作者：賽普拉斯半導體公司Todd Severson、Henry Wong

　　支持觸摸功能的消費類電子設備每一年都在不斷增大屏幕尺寸。觸摸屏在智能手機中得到廣泛應用，并已迅速發(fā)展到平板電腦。隨著Windows 8的發(fā)布，觸摸功能正在向超極本、筆記本電腦以及一體機電腦（all-in-one PC）發(fā)展。隨著屏幕尺寸不斷增大，電容式觸摸面臨的主要挑戰(zhàn)是在較大尺寸的屏幕上同樣保持用戶所期望的較高手機性能。這就意味著需要在相同的時間內(nèi)掃描更大表面面積上的更多交叉點。此外，處理器必須能在信號更少、噪聲更大的條件下工作，同時還要努力保持其速度、精確度以及響應能力，從而實現(xiàn)理想的用戶界面體驗。

　　2007年，Apple公司推出iPhone開啟了電容式觸摸屏在消費類電子產(chǎn)品上的應用。這款3.5英寸屏幕大小的設備引入了多點觸摸用戶體驗，從而改變了用戶與電子設備的互動方式?，F(xiàn)在，觸摸屏已成為數(shù)碼相機（DSC）、便攜式導航設備（PND）、電子閱讀器、平板電腦、超極本以及一體機（AIO）電腦等消費類電子產(chǎn)品的標準配置。正如我們看到的，所有這些設備的一大主要趨勢就是發(fā)展轉向更大的屏幕尺寸。電容式觸摸屏在進軍超極本或筆記本電腦等新型細分市場的同時更在不斷發(fā)展其現(xiàn)有產(chǎn)品細分類型。頂級智能手機的OEM廠商紛紛從智能手機轉戰(zhàn)超級手機，通過向客戶提供更大的屏幕尺寸來實現(xiàn)其產(chǎn)品的差異化。

　　當今消費類電子產(chǎn)品的主要產(chǎn)品細分類型如下：3-5英寸屏幕大小的智能手機；5-8英寸的超級手機或平板手機；8-11.6英寸的平板電腦；11.6-15.6英寸的超極本；以及最大可達17英寸的筆記本電腦。在僅僅5年的產(chǎn)品歷史中，平板電腦被認為是發(fā)展最快速的移動設備之一，其銷量預計將在2015年趕超個人電腦。因此，PC供應商開始將重心轉移至采用觸摸友好型設計上，比如可用作筆記本電腦或平板電腦的可翻轉筆記本電腦。

　　圖1 全球平板電腦和PC的預測

　　用戶期望大屏幕設備能夠?qū)崿F(xiàn)與智能手機相類似的性能和觸摸體驗。大屏幕設備需要處理的用例通常與我們在較小型手機上看到的不同。筆記本電腦或PC更常是在插入電源時使用，它們的表面面積更大，因此在打字輸入時可將手掌或其它大型物體放置在屏幕上，并且用戶通常會將這些較大型的設備放在桌面或膝蓋上而非拿在手中使用。所有這些動作都會改變設備的電氣性能。性能穩(wěn)健且響應速度快的用戶體驗主要包括：靈敏度高、能跟蹤多個移動碰觸對象、在各種噪聲環(huán)境下能夠識別并跟蹤手指、在各種環(huán)境條件下能夠識別和跟蹤手指，并且保持可接受的功耗以實現(xiàn)理想的電池使用壽命。換言之，用戶體驗的本質(zhì)是指在各種條件下當您觸摸屏幕時系統(tǒng)所做出的響應。

　　電容式觸摸屏的工作原理是通過將發(fā)射電壓驅(qū)動至設備上的傳感器面板，從而產(chǎn)生信號電荷。然后觸摸屏控制器接收到信號，它能夠通過測量傳感器電荷的變化來確定傳感器電容。芯片接收到的電流等于面板電容與發(fā)射驅(qū)動器的電壓的乘積（Q1 = C * VTX）。基線電路能夠移除額定的非觸摸傳感器電荷，從而讓系統(tǒng)專注于測量因手指觸摸而引起的傳感器電荷的變化。這有助于改進觸摸的測量、分辨率以及靈敏度。

　　隨著電容式觸摸屏的發(fā)展，我們面臨著越來越多的技術挑戰(zhàn)。較大型屏幕面臨的主要問題是發(fā)射電壓需要覆蓋更大的表面面積，而且傳感器的電阻和電容也有所增加。觸摸面板受更高寄生電容和電阻的限制，會影響電阻電容（RC）的時間常數(shù)，從而導致發(fā)射頻率變慢。發(fā)射工作頻率則會影響信號建立、刷新率以及功耗。我們的目的是要確定能夠在整個面板實現(xiàn)一致觸摸響應并最大限度地降低掃描時間和功率所需的最高發(fā)射工作頻率。

　　刷新率

　　刷新率是指觸摸屏控制器在一秒鐘內(nèi)測量到的屏上觸摸并將其報告回主機處理器的次數(shù)。刷新率越高，設備就會在越短的時間內(nèi)收集越多的x/y數(shù)據(jù)坐標，從而實現(xiàn)響應快速的用戶體驗。大多數(shù)消費類電子產(chǎn)品都要求觸摸控制器的刷新率大于100Hz或約為10ms。諸如數(shù)字繪圖板或銷售點（POS）終端等特定應用甚至要求更高的刷新率才能捕獲和識別簽名以及快速滑過的筆畫。

　　對于大型屏幕而言，保持快速的刷新率極具挑戰(zhàn)性，因為觸摸控制器需要掃描更大的表面面積，從所有交叉點采集數(shù)據(jù)，然后再處理這些數(shù)據(jù)。刷新率主要受兩大因素影響：屏幕的掃描速度以及已掃描數(shù)據(jù)的處理速度。在具有相同的傳感器特性下（3108對比275），17英寸屏幕的交叉點數(shù)超出5英寸屏幕11倍。為了保持5英寸屏幕的用戶體驗，17英寸的屏幕就需要更強大的掃描與處理功能。

　　有一種方法可以解決掃描問題，那就是確保觸摸控制器具有足夠的接收通道，從而在單個周期內(nèi)掃描整個屏幕。大多數(shù)觸摸屏疊層都是由位于外殼玻璃下的傳感器模式組成，其中包含大量的“單位晶胞（unit cell）”，這些晶胞以x和y方向排列，其中x方向用于發(fā)射，y方向用于接收，或反之亦然。接收通道會收集數(shù)據(jù)并使用模數(shù)轉換器（ADC）將每個單位晶胞中的互電容變化轉換為數(shù)字數(shù)據(jù)，以供主機解析手指觸摸點的坐標。如果接收通道或ADC的數(shù)量不足，則需要多次掃描以及更長的時間來掃描整個面板。這會導致在給定的時間周期內(nèi)只能獲取更少的樣本，從而帶來不良的用戶體驗。

　　有一種方法可幫助解決處理問題，即為觸摸控制器添加一個更大的處理器，或者將部分計算卸載到系統(tǒng)的主處理單元。這意味著將電容數(shù)據(jù)發(fā)送到主機端，并在應用或圖形處理器上運行算法。其中一個實現(xiàn)方案就是使用觸摸屏控制器掃描傳感器，搜索第一次觸摸，然后將圖像傳輸至主機處理器。然后，主機會處理整個陣列、過濾噪聲、查找觸摸坐標，并跟蹤手指ID。采用并行處理支持在作為觸摸屏和顯示屏主機的數(shù)千兆赫多內(nèi)核處理器上完成大量數(shù)字運算。

　　信噪比（SNR）

　　SNR是指信號功率與噪聲功率之比，換言之，即有用信息與錯誤或不相關數(shù)據(jù)之比。觸摸屏面板上的傳感器相當于一根大型天線，可接收熒光燈、LCD或充電器等系統(tǒng)和環(huán)境噪聲。

　　圖2 TT Combined image_White

　　大型屏幕可作為更大型的天線，因此更容易接收噪聲并使接收通道達到飽和。這會造成誤觸摸、觸摸中斷或觸摸屏“鎖定”以致觸摸屏完全無法報告數(shù)據(jù)，從而顯著影響觸摸性能。為了排除這些干擾，觸摸屏控制器要求能夠增強信號或降低噪聲。提高信噪比的一些主要方法包括提高發(fā)射電壓以增強信號；使用硬件及數(shù)字濾波法降低噪聲，或利用跳頻遠離噪聲頻率。

　　信噪比與發(fā)射電壓成線性比例。發(fā)射電壓可通過充電泵或VDDA驅(qū)動程序來提供。在大多數(shù)消費類電子設備中，充電泵一般可帶有2.7-3V電源，且能進一步將這一電源電壓提升到更高的電壓。大屏幕的問題在于充電泵對高電容面板的驅(qū)動能力有限。也就是說必須增加外部泵或電源，而這會相應增加成本和功耗。

　　在沒有足夠信號的情況下，另一個選項是最大限度地降低噪聲。第一道防線就是使用濾波器創(chuàng)造更加潔凈的電容環(huán)境。如果這種方法無效，第二道防線一般是使用跳頻去搜索干擾較少的頻率。如上所述，大尺寸面板的寄生電容和電阻更高，會影響電阻電容（RC）時間常數(shù)，從而導致發(fā)射頻率更低。更低的頻率意味著它很難在噪聲范圍以外掃描整個面板。較高的發(fā)射頻率會給觸摸控制器提供更大的空間，使其遠離噪聲源。理想的最大發(fā)射頻率為350kHz或者更高，但需要根據(jù)客戶的具體目標，不斷地在信噪比、刷新率以及功耗之間進行權衡，從而優(yōu)化每臺設備。臺式電腦上的單機游戲更注重響應速度而非功耗，然而便攜式設備則需要考慮功耗以延長電池使用壽命。

　　功耗

　　隨著移動性在我們生活中占據(jù)著越來越重要的位置，功耗成為了消費者在選擇便攜式電子設備時的一項重要考慮因素。市場調(diào)查顯示，大多數(shù)用戶認為電池使用壽命是購買新型便攜式設備時需要考慮的最重要特性之一。

　　圖3 電池壽命的重要性

　　由于液晶顯示屏尺寸的加大，功耗通常與屏幕尺寸成正比。液晶顯示屏的功耗在整個系統(tǒng)功耗中占相當大的比例。要想保持電池使用壽命，一種方法就是在系統(tǒng)中使用更大的電池組。但這會增加系統(tǒng)的重量，從而影響用戶的便攜性體驗。另一種方法是通過降低刷新率、降低發(fā)射電壓、禁用各種數(shù)字濾波器或使用盡可能低的模擬/數(shù)字電源，但這種方法會降低設備性能。同樣，這些解決方案都會給用戶體驗帶來負面影響，因此都不是理想的方案。

　　對于好的設備而言，重量與性能都是關鍵因素，延長電池使用壽命的最佳解決方案就是優(yōu)化系統(tǒng)中單個組件的功耗。對于觸摸屏控制器來說，這就意味著為設備制定靈活的功耗管理方案。

　　總功耗取決于設備的狀態(tài)或使用情況。一款智能的高能效觸摸屏控制器應具備多狀態(tài)功耗管理，如工作狀態(tài)、低功耗狀態(tài)和深度休眠狀態(tài)等，其中每種狀態(tài)都有一套降低功耗的獨特方案。這些都是通過觸摸控制器的配置參數(shù)來管理的。

　　· 工作狀態(tài)下，觸摸屏具有最快的觸摸響應時間，因為設備會積極地掃描觸摸屏，從而確定觸摸的存在并識別觸摸坐標。

　　· 在工作狀態(tài)下，如在一定時間內(nèi)未檢測到觸摸事件，設備就會進入低功耗狀態(tài)。這會進一步降低功耗并相應地延長響應時間。如設備檢測到任何觸摸事件，則會自動從低功耗狀態(tài)切換到工作狀態(tài)。

　　· 深度休眠狀態(tài)下的功耗最低。這種狀態(tài)下設備不進行任何掃描且不報告任何觸摸。這時需要中斷，才能喚醒觸摸屏控制器，并將其切換到工作狀態(tài)。

　　圖4 電源狀態(tài)圖

　　不同功耗狀態(tài)是由系統(tǒng)環(huán)境決定的。比如，如果一段時間內(nèi)屏幕沒有被觸摸，系統(tǒng)就會讓用戶界面停止活動以延長電池使用壽命。而這是通過主機管理設備上的各個組件來完成的，比如關閉液晶顯示屏以及將觸摸控制器置于低功耗狀態(tài)等。在低功耗狀態(tài)下，一旦檢測到觸摸事件，觸摸屏控制器就會切換到工作模式，并繼續(xù)掃描，以確定面板上的觸摸坐標。如果在低功耗狀態(tài)下未檢測到觸摸事件，主機就會驅(qū)動觸摸控制器進入深度休眠狀態(tài)以節(jié)省電量。這些動態(tài)功耗管理狀態(tài)讓消費者在使用便攜式移動設備時能夠靈活地管理觸摸性能和功耗。

　　隨著觸摸屏的發(fā)展，為了保證用戶體驗，應采用系統(tǒng)級方法。觸摸屏會受物理現(xiàn)象限制，要想讓電容式觸摸繼續(xù)成為移動消費類電子產(chǎn)品的技術選擇，那么獨創(chuàng)性和集成度是關鍵。人們正在開發(fā)新的觸摸屏材料以提高面板速度，同時也在定義主機處理架構以卸載部分繁重的數(shù)字運算。硬件和軟件也在不斷改進，濾除噪聲的同時提高信號強度，同時，人們正在采用系統(tǒng)級功耗方式來延長電池使用壽命。設計人員面臨的下一個重大挑戰(zhàn)就是如何以更低成本實現(xiàn)這一切。

——本文選自電子發(fā)燒友網(wǎng)10月《觸控技術特刊》“透視新設計欄目”，轉載請注明出處，違者必究！
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