梁啟權

（深圳市匯頂科技股份有限公司 廣東省深圳市 518048）

觸摸屏上寫字劃線主要通過手指和主動筆實現(xiàn)，由于手指較粗，很難進行小字書寫和快速劃線，其點擊屏幕的精度也不高。主動筆筆尖較細，且筆尖帶壓感信息，可以在屏上精確點擊和類似鋼筆的帶筆鋒書寫。在電容屏中支持電容筆功能，無需增加硬件成本，只需修改軟件即可實現(xiàn)對主動筆的支持，此特征增加了智能終端廠商推廣主動筆的意愿。

主動筆書寫時，屏檢測主動筆在屏中的坐標，同時接收主動筆的筆尖壓力信息，智能終端結合主動筆的坐標信息和壓力信息輸出筆跡，實現(xiàn)主動筆在屏中劃線或書寫。在主動筆和屏交互時，主動筆按時序進行高壓信號的打碼，該打碼信號用于屏進行主動筆坐標定位和壓力編碼信息解碼。屏需按時序?qū)χ鲃庸P進行采樣且按頻點解析，才可以正確解析到筆的信息。故各個廠家都制定主動筆協(xié)議，用于約定屏筆交互的流程、時序、頻點等信息。目前應用比較廣泛的主動筆協(xié)議有微軟制定的MPP 協(xié)議和谷歌主導的USI 協(xié)議。

1 觸摸屏檢測原理

主動筆筆尖電極輸出用于坐標定位和壓力編碼的高壓打碼信號，屏端的驅(qū)動感應通道電極接收來自筆的打碼信號，實現(xiàn)主動筆在屏中的坐標定位和編碼解析。主動筆發(fā)送信號可以為方波、正弦波或三角波等，實際使用的頻率可以為幾十KHz 到幾百KHz 之間。

如圖1所示，觸摸屏感應層包含了驅(qū)動通道Y 和感應通道X。當觸摸屏檢測主動筆的坐標或者編碼信息時，由筆尖電極發(fā)出信號，主動筆與驅(qū)動通道、感應通道之間都會有存在耦合電容，信號經(jīng)過耦合電容耦合到通道上，再由觸摸控制器的感應電路來檢測主動筆信號，此時觸摸屏的驅(qū)動通道與感應通道都會連接到觸摸控制器的感應電路上。在此檢測過程中，觸摸控制器只接收信號，不發(fā)出驅(qū)動信號。觸摸屏檢測到的筆端信號，可以實現(xiàn)坐標定位和編碼信息的解碼。同時觸摸屏可整屏打出編碼脈沖，主動筆接收來自屏的編碼脈沖，實現(xiàn)觸摸屏到筆的通信。

圖1：觸摸屏檢測原理圖

圖2：微軟MPP1.51 協(xié)議示意圖

圖3：帶上行協(xié)議示意圖

圖4：上行編碼示意圖

圖5：位編碼系列

2 典型主動筆協(xié)議

2.1 循環(huán)打碼協(xié)議

MPP1.51 協(xié)議為典型的循環(huán)打碼協(xié)議，主動筆循環(huán)的進行打碼輸出。如圖2 為微軟MPP1.51[1]協(xié)議示意圖。由于筆端循環(huán)打碼而不修改時序，故需觸摸屏進行同步實現(xiàn)觸摸屏與筆的正常交互。同步后屏在固定時序上采樣主動筆信號即可得到坐標及編碼信息。在循環(huán)打碼協(xié)議下，主動筆只打碼而無法接收信號，即只能實現(xiàn)觸摸屏到筆的單向通信。

其各段的意義如表1，其中Beacon 固定輸出，用于坐標定位；Digital 段有壓力或按鍵才輸出，按鍵按下時優(yōu)先輸出，無按鍵時用于傳輸筆ID 和筆電量信息；Pressure 段用于有壓力時傳輸壓力，其通過調(diào)頻的方式用不同的頻率表示不同的壓力等級。

2.2 帶上行協(xié)議

圖6：循環(huán)打碼下上行檢測示意圖

圖7：循環(huán)打碼模式切換協(xié)議邏輯

圖8：帶上行協(xié)議切換邏輯

谷歌制定的USI[1]協(xié)議是典型的帶上行協(xié)議,此協(xié)議下屏定期輸出上行信號，其上行信號包含筆下行打碼信號的格式及頻率信息；當筆收到屏發(fā)送的上行命令后，按上行命令規(guī)定的打碼格式進行打碼，筆未收到正確的上行信號時不打碼。

如圖3，筆在不打碼時進行檢同步，屏周期性的輸出上行信號。當筆靠近屏時，筆可以檢測到屏的上行同步信號，解析同步信號得到打碼格式信息并經(jīng)延時后進行打碼。屏在打出同步信號后經(jīng)延時進行采樣，即可得到坐標和編碼信息。其屏輸出的同步信號可以包含多位編碼，用于告知屏打碼格式和打碼頻率等信息，筆的打碼信號也可以通過調(diào)幅、調(diào)頻方式向屏發(fā)送編碼，實現(xiàn)觸摸屏與筆之間的雙向通信。

屏打出的同步信號由多位數(shù)字組成，每位數(shù)字用一定長度的編碼脈沖表示，每個脈沖占用固定的時間，如圖4 為n 位編碼示意圖，可根據(jù)協(xié)議需要定義各個位的意義，實現(xiàn)觸摸屏到筆的命令傳輸，如筆的編號、筆坐標打碼長度、筆數(shù)據(jù)編碼長度、筆打碼頻率等。

表1：MPP1.51 協(xié)議各段意義

表2：協(xié)議切換主要指標

上述每一個數(shù)據(jù)位，采用二進制編碼，分別用兩種不同的脈沖序列表示。圖5 給出一種二進制編碼系列的示例，位1 用0x98E1F28A 表示,位0 用：0x671E0D75 表示，每個編碼脈沖長度為32us，每個脈沖為1us，則一位占用的時間為32us。通過脈沖系列解碼，筆端可以識別到編碼信息，進而識別帶上行協(xié)議。

3 雙協(xié)議切換方法

3.1 協(xié)議切換原理

如圖6所示，主動筆按循環(huán)打碼協(xié)議時序輸出打碼信息，并在非打碼時序上進行上行信號檢測，此時主動筆可在支持循環(huán)打碼協(xié)議的觸摸屏屏上劃線。當筆靠近屏時，筆無法保證每個周期都可以檢測到正確的上行信號。當屏的上行正好在筆非打碼時序上時，則筆可以收到屏的上行信號，如圖6 的時序3；當屏的上行有部分或者完全與筆打碼時序重疊，則筆無法接收到上行信號，如圖6 中的時序1 和時序2。

當筆在無上行信號的屏上寫字劃線時，其不會收到正確的上行信號，此時繼續(xù)保持循環(huán)打碼協(xié)議的輸出；當筆靠近有上行的屏時，筆會收到正確的上行信號，此時可根據(jù)檢測上行信號正確次數(shù)特征切換到對應的帶上行協(xié)議。

圖7 為循環(huán)打碼協(xié)議切換到帶上行協(xié)議的切換邏輯，當無上行信號時，筆按協(xié)議循環(huán)打碼，同時檢測上行，此時主動筆保持工作在循環(huán)打碼模式下。當檢測到正確的上行且正確次數(shù)大于n（n>0）次時，表示筆靠近帶上行協(xié)議的屏，則切換到帶上行的打碼協(xié)議，實現(xiàn)循環(huán)打碼協(xié)議到帶上行協(xié)議的自動切換。

圖8 為帶上行協(xié)議切換到循環(huán)打碼協(xié)議的切換邏輯，在上行協(xié)議模式下，主動筆可在支持上行協(xié)議的屏上劃線。筆有壓力時，統(tǒng)計上行錯誤或無上行的次數(shù)，當其次數(shù)大于m（m>0）時,則表示當前主動筆是在非上行協(xié)議屏上書寫，則切換到循環(huán)打碼協(xié)議，實現(xiàn)帶上行協(xié)議到循環(huán)打碼協(xié)議的切換。

3.2 雙協(xié)議切換體驗

為了驗證雙協(xié)議切換的體驗，采用匯頂科技的GP850 主動筆芯片，開發(fā)同時支持USI 和MPP1.51 協(xié)議的主動筆，并按照3.1節(jié)的方法實際協(xié)議切換邏輯。采用微軟的Surface pro 7 和谷歌的PixelBook 進行協(xié)議切換體驗測試，其主要指標如表2。

實測中，大部分情況的切換時間小于150ms，可實現(xiàn)用戶無明顯感覺的協(xié)議切換。在2020年1月6日美國拉斯維加斯CES 展覽期間，匯頂科技將該雙協(xié)議方案進行展覽，得到各方的認可和肯定。

4 結論

本文分析了電容屏與主動筆的交互原理，介紹典型循環(huán)打碼協(xié)議MPP1.51 和典型帶上行協(xié)議USI 的特征，并根據(jù)兩個協(xié)議的特征提出帶上行協(xié)議和循環(huán)打碼協(xié)議自動切換的方法。實測表明，該方案可保證在較大干擾的情況下不誤切換，可在用戶幾乎無感覺的情況下進行快速協(xié)議切換，很好的滿足了一筆多用的用戶體驗要求。