高麗雯 俞紅偉 王春鋒

摘要：文章通過對(duì)電容式觸摸屏研究目標(biāo)、內(nèi)容和技術(shù)指標(biāo)的描述，說明了其在軍事指控系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)，重點(diǎn)從工藝、結(jié)構(gòu)及特性指標(biāo)變化等多方面，以詳盡的方案和原理予以研制指導(dǎo)，充分表明了電容觸摸屏在軍事運(yùn)用上的研究方向和實(shí)用意義。

關(guān)鍵詞：電容觸摸屏；投射式電容屏；高透過率；寬濕環(huán)境；抗沖擊性能；抗電磁干擾

中圖分類號(hào)：TM451 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2012）04-0041-03

現(xiàn)代的軍事作戰(zhàn)方式，需要的電子設(shè)備越來越多，環(huán)境也多在非常規(guī)情況，甚至極端惡劣，因此提高軍用電容式觸摸屏實(shí)用性、高穩(wěn)定性及安全性至關(guān)重要。研發(fā)高透過率、寬溫工作、抗沖擊性能、抗電磁干擾性能以及安全保密性能優(yōu)越的電容式觸摸屏產(chǎn)品，使之滿足軍工裝備的要求是本文介紹的重點(diǎn)，以下是針對(duì)軍事上這些使用需求展開的具體研究方案。

一、高透過率研究

高透過率是電容觸摸屏主要特征之一，采用光學(xué)薄膜干涉原理，同時(shí)在玻璃基板上鍍制一定膜系結(jié)構(gòu)的納米光學(xué)多層膜，將玻璃可見光透過率由89%提高到96%以上，表面反射光由8%下降到2%以下，如雙面鍍制四層AR膜系，透光率可高達(dá)98%以上，反射率下降到1%以下，外強(qiáng)光下高透無反射，防眩光，有高清潤(rùn)眼功能，同時(shí)也能改善觸摸屏蝕刻色差現(xiàn)象，這為緩解士兵視覺疲勞，提高作戰(zhàn)能力提供幫助。

高透過率研究方案：AR+ITO觸摸屏玻璃可以大幅度提高平板顯示器在強(qiáng)光環(huán)境中的對(duì)比度和清晰度，雙面AR鍍膜達(dá)到更高透過率。因此高透過率主要從工藝制程上分析：

雙面鍍AR膜流程圖：

制程過程中影響透過率的參數(shù)很多，面阻值=電阻比/膜厚，低面阻值ITO玻璃鍍膜，電阻比越低越好，ITO薄膜的導(dǎo)電性要好(面電阻低)，膜厚要增大，因此薄膜的穿透度會(huì)降低，考慮高穿透率，膜厚的設(shè)計(jì)必須避免建設(shè)性的干涉，所以nd=(2m+1)λ/4，m=1，2，3，4…。另外基板溫度以及鍍膜中氧分壓的大小等各種參數(shù)相互影響相互制約，預(yù)研工作中將對(duì)其進(jìn)行仔細(xì)分類，并逐一實(shí)驗(yàn)研究。

二、寬溫環(huán)境下應(yīng)用研究

在高溫環(huán)境下，一方面要選擇耐溫材料，另一方面需要針對(duì)自身熱源的散熱系統(tǒng)研究。電容觸摸屏的發(fā)熱部分在芯片以及身后液晶模塊組件，sensor本身沒有多少熱量，對(duì)于sensor來說，更多的需要去隔熱。關(guān)于散熱在設(shè)計(jì)時(shí)需要注意給其留一定的空間，利于

熱量的散發(fā)，最后有必要的話可以用單面銅膜覆蓋散熱?？諝庥兄浅：玫母魺嵝阅埽@樣需要在電容觸摸屏底部四周加隔熱橡膠，使其與下面的顯示屏或主機(jī)隔開，能有效阻止顯示屏或主機(jī)的熱量傳遞。另外，國外已經(jīng)開發(fā)出一種新型半導(dǎo)體器件，能在加電的情況下產(chǎn)生制冷效果，目前還未普及，價(jià)格也非常昂貴。但是可以借鑒其理論自主

研發(fā)，將其運(yùn)用在電容觸摸屏的抗高溫上。

在低溫下需要考慮的是加熱，加熱的途徑很多，電阻加熱、加熱板等，相對(duì)于抗高溫還是比較容易實(shí)現(xiàn)的。

寬溫應(yīng)用研究方案：電容式觸摸屏在高低溫下應(yīng)用，除了耐溫材料的選擇外，其中對(duì)FPC上散熱和加熱也是主要研究方向。散熱的實(shí)現(xiàn)主要是將熱量迅速傳導(dǎo)到大面積板上，擴(kuò)大發(fā)熱面積。簡(jiǎn)單地可以在芯片上覆蓋銅膜，擴(kuò)大散熱面積。為更進(jìn)一步適應(yīng)軍事上的要求，可以采用半導(dǎo)體溫差電片給芯片散熱以及加熱。

半導(dǎo)體制冷片原理如圖2，在原理上，半導(dǎo)體的制冷片只能算是一個(gè)熱傳遞的工具，雖然制冷片會(huì)主動(dòng)為芯片散熱，但依然要將熱端的高于芯片的發(fā)熱量散發(fā)掉。在制冷片工作期間，只要冷熱端出現(xiàn)溫差，熱量便不斷地通過晶格的傳遞，將熱量移動(dòng)到熱端并通過散熱設(shè)備散發(fā)出去。因此，制冷片對(duì)于芯片來說是主動(dòng)制冷的裝置，而對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來說只能算是主動(dòng)的導(dǎo)熱裝置。所以需要將散熱端與外殼連接，利于散熱，使芯片脫離高溫環(huán)境。

半導(dǎo)體溫差電片件應(yīng)用范圍有：制冷、加熱、發(fā)電，制冷和加熱應(yīng)用比較普遍，在軍用其它方面：如導(dǎo)彈、雷達(dá)、潛艇等方面的紅外線探測(cè)、導(dǎo)行系統(tǒng)，將都會(huì)有一定的借鑒作用。

三、抗沖擊性能研究

電容觸摸屏表面貼合的Cover Lens采用高強(qiáng)度鋼化玻璃材料，提高抵抗撞擊能力，同時(shí)結(jié)合抗振動(dòng)性能，可以緩沖表面撞擊，從而實(shí)現(xiàn)抗沖擊性能。

抗振動(dòng)沖擊可以從硬性抗震動(dòng)和柔性抗振動(dòng)方面著手。所謂硬性抗振動(dòng)，就是在電容觸摸屏與顯示屏或主機(jī)貼合時(shí)使用強(qiáng)力的粘合膠，使兩者牢牢地合在一起，當(dāng)然也可以用其它包括螺絲等手段，目的是使電容觸摸屏與整機(jī)牢牢地結(jié)合在一起。優(yōu)點(diǎn)是電容觸摸屏安裝簡(jiǎn)易方便，缺點(diǎn)是整機(jī)在振動(dòng)時(shí)，電容觸摸屏也隨之一起振動(dòng)，不能對(duì)振動(dòng)起到緩沖作用，在受到表面撞擊時(shí)也易損。所謂柔性抗振動(dòng)，就是電容觸摸屏與整機(jī)之間有彈性的連接，在振動(dòng)時(shí)兩者之間存在彈性形變，在停止振動(dòng)后即無形變，這個(gè)彈性的形變可以忽略，不會(huì)對(duì)準(zhǔn)確度產(chǎn)生影響。柔性抗振主要采用橡膠或者彈簧等材料實(shí)現(xiàn)。其優(yōu)點(diǎn)是振動(dòng)幅度比客戶端小，能緩沖振動(dòng)，缺點(diǎn)是安裝比較繁瑣。

硬性抗振動(dòng)和柔性抗振動(dòng)各有其優(yōu)點(diǎn)，各有其缺點(diǎn)，重點(diǎn)將兩者結(jié)合起來以實(shí)現(xiàn)各自優(yōu)點(diǎn)，高強(qiáng)度鋼花玻璃材料和兩種抗振方式的結(jié)合是研究的重點(diǎn)。

抗沖擊性研究方案：從材料方面：高強(qiáng)度Cover Glass種類不同，效果不同。鋼化玻璃又稱強(qiáng)化玻璃。它是用物理的或化學(xué)的方法，在玻璃表面上形成一個(gè)壓應(yīng)力層，玻璃本身具有較高的抗壓強(qiáng)度，不會(huì)造成破壞。當(dāng)玻璃受到外力作用時(shí)，這個(gè)壓力層可將部分拉應(yīng)力抵消，避免玻璃的碎裂，雖然鋼化玻璃內(nèi)部處于較大的拉應(yīng)力狀態(tài)，但玻璃的內(nèi)部無缺陷存在，不會(huì)造在成破壞，從而達(dá)到提高玻璃強(qiáng)度的目的。

鋼化玻璃的抗彎強(qiáng)度比普通玻璃提高3倍，抗沖擊強(qiáng)度比普通玻璃提高4～6倍，熱穩(wěn)定性比普通玻璃提高3倍多，因此，它在遭受外力時(shí)，不易破壞，即使被破壞時(shí)，它的碎片呈花生米似的小顆粒狀，沒有刃口，不會(huì)傷人，能達(dá)到安全的效果。當(dāng)鋼化玻璃在Sensor上使用時(shí)，其抗風(fēng)壓系數(shù)比普通玻璃大得多。

在層與層之間貼合是使用透明光學(xué)膠。貼合過程對(duì)環(huán)境要求很高，如果在貼合過程中有塵埃落入，那么就不能返修，整個(gè)屏就會(huì)報(bào)廢。我們對(duì)光學(xué)膠的貼合積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，能有效地解決此問題。

從結(jié)構(gòu)方面，采用橡膠等軟性材料在產(chǎn)品周圍或其它部位做加固，同時(shí)利用外部整機(jī)結(jié)構(gòu)做調(diào)整，提高產(chǎn)品抗振動(dòng)性能。對(duì)整機(jī)產(chǎn)品的了解也是需要我們做的研究工作之一。

四、抗電磁干擾研究

電磁干擾對(duì)電容觸摸屏的影響主要有兩部分，分別是對(duì)Touch Sensor的干擾使得觸摸偏移和對(duì)電容觸摸IC的干擾使得芯片無法正常工作。

對(duì)Touch Sensor的電磁干擾，要求IC具有強(qiáng)有力的甄別信號(hào)能力，準(zhǔn)確判斷是否受到電磁干擾，IC中倍壓電路設(shè)計(jì)尤為重要，在電流增加的情況下提高信號(hào)輸入可以有效降低Touch Sensor受到的電磁干擾。但同時(shí)功耗增加，這對(duì)于手持式等設(shè)備又是不利

因素。

對(duì)IC的電磁干擾，一方面要求自身的抗干擾能力，另一方面可以從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行屏蔽設(shè)計(jì)研究。

抗干擾研究方案：在軍事作戰(zhàn)的惡劣氣候與復(fù)雜電磁環(huán)境下，為了提高產(chǎn)品的抗干擾性能，一方面在完成PCB印制電路板的過程中，要考慮到數(shù)字地與模擬地之間的干擾，以及對(duì)于芯片本身封裝的情況，要避免PCB板中走線之間的電磁干擾。在多層板中，模擬地和數(shù)字地應(yīng)各占一層，同時(shí)對(duì)有可能造成相互干擾的信號(hào)線要采取走不同層的排版方法，這樣可以減少信號(hào)線之間的電磁干擾。對(duì)于一些硬件連接，走線間隔、走線角度都應(yīng)注意，間隔不宜過窄，角度應(yīng)避免直角和銳角；在芯片與芯片之間聯(lián)結(jié)時(shí)，還應(yīng)注意輸出信號(hào)的電壓閥值和信號(hào)時(shí)序是否與另一芯片輸入信號(hào)相匹配。在很多情況下，為了濾除信號(hào)的噪音、高頻分量等干擾，還必須引入RC濾波電路，該電路中電容的選取也至關(guān)重要。

軟件設(shè)計(jì)采用以PSoC混合信號(hào)陣列架構(gòu)為基礎(chǔ)，CSA（CapSense Successive Approximation）逐次逼近電容的感應(yīng)式。CSA感應(yīng)方式具有好的抗干擾能力，高的探測(cè)靈敏度，同時(shí)可以調(diào)節(jié)分辨率。

五、設(shè)備安全性研究

軍事上對(duì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度及使用保密性的要求不同于民品，必須保證每次數(shù)據(jù)是正確的，并保證信息不外泄?；诖死砟?，正在積極研究軍用電容觸摸屏使用時(shí)具備應(yīng)答校正功能，每次整機(jī)從芯片讀回?cái)?shù)據(jù)，下一步整機(jī)再將讀回的數(shù)據(jù)再傳給電容觸摸芯片，電容觸摸芯片去校驗(yàn)是否和剛才發(fā)送的數(shù)據(jù)一樣，并將是否一樣的結(jié)果再發(fā)送終端處理，這樣就完成了一個(gè)數(shù)據(jù)的讀取。同樣，每次整機(jī)往電容觸摸芯片發(fā)送數(shù)據(jù)，電容觸摸芯片隨之將收到的數(shù)據(jù)返回整機(jī)，并等待整機(jī)發(fā)來的校正結(jié)果，這樣就完成了一個(gè)數(shù)據(jù)的發(fā)送。這樣校正既可以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，同時(shí)也實(shí)施了認(rèn)證加密過程，雖然會(huì)損失一些時(shí)間，但在目前飛速發(fā)展的單片機(jī)環(huán)境下可以忽略。

設(shè)備安全加密方案：在電容觸摸屏芯片中，接口方式有I2C、SPI、USB等。以I2C為例來闡述加密

方案。

I2C接口返回的數(shù)值一般沒有同時(shí)發(fā)送校驗(yàn)碼，這會(huì)造成客戶端讀取的數(shù)據(jù)無法校正正確性。故需要在芯片端增加校驗(yàn)措施，能接受數(shù)據(jù)并進(jìn)行校正，并能發(fā)送數(shù)據(jù)并發(fā)送校驗(yàn)碼。

I2C總線一個(gè)完整的數(shù)據(jù)傳輸過程，包括：起始信號(hào)、尋址字節(jié)、應(yīng)答、數(shù)據(jù)字節(jié)、應(yīng)答、數(shù)據(jù)字節(jié)、應(yīng)答直到停止信號(hào)。其中，尋址字節(jié)高7位為地址，最低位為讀寫控制(1表示讀，0表示寫)。總線發(fā)送順序是由高到低，即首先發(fā)送高位，再發(fā)送低位。鑒于數(shù)據(jù)安全性考慮，需要在電容觸摸芯片中增加數(shù)據(jù)校驗(yàn)的功能，可以采用CRC或奇偶等校驗(yàn)法。使電容觸摸芯片能在接受數(shù)據(jù)后按校驗(yàn)算法進(jìn)行校驗(yàn)，緊接著核對(duì)接收到的校驗(yàn)碼，核對(duì)后將結(jié)果發(fā)送給客戶端，客戶端根據(jù)結(jié)果進(jìn)行下一個(gè)指令的發(fā)送或者重新發(fā)送本次指令。同樣的，在電容觸摸芯片向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)后能發(fā)送校驗(yàn)結(jié)果，用于客戶端的數(shù)據(jù)校驗(yàn)。

客戶端向電容觸摸芯片發(fā)送指令的原理步驟：

第1步?？蛻舳送ㄟ^I2C發(fā)送數(shù)據(jù)，并按一定策略獲得校驗(yàn)碼，并保存結(jié)果。

第2步。客戶端通過I2C總線將校驗(yàn)碼傳給電容觸摸芯片，同時(shí)電容芯片用相同校驗(yàn)算法進(jìn)行校驗(yàn)。

第3步。電容觸摸芯片將計(jì)算出的校驗(yàn)碼和接收到的校驗(yàn)碼核對(duì)，并將結(jié)果發(fā)送給客戶端。

第4步。客戶端對(duì)比兩端的校驗(yàn)結(jié)果，判斷校驗(yàn)是否通過。流程圖如圖3所示：

客戶端從電容觸摸芯片讀取數(shù)據(jù)是以上流程的逆向思維，原理類似，通過引入I2C的校驗(yàn)措施，有效增強(qiáng)了系統(tǒng)安全性，杜絕了傳輸數(shù)據(jù)出錯(cuò)。

六、結(jié)語

電容式觸摸屏高穩(wěn)定性能的研究方案，主要通過材料結(jié)構(gòu)工藝以及軟件設(shè)計(jì)方面，制定多項(xiàng)材料搭配與工藝流程方案，并制作多組與之對(duì)應(yīng)的樣品，通過實(shí)驗(yàn)室模擬作戰(zhàn)中面對(duì)的各種復(fù)雜惡劣環(huán)境，測(cè)試多組產(chǎn)品在不同惡劣環(huán)境下的性能表現(xiàn)，統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)參數(shù)的變化，進(jìn)行優(yōu)化產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)

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[2]PSoC 體系結(jié)構(gòu)與編程：戴國駿 張翔 曾虹 CSA（CapSense Successive Approximation）逐次逼近電容的感應(yīng)式[M]．中國科學(xué)技術(shù)出版社， 2005.

作者簡(jiǎn)介：高麗雯（1982-），女，湖北黃石人，供職于南京中電熊貓信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)南京華睿川電子科技有限公司技術(shù)研發(fā)部，研究方向：觸摸屏研制開發(fā)。

（責(zé)任編輯：周加轉(zhuǎn)）