判斷參考的修正值，△M[i(i-1)]。
是前兩次得到的Key_LVL作差所得的△Mi(i-1)。然而這種較少的比較結(jié)果的修正效果并不理想，受環(huán)境變化影響較大。于是記錄前7次的Key_LVL值，并將相鄰兩次Key_LVL值做差，得到6次加權(quán)的差值，所以△M[i(i-1)]。的修正如下：
其中Ci-n是加權(quán)系數(shù)，表示各次比較的差值在△M[i(i-1)]。中所占權(quán)重。為了適應(yīng)環(huán)境的改變，Ci-1…Ci-6依次減小，通過多次實驗測試，系統(tǒng)設(shè)計中選取Ci-1=0.4，Ci-2=0.2，Ci-3=0.1，Ci-4=0.1，Ci-5=0.1，Ci-6=0.1，可使參考η0自動調(diào)整，減小環(huán)境因素的影響。根據(jù)大量實驗測量設(shè)計中取η0=10%，可以較為準(zhǔn)確的檢測到觸摸動作。
2 PCB上的手寫板設(shè)計分析
在固定大小的PCB板上設(shè)計實現(xiàn)電容式手寫板時，基本單元觸摸按鍵是由兩個分開的焊盤通過行列導(dǎo)線連接到控制器的兩個I/O口上構(gòu)成。手寫板設(shè)計時主要考慮按鍵分辨率、觸摸按鍵的尺寸、按鍵與按鍵之間的距離、按鍵與控制器之間導(dǎo)線的長度和布線等因素。這些參數(shù)的選取都會影響到手寫板上用戶輸入信息檢測的準(zhǔn)確性。下面就分析每個因數(shù)對手寫板的輸入檢測的影響程度，從而在PCB手寫板設(shè)計選擇合適的參數(shù)實現(xiàn)手寫板的硬件設(shè)計。
2.1 按鍵分辨率與按鍵大小分析
手寫板上按鍵的分辨率直接影響手寫板對用戶輸入信息的檢測，分辨率越大手寫板對用戶信息的獲得的數(shù)字圖像越準(zhǔn)確，反之準(zhǔn)確性越差。而手寫板大小確定后，手寫板上按鍵的分辨率與單個按鍵的面積呈反比的關(guān)系。而人體的觸摸電容C=ε0εrs/d，隨著按鍵面積的減小而減小。如果按鍵面積太小，觸摸電容很小，觸摸時的脈沖個數(shù)相對變化率小于η0，導(dǎo)致觸摸板不能檢測到按鍵的觸摸動作;反之，觸摸按鍵的面積過大，不僅會使手寫板的分辨率減小，影響到手寫板對用戶輸入信息檢測的準(zhǔn)確性，而且還可能使手寫板出現(xiàn)觸摸盲區(qū)，遺漏用戶手寫輸入的信息。
在面積大小為10 cmx10 cm的PCB板上，利用焊盤制作尺寸不同的矩形觸摸按鍵時，實驗測得按鍵在有無按鍵時的張弛振蕩脈沖數(shù)，如圖3所示。
從圖3中可以看出隨著按鍵面積的變化，用戶觸摸時產(chǎn)生的觸摸電容基本不變，但是電容C1和單個按鍵檢測的脈沖相對變化率減小。所以觸摸板的分辨率不能一直提高，當(dāng)分辨率提高到某個點時，觸摸動作產(chǎn)生時檢測到的計數(shù)脈沖個數(shù)相對變化率η<η0，從而無法判斷此時的觸摸動作。因此，為了選擇一個相對較高的分辨率，并且保證η>η0。此設(shè)計中手寫板中單個觸摸按鍵的尺寸選擇為8 mmX8 mm，此時的脈沖相對變化率為12.3%>η0，可以檢測到觸摸動作。所以在10 cmx10 cm的手寫板上按鍵分辨率選取8x8比較合適。
2.2 按鍵焊盤傳輸導(dǎo)線長度分析
傳輸導(dǎo)線給觸摸按鍵帶來寄生電容隨著傳輸線的距離的變化關(guān)系如下式：
其中D為導(dǎo)線到地線的距離，d為導(dǎo)線的直徑，L為導(dǎo)線的長度，ε0為真空介電常數(shù)?？梢钥闯鲭S著PCB板上制作的觸摸按鍵到控制器的導(dǎo)線越長，則傳輸線電容越大。如圖4所
示，為兩個面積大小為8 mmx8 mm觸摸按鍵0和1，在有無觸摸動作發(fā)生時，所測得的脈沖個數(shù)和有無觸摸動作時的脈沖個數(shù)差值隨導(dǎo)線長度變化的曲線。
從圖4可以看出觸摸按鍵0和1的脈沖個數(shù)隨著導(dǎo)線長度的增加基本上成線性減小的關(guān)系，這也滿足式(5)的關(guān)系。而觸摸動作發(fā)生時，變化的脈沖個數(shù)隨導(dǎo)線據(jù)長度的增加基本保持在一個水平，所以隨著導(dǎo)線長度的增加脈沖個數(shù)的相對變化率η也增加，但是不論導(dǎo)線的長度是多少都滿足η>η0的觸摸動作判決條件。
所以，PCB手寫板的焊盤的導(dǎo)線長度對于人體接觸的觸摸電容檢測并不會產(chǎn)生明顯的影響。因此在大小為10 cmx10 cm左右的PCB板上設(shè)計電容式手寫板，焊盤導(dǎo)線長度對于手寫板的觸摸檢測不會產(chǎn)生明顯的影響。
2.3 手寫板上按鍵自由空間耦合電容分析
在觸摸板上觸摸按鍵和矩陣鍵盤的排列方式一樣，行列導(dǎo)向成垂直走向。觸摸按鍵之間的距離會引起橫向和縱向按鍵的耦合電容產(chǎn)生明顯的變化。PCB手寫板設(shè)計需要找出橫向和縱向按鍵之間的距離對按鍵電容量影響的變化規(guī)律。從而設(shè)計觸摸按鍵時，確定按鍵之間應(yīng)該預(yù)留的距離，使得一個按鍵觸摸動作發(fā)生時，對周圍按鍵的影響最小，從而提高手寫板對手寫輸入信息檢測的準(zhǔn)確性。
如圖5所示為手寫板中4個不同位置的觸摸按鍵發(fā)生觸摸動作時，對x方向和y方向的觸摸按鍵的影響測量數(shù)據(jù)曲線圖。從圖中曲線可以看出手寫板上觸摸點在x和y方向上，0到10 mm內(nèi)成二次曲線快速的衰減，而在距離大于10 mm之后平緩的減小。說明在這種按行列式排列的觸摸按鍵組成的手寫板，要減小有觸摸動作的按鍵對周圍按鍵的影響，在橫向和縱向按鍵之間的距離盡量的要保持在10 mm以上。從而在進(jìn)行手寫動作時，使被觸摸點對周圍按鍵的影響較小，盡可能的降低手相互影響產(chǎn)生不準(zhǔn)確。
2.4 手寫輸入實驗測試結(jié)果
通過實驗研究分析在PCB板上利用焊盤制作的觸摸按鍵構(gòu)成的手寫板的主要影響因素。確定在10 cmx10 cm的PCB板上制作分辨率為8x8的觸摸手寫板，每個觸摸按鍵制作成大小為8 minx8 mim，行列之間的相互距離為2 mm的合適的參數(shù)后。在PCB上制作實現(xiàn)手寫觸摸板，控制器通過掃描橫向和縱向的I/O口觸摸電容對應(yīng)的張弛振蕩脈沖數(shù)，計算出每個按鍵的脈沖數(shù)相對變化率，并與選取的相對變化率進(jìn)行比較，確定每個觸摸按鍵的狀態(tài)組成一幅數(shù)字圖像。如圖6所示，是PCB上手寫板采集到的手寫輸入‘8’和‘S’時的二值數(shù)據(jù)圖像。
從圖6可得，PCB制作完成的觸摸手寫板可以較為準(zhǔn)確的得到用戶的手寫輸入數(shù)據(jù)的二值圖像。進(jìn)而，通過圖像識別算法對二值圖像進(jìn)行處理實現(xiàn)手寫字符識別，判斷出手寫板用戶輸入的字符信息，實現(xiàn)用戶的手寫輸入。
3 結(jié)論
觸摸按鍵手寫板設(shè)計采用電容觸摸的原理，在PCB上利用焊盤制作觸摸按鍵來設(shè)計手寫板輸入設(shè)備。在實現(xiàn)了單個觸摸按鍵準(zhǔn)確檢測的基礎(chǔ)上，分析了在PCB上制作手寫板制作時，單個觸摸按鍵尺寸、按鍵到控制器的距離對手寫檢測的影響，以及在PCB上按鍵垂直布線時，按鍵橫向和縱向距離對檢測效果的影響。最后通過分析選取合適的參數(shù)，在10 cm×10 cm的PCB上實現(xiàn)手寫板制作，并得到較為準(zhǔn)確的手寫輸入字符的數(shù)字二值圖像，完成了在PCB板上手寫板的硬件設(shè)計。但是獲得二值圖像并沒有完成手寫板設(shè)計的全部任務(wù)，二值圖像的識別還需要借鑒圖像識別算法完成。
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