觸摸屏設(shè)計挑戰(zhàn)升級 工程師該如何提升用戶體驗？

　　作者：賽普拉斯半導(dǎo)體公司Todd Severson、Henry Wong

　　支持觸摸功能的消費類電子設(shè)備每一年都在不斷增大屏幕尺寸。觸摸屏在智能手機中得到廣泛應(yīng)用，并已迅速發(fā)展到平板電腦。隨著Windows 8的發(fā)布，觸摸功能正在向超極本、筆記本電腦以及一體機電腦（all-in-one PC）發(fā)展。隨著屏幕尺寸不斷增大，電容式觸摸面臨的主要挑戰(zhàn)是在較大尺寸的屏幕上同樣保持用戶所期望的較高手機性能。這就意味著需要在相同的時間內(nèi)掃描更大表面面積上的更多交叉點。此外，處理器必須能在信號更少、噪聲更大的條件下工作，同時還要努力保持其速度、精確度以及響應(yīng)能力，從而實現(xiàn)理想的用戶界面體驗。

　　2007年，Apple公司推出iPhone開啟了電容式觸摸屏在消費類電子產(chǎn)品上的應(yīng)用。這款3.5英寸屏幕大小的設(shè)備引入了多點觸摸用戶體驗，從而改變了用戶與電子設(shè)備的互動方式。現(xiàn)在，觸摸屏已成為數(shù)碼相機（DSC）、便攜式導(dǎo)航設(shè)備（PND）、電子閱讀器、平板電腦、超極本以及一體機（AIO）電腦等消費類電子產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)配置。正如我們看到的，所有這些設(shè)備的一大主要趨勢就是發(fā)展轉(zhuǎn)向更大的屏幕尺寸。電容式觸摸屏在進軍超極本或筆記本電腦等新型細(xì)分市場的同時更在不斷發(fā)展其現(xiàn)有產(chǎn)品細(xì)分類型。頂級智能手機的OEM廠商紛紛從智能手機轉(zhuǎn)戰(zhàn)超級手機，通過向客戶提供更大的屏幕尺寸來實現(xiàn)其產(chǎn)品的差異化。

　　當(dāng)今消費類電子產(chǎn)品的主要產(chǎn)品細(xì)分類型如下：3-5英寸屏幕大小的智能手機；5-8英寸的超級手機或平板手機；8-11.6英寸的平板電腦；11.6-15.6英寸的超極本；以及最大可達(dá)17英寸的筆記本電腦。在僅僅5年的產(chǎn)品歷史中，平板電腦被認(rèn)為是發(fā)展最快速的移動設(shè)備之一，其銷量預(yù)計將在2015年趕超個人電腦。因此，PC供應(yīng)商開始將重心轉(zhuǎn)移至采用觸摸友好型設(shè)計上，比如可用作筆記本電腦或平板電腦的可翻轉(zhuǎn)筆記本電腦。

　　圖1 全球平板電腦和PC的預(yù)測

　　用戶期望大屏幕設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)與智能手機相類似的性能和觸摸體驗。大屏幕設(shè)備需要處理的用例通常與我們在較小型手機上看到的不同。筆記本電腦或PC更常是在插入電源時使用，它們的表面面積更大，因此在打字輸入時可將手掌或其它大型物體放置在屏幕上，并且用戶通常會將這些較大型的設(shè)備放在桌面或膝蓋上而非拿在手中使用。所有這些動作都會改變設(shè)備的電氣性能。性能穩(wěn)健且響應(yīng)速度快的用戶體驗主要包括：靈敏度高、能跟蹤多個移動碰觸對象、在各種噪聲環(huán)境下能夠識別并跟蹤手指、在各種環(huán)境條件下能夠識別和跟蹤手指，并且保持可接受的功耗以實現(xiàn)理想的電池使用壽命。換言之，用戶體驗的本質(zhì)是指在各種條件下當(dāng)您觸摸屏幕時系統(tǒng)所做出的響應(yīng)。

　　電容式觸摸屏的工作原理是通過將發(fā)射電壓驅(qū)動至設(shè)備上的傳感器面板，從而產(chǎn)生信號電荷。然后觸摸屏控制器接收到信號，它能夠通過測量傳感器電荷的變化來確定傳感器電容。芯片接收到的電流等于面板電容與發(fā)射驅(qū)動器的電壓的乘積（Q1 = C * VTX）。基線電路能夠移除額定的非觸摸傳感器電荷，從而讓系統(tǒng)專注于測量因手指觸摸而引起的傳感器電荷的變化。這有助于改進觸摸的測量、分辨率以及靈敏度。

　　隨著電容式觸摸屏的發(fā)展，我們面臨著越來越多的技術(shù)挑戰(zhàn)。較大型屏幕面臨的主要問題是發(fā)射電壓需要覆蓋更大的表面面積，而且傳感器的電阻和電容也有所增加。觸摸面板受更高寄生電容和電阻的限制，會影響電阻電容（RC）的時間常數(shù)，從而導(dǎo)致發(fā)射頻率變慢。發(fā)射工作頻率則會影響信號建立、刷新率以及功耗。我們的目的是要確定能夠在整個面板實現(xiàn)一致觸摸響應(yīng)并最大限度地降低掃描時間和功率所需的最高發(fā)射工作頻率。

　　刷新率

　　刷新率是指觸摸屏控制器在一秒鐘內(nèi)測量到的屏上觸摸并將其報告回主機處理器的次數(shù)。刷新率越高，設(shè)備就會在越短的時間內(nèi)收集越多的x/y數(shù)據(jù)坐標(biāo)，從而實現(xiàn)響應(yīng)快速的用戶體驗。大多數(shù)消費類電子產(chǎn)品都要求觸摸控制器的刷新率大于100Hz或約為10ms。諸如數(shù)字繪圖板或銷售點（POS）終端等特定應(yīng)用甚至要求更高的刷新率才能捕獲和識別簽名以及快速滑過的筆畫。

　　對于大型屏幕而言，保持快速的刷新率極具挑戰(zhàn)性，因為觸摸控制器需要掃描更大的表面面積，從所有交叉點采集數(shù)據(jù)，然后再處理這些數(shù)據(jù)。刷新率主要受兩大因素影響：屏幕的掃描速度以及已掃描數(shù)據(jù)的處理速度。在具有相同的傳感器特性下（3108對比275），17英寸屏幕的交叉點數(shù)超出5英寸屏幕11倍。為了保持5英寸屏幕的用戶體驗，17英寸的屏幕就需要更強大的掃描與處理功能。

　　有一種方法可以解決掃描問題，那就是確保觸摸控制器具有足夠的接收通道，從而在單個周期內(nèi)掃描整個屏幕。大多數(shù)觸摸屏疊層都是由位于外殼玻璃下的傳感器模式組成，其中包含大量的“單位晶胞（unit cell）”，這些晶胞以x和y方向排列，其中x方向用于發(fā)射，y方向用于接收，或反之亦然。接收通道會收集數(shù)據(jù)并使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將每個單位晶胞中的互電容變化轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，以供主機解析手指觸摸點的坐標(biāo)。如果接收通道或ADC的數(shù)量不足，則需要多次掃描以及更長的時間來掃描整個面板。這會導(dǎo)致在給定的時間周期內(nèi)只能獲取更少的樣本，從而帶來不良的用戶體驗。

　　有一種方法可幫助解決處理問題，即為觸摸控制器添加一個更大的處理器，或者將部分計算卸載到系統(tǒng)的主處理單元。這意味著將電容數(shù)據(jù)發(fā)送到主機端，并在應(yīng)用或圖形處理器上運行算法。其中一個實現(xiàn)方案就是使用觸摸屏控制器掃描傳感器，搜索第一次觸摸，然后將圖像傳輸至主機處理器。然后，主機會處理整個陣列、過濾噪聲、查找觸摸坐標(biāo)，并跟蹤手指ID。采用并行處理支持在作為觸摸屏和顯示屏主機的數(shù)千兆赫多內(nèi)核處理器上完成大量數(shù)字運算。