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　　多觸點(diǎn)電容觸摸屏已經(jīng)并且正在繼續(xù)改變?nèi)藗兣c手持設(shè)備之間的人機(jī)交互方式并給人們帶來許多新的操作體驗(yàn)。從手機(jī)到電子書、電子寫字板、導(dǎo)航儀、電子游戲機(jī)和筆記本電腦等等無不紛紛拋棄原來的輕觸按鍵，競(jìng)向選擇多點(diǎn)電容觸摸屏來進(jìn)行人機(jī)交互。尤其是I-Phone和I-Pad的橫空出世，使多點(diǎn)電容觸摸屏深入人心。然而，多點(diǎn)電容觸摸屏的設(shè)計(jì)并非輕而易舉、唾手可得。嚴(yán)格地講，多點(diǎn)電容觸摸屏技術(shù)還并不是一個(gè)完全成熟的技術(shù)，它還是一個(gè)處于發(fā)展階段并且不斷發(fā)展不斷完善的技術(shù)。對(duì)于一個(gè)多點(diǎn)電容觸摸屏的設(shè)計(jì)者而言，在它面前仍然面臨著諸多的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。本文介紹多點(diǎn)電容觸摸屏設(shè)計(jì)有哪些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)和如何使用TTSP方案來幫助設(shè)計(jì)者面對(duì)這些挑戰(zhàn)，使多點(diǎn)電容觸摸屏設(shè)計(jì)比以往更容易。

　　設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

　　設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)一

　　來自多點(diǎn)電容觸摸屏設(shè)計(jì)的第一個(gè)挑戰(zhàn)是如何將由于手指觸摸而產(chǎn)生的微小的互電容變化轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)并具有足夠的分辨率。我們知道，一般地講，多點(diǎn)觸摸是基于互電容感應(yīng)原理，而互電容是發(fā)射感應(yīng)條與接受感應(yīng)條在交叉點(diǎn)處的寄生電容，這個(gè)電容是非常的小，通常在0.2~4pF, 而手指觸摸而產(chǎn)生的互電容的變化就更小了。對(duì)這種微小的互電容變化的檢測(cè)，不僅需要有對(duì)電容變化高度靈敏的硬件檢測(cè)電路以實(shí)現(xiàn)微弱模擬電量到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，同時(shí)也需要相應(yīng)的軟件來進(jìn)行控制協(xié)調(diào)以保證在整個(gè)觸摸屏上的每一點(diǎn)對(duì)手指觸摸信號(hào)有足夠高的靈敏度。

　　設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)二

　　如何獲得足夠快的掃描時(shí)間是多點(diǎn)電容觸摸屏設(shè)計(jì)的第二個(gè)挑戰(zhàn)。對(duì)于一個(gè)M行和N列感應(yīng)條的單點(diǎn)觸摸屏，使用自電容掃描，它僅需要分別掃描M行和N列后就可以根據(jù)每一行和每一列信號(hào)來進(jìn)行計(jì)算，定位手指在觸摸屏上的坐標(biāo)。它掃描感應(yīng)條的次數(shù)是M+N次。當(dāng)你使用多觸點(diǎn)互電容掃描時(shí)，由于必須是行和列的交叉點(diǎn)掃描，所以它的掃描次數(shù)是MXN次掃描交叉點(diǎn)的次數(shù)。 對(duì)于一個(gè)10行20列的3.2寸屏，自電容掃描只需要10+20=30次，而互電容掃描卻要10X20=200次。當(dāng)觸摸屏的尺寸越來越大時(shí)，掃描次數(shù)的增加越來越快。為了使用戶有比較好的觸摸體驗(yàn)，它需要每秒至少掃屏50次。 這就意味著每一個(gè)點(diǎn)的掃描加數(shù)據(jù)處理的時(shí)間必須少于100us, 這樣才能保證有足夠快的響應(yīng)時(shí)間。而觸摸屏的尺寸越大時(shí)，行和列數(shù)目就會(huì)越多，這個(gè)時(shí)間就更短。

　　設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)三

　　觸摸按鍵、觸摸滑條和觸摸板都使用銅箔作為觸摸感應(yīng)器，但觸摸屏基本上都使用ITO(Indium Tin Oxides)材料作為觸摸感應(yīng)層。銅箔的電阻率極小，因而它的電阻幾乎可以忽略不計(jì)。ITO透明而導(dǎo)電，但I(xiàn)TO卻有比較高的電阻率。 通常在觸摸屏上ITO的電阻率用方阻來表示，即一個(gè)單位方塊的電阻是多少。 一般地，ITO的方塊電阻從45~350歐姆不等，取決于觸摸屏生產(chǎn)廠家的涂層工藝。由于ITO電阻的存在，使得在觸摸屏上的每一個(gè)感應(yīng)條的近端和遠(yuǎn)端會(huì)有3K~30K歐姆的電阻，這個(gè)電阻結(jié)合每一個(gè)感應(yīng)條上的自電容所產(chǎn)生的RC延遲，就使感應(yīng)條的近端和遠(yuǎn)端會(huì)對(duì)發(fā)射的信號(hào)有不同的響應(yīng)時(shí)間或者充放電時(shí)間，進(jìn)而導(dǎo)致在近端和遠(yuǎn)端的手指觸摸信號(hào)有大小的不同。嚴(yán)重的情況，這種不同可以達(dá)到50%以上。如何消除或減少這個(gè)差異，是多點(diǎn)電容觸摸屏設(shè)計(jì)的第三個(gè)挑戰(zhàn)。雖然選擇方阻更低的ITO涂層是減少這個(gè)差異最直接的方法，但通常方阻更低的ITO涂層的厚度會(huì)更厚，導(dǎo)致透明度的下降和成本的增加。對(duì)很多終端客戶來講是不可接受的。

　　設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)四

　　信噪比(SNR)是多點(diǎn)電容觸摸屏設(shè)計(jì)中最重要的指標(biāo)之一。對(duì)一個(gè)觸摸屏來講，有足夠大的手指信號(hào)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。事實(shí)上，觸摸屏并非置身于象牙塔上，在它的周圍有諸多的噪聲源。比如，緊貼在它下面的LCD就是一個(gè)噪聲源，不同的LCD甚至不同的顯示畫面，其噪聲的大小和頻譜都不一樣。尤其是對(duì)有些AC Vcomm類型的LCD，它能夠在LCD的表面產(chǎn)生高達(dá)15nA/mm2的電流噪聲和1V以上的電壓噪聲。雖然一個(gè)ITO的屏蔽層被放在觸摸屏的下面的方案被一些設(shè)計(jì)者所采用,但屏蔽層的增加，導(dǎo)致觸摸屏厚度的增加和成本的增加，也一定程度影響了可視性。并非所有的終端客戶都可以接受。手機(jī)本身的射頻信號(hào)和外界的電磁波也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生干擾。當(dāng)采用觸摸屏的終端采用外部市電供電時(shí)，通過來自電網(wǎng)和電源適配器可能產(chǎn)生很大的共模噪聲。還有使人感到棘手的充電器噪聲，觸摸屏及系統(tǒng)本身所產(chǎn)生的噪聲如AD轉(zhuǎn)換帶來噪聲、開關(guān)噪聲以及電源噪聲和ESD測(cè)試所使用的8千伏ESD噪聲。在這么一個(gè)多噪聲的環(huán)境中，如何使觸摸屏系統(tǒng)對(duì)各種噪聲源的噪聲有很好的噪聲免疫力獲得足夠高的信噪比是多點(diǎn)電容觸摸屏設(shè)計(jì)的第四個(gè)挑戰(zhàn)。

　　設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)五

　　手指定位精度是多點(diǎn)電容觸摸屏設(shè)計(jì)的第五個(gè)挑戰(zhàn)?，F(xiàn)在的終端客戶對(duì)手指在觸摸屏上的定位精度要求越來越高，尤其在觸摸屏邊緣上定位精度。我們知道通常使用質(zhì)心算法來實(shí)施手指的定位計(jì)算。然而由于電容觸摸屏在邊緣上的感應(yīng)單元的不完整性和手指在邊緣上先天地缺失半邊的權(quán)重信號(hào)，在觸摸屏的邊緣仍然使用質(zhì)心算法將帶來較大的誤差。因此，改進(jìn)手指定位的算法，不僅適用于觸摸屏的中間區(qū)域，同時(shí)適用于觸摸屏的邊緣區(qū)域使手指觸摸的定位更準(zhǔn)確是多點(diǎn)電容觸摸屏設(shè)計(jì)必須面對(duì)的挑戰(zhàn)。

　　設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)六

　　多點(diǎn)觸摸手勢(shì)識(shí)別和跟蹤。多點(diǎn)電容觸摸屏就是為了多點(diǎn)觸摸和手勢(shì)識(shí)別而設(shè)計(jì)的。一般使用最多可以識(shí)別十個(gè)手指的觸摸。最常用的手勢(shì)為一或二個(gè)手指的手勢(shì)。它不僅要能識(shí)別單觸點(diǎn)的十四種手勢(shì)(上、下、左、右、左上、左下、右上、右下、左旋、右旋、單擊、雙擊、點(diǎn)住和抬起)，而且要能識(shí)別雙觸點(diǎn)的二十七種手勢(shì)(雙觸點(diǎn)上移、雙觸點(diǎn)下移、雙觸點(diǎn)左移、雙觸點(diǎn)右移、雙觸點(diǎn)左上移、雙觸點(diǎn)左下移、雙觸點(diǎn)右上移、雙觸點(diǎn)右下移、、雙觸點(diǎn)縮小、雙觸點(diǎn)放大、雙觸單擊、一觸一上移、一觸一下移、一觸一左移、一觸一右移、一觸一左上移、一觸一左下移、一觸一右上移、一觸一右下移、一觸一左下左拐、一觸一右下右拐、一觸一右下左拐、一觸一右上右拐、一觸一Z形移、一觸一三角移、一觸一正方移和一觸一畫圓)。此外，在多于兩個(gè)手指觸摸時(shí)要能實(shí)時(shí)地跟蹤這些手指的移動(dòng)，賦予每一個(gè)觸摸手指的臨時(shí)識(shí)別代碼不能搞錯(cuò)。它對(duì)手勢(shì)識(shí)別算法的設(shè)計(jì)和芯片的運(yùn)算速度都是一個(gè)實(shí)實(shí)在在的挑戰(zhàn)。

　　設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)七

　　低功耗。任何使用電池供電的移動(dòng)設(shè)備對(duì)其每一個(gè)功能單元設(shè)計(jì)的功耗要求都會(huì)非?？量?，尤其是在當(dāng)下的低碳時(shí)代。多點(diǎn)電容觸摸屏作為移動(dòng)設(shè)備中的一個(gè)功能單元當(dāng)然也不會(huì)例外。要使多點(diǎn)電容觸摸屏在完全激活的情況下功耗小于35mW、在待機(jī)的狀態(tài)下功耗小于100uW并非是一件容易的事。如果一個(gè)多點(diǎn)電容觸摸屏的設(shè)計(jì)不能達(dá)到這個(gè)要求，將會(huì)在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中處于非常不利的境地。