移動設(shè)備似乎都有觸摸屏顯示器，而且通常還有許多其他傳感器。了解底層技術(shù)可以幫助您評估這些設(shè)計中不可避免的權(quán)衡?，F(xiàn)代游戲，醫(yī)療和移動設(shè)備主要由集中顯示器為主要用戶界面提供觸摸感應(yīng)。然而，這些產(chǎn)品中的大多數(shù)是可以受益于多種類型的傳感器以確定位置，運動和其他環(huán)境條件的系統(tǒng)。使用模型和響應(yīng)配置文件決定了可以使用的觸摸界面的類型。將提供可用的傳感器類型，開發(fā)和應(yīng)用支持，產(chǎn)品實施問題以及分級可用性。

觸摸傳感器

有許多可用的觸摸傳感器接口和技術(shù)。有些是針對大面積應(yīng)用的，或者需要線纜式電源才能執(zhí)行。移動空間是這些接口的新“卷”區(qū)域。移動空間指南包括17英寸以下的顯示，電池操作，斷電模式，毫秒響應(yīng)時間以及設(shè)備上一次只有一個用戶。這些要求將主流觸摸技術(shù)縮小為三種類型：電阻式，投射式電容式和表面電容式。表1中顯示了這三種技術(shù)的概述。

電阻投射帽表面裸露手指是是是手套或手寫筆是是否可密封框架是是否耐久性公平優(yōu)秀良好穩(wěn)定性優(yōu)異優(yōu)異良好透光率75％-88 ％《90％88％-93％Multi-Touch Capable否是是表1：觸摸傳感器的類型。

電阻式觸摸是最古老，最簡單的技術(shù)之一。觸摸屏基于柔性導(dǎo)電層（通常涂覆有氧化銦錫［ITO］），其在另一ITO導(dǎo)電層上方間隔開。當(dāng)頂層彎曲或凹陷時，它與底層接觸，然后產(chǎn)生局部電壓變化。感測電壓變化的位置，并確定觸摸的位置，如圖1所示。這是一種高精度技術(shù)，因為頂層的彎曲可以來自大區(qū)域物體，如戴手套的手指，或非常小的區(qū)域，如手寫筆的末端。該技術(shù)還允許頂層的邊緣被密封，從而允許天氣和灰塵/異物抵抗。 Digi-Key提供十個供應(yīng)商提供的電阻式觸摸控制IC - Analog Devices，Inc.，Atmel，Integrated Device Technology（IDT），Maxim，Microchip Technology，National Semiconductor，ROHM Semiconductor，Semtech，STMicroelectronics和Texas Instruments（TI）。用于顯示系統(tǒng)的電阻式觸摸IC，包括手機使用的電阻式觸摸IC，都由開發(fā)系統(tǒng)支持，可以訪問數(shù)據(jù)管道的所有階段。 ADI公司的EVAL-AD7877EBZ-ND等開發(fā)系統(tǒng)包括軟件，電纜，觸摸傳感器，控制電子元件和顯示器。這些系統(tǒng)允許應(yīng)用程序開發(fā)和傳感器的實時測試。電阻式觸摸系統(tǒng)的高速度，除了具有密封顯示器的能力，當(dāng)屏幕上有濕氣或流體時持續(xù)運行，以及牢固的非意外觸摸，使得電阻式觸摸成為工業(yè)控制和醫(yī)療電子設(shè)備的首選技術(shù)。

圖1：電阻式觸控面板。 （Planar Systems提供）。

投射式電容式觸控是另一項可以應(yīng)對天氣，灰塵和手套觸摸的技術(shù)。該技術(shù)通過使用層壓在兩層保護玻璃之間的傳感器網(wǎng)格來工作。傳感器網(wǎng)格帶電并將電場投射到頂部玻璃表面之外。傳感器電路檢測來自玻璃前面的觸摸物體的場變化，而無需物理接觸傳感器網(wǎng)格（參見圖2）。該技術(shù)可以使用防破壞材料并且還支持使用觸筆。雖然這種技術(shù)像電阻一樣強大，但速度并不快。它確實支持多點觸控和手勢識別。由于投射電容式觸摸傳感器網(wǎng)格沒有像電阻式觸摸那樣功率下降，因此該技術(shù)可在1.7至2.5 V范圍內(nèi)工作，而電阻式觸摸則在3.3至5 V范圍內(nèi)工作。這些器件的應(yīng)用和開發(fā)套件供應(yīng)商與電阻式觸摸高度重疊，包括ADI公司，Atmel，賽普拉斯半導(dǎo)體公司，飛思卡爾半導(dǎo)體公司，集成器件技術(shù)公司，Maxim公司，Parallax公司，ROHM半導(dǎo)體公司和意法半導(dǎo)體。投影電容式控制IC的架構(gòu)如圖3所示，以及Microchip Technology的相關(guān)開發(fā)套件（部件號DM160211）。

圖2：投射電容式觸摸（PCT）面板的構(gòu)造。 （由Zytronic Corporation提供）。

圖3：投射電容式觸摸屏傳感技術(shù)的架構(gòu)，Microchip Technology的mTouch TM 及其相關(guān)的開發(fā)套件。 （由Microchip Technology提供）。

表面電容是“最輕的觸摸”技術(shù)，因為它需要最少的力來記錄“觸摸”。這種技術(shù)是顯示器外表面上三個中唯一的一個，并且結(jié)果，具有最高水平的透明度和亮度，折衷最容易受到機械損傷。該技術(shù)通過使顯示器的外玻璃涂覆有導(dǎo)電層（通常為ITO）來工作，如圖4所示。將電極放置在面板的邊緣周圍，并在導(dǎo)電層上施加低電壓以產(chǎn)生均勻的電場。面板上的觸摸從顯示器的每個角落吸取電流。然后，控制IC通過電流計算觸摸的位置。該技術(shù)支持多點觸控和手勢，但需要裸露手指觸摸的電容差分，并且不適用于手寫筆或帶手套的手等物體。由于邊緣導(dǎo)體，該技術(shù)不允許密封顯示，因此在液體和高污染物的情況下它不起作用。最后兩個限制 - 手套和液體 - 是該技術(shù)不適用于醫(yī)療應(yīng)用的主要原因。 STMicroelectronics的STM8/128-EV/TS等開發(fā)系統(tǒng)包括軟件，電纜，電源，觸摸傳感器，控制電子設(shè)備和顯示器。這些系統(tǒng)允許應(yīng)用程序開發(fā)，包括分辨率，手勢和多點觸控功能。

圖4：表面電容式觸控面板。 （Planar Systems提供）。

其他傳感器

在移動領(lǐng)域，新設(shè)備已經(jīng)打開了用戶界面（UI）以外的控件，而不是屏幕上顯示的控件。對于游戲，手機和自定義掃描設(shè)備，方向和移動是軟件控制的關(guān)鍵部分。圖5顯示了現(xiàn)代手機以及作為系統(tǒng)一部分的MEMS和傳感器。典型的定位傳感器是陀螺儀，加速度計，磁力計，數(shù)字羅盤和航位推算模塊。對于醫(yī)療，工業(yè)控制和家庭自動化應(yīng)用，觸摸顯示系統(tǒng)可以包括壓力傳感器，溫度傳感器以及顏色和光學(xué)傳感器。這些傳感器類別包括成像傳感器，灰塵和濕度傳感器，氣體傳感器，沖擊和應(yīng)變傳感器以及振動/能量收集傳感器。

圖5：帶有MEMS和傳感器的手機系統(tǒng)。 （由Yole Development提供）。傳統(tǒng)上，當(dāng)使用這些類型的傳感器創(chuàng)建設(shè)計時，唯一的接口是系統(tǒng)中的微控制器和微處理器。傳感器可用的接口通常決定核心處理器上可用的接口。通過系統(tǒng)中的顯示，可以進行權(quán)衡。顯示屏上的觸摸界面是系統(tǒng)的有效“主控臺”;它是中斷驅(qū)動的，并使用最高優(yōu)先級的通道進入處理器。控制芯片的觸摸接口可用作JTAG，SPI和標(biāo)準(zhǔn)串行端口接口，通常是更高速的數(shù)據(jù)路徑。

圖6：賽普拉斯CY3280觸摸傳感器開發(fā)套件。 （賽普拉斯半導(dǎo)體公司提供）。

當(dāng)系統(tǒng)中包含其他傳感器時，必須使用與“控制臺”接口兼容的接口。必須考慮其他設(shè)備的定時，數(shù)據(jù)速率和數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度，并驗證數(shù)據(jù)總線合規(guī)性和軟件應(yīng)用程序兼容性。通常，系統(tǒng)固件作為自主控制臺和控制器運行，因此附加傳感器是系統(tǒng)中唯一的反饋。通過包含觸摸界面，接口路徑現(xiàn)在必須在其上運行多個設(shè)備。開發(fā)系統(tǒng)，如賽普拉斯半導(dǎo)體公司提供的系統(tǒng)，如圖6所示，允許應(yīng)用程序代碼開發(fā)以及與其他傳感器和系統(tǒng)的集成。開發(fā)系統(tǒng)可以支持多種微控制器選項。

系統(tǒng)權(quán)衡

額外的傳感器有多種形式 - 裸傳感器，帶控制的傳感器和完整的傳感器子系統(tǒng)。最低的元件成本是裸傳感器（見圖7）。裸傳感器具有模擬輸出，必須進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，然后由中央處理器處理和解釋。裸傳感器組件是連續(xù)時間元件，基于處理器的系統(tǒng)需要采樣數(shù)據(jù)離散時間接口。

帶控制系統(tǒng)的傳感器允許控制電子設(shè)備為系統(tǒng)產(chǎn)生數(shù)字輸出并處理傳感器的校準(zhǔn)。此設(shè)置消除了傳感器的連續(xù)時間方面，并允許控制系統(tǒng)以異步或同步模式運行。這些傳感器電子元件的數(shù)據(jù)大小和分辨率應(yīng)與觸摸電子元件的數(shù)量級和分辨率相同。通常，這些獨立傳感器具有可產(chǎn)生8位至24位結(jié)果的信號處理IC。如果這些結(jié)果以毫秒數(shù)據(jù)速率提供，類似于觸摸控制，則需要調(diào)度軟件和本地緩沖區(qū)來緩存多種類型的數(shù)據(jù)，以便它們以有序的方式到達核心處理器。具有控制系統(tǒng)的傳感器傾向于在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器邏輯上具有簡單的輸出寄存器組，并保持設(shè)備的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。這意味著傳感器的連續(xù)循環(huán)需要清除傳感器上的本地數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)移到數(shù)字核心進行處理。

圖7：預(yù)先安裝的未補償壓力芯片的示例。 （由TDK EPC傳感器業(yè)務(wù)集團提供）。

這些傳感器的最終形式是完整模塊。在模塊級別，您可以獲得傳感器，控制電子元件和本地緩沖存儲器。這種格式最容易與觸摸傳感器系統(tǒng)集成，因為有非核心內(nèi)存可用于解決時序問題。然而，完整的模塊具有最高的組件成本。這個成本可以通過提高系統(tǒng)性能和減少項目開發(fā)時間來抵消。

時間問題

這些多傳感器系統(tǒng)的一些權(quán)衡，如手機或平板電腦，與時間有關(guān)關(guān)于正在運行的應(yīng)用程序的傳感器數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)。設(shè)備操作系統(tǒng)與數(shù)據(jù)如何到達有很大關(guān)系，以及應(yīng)用程序必須處理的細節(jié)數(shù)量。通信和計算設(shè)備中的操作系統(tǒng)傾向于避免來自傳感器的任何異步信號路徑。相反，它們在連續(xù)時間基礎(chǔ)上生成，量化，然后發(fā)送到存儲器/寄存器，以便在主數(shù)據(jù)總線上以同步方式傳輸。這些信號中的一些還產(chǎn)生優(yōu)先級中斷，指示系統(tǒng)的位置或活動變化。除數(shù)據(jù)外，溫度和其他環(huán)境傳感器還可能產(chǎn)生中斷。然后系統(tǒng)處理這些信號以確定是否應(yīng)該關(guān)閉設(shè)備以進行保護。對于具有多個傳感器的系統(tǒng)，當(dāng)前的同步解決方案是對所有系統(tǒng)使用輪詢基礎(chǔ)，并且在輪詢序列中，可以多次調(diào)用觸摸UI。

觸摸時某些其他傳感器的位置不兼容系統(tǒng)使用可能是一個主要問題。磁力計和電子羅盤與表面和投射電容式觸摸系統(tǒng)產(chǎn)生的電場以及LCD背光源的電源驅(qū)動器附近存在一些沖突。其他具有放置問題的傳感器是溫度傳感器，需要遠離驅(qū)動電子設(shè)備放置表面電容和電阻顯示器。這些驅(qū)動電子設(shè)備往往比顯示器的其他部件更熱，并為溫度傳感器創(chuàng)建錯誤的配置文件。

觸摸界面的全部要點是允許簡化的GUI，以便快速選擇新模式或嵌入式功能模式。項目系統(tǒng)可以完全原型化，允許應(yīng)用程序和OS軟件在多開發(fā)人員工具包環(huán)境中運行。這些開發(fā)工具的關(guān)鍵功能之一是幫助減少應(yīng)用中觸摸系統(tǒng)的延遲。為了降低成本，大多數(shù)系統(tǒng)都是使用觸摸屏和模塊級MEMS或傳感器開發(fā)的。在開發(fā)初始配置之后，如果存在時序余量，則將數(shù)據(jù)加載到中央存儲器以及應(yīng)用程序是否仍在運行時，可以將模塊系統(tǒng)退回到成本較低的傳感器/控制邏輯設(shè)計。這使得單個設(shè)備和開發(fā)套件的可用性成為設(shè)計流程的關(guān)鍵部分。

原型創(chuàng)建

觸摸和多傳感器系統(tǒng)對原型的最終形式，適合性和功能的挑戰(zhàn)超過了標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)。不能使用選擇標(biāo)準(zhǔn)項目框之類的東西。塑料太厚而且會破壞有源電容式觸摸系統(tǒng)的邊緣驅(qū)動，或者它是一個金屬盒，它會阻擋磁力計，指南針或航位推算系統(tǒng)的信號。

氣流對于這些系統(tǒng)至關(guān)重要，因為顯示功能通常“開啟”并產(chǎn)生恒定的電場和熱量。因此，將壓力傳感器放置在不會吸收通風(fēng)氣流的地方至關(guān)重要。最終的原型，如圖8所示，往往是多個堆疊的PCB，顯示器位于頂部，觸摸屏下方的板邊緣上的連接器組。

圖8：原型觸摸系統(tǒng)。 （由東京電子通信大學(xué)提供）。