電容式觸摸屏設計難點及注意事項

  北京時間07月23日消息，中國觸摸屏網(wǎng)訊，對觸摸屏性能影響最為深遠的技術改變要算是從電阻式轉移至電容式觸摸屏技術。根據(jù)市調機構iSuppli預測，到2011年前，近25%的觸摸屏手機將由電阻式轉移至電容式觸摸屏。電容式觸摸屏技術帶來的各種效益，將促使市場快速成長。傳統(tǒng)的電阻式觸控面板在感測到手指或觸控筆時，頂層柔性透明材料被下壓，接觸到下方的導電材料層；而投射式電容屏沒有可移動部件。事實上，投射式電容感 測硬件包含玻璃材質的頂層，之后是X與Y軸的組件，以及覆蓋在玻璃基板上的氧化銦錫（ITO）絕緣層。部分傳感器供貨商會做一顆單層傳感器，內嵌X與Y軸 傳感器和小型橋接組件于一單層ITO之中，當手指或其它導電物體靠近屏幕時，就會在傳感器與手指之間產(chǎn)生一個電容。相對于系統(tǒng)而言，此電容相當小，但可利 用多種技術測出此電容。

其中一種技術是采用TrueTouch組件，包括快速改變電容，并利用一個泄放電阻來測量放電時間。這種全玻璃 的觸控表面帶給使用者光滑流暢的觸感。終端產(chǎn)品制造商也偏愛玻璃屏，因為玻璃材質會讓終端產(chǎn)品擁有線條美觀的工業(yè)設計感，并能為測量觸控提供優(yōu)質的電容信 號。最后，不僅要考慮觸控面板的外觀，了解其運作模式也相當重要。為設計出性能優(yōu)良的觸摸屏產(chǎn)品，必須注意以下參數(shù)。

精確度：精確度可定義為，在一個預先定義的觸摸屏區(qū)域中最大的定位誤差，以手指的實際位置與測量位置之間的直線距離為單位。在測量精確度時，使用的是一只模擬或機械手指。 手指置于面板上的一個準確位置，再把手指實際位置與測量位置進行比較。精確度非常重要，使用者希望系統(tǒng)能準確地找到手指位置。電阻式觸摸屏最令人詬病的一 項缺點，就是低準確度，而且準確度會隨時間逐漸減弱。電容式觸摸屏的精確度創(chuàng)造出許多新應用，例如虛擬鍵盤，以及不用觸控筆的手寫辨識。圖1顯示一個結構 不完整的觸控面板數(shù)據(jù)，顯示手指位置有游移現(xiàn)象，而實際上模擬手指是進行直線移動。

圖1  范例顯示在觸控面板追蹤中的不準確度或誤差

　　手指間距：手指間距定義為，當觸摸屏控制器測量兩只手指的位置時，兩只手指中心點之間在屏幕上的最短距離。手指間距測量方法（圖2），是將兩個模擬或機械手指置于面板上，然后逐漸拉近兩只手指的距離，直到系統(tǒng)測到兩只手指為一只手指為止。有些觸摸屏供貨商的手指間距是指邊緣至邊緣的距離，有些則 是中心點之間的距離。10毫米機械手指的10毫米手指間距，表明有多只手指觸碰到屏幕，或是手指之間的距離為10毫米，實際狀況取決于觸控控制器的規(guī)格定 義。如果沒有良好的手指間距，就無法設計出多點觸控解決方案。對于仿真鍵盤而言，手指間距尤其重要，因為一般在使用仿真鍵盤時，手指在屏幕上的間距通常很 短。

圖2   測量手指間距

　 　響應時間：響應時間定義為，觸摸屏上手指觸碰事件與觸摸屏控制器產(chǎn)生中斷信號之間的時間。測量方法是以電子觸動仿真手指觸摸屏的環(huán)境，或在面板上移動一 只模擬手指。響應時間尤其重要，因為它直接影響用戶在屏幕上移動手指的速度；進行平移或輕彈的操作；用手指或筆在屏幕上書寫。響應時間緩慢的觸控面板，會 有短暫停頓和偵測不到移動動作的情況。觸摸屏的響應時間是系統(tǒng)響應時間的一部分，其中包括：

   ?X/Y軸向掃描：觸控控制器掃描與測量傳感器上電容變化所耗費的時間。

   ?手指偵測：比較面板電容變化與預先定義的手指默認值。若變化幅度超越手指默認值，就會偵測到手指的觸碰。

   ?手指位置：根據(jù)多個傳感器得到的結果數(shù)據(jù)進行推算，判斷手指的實際位置。  

   ?手指追蹤：當傳感器上置有多只手指，每只手指必須正確辨識，并指派一個獨特的辨識符號。  

   ?中斷延遲：是指主控端上岔斷指示和服務之間的延遲，在大多數(shù)的系統(tǒng)中，這種延遲不會超過100微秒。  

   ?通信：一般系統(tǒng)在400kHz時使用I2C，或在1MHZ時使用SPI來與主控端進行通信。  

　 　 市面上有許多工具能用來縮短響應時間，關鍵在于觸控芯片的智能，比如較有創(chuàng)意的方法僅需掃描部分屏幕，即可偵測到手指位置，當偵測到手指后，就能快速掃 描，計算出手指實際的定位，藉此節(jié)省耗電與時間。另一個重要工具是并行處理，使用不同的硬件組件進行掃描、手指處理及通信，使這些工作同步進行。采用高度 優(yōu)化的算法進行手指偵測、手指定位及手指識別碼（ID），能夠縮短處理與響應時間。

　　畫面更新率：當手指出現(xiàn)在觸摸屏上時，一個數(shù)據(jù)緩沖器內觸摸屏數(shù)據(jù)的兩個相鄰幀之間的時間。低畫面更新率會導致系統(tǒng)偵測動作有停頓現(xiàn)象，偵測到 的移動路線也會變成不連續(xù)的線段，而不是流暢的曲線。換言之，若觸控面板擁有高畫面更新率，就能提供更多的數(shù)據(jù)點，可轉譯成流暢或完整的形狀或動作軌跡， 此外，高畫面更新率還能改進手勢的解譯功能。諸如TrueTouch這類智能觸摸屏控制器能夠調整其畫面更新率來配合系統(tǒng)需求。手繪或手寫應用需要相當高 的畫面更新率，但手機撥號鍵盤僅需在使用者按下或放開按鈕時，截斷主控端即可。

 平均功耗：是指觸控系統(tǒng)的平均功耗，包括控制器IC工作時的時間掃描、處理、通信、休眠等，以及主處理器接收與解譯觸控數(shù)據(jù)的時間。

 功耗是很常見的性能參數(shù)：測量裝置消耗的電流乘以電壓，就能推算出功耗。在觸控面板的功耗方面，需要更精密的計算公式，因為不同使用模式會產(chǎn)生不同功耗。手機的待機時間取決于觸摸屏的待機或休眠模式消耗的電流。

 觸摸屏在工作時，還分成許多種模式，例如觸碰喚醒（WOT）、面頰偵測（CheekDetect），比如接聽一通5分鐘來電，正在檢視或輸入電話號碼 時，手機可能切換至觸控模式達10秒，之后再切換至提醒通話時的WOT或面頰偵測模式。即使在傳送文字信息（SMS）時，仍是混合WOT模式與實際手指接 觸，在按鍵輸入或思考時，控制器IC會在各種睡眠模式之間進行切換。

 若不考慮這些功耗模式，就會很容易被系統(tǒng)耗電量所誤導，在大多數(shù)的 情況中，觸摸屏90～99%的時間都是切換至面頰偵測模式及觸碰喚醒模式。有些系統(tǒng)允許使用者自行設定處理時間與休眠模式的比例，甚至手指仍置于面板的時 候。若系統(tǒng)僅偵測到手指置于相同位置，就不需要200MHz的畫面更新率。想要開發(fā)一個高性能觸摸屏，必須運用休眠模式的低功耗系統(tǒng)，并搭配創(chuàng)新的休眠與 喚醒模式來工作。

 系統(tǒng)研發(fā)人員在設計一個電容式觸摸屏系統(tǒng)時，還要考慮許多其它重要因素：

 手指電容：是指手指與單一傳感器組件之間測量到的電容。測量手指電容時，是使用一只真實手指，而不是金屬的機械手指，以確保測得符合實際狀況的數(shù)據(jù)。影響回授電容（CF）的因素包括覆蓋上層的鏡片厚度及覆蓋外層材料的介電常數(shù)。

 系統(tǒng)本底噪聲：系統(tǒng)本底噪聲是指電容至數(shù)字轉換器輸出端所測量到的噪聲，是數(shù)據(jù)轉換器的輸入（電容）值。

 信噪比：信噪比（SNR）是傳感器測得的手指信號與測量噪聲之比。這是個重要參數(shù)，設計人員必須深入了解它，才能開發(fā)出高效率的觸控面板。系統(tǒng)必須能調節(jié)、適應并濾除移動系統(tǒng)中的寄生噪聲。為獲得高信號數(shù)以及極少的噪聲數(shù)，可考慮針對觸控功能采用精確的模擬前端組件。

　諸如TrueTouch系列可編程解決方案這類產(chǎn)品，可在濾除噪聲方面提供許多絕佳的機制。PSoC可編程模擬組件能重新組態(tài)，以整合持續(xù)一段 時間的信號，藉此濾除噪聲。不同的信號頻率，包括擴頻與虛擬隨機頻率，亦可用來避免電磁干擾。標準的數(shù)字濾波器能移除1～2位的信號抖動或提供類似IIR 的低通濾波器。智能數(shù)字濾波器能比對附近區(qū)域偵測到的樣本，濾除不正常的樣本，智能濾波器僅受限于系統(tǒng)設計人員的創(chuàng)意。圖3顯示一個組件的噪聲水平范例， 及偵測到的觸控行為。在這個例子中，擷取到的SNR為5。

 圖3  信噪比（SNR）范例

　了解與掌握重要的觸摸屏效能參數(shù)，就能大幅改進觸摸屏設計。了解這些標準，也有助于選擇理想的設計伙伴，這些業(yè)者擁有適合的技術，能妥善應對移動消費產(chǎn)品的噪聲與電氣問題。

 　 　觸摸屏吸引人的優(yōu)點，就在于其外表看似簡單的設計。在取代笨重的按鈕、軌跡球或傳統(tǒng)屏幕后，觸摸屏帶來一種全新的操作模式，創(chuàng)造出令人喜愛的使用體驗。 觸摸屏設計的難點在于，想要提供美觀簡潔的設計，必須采用精密復雜的硬件、固件體以及制造技術。掌握觸摸屏的設計要點、關鍵性能參數(shù)，以及觸摸屏設計的權 衡考慮要素，是開發(fā)出一流觸摸屏產(chǎn)品的第一步。