在觸摸式用戶界面中實現(xiàn)觸覺技術

　　電容式觸摸界面正在逐步取代消費、汽車、工業(yè)與醫(yī)療應用中的機械開關、旋鈕與調諧鈕。電容式觸摸傳感器由于其美觀、更高可靠性和更低生產/加工成本而大受歡迎。另外，由于不存在容易發(fā)生故障的機械組件，因此基于電容式觸摸感應技術的用戶界面能夠改善用戶體驗和延長產品使用壽命。

　　但是，由于電容式觸摸傳感器不具備機械按鈕與開關那樣的觸覺反饋，因此，從機械按鈕、旋鈕與調諧鈕轉變到電容式觸摸界面會給設計人員帶來挑戰(zhàn)。以在鍵盤上打字的體驗為例。在按下和釋放某個鍵后，由于彈簧的作用它可以彈起。我們可以通過手指感受到鍵彈回的力量，從而確認已完成按鍵操作。而采用電容式觸摸界面無法提供內在的機械反饋，所以用戶無法獲得與機械鍵相同的感受。由于主要目的是改善用戶體驗，因此缺乏觸覺反饋會給設計人員帶來挑戰(zhàn)。開發(fā)人員可以借助觸覺技術提供觸覺反饋、改善用戶體驗和增加產品價值。

　　圖1：在手機中實現(xiàn)的、用于提供觸覺反饋的觸覺技術示例。

　　觸覺技術是利用人的觸覺提供反饋、通過向用戶提供壓力、振動或運動感受的觸覺反饋技術。觸覺技術的一個簡單例子就是手機和平板電腦中采用的振動提醒。當手機進入振動模式后，在有來電或消息時手機會采用促動器振動提醒用戶，用戶甚至無需查看屏幕。

　　圖2舉例說明了在電容式觸摸系統(tǒng)中實現(xiàn)的觸覺技術。其中，當用戶觸摸電容式觸摸界面時就會啟動促動器產生振動。用戶的手指感覺到振動后可確認觸摸操作。通過控制施加到促動器的電壓與頻率可以產生不同的觸摸反饋效果，如：單擊與雙擊。

　　圖2：觸覺技術的工作原理

　　在觸摸式用戶界面中實現(xiàn)觸覺技術：

　　圖3舉例說明了在觸摸式用戶界面中實現(xiàn)的觸覺反饋。此系統(tǒng)由以下組件構成：觸摸界面　　觸摸感應控制器　　觸覺處理器　　促動器　　促動器驅動器

　　圖3：觸覺系統(tǒng)方框圖

　　觸摸界面：觸摸界面是用戶與系統(tǒng)進行互動的區(qū)域。它由觸摸敏感型傳感器組成。觸摸界面可以是觸摸屏、觸摸按鍵或者兼而有之。例如，在手機應用中，觸摸界面是LCD顯示屏上面的透明觸摸屏。在家用電器應用中，觸摸界面則采用FR4/FPC PCB上的銅覆層。

　　觸摸感應控制器：觸摸感應控制器可以探測手指觸摸動作或者手指在觸摸表面上的觸摸位置。對于觸摸屏而言，觸摸控制器可以把觸摸坐標發(fā)送到應用處理器進行處理。對于觸摸按鍵而言，觸摸控制器則向應用處理器發(fā)送開/關狀態(tài)信息。觸摸控制器的實例包括賽普拉斯的TrueTouch？與CapSense？控制器。

　　觸覺處理器：觸覺處理器由控制軟件以及可生成觸覺波形驅動促動器的算法構成。觸覺處理器可以采用以下方式實現(xiàn)：

　　● 與應用處理器/MCU集成

　　● 采用獨立處理器

　　● 與觸摸控制器集成

　　● 與促動器驅動IC集成

　　＊ 與應用處理器/MCU集成的觸覺處理器：在應用處理器/MCU具有適當處理帶寬和硬件資源的應用中，觸覺處理器可以按圖3所示方法進行集成。此方法無需專用的觸覺處理器，因此能夠降低BOM成本和節(jié)省板級空間。

　　為了產生不同的觸覺效果，設計人員可以開發(fā)定制軟件，也可以獲得觸覺軟件供應商的軟件許可。開發(fā)定制觸覺軟件需要大量設計工作、時間和附加成本。但是，定制觸覺軟件的優(yōu)勢在于設計人員能夠按照其最終應用需求優(yōu)化觸覺效果。

　　為了減少設計工作和時間，設計人員可以獲取供應商的觸覺軟件許可，也可以采用支持觸覺軟件的控制器。一個采用內置觸覺軟件庫的MCU實例就是賽普拉斯的PSoC1控制器。

　　＊ 與獨立處理器集成的觸覺處理器：在應用處理器/MCU不具備集成觸覺處理功能所需的帶寬或資源的應用中，可以采用獨立處理器/MCU作為觸覺處理器。在大多數(shù)情況下都不會采用這種方法，因為其不但增加成本，而且會占用更多板級空間。

　　＊ 與觸摸控制器集成的觸覺處理器：此外，有些觸摸感應控制器也會集成觸覺處理器。例如，賽普拉斯的CapSense控制器具有可靠的電容式觸摸感應硬件，而且采用Immersion的TouchSense觸覺庫提供觸覺反饋。設計人員可以采用觸覺庫在其觸摸界面中快速實現(xiàn)觸覺反饋。在觸摸控制器中集成觸覺處理器能夠降低應用處理器/MCU的負載，同時提供低成本實現(xiàn)方案。

　?。?與促動器驅動器集成的觸覺處理器：有少數(shù)驅動器驅動IC提供集成型觸覺處理器。此方法適用于需要在現(xiàn)有觸摸用戶界面中實現(xiàn)觸覺反饋的情況。采用在現(xiàn)有觸摸界面中具備集成觸覺處理器的促動器驅動IC可以最大限度地減少應用處理器/MCU固件和電路板設計所需的修改工作。應用處理器能夠向促動器驅動IC發(fā)送相應的觸覺波形生成指令。

　　促動器：促動器是用于產生振動并且向用戶提供觸摸反饋的機電組件。促動器的輸入由觸覺處理器提供。促動器與觸摸式用戶界面集成在一起，以便在促動器獲得輸入時使設備產生振動。

　　觸覺系統(tǒng)可以采用各種促動器。最常用的包括：

　　偏心旋轉質量（ERM）促動器 - ERM促動器是一種電機軸附帶偏移質量塊的直流電機，如圖4所示。由于電機軸附帶偏移質量塊，因此在電機旋轉時偏移質量塊具有不均勻的向心力，從而產生一個凈離心力。該離心力會造成電機的位移。由于電機與設備連接，因此電機位移會造成整個設備振動。ERM電機的輸入是DC電壓。ERM電機的輸入電壓范圍為1~10V，而工作電流范圍是130~160mA.工作頻率范圍是90~200Hz.ERM電機成本低，但是能夠提供強勁振動。不過，其響應時間非常長（40~80ms），因此不適合高質量觸覺反饋。ERM電機可在手機中用于提供簡單的觸覺效果，如：振動提醒。

　　圖4:ERM制動器結構

　　線性諧振促動器（LRA）- LRA由可動質量塊、永磁體、音圈和振動彈簧組成，如圖5所示。在音圈獲得正弦輸入時，它會產生與永磁體相互作用的磁場，從而造成其線性運動。永磁體推動可動質量塊上下運動，從而產生振動。可動質量塊連接的彈簧使其返還初始位置。LRA的輸入是正弦波。LRA的工作電壓范圍是2.5~10V，工作電流范圍是65~70mA.LRA電機的典型工作頻率（諧振頻率）是175Hz.與ERM相比，LRA響應時間更短（20~30ms），而且能夠提供更精確、更溫柔的振動。LRA常用于在手機中提供虛擬鍵盤按鍵操作時的觸摸反饋。

　　圖5:LRA促動器結構

　　壓電促動器：壓電促動器采用逆壓電效應工作原理 - 向壓電晶體施加電壓時會導致晶體產生物理變形。這種物理變形能夠用于產生振動，以提供觸摸反饋。壓電促動器由陶瓷材料制成。壓電促動器的輸入電壓是正弦波。壓電促動器的工作電壓范圍是50~200 Vpp，其瞬時電流可達到300mA.壓電促動器的工作頻率范圍是150~300Hz.此類促動器重量輕，尺寸小，而且能夠提供快速響應時間（《1ms），因此適合在手機和平板電腦中提供高質量的觸覺效果。

　　圖6：壓電促動器結構

　　促動器驅動電路/IC：應用處理器/MCU提供的輸出電壓/電流通常不足以驅動促動器。例如，典型的ERM電機需要130~160mA的電流。驅動此電流的促動器需要外部驅動電路。

　　驅動電路可以采用以下方式進行設計：

　　分立組件 - 驅動電路可以采用BJT或MOSFET等分立組件構成。許多應用采用MOSFET，因為其效率高于BJT.圖7所示為一種簡單的高側電機驅動電路。在此電路中，MOSFET在飽和區(qū)運行，提供開關功能。通過向MOSFET輸入端發(fā)送PWM信號來控制電機的轉速。采用分立組件設計驅動電路的優(yōu)勢在于具有更高的靈活性和更好的設計控制。劣勢則是設計更為復雜，而且需要占用更多的板級空間。

　　圖7：采用分立組件的ERM電機驅動電路

　　專用促動器驅動IC/放大器IC：驅動觸覺系統(tǒng)中促動器的最常用方法是采用專用促動器驅動器或放大器IC.音頻放大器IC可用于采用簡單觸覺效果的應用，如：振動提醒、單擊/雙擊等。而提供高級觸覺反饋效果可以采用專用的促動器驅動IC.設計此類促動器旨在通過控制促動器的輸入電壓/電流來優(yōu)化觸覺反饋效果。另外，如前所述，有少數(shù)促動器驅動器采用內置的觸覺軟件庫。在應用處理器中無法實現(xiàn)觸覺處理的設計可以采用專用的觸覺驅動IC。

　　圖8：采用促動器驅動IC的ERM電機驅動電路