超先進觸摸界面驅(qū)動器實現(xiàn)全新用戶應(yīng)用

Apple® iPhone™及相關(guān)產(chǎn)品中，其概念是首先構(gòu)建用戶界面――電容式觸摸屏" title="電容式觸摸屏">電容式觸摸屏" title="電容式觸摸屏">電容式觸摸屏" title="電容式觸摸屏">電容式觸摸屏――然后利用基本的硬件和出色的軟件來實現(xiàn)連接性并提供應(yīng)用支持。通過這種途徑，用戶能夠以新穎直觀的方式與產(chǎn)品進行互動。

電阻式觸摸屏在消費設(shè)備中的運用相當普遍，主要用于基本的觸摸按鍵切換功能或其它簡單的虛擬用戶界面元素(如滾動條控制)。這種技術(shù)可實現(xiàn)一種情景式用戶界面方案，有助于減小設(shè)備單元的尺寸和外部復(fù)雜性，并提供新的工業(yè)設(shè)計選擇。不過，電阻式觸摸屏的光學(xué)性能較差，又存在可靠性問題，支持手勢輸入的效用性相當有限，而且解釋兩個或更多個同時觸摸點的能力也很低，這些不足之處都限制了電阻式觸摸屏的使用，致使其迅速讓位于電容式觸摸屏。

過去幾年間，電容式觸摸屏技術(shù)已迅速發(fā)展成熟，它結(jié)合了在低成本硬件上運行的先進算法和成熟完善的材料技術(shù)，創(chuàng)建出高度可靠且穩(wěn)健的用戶界面。但早期的電容式觸摸屏技術(shù)，以至目前市面上較低端產(chǎn)品的分辨率都很低，又存在LCD或其它噪聲源的系統(tǒng)級干擾問題，致使性能嚴重降低。

圖1 典型的觸摸屏系統(tǒng)

(說明)

前面板

傳感器膜

顯示層

控制器板

投射電容式觸摸屏可以在目標(如手指)接近或接觸到屏幕表面時檢測到電容的細小變化。當一根手指或多根手指接觸屏幕時，有多種方法對觸摸屏表面的電容變化進行測量和解釋。電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)(capacitive to digital conversion, CDC)與用于電荷收集的電極結(jié)構(gòu)的空間排列(通常是顯示屏表面的一層透明的傳感器膜)，二者都對所達到的總體性能和簡易配置能力都有著重大的影響。

對于投射電容式觸摸屏的電容變化，有兩種基本的排列和測量方法：自電容和互電容?；ル娙轀y量法具有按正交矩陣排列的發(fā)射和接收電極，這是電容式觸摸屏可靠地報告和跟蹤多個并發(fā)觸摸點的唯一方式。為簡單起見，可假設(shè)該技術(shù)由許多較小的觸摸屏組成，這些小觸摸屏又是通過電極結(jié)構(gòu)的幾何排列而形成，整個裝置被視為一個完整的觸摸屏表面。只要能夠識別每個“小”觸摸屏內(nèi)的多個觸摸點，便能夠?qū)崿F(xiàn)這功能。由于可分別測得矩陣中每個點的電容耦合，故完全能夠確定多個觸摸點的位置坐標。

基于自電容的觸摸屏卻與之相反。自電容方案是對整行或整列的電容變化進行測量(與互電容方案中測量一行和一列的交叉點截然不同)。若用戶壓觸兩個地方，這種方法會導(dǎo)致位置不明確。雖然利用軟件有可能對觸摸位置進行某種程度的重建，但總是存在一定的模糊性，因而被解釋的觸摸點會產(chǎn)生“鬼點”位置，繼而導(dǎo)致無意的行為被報告給系統(tǒng)主機。該方案還存在一種有害的副作用，即當兩個觸摸點共享同一行或同一列電極時，報告的坐標往往‘突跳’到有關(guān)電極，形成存在嚴重非線性現(xiàn)象。在實踐中，自電容只用于單觸摸點或極有限的雙觸摸點應(yīng)用。

圖2用于多點觸摸應(yīng)用的自電容和互電容觸摸屏測量之比較

在基于互電容的系統(tǒng)中，每個觸摸點都由一對(x,y)坐標來表示；而在自電容系統(tǒng)中，觸摸點 x 和 y 坐標的檢測是彼此獨立的。在互電容系統(tǒng)中，如果出現(xiàn)兩個觸摸點，檢測結(jié)果由(x1,y3) 和 (x2,y0),表示，但在自電容系統(tǒng)中，是由(x1,x2,y0,y3)表示。因此在自電容系統(tǒng)是無法確定(x1,y0)、(x2,y0)、 (x1,y3) 和 (x2,y3)這些觸摸點中哪一個是正確的。

CDC測量的基礎(chǔ)方法也對電容式觸摸屏的工作方式有著重要的影響。有多種技術(shù)可用于信號捕獲，例如弛張振蕩器、CSA、Sigma Delta轉(zhuǎn)換器等，并各有其優(yōu)勢和缺陷。所有這些技術(shù)在其它資料中均有詳細描述。從互電容測量的角度來看，它們都有一個會嚴重限制效用性的主要缺點：在測量周期中，矩陣里芯片和互連之間的布線仍然對觸摸(熱點)很敏感。因為傳感器的邊緣布線會影響計算位置的信號，這種情況將導(dǎo)致測量中的位置錯誤，對測量極為不利。它還使得從傳感器到驅(qū)動器芯片的布線連接幾乎只限于幾厘米之內(nèi)。上述問題中有一些可以通過精心的設(shè)計折衷而得到部分解決，但總體性能卻受到嚴重影響。

愛特梅爾的maXTouch™ 采用電荷轉(zhuǎn)移技術(shù)來進行CDC測量，能夠在電荷捕獲過程中有效地保持接收線路零電勢，因此只需在主要傳感器區(qū)域中目標點上的發(fā)射電極X和接收電極Y之間轉(zhuǎn)移電荷。該技術(shù)還有一個優(yōu)點，即可把觸摸屏附近乃至觸摸屏表面上的局部濕氣或其它潛在導(dǎo)電材料的影響降至最小。

總括而言：基于電極陣列中互電容測量的觸摸屏解決方案不足以實現(xiàn)可靠的解決方案。它必須結(jié)合采用了電荷轉(zhuǎn)移技術(shù)的穩(wěn)健的CDC，這是迄今最好的選擇。

傳感器設(shè)計選擇

觸摸屏中的傳感器由透明基板材料(一般是PET或玻璃)上的一層或多層圖樣化透明導(dǎo)體構(gòu)成。傳感器位于顯示屏之上。為了構(gòu)建能夠透過玻璃或塑料前面板識別一個或多個手指觸摸的傳感器，必需精心設(shè)計電極正交網(wǎng)絡(luò)。

圖3典型的傳感器圖樣

圖樣化導(dǎo)體(電極)一般是由被稱為銦錫氧化物(Indium Tin Oxide, ITO)的高度透明材料經(jīng)過圖樣蝕刻制成。這種材料具有良好的光學(xué)透明度，同時仍保持較低的歐姆電阻率。低電阻率十分重要，因為這樣一來，就有可能對數(shù)以10個皮法級(picofarad, 10^-12 法拉)背景電容上出現(xiàn)的數(shù)以10個毫微微法拉級(femtofarad, 10^-15 法拉)的微小變化進行快速測量。愛特梅爾的QMatrix™ 采用電荷轉(zhuǎn)移技術(shù)，它具有一項基本特性，即可以采用具有良好光學(xué)性質(zhì)的常用 ITO 來制作真正的矩陣傳感器，這里，對觸摸敏感的唯一區(qū)域是行、列電極互相耦合的緊鄰地帶。

這種局部耦合意味著行、列電極的所有其它區(qū)域大部分都是對觸摸不靈敏的。沒有這種特性，就不可能實現(xiàn)真正的多點觸控觸摸屏，而只可能通過重大的折衷妥協(xié)來滿足部分要求。其它CDC技術(shù)都試圖仿效真正的矩陣，不過為此需要限制性更強的ITO材料：必須有更低的其電阻率和更出色的光學(xué)特性。這種更低的電阻率可降低行、列交叉點上的電壓降，減小其固有觸摸靈敏度。不過，由于沒有采用電荷轉(zhuǎn)移技術(shù)，它們?nèi)匀粚τ|摸具有一定的靈敏性，但這也是一種折衷妥協(xié)，就是會導(dǎo)致較差的多點觸摸性能，并在傳感器邊緣附近產(chǎn)生嚴重的不良影響。

PET是最常用的兩種基板材料之一，它在成本上比玻璃稍具優(yōu)勢，但一般需要兩個分離層來實現(xiàn)正交網(wǎng)格。另一方面，玻璃雖然貴一點，卻允許單層設(shè)計，可采用微型交叉結(jié)構(gòu)來橋接共面兩層結(jié)構(gòu)中的圖樣交叉點。玻璃傳感器的機械穩(wěn)定性也比 PET 好得多，因此適合于淀積非常薄的金屬化跡線，其寬度僅為數(shù)十微米。PET 技術(shù)雖然在這方面進步迅速，現(xiàn)在一般仍使用數(shù)百微米寬的絲網(wǎng)印刷跡線。而總體目標是是傳感器邊緣布線尺寸要盡可能地小，因為空間彌足珍貴，尤其是對小型便攜式設(shè)備而言。

分辨率

傳感器設(shè)計的下一個考慮事項是終端應(yīng)用所需的分辨率。利用插補法(interpolation)，可以相當準確地確定單觸摸點的中心位置所在。不過，當需要分別識別幾個鄰近觸摸點時，就有困難了。這需要很高的電極密度。

這種情況下，高電極密度意味著行、列間距應(yīng)該在 5mm 左右或更小――這個要求源于對大拇指和食指指尖之間的距離進行測量，然后除以2。廣泛的用戶界面試驗顯示，從10 mm 到 11mm的間距是空間分辨率和不斷增加的傳感器復(fù)雜性之間的最佳折衷。對于單觸摸點應(yīng)用，在某些情況下，把間距增加到5mm以上也是可以接受的，但有強大的論據(jù)顯示，為了實現(xiàn)真正出色的單觸摸點電容式觸摸屏，在其核心需要完全的多點觸摸功能，以跟蹤和拒絕無意觸摸點。

還值得一提的是傳感器的分辨率與每個軸向的電極數(shù)目直接相關(guān)，故只要增加更多的行或列，可把間距減小到5mm以下，這樣一來，即使傳感器的制作比較復(fù)雜，也是很有益的。更多的通道同時意味著更高的信噪比(Signal-to-Noise Ratio, SNR)。

高電極密度還能夠?qū)崿F(xiàn)另一項重要特性――無源傳導(dǎo)性手寫筆(stylus)的使用。通過正確的傳感器設(shè)計，結(jié)合最佳CDC方法和超先進的觸摸跟蹤算法，有可能采用尖端尺寸只有3-5 mm的簡單無源傳導(dǎo)性手寫筆。這種功能讓用戶使用短指甲也能夠操作電容式觸摸用戶界面，并能提供比普通指尖按觸更精確的定位設(shè)備。如此一來，擴大了使用電容式觸摸屏作為主要輸入源的設(shè)備的應(yīng)用范圍。

圖4手寫筆輸入

觸摸屏驅(qū)動器芯片

良好的ITO傳感器的設(shè)計固然至關(guān)重要，而一個真正的矩陣 CDC也可為良好的多點觸摸設(shè)備奠定基礎(chǔ)。不過，實現(xiàn)這一切的基礎(chǔ)芯片和軟件技術(shù)，是任何觸摸傳感器系統(tǒng)得以成功的關(guān)鍵所在。

與任何其它設(shè)計一樣，觸摸屏驅(qū)動器芯片必須具備所有的芯片常規(guī)特性――高集成度、最小占位面積，以及近似于零的功耗和支持廣大范圍的傳感器設(shè)計與實施環(huán)境的靈活性。提供最佳的速度、功耗和靈活性組合，必須非常認真地考慮?？刂破餍酒芊裨诘湫偷牡拖到y(tǒng)V_dd電源下工作？更高的V_dd意味著SNR更好，但同時也會致使功耗升高。電平轉(zhuǎn)換器是否需要連接主機？通信協(xié)議可否在未來擴展而無需完全重寫驅(qū)動程序？

圖5系統(tǒng)模塊示意圖

maXTouch在片上集成了整個電容式感測電路，提供了完整的解決方案，無需外部組件支持電容式感測，并可最大限度地減小成本和 PCB 占位面積要求。該器件前端是一個定制電容式觸摸引擎(Capacitive Touch Engine, CTE)，完全能夠?qū)鞲衅鞯脑紨?shù)據(jù)進行不同的數(shù)字信號處理(DSP)工作，因此，只需在觸摸被確認和必須執(zhí)行更先進的算法時才喚醒主AVR® CPU。這樣一來確保了功耗最小化，使系統(tǒng)的大部分都能在大多數(shù)時間內(nèi)處于超低功耗工作模式下。

maXTouch器件都包含有系統(tǒng)內(nèi)自編程閃存，故可提供最大的靈活性。在整個工作電壓范圍上，maXTouch器件均能夠通過常規(guī)通信端口進行系統(tǒng)內(nèi)升級，無需額外的引腳或電路。

器件的布局靈活性是一項很重要的設(shè)計參數(shù)。一個好的矩陣CDC應(yīng)該不受到ITO連接的觸摸靈敏性(也稱為熱點跟蹤)的影響。從靈活性的角度來看，這無疑是一大優(yōu)勢。它意味著芯片的位置既可以靠近傳感器，比如象柔性芯片(chip-on-flex)那樣，也可以遠離，設(shè)置于一塊完全獨立的電路板上。在后一種選擇中，可以采用無源柔性材料來連接 ITO和芯片，二者間距離可達100mm或更遠。

構(gòu)建最佳觸摸屏的另一個關(guān)鍵因素是響應(yīng)時間。筆跡識別需要 70 Hz 到 120 Hz 的 XY 更新頻率。其它情況，比如使用虛擬鍵盤手指/大拇指同時鍵入，需要在不到100ms 的時間內(nèi)向用戶提供積極反饋以實現(xiàn)準確輸入。這乍看起來似乎很簡單，但若考慮到各種不同的系統(tǒng)延時，通常就意味著觸摸屏必需在15ms內(nèi)報告首個確定的觸摸位置。除非精心設(shè)計感測電路，否則這可能會導(dǎo)致功耗過大，從而縮短電池壽命。

還有一點值得注意的是，對于最好的CDC方法，ITO連接線路上因柔性連接而產(chǎn)生的寄生電容僅僅產(chǎn)生次要影響。若選擇了錯誤的CDC方法，芯片會因測量到無用的背景寄生電容而削弱能力，損及觸摸屏上的觸摸效果，從而降低 SNR 和分辨率。

多點觸摸

至此，在有關(guān)多點觸摸的討論中，并沒有重點提及 2個觸摸點以上的用戶案例的重要性。我們已經(jīng)熟悉了隨 iPhone 而大為流行的放大和縮小手勢。事實上，在iPhone面世之前很久，這類手勢就已開始用于更大的多點觸摸界面了。不過，3、4乃至更多的觸摸點又怎么樣呢？問題不僅僅是設(shè)想什么手勢或應(yīng)用可使用這種功能，還在于控制器芯片如何能夠利用這種豐富的信息來實現(xiàn)一個更好的解決方案。

此類運用的一個例子是跟蹤觸摸屏邊緣附近的多個觸摸點，并將之歸類為禁止。這種功能可讓用戶隨意舒適地手拿小型產(chǎn)品，即使手指和屏幕有少許重疊也不影響觸摸屏繼續(xù)正常工作。不過，這里暗藏微妙之處。必須對這些被禁止的觸摸點進行跟蹤并使其保持被禁止狀態(tài)，即使它們誤入工作區(qū)域。這意味著控制器必須能夠同時唯一且明確地識別、歸類和跟蹤許多個觸摸點。

基本的多點觸摸數(shù)據(jù)的另一個潛在用途是利用結(jié)構(gòu)化方法來識別觸摸屏表面上的形狀。這一功能可帶來各種可能有用的觸摸界面提升。識別鼻子、臉頰甚至耳朵的基本形狀，可進一步避免真實環(huán)境中可能導(dǎo)致觸摸屏錯誤觸發(fā)的無意觸摸。

不過，隨著更多的觸摸點可被唯一地識別并報告給主機，應(yīng)用將開始利用多個觸摸點數(shù)據(jù)。

圖6 同時多點觸摸的實例

噪聲和系統(tǒng)問題

如前所述，電容式觸摸屏控制器可測量出行、列耦合電容上的極小變化?？刂破鞯臏y量方法對于控制器的外部噪聲易感性有著很大影響。

觸摸屏常遇到的噪聲源之一是LCD本身。它在數(shù)微秒的上升/下降時間內(nèi)測得的瞬態(tài)電壓常常達到數(shù)伏特――這是極具挑戰(zhàn)性的環(huán)境。有些不錯的方法可以抑制控制器芯片中的這種噪聲。比如采用適當?shù)腃DC(電荷轉(zhuǎn)移)方法，就有可能從源頭上抑制大部分噪聲。第二種方案是在傳感器上增加一個屏蔽層，把噪聲隔離在電極之外。這種方法可能造成傳感器過厚、過于昂貴。第三種也是更好的方法是采用一種新穎的傳感器電極圖樣，帶有兩個ITO層，并且自我后向屏蔽。這種方法非常有用，因為若前面板因觸摸壓力向接地板(比如 LCD的前表面)彎曲，它能使傳感器具有抗電容變化的能力。

隨著顯示屏技術(shù)的發(fā)展，OLED顯示屏等設(shè)備能夠提供噪聲小得多的環(huán)境，并非常適于采用電容式觸摸屏技術(shù)。OLED顯示屏適合于單層或雙層傳感器設(shè)計。LCD技術(shù)也在不斷演進，適用性逐漸提高。第二大棘手噪聲源是‘不固定的’開關(guān)模式電源。當置于觸摸屏設(shè)備鄰近時，其常常把相對于接地的數(shù)百伏特的50/60 Hz失真波形電容式耦合到整個觸摸屏設(shè)備中。當用戶觸摸設(shè)備時，傳感器高效地變?yōu)殡娙菔椒謮浩鞯囊徊糠?，產(chǎn)生大量低頻噪聲，影響測量結(jié)果。此外，通過巧妙的芯片設(shè)計，可以從源頭基本上消除這種影響，并消除片上DSP功能帶來的剩余噪聲。

總結(jié)

總而言之，利用基于一流 DSP和微處理器的技術(shù)，可以實現(xiàn)高性能的電容式觸摸傳感器陣列，當用戶觸摸時，其能夠產(chǎn)生表面電荷變化的圖像。

通過使用基于合適的CDC (電荷轉(zhuǎn)移)和互電容(QMatrix)組合的傳感器結(jié)構(gòu)和信號捕獲技術(shù)，系統(tǒng)能夠具備抵抗系統(tǒng)干擾和背景加載有害源影響的強大能力。

在獲得電荷圖像時，就可采用高效的微處理器技術(shù)(AVR)來處理數(shù)據(jù)，提供多個觸摸點位置數(shù)據(jù)，或進行更高水平的處理，拒絕無意觸摸點，或者解釋觸摸屏表面上一個或多個手指移動所代表的手勢，這些手勢可用于簡化許多應(yīng)用中的用戶界面。

完全可編程芯片中的系統(tǒng)內(nèi)可建編程閃存解決方案包含了微處理器和DSP功能，以及廣泛的可擴展通信協(xié)議，可為這類系統(tǒng)提供盡可能高的靈活性。

通過適當而高效地處理數(shù)據(jù)的捕獲、處理和報告，可以在極低的功率預(yù)算中實現(xiàn)上述所有功能，適用于要求最嚴苛的電池供電應(yīng)用。