Steve Kolokowsky Trevor Davis

對(duì)當(dāng)前觸摸屏性能而言，影響最深遠(yuǎn)的技術(shù)變革或許就是從電阻式觸摸屏到電容式觸摸屏的轉(zhuǎn)變。根據(jù)業(yè)界分析公司iSupply預(yù)測(cè)，截至2011年，近1／4的觸摸屏手機(jī)中將停止沿用電阻式技術(shù)，轉(zhuǎn)而采用電容式觸摸屏。Jeffries＆Co，亦預(yù)測(cè)電容式觸摸屏的出貨量在2010年將達(dá)到1-1.88億件。市場(chǎng)呈爆炸性發(fā)展很大程度上歸功于電容式觸摸屏技術(shù)所帶來(lái)的各種效益。

傳統(tǒng)的電阻式觸摸板在檢測(cè)到手指或觸控筆時(shí)，柔軟的透明頂層被下壓后，接觸到下方的導(dǎo)電材料層，之后觸碰到感應(yīng)式電容屏幕，其本身沒(méi)有移動(dòng)的部件。實(shí)際上，感應(yīng)式電容感應(yīng)硬件從上到下依次為玻璃材質(zhì)的頂層、x與Y軸的元件以及覆蓋在玻璃基板上的氧化銦錫(ITO)絕緣層。一些感應(yīng)器供應(yīng)商推出的單層感應(yīng)器，內(nèi)含x與Y軸感應(yīng)器和小型橋接器于一單層ITO之中。當(dāng)手指或其他導(dǎo)體靠近屏幕時(shí)，就會(huì)在感應(yīng)器和手指之間產(chǎn)生電容。雖然這一電容(約為0.5SpF)相對(duì)于系統(tǒng)其他電容(約為20pF)較小，不過(guò)仍有幾種技巧可以測(cè)量出此電容。其中一種技巧就是運(yùn)用賽普拉斯半導(dǎo)體公司開(kāi)發(fā)的TrueToueh元件，快速給電容充電，再通過(guò)泄漏電阻來(lái)測(cè)量放電時(shí)間。

這種全玻璃的觸摸表面，在整個(gè)屏幕上帶給用戶光滑流暢的觸感。終端產(chǎn)品制造商亦偏愛(ài)玻璃屏，因?yàn)椴Ａ聊蛔尳K端產(chǎn)品擁有線條美麗的工業(yè)設(shè)計(jì)感，并能為觸摸檢測(cè)提供良好的電容式信號(hào)。不過(guò)，歸根結(jié)底，觸摸板的外觀只是原因之一，而其運(yùn)作模式也相當(dāng)重要。要想用觸摸屏實(shí)現(xiàn)出色的性能，首先需要了解一些關(guān)鍵的參數(shù)。

精確度一一精確度是指“觸摸屏預(yù)定義區(qū)域上的最大定位誤差，以實(shí)際手指位置和報(bào)告手指位置之間的直線距離為單位來(lái)衡量”。

精確度是通過(guò)模擬手指或機(jī)械手指來(lái)測(cè)量的。首先把手指放在面板的確切位置上，然后將實(shí)際手指位置與報(bào)告手指位置進(jìn)行比較。精確度極為重要。用戶希望系統(tǒng)能夠正確定位手指。電阻式觸摸屏的最大缺陷之一就是精確度低且精確度會(huì)隨時(shí)間的推移逐漸減弱。而電容式觸摸屏的高精確度使虛擬鍵盤以及無(wú)需觸控筆的手寫(xiě)辨識(shí)等新型應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。例如，圖1顯示一個(gè)結(jié)構(gòu)不完整的觸摸板數(shù)據(jù)，顯示手指位置有游移的現(xiàn)象，然而模擬手指實(shí)際上是進(jìn)行直線的移動(dòng)。

手指間距——手指間距的定義是“觸摸屏控制器可以報(bào)告的兩個(gè)手指放在觸摸屏上時(shí)手指中心之間的最小距離”。手指間距測(cè)量方法，是將兩個(gè)模擬或機(jī)械手指置于面板上并對(duì)向運(yùn)動(dòng)，直至系統(tǒng)報(bào)告兩個(gè)手指為一個(gè)手指為止。有些觸摸屏供應(yīng)商規(guī)定手指間距為邊緣至邊緣的距離，有些則規(guī)定為中心點(diǎn)之間的距離。10mm機(jī)械手指的10mm手指間距，意味著有雙手指觸摸到觸摸屏，或是手指間距為10mm，實(shí)際情況根據(jù)觸摸屏控制器的規(guī)格定義而定。

若沒(méi)有良好的手指間距，就無(wú)法設(shè)計(jì)出真正的多點(diǎn)觸摸解決方案。手指間距對(duì)虛擬鍵盤尤為重要，因?yàn)檫@種情況下屏幕上的兩個(gè)手指間距通常很短。

響應(yīng)時(shí)間——響應(yīng)時(shí)間的定義是“觸摸屏上手指接觸時(shí)間和觸摸屏控制器生成中斷信號(hào)之間的時(shí)間”。測(cè)量方法是以電子刺激、模擬手指動(dòng)作、或者向面板上物理移動(dòng)模擬手指。響應(yīng)時(shí)間非常重要，因?yàn)樗苯佑绊懹脩粼谄聊簧弦苿?dòng)手指的速度，進(jìn)行“平移”或“輕彈”等操作，以及用手指或筆在屏幕上書(shū)寫(xiě)。響應(yīng)時(shí)間緩慢的觸摸板，會(huì)有短暫停頓和檢測(cè)不到移動(dòng)動(dòng)作的情況。觸摸屏的響應(yīng)時(shí)間是系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的組成部分，其中包括：

·x／Y軸向掃描：觸摸控制器掃描和測(cè)量感應(yīng)器上電容變化所需的時(shí)間。

·手指檢測(cè)：比較觸摸板上的電容變化和預(yù)定義的“手指閾值”。若變化幅度超過(guò)手指閾值；就會(huì)檢測(cè)到手指的觸摸。

·手指位置：根據(jù)多個(gè)感應(yīng)器得到的結(jié)果進(jìn)行推算，確定手指的確切位置。

·手指跟蹤：當(dāng)感應(yīng)器上放置多個(gè)手指，每個(gè)手指必須正確識(shí)別并分配唯一的標(biāo)識(shí)符。

·中斷延遲：主機(jī)上中斷顯示和中斷服務(wù)之間的延遲。大多數(shù)系統(tǒng)中，中斷延遲都小于100μs。

·通信：一般系統(tǒng)在400kHz時(shí)使用I²c，或在1MHz時(shí)使用SPI接口與主機(jī)通信。

有幾種方法可用來(lái)縮短響應(yīng)時(shí)間，關(guān)鍵在于觸摸控制器IC的智能化程度。如比較有創(chuàng)意的方法，僅需掃描部分屏幕即可檢測(cè)到手指位置，一旦檢測(cè)手指后，就能快速掃描，計(jì)算出手指實(shí)際的“位置”，從而節(jié)約功耗和時(shí)間。另一種方法就是并行處理，即使用不同的硬件同步進(jìn)行掃描、手指處理和通信。采用高度優(yōu)化的算法進(jìn)行手指檢測(cè)、手指定位和手指ID，能縮短處理時(shí)間，進(jìn)而縮短響應(yīng)時(shí)間。

刷新率——手指出現(xiàn)在觸摸屏?xí)r，觸摸屏數(shù)據(jù)兩個(gè)相連幀在數(shù)據(jù)緩沖中保持可用的時(shí)間。刷新率偏低會(huì)導(dǎo)致動(dòng)作抖動(dòng)，移動(dòng)線路也會(huì)變成不連續(xù)的線段，而不是流暢的曲線。如果觸摸板的刷新率較高，就能提供更多數(shù)據(jù)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)平滑或完整的形狀或動(dòng)作軌跡。高刷新率還能改進(jìn)手勢(shì)的解譯功能。賽普拉斯的TrueTouch等智能觸摸屏控制器產(chǎn)品可根據(jù)系統(tǒng)要求調(diào)節(jié)刷新率。繪畫(huà)或手寫(xiě)應(yīng)用需要高刷新率，而手機(jī)撥號(hào)鍵盤只需在按鈕按下或釋放時(shí)中斷主機(jī)即可。

平均功耗——觸摸系統(tǒng)的平均功耗包括控制器IC的掃描時(shí)間、處理時(shí)間、通信時(shí)間和休眠時(shí)間等因素，也包括主機(jī)處理器接收和解譯觸摸數(shù)據(jù)等因素。

功耗似乎是一個(gè)簡(jiǎn)單的性能參數(shù)：測(cè)量設(shè)備使用的電流，再乘以電壓，就推算出功耗。在觸摸板的功耗方面，需要更復(fù)雜的計(jì)算公式，因?yàn)椴煌褂媚Ｊ綍?huì)產(chǎn)生不同功耗。手機(jī)的待機(jī)時(shí)間取決于觸摸屏的“待機(jī)”或“深度休眠”模式消耗的電流。即便觸摸屏在工作狀態(tài)下，也能采用幾種不同模式，如“觸摸喚醒(WOT)”、“觸摸”和“面頰檢測(cè)”等。如在一個(gè)5分鐘的通話中，正在搜索或輸入電話號(hào)碼時(shí)，手機(jī)可能切換至觸摸模式達(dá)10秒，之后再切換至提醒通話時(shí)的WOT模式或面頰檢測(cè)模式。即便發(fā)送文本短信(SMS)時(shí)，仍是混合WOT模式和實(shí)際手指接觸，控制器IC會(huì)根據(jù)用戶的輸入和思考間隙在休眠模式和工作模式之間切換。

如果不考慮上述功耗模式，可能會(huì)被系統(tǒng)節(jié)電性的宣傳所迷惑。在幾乎所有情況下，觸摸屏90％-99％的時(shí)間都處于“面頰檢測(cè)”模式和“觸摸喚醒”模式。一些系統(tǒng)甚至在手指接觸面板時(shí)也允許用戶自行設(shè)定處理時(shí)間和休眠時(shí)間的比例。如果系統(tǒng)只需報(bào)告“手指在相同位置保持不動(dòng)”，那么就無(wú)需高達(dá)200Hz的刷新率。為了開(kāi)發(fā)高性能觸摸屏，必須運(yùn)用休眠模式的低功耗系統(tǒng)，同時(shí)搭配創(chuàng)造的休眠和喚醒模式。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)電容式觸摸屏系統(tǒng)時(shí)還必須考慮一些其他重要因數(shù)。

手指電容——是指手指與單一感應(yīng)器元件之間測(cè)量到的電容。測(cè)量手指電容時(shí)，是用真實(shí)手指而不是金屬的機(jī)械手指，以確保測(cè)得符合實(shí)際狀況的數(shù)據(jù)。影響CF的因素包括覆蓋上層的透鏡厚度及覆蓋透鏡材料的介電常數(shù)。

系統(tǒng)固有噪聲電平——是指電容到數(shù)字轉(zhuǎn)換器輸出端所測(cè)量到噪聲，是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器輸入(電容)值。

信噪比(SNR)——是指感應(yīng)器測(cè)量到的手指信號(hào)除以觀察到的噪聲測(cè)量值。這不僅是一個(gè)結(jié)合上述兩項(xiàng)數(shù)值的重要縮寫(xiě)名詞，但我們必須認(rèn)識(shí)到，要想設(shè)計(jì)出高效的觸摸板，系統(tǒng)必須能夠容納、調(diào)適及濾除移動(dòng)系統(tǒng)中的寄生噪聲。為了觀察高信號(hào)數(shù)和極少的噪聲數(shù)，應(yīng)該針對(duì)觸摸功能考慮采用準(zhǔn)確的模擬前端元件。

賽普拉斯的TrueTouch系列等可編程解決方案能為噪聲過(guò)濾提供出色的機(jī)制。賽普拉斯的PSoC可編程模擬器件經(jīng)過(guò)再配置，可整合持續(xù)一段時(shí)間內(nèi)的信號(hào)，藉此濾除噪聲。不同的信號(hào)頻率，包括擴(kuò)頻和偽隨機(jī)頻率都能用來(lái)避免電磁干擾(EMI)。標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字濾波器能移除1～2位信號(hào)抖動(dòng)或提供類似于IIR的低通濾波器。智能數(shù)字濾波器可刪除相對(duì)于面板附近區(qū)域檢測(cè)到的樣本不正常的樣本。智能濾波器僅受限于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)意。圖3顯示了器件的固有噪聲電平及檢測(cè)到的觸摸行為，在本例中，SNR為5。

了解和掌控關(guān)鍵的觸摸屏性能參數(shù)，就能大幅改進(jìn)觸摸屏的設(shè)計(jì)。了解這些參數(shù)，亦有助于我們選擇理想的設(shè)計(jì)合作伙伴，這些合作伙伴擁有適當(dāng)?shù)募夹g(shù)，能妥善處理移動(dòng)消費(fèi)產(chǎn)品中未知的噪聲和電氣問(wèn)題。

觸摸屏的優(yōu)勢(shì)在于其外觀簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)風(fēng)格。在取代笨拙的按鈕、滾動(dòng)球或不易讀的屏幕后，觸摸屏帶來(lái)一種能給用戶創(chuàng)造快樂(lè)使用體驗(yàn)的全新操作模式。不過(guò)，觸摸屏面臨的難題在于，要想推出一款美觀簡(jiǎn)潔的設(shè)計(jì)，必須使用一流的軟硬件和精密的制造技術(shù)。掌控觸摸屏的要點(diǎn)、重要的設(shè)計(jì)參數(shù)、關(guān)鍵的觸摸屏性能參數(shù)以及觸摸屏設(shè)計(jì)中需衡量取舍的因素，是開(kāi)發(fā)震撼市場(chǎng)的觸摸屏的第一步。我們期待著您的觸摸屏產(chǎn)品早日推出!