觸摸屏不斷發(fā)展：何如提升用戶體驗(yàn)？

支持觸摸功能的消費(fèi)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(jī)中得到廣泛應(yīng)用，并已迅速發(fā)展到平板電腦。隨著Windows8的發(fā)布，觸摸功能正在向超極本、筆記本電腦以及一體機(jī)電腦（all-in-onePC）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(jī)性能。這就意味著需要在相同的時(shí)間內(nèi)掃描更大表面面積上的更多交叉點(diǎn)。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(shí)還要努力保持其速度、精確度以及響應(yīng)能力，從而實(shí)現(xiàn)理想的用戶界面體驗(yàn)。

2007年，Apple公司推出iPhone開啟了電容式觸摸屏在消費(fèi)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(diǎn)觸摸用戶體驗(yàn)，從而改變了用戶與電子設(shè)備的互動方式?，F(xiàn)在，觸摸屏已成為數(shù)碼相機(jī)（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(jī)（AIO）電腦等消費(fèi)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(jìn)軍超極本或筆記本電腦等新型細(xì)分市場的同時(shí)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(jī)的OEM廠商紛紛從智能手機(jī)轉(zhuǎn)戰(zhàn)超級手機(jī)，通過向客戶提供更大的屏幕尺寸來實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)品的差異化。

當(dāng)今消費(fèi)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(jī)；5-8英寸的超級手機(jī)或平板手機(jī)；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(jì)將在2015年趕超個(gè)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(jì)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。

用戶期望大屏幕設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)與智能手機(jī)相類似的性能和觸摸體驗(yàn)。大屏幕設(shè)備需要處理的用例通常與我們在較小型手機(jī)上看到的不同。筆記本電腦或PC更常是在插入電源時(shí)使用，它們的表面面積更大，因此在打字輸入時(shí)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(yàn)主要包括：靈敏度高、能跟蹤多個(gè)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(shí)現(xiàn)理想的電池使用壽命。換言之，用戶體驗(yàn)的本質(zhì)是指在各種條件下當(dāng)您觸摸屏幕時(shí)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(jìn)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(shí)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(gè)面板實(shí)現(xiàn)一致觸摸響應(yīng)并最大限度地降低掃描時(shí)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(bào)告回主機(jī)處理器的次數(shù)。刷新率越高，設(shè)備就會在越短的時(shí)間內(nèi)收集越多的x/y數(shù)據(jù)坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)響應(yīng)快速的用戶體驗(yàn)。大多數(shù)消費(fèi)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(diǎn)（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?yàn)橛|摸控制器需要掃描更大的表面面積，從所有交叉點(diǎn)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(diǎn)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(yàn)，17英寸的屏幕就需要更強(qiáng)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(gè)周期內(nèi)掃描整個(gè)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（unitcell）”，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(gè)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(jī)解析手指觸摸點(diǎn)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(shí)間來掃描整個(gè)面板。這會導(dǎo)致在給定的時(shí)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(yàn)。

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(gè)更大的處理器，或者將部分計(jì)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(jī)端，并在應(yīng)用或圖形處理器上運(yùn)行算法。其中一個(gè)實(shí)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(jī)處理器。然后，主機(jī)會處理整個(gè)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(jī)的數(shù)千兆赫多內(nèi)核處理器上完成大量數(shù)字運(yùn)算。

信噪比（SNR）

SNR是指信號功率與噪聲功率之比，換言之，即有用信息與錯(cuò)誤或不相關(guān)數(shù)據(jù)之比。觸摸屏面板上的傳感器相當(dāng)于一根大型天線，可接收熒光燈、LCD或充電器等系統(tǒng)和環(huán)境噪聲。

大型屏幕可作為更大型的天線，因此更容易接收噪聲并使接收通道達(dá)到飽和。這會造成誤觸摸、觸摸中斷或觸摸屏“鎖定”以致觸摸屏完全無法報(bào)告數(shù)據(jù)，從而顯著影響觸摸性能。為了排除這些干擾，觸摸屏控制器要求能夠增強(qiáng)信號或降低噪聲。提高信噪比的一些主要方法包括提高發(fā)射電壓以增強(qiáng)信號；使用硬件及數(shù)字濾波法降低噪聲，或利用跳頻遠(yuǎn)離噪聲頻率。

信噪比與發(fā)射電壓成線性比例。發(fā)射電壓可通過充電泵或VDDA驅(qū)動程序來提供。在大多數(shù)消費(fèi)類電子設(shè)備中，充電泵一般可帶有2.7-3V電源，且能進(jìn)一步將這一電源電壓提升到更高的電壓。大屏幕的問題在于充電泵對高電容面板的驅(qū)動能力有限。也就是說必須增加外部泵或電源，而這會相應(yīng)增加成本和功耗。

在沒有足夠信號的情況下，另一個(gè)選項(xiàng)是最大限度地降低噪聲。第一道防線就是使用濾波器創(chuàng)造更加潔凈的電容環(huán)境。如果這種方法無效，第二道防線一般是使用跳頻去搜索干擾較少的頻率。如上所述，大尺寸面板的寄生電容和電阻更高，會影響電阻電容（RC）時(shí)間常數(shù)，從而導(dǎo)致發(fā)射頻率更低。更低的頻率意味著它很難在噪聲范圍以外掃描整個(gè)面板。較高的發(fā)射頻率會給觸摸控制器提供更大的空間，使其遠(yuǎn)離噪聲源。理想的最大發(fā)射頻率為350kHz或者更高，但需要根據(jù)客戶的具體目標(biāo)，不斷地在信噪比、刷新率以及功耗之間進(jìn)行權(quán)衡，從而優(yōu)化每臺設(shè)備。臺式電腦上的單機(jī)游戲更注重響應(yīng)速度而非功耗，然而便攜式設(shè)備則需要考慮功耗以延長電池使用壽命。

功耗

隨著移動性在我們生活中占據(jù)著越來越重要的位置，功耗成為了消費(fèi)者在選擇便攜式電子設(shè)備時(shí)的一項(xiàng)重要考慮因素。市場調(diào)查顯示，大多數(shù)用戶認(rèn)為電池使用壽命是購買新型便攜式設(shè)備時(shí)需要考慮的最重要特性之一。

由于液晶顯示屏尺寸的加大，功耗通常與屏幕尺寸成正比。液晶顯示屏的功耗在整個(gè)系統(tǒng)功耗中占相當(dāng)大的比例。要想保持電池使用壽命，一種方法就是在系統(tǒng)中使用更大的電池組。但這會增加系統(tǒng)的重量，從而影響用戶的便攜性體驗(yàn)。另一種方法是通過降低刷新率、降低發(fā)射電壓、禁用各種數(shù)字濾波器或使用盡可能低的模擬/數(shù)字電源，但這種方法會降低設(shè)備性能。同樣，這些解決方案都會給用戶體驗(yàn)帶來負(fù)面影響，因此都不是理想的方案。

對于好的設(shè)備而言，重量與性能都是關(guān)鍵因素，延長電池使用壽命的最佳解決方案就是優(yōu)化系統(tǒng)中單個(gè)組件的功耗。對于觸摸屏控制器來說，這就意味著為設(shè)備制定靈活的功耗管理方案。

總功耗取決于設(shè)備的狀態(tài)或使用情況。一款智能的高能效觸摸屏控制器應(yīng)具備多狀態(tài)功耗管理，如工作狀態(tài)、低功耗狀態(tài)和深度休眠狀態(tài)等，其中每種狀態(tài)都有一套降低功耗的獨(dú)特方案。這些都是通過觸摸控制器的配置參數(shù)來管理的。

●工作狀態(tài)下，觸摸屏具有最快的觸摸響應(yīng)時(shí)間，因?yàn)樵O(shè)備會積極地掃描觸摸屏，從而確定觸摸的存在并識別觸摸坐標(biāo)。

●在工作狀態(tài)下，如在一定時(shí)間內(nèi)未檢測到觸摸事件，設(shè)備就會進(jìn)入低功耗狀態(tài)。這會進(jìn)一步降低功耗并相應(yīng)地延長響應(yīng)時(shí)間。如設(shè)備檢測到任何觸摸事件，則會自動從低功耗狀態(tài)切換到工作狀態(tài)。

●深度休眠狀態(tài)下的功耗最低。這種狀態(tài)下設(shè)備不進(jìn)行任何掃描且不報(bào)告任何觸摸。這時(shí)需要中斷，才能喚醒觸摸屏控制器，并將其切換到工作狀態(tài)。

不同功耗狀態(tài)是由系統(tǒng)環(huán)境決定的。比如，如果一段時(shí)間內(nèi)屏幕沒有被觸摸，系統(tǒng)就會讓用戶界面停止活動以延長電池使用壽命。而這是通過主機(jī)管理設(shè)備上的各個(gè)組件來完成的，比如關(guān)閉液晶顯示屏以及將觸摸控制器置于低功耗狀態(tài)等。在低功耗狀態(tài)下，一旦檢測到觸摸事件，觸摸屏控制器就會切換到工作模式，并繼續(xù)掃描，以確定面板上的觸摸坐標(biāo)。如果在低功耗狀態(tài)下未檢測到觸摸事件，主機(jī)就會驅(qū)動觸摸控制器進(jìn)入深度休眠狀態(tài)以節(jié)省電量。這些動態(tài)功耗管理狀態(tài)讓消費(fèi)者在使用便攜式移動設(shè)備時(shí)能夠靈活地管理觸摸性能和功耗。

隨著觸摸屏的發(fā)展，為了保證用戶體驗(yàn)，應(yīng)采用系統(tǒng)級方法。觸摸屏?xí)芪锢憩F(xiàn)象限制，要想讓電容式觸摸繼續(xù)成為移動消費(fèi)類電子產(chǎn)品的技術(shù)選擇，那么獨(dú)創(chuàng)性和集成度是關(guān)鍵。人們正在開發(fā)新的觸摸屏材料以提高面板速度，同時(shí)也在定義主機(jī)處理架構(gòu)以卸載部分繁重的數(shù)字運(yùn)算。硬件和軟件也在不斷改進(jìn)，濾除噪聲的同時(shí)提高信號強(qiáng)度，同時(shí)，人們正在采用系統(tǒng)級功耗方式來延長電池使用壽命。設(shè)計(jì)人員面臨的下一個(gè)重大挑戰(zhàn)就是如何以更低成本實(shí)現(xiàn)這一切。