超先进触摸界面驱动器实现全新用户应用

Apple® iPhone™及相关产品中，其概念是首先构建用户界面――电容式触摸屏" title="电容式触摸屏">电容式触摸屏" title="电容式触摸屏">电容式触摸屏" title="电容式触摸屏">电容式触摸屏――然后利用基本的硬件和出色的软件来实现连接性并提供应用支持。通过这种途径，用户能够以新颖直观的方式与产品进行互动。
    电阻式触摸屏在消费设备中的运用相当普遍，主要用于基本的触摸按键切换功能或其它简单的虚拟用户界面元素(如滚动条控制)。这种技术可实现一种情景式用户界面方案，有助于减小设备单元的尺寸和外部复杂性，并提供新的工业设计选择。不过，电阻式触摸屏的光学性能较差，又存在可靠性问题，支持手势输入的效用性相当有限，而且解释两个或更多个同时触摸点的能力也很低，这些不足之处都限制了电阻式触摸屏的使用，致使其迅速让位于电容式触摸屏。
    过去几年间，电容式触摸屏技术已迅速发展成熟，它结合了在低成本硬件上运行的先进算法和成熟完善的材料技术，创建出高度可靠且稳健的用户界面。但早期的电容式触摸屏技术，以至目前市面上较低端产品的分辨率都很低，又存在LCD或其它噪声源的系统级干扰问题，致使性能严重降低。
   
   图1 典型的触摸屏系统
   (说明)
   前面板
   传感器膜
   显示层
   控制器板
    投射电容式触摸屏可以在目标(如手指)接近或接触到屏幕表面时检测到电容的细小变化。当一根手指或多根手指接触屏幕时，有多种方法对触摸屏表面的电容变化进行测量和解释。电容-数字转换技术(capacitive to digital conversion, CDC)与用于电荷收集的电极结构的空间排列(通常是显示屏表面的一层透明的传感器膜)，二者都对所达到的总体性能和简易配置能力都有着重大的影响。
    对于投射电容式触摸屏的电容变化，有两种基本的排列和测量方法：自电容和互电容。互电容测量法具有按正交矩阵排列的发射和接收电极，这是电容式触摸屏可靠地报告和跟踪多个并发触摸点的唯一方式。为简单起见，可假设该技术由许多较小的触摸屏组成，这些小触摸屏又是通过电极结构的几何排列而形成，整个装置被视为一个完整的触摸屏表面。只要能够识别每个“小”触摸屏内的多个触摸点，便能够实现这功能。由于可分别测得矩阵中每个点的电容耦合，故完全能够确定多个触摸点的位置坐标。
    基于自电容的触摸屏却与之相反。自电容方案是对整行或整列的电容变化进行测量(与互电容方案中测量一行和一列的交叉点截然不同)。若用户压触两个地方，这种方法会导致位置不明确。虽然利用软件有可能对触摸位置进行某种程度的重建，但总是存在一定的模糊性，因而被解释的触摸点会产生“鬼点”位置，继而导致无意的行为被报告给系统主机。该方案还存在一种有害的副作用，即当两个触摸点共享同一行或同一列电极时，报告的坐标往往‘突跳’到有关电极，形成存在严重非线性现象。在实践中，自电容只用于单触摸点或极有限的双触摸点应用。
   
   图2 用于多点触摸应用的自电容和互电容触摸屏测量之比较
    在基于互电容的系统中，每个触摸点都由一对(x,y)坐标来表示；而在自电容系统中，触摸点 x 和 y 坐标的检测是彼此独立的。在互电容系统中，如果出现两个触摸点，检测结果由(x1,y3) 和 (x2,y0),表示，但在自电容系统中，是由(x1,x2,y0,y3)表示。因此在自电容系统是无法确定(x1,y0)、(x2,y0)、 (x1,y3) 和 (x2,y3)这些触摸点中哪一个是正确的。
    CDC测量的基础方法也对电容式触摸屏的工作方式有着重要的影响。有多种技术可用于信号捕获，例如弛张振荡器、CSA、Sigma Delta转换器等，并各有其优势和缺陷。所有这些技术在其它资料中均有详细描述。从互电容测量的角度来看，它们都有一个会严重限制效用性的主要缺点：在测量周期中，矩阵里芯片和互连之间的布线仍然对触摸(热点)很敏感。因为传感器的边缘布线会影响计算位置的信号，这种情况将导致测量中的位置错误，对测量极为不利。它还使得从传感器到驱动器芯片的布线连接几乎只限于几厘米之内。上述问题中有一些可以通过精心的设计折衷而得到部分解决，但总体性能却受到严重影响。
    爱特梅尔的maXTouch™ 采用电荷转移技术来进行CDC测量，能够在电荷捕获过程中有效地保持接收线路零电势，因此只需在主要传感器区域中目标点上的发射电极X和接收电极Y之间转移电荷。该技术还有一个优点，即可把触摸屏附近乃至触摸屏表面上的局部湿气或其它潜在导电材料的影响降至最小。
    总括而言：基于电极阵列中互电容测量的触摸屏解决方案不足以实现可靠的解决方案。它必须结合采用了电荷转移技术的稳健的CDC，这是迄今最好的选择。
    传感器设计选择
   触摸屏中的传感器由透明基板材料(一般是PET或玻璃)上的一层或多层图样化透明导体构成。传感器位于显示屏之上。为了构建能够透过玻璃或塑料前面板识别一个或多个手指触摸的传感器，必需精心设计电极正交网络。
   
    图3 典型的传感器图样
    图样化导体(电极)一般是由被称为铟锡氧化物(Indium Tin Oxide, ITO)的高度透明材料经过图样蚀刻制成。这种材料具有良好的光学透明度，同时仍保持较低的欧姆电阻率。低电阻率十分重要，因为这样一来，就有可能对数以10个皮法级(picofarad, 10-12 法拉)背景电容上出现的数以10个毫微微法拉级(femtofarad, 10-15 法拉)的微小变化进行快速测量。爱特梅尔的QMatrix™ 采用电荷转移技术，它具有一项基本特性，即可以采用具有良好光学性质的常用 ITO 来制作真正的矩阵传感器，这里，对触摸敏感的唯一区域是行、列电极互相耦合的紧邻地带。
    这种局部耦合意味着行、列电极的所有其它区域大部分都是对触摸不灵敏的。没有这种特性，就不可能实现真正的多点触控触摸屏，而只可能通过重大的折衷妥协来满足部分要求。其它CDC技术都试图仿效真正的矩阵，不过为此需要限制性更强的ITO材料：必须有更低的其电阻率和更出色的光学特性。这种更低的电阻率可降低行、列交叉点上的电压降，减小其固有触摸灵敏度。不过，由于没有采用电荷转移技术，它们仍然对触摸具有一定的灵敏性，但这也是一种折衷妥协，就是会导致较差的多点触摸性能，并在传感器边缘附近产生严重的不良影响。
    PET是最常用的两种基板材料之一，它在成本上比玻璃稍具优势，但一般需要两个分离层来实现正交网格。另一方面，玻璃虽然贵一点，却允许单层设计，可采用微型交叉结构来桥接共面两层结构中的图样交叉点。玻璃传感器的机械稳定性也比 PET 好得多，因此适合于淀积非常薄的金属化迹线，其宽度仅为数十微米。PET 技术虽然在这方面进步迅速，现在一般仍使用数百微米宽的丝网印刷迹线。而总体目标是是传感器边缘布线尺寸要尽可能地小，因为空间弥足珍贵，尤其是对小型便携式设备而言。
    分辨率
   传感器设计的下一个考虑事项是终端应用所需的分辨率。利用插补法(interpolation)，可以相当准确地确定单触摸点的中心位置所在。不过，当需要分别识别几个邻近触摸点时，就有困难了。这需要很高的电极密度。
    这种情况下，高电极密度意味着行、列间距应该在 5mm 左右或更小――这个要求源于对大拇指和食指指尖之间的距离进行测量，然后除以2。广泛的用户界面试验显示，从10 mm 到 11mm的间距是空间分辨率和不断增加的传感器复杂性之间的最佳折衷。对于单触摸点应用，在某些情况下，把间距增加到5mm以上也是可以接受的，但有强大的论据显示，为了实现真正出色的单触摸点电容式触摸屏，在其核心需要完全的多点触摸功能，以跟踪和拒绝无意触摸点。
    还值得一提的是传感器的分辨率与每个轴向的电极数目直接相关，故只要增加更多的行或列，可把间距减小到5mm以下，这样一来，即使传感器的制作比较复杂，也是很有益的。更多的通道同时意味着更高的信噪比(Signal-to-Noise Ratio, SNR)。
    高电极密度还能够实现另一项重要特性――无源传导性手写笔(stylus)的使用。通过正确的传感器设计，结合最佳CDC方法和超先进的触摸跟踪算法，有可能采用尖端尺寸只有3-5 mm的简单无源传导性手写笔。这种功能让用户使用短指甲也能够操作电容式触摸用户界面，并能提供比普通指尖按触更精确的定位设备。如此一来，扩大了使用电容式触摸屏作为主要输入源的设备的应用范围。
   
   图4 手写笔输入
    触摸屏驱动器芯片
   良好的ITO传感器的设计固然至关重要，而一个真正的矩阵 CDC也可为良好的多点触摸设备奠定基础。不过，实现这一切的基础芯片和软件技术，是任何触摸传感器系统得以成功的关键所在。
    与任何其它设计一样，触摸屏驱动器芯片必须具备所有的芯片常规特性――高集成度、最小占位面积，以及近似于零的功耗和支持广大范围的传感器设计与实施环境的灵活性。提供最佳的速度、功耗和灵活性组合，必须非常认真地考虑。控制器芯片能否在典型的低系统Vdd电源下工作？更高的Vdd意味着SNR更好，但同时也会致使功耗升高。电平转换器是否需要连接主机？通信协议可否在未来扩展而无需完全重写驱动程序？
   
   图5 系统模块示意图
    maXTouch在片上集成了整个电容式感测电路，提供了完整的解决方案，无需外部组件支持电容式感测，并可最大限度地减小成本和 PCB 占位面积要求。该器件前端是一个定制电容式触摸引擎(Capacitive Touch Engine, CTE)，完全能够对传感器的原始数据进行不同的数字信号处理(DSP)工作，因此，只需在触摸被确认和必须执行更先进的算法时才唤醒主AVR® CPU。这样一来确保了功耗最小化，使系统的大部分都能在大多数时间内处于超低功耗工作模式下。
    maXTouch器件都包含有系统内自编程闪存，故可提供最大的灵活性。在整个工作电压范围上，maXTouch器件均能够通过常规通信端口进行系统内升级，无需额外的引脚或电路。
    器件的布局灵活性是一项很重要的设计参数。一个好的矩阵CDC应该不受到ITO连接的触摸灵敏性(也称为热点跟踪)的影响。从灵活性的角度来看，这无疑是一大优势。它意味着芯片的位置既可以靠近传感器，比如象柔性芯片(chip-on-flex)那样，也可以远离，设置于一块完全独立的电路板上。在后一种选择中，可以采用无源柔性材料来连接 ITO和芯片，二者间距离可达100mm或更远。
    构建最佳触摸屏的另一个关键因素是响应时间。笔迹识别需要 70 Hz 到 120 Hz 的 XY 更新频率。其它情况，比如使用虚拟键盘手指/大拇指同时键入，需要在不到100ms 的时间内向用户提供积极反馈以实现准确输入。这乍看起来似乎很简单，但若考虑到各种不同的系统延时，通常就意味着触摸屏必需在15ms内报告首个确定的触摸位置。除非精心设计感测电路，否则这可能会导致功耗过大，从而缩短电池寿命。
    还有一点值得注意的是，对于最好的CDC方法，ITO连接线路上因柔性连接而产生的寄生电容仅仅产生次要影响。若选择了错误的CDC方法，芯片会因测量到无用的背景寄生电容而削弱能力，损及触摸屏上的触摸效果，从而降低 SNR 和分辨率。
    多点触摸
   至此，在有关多点触摸的讨论中，并没有重点提及 2个触摸点以上的用户案例的重要性。我们已经熟悉了随 iPhone 而大为流行的放大和缩小手势。事实上，在iPhone面世之前很久，这类手势就已开始用于更大的多点触摸界面了。不过，3、4乃至更多的触摸点又怎么样呢？问题不仅仅是设想什么手势或应用可使用这种功能，还在于控制器芯片如何能够利用这种丰富的信息来实现一个更好的解决方案。
    此类运用的一个例子是跟踪触摸屏边缘附近的多个触摸点，并将之归类为禁止。这种功能可让用户随意舒适地手拿小型产品，即使手指和屏幕有少许重叠也不影响触摸屏继续正常工作。不过，这里暗藏微妙之处。必须对这些被禁止的触摸点进行跟踪并使其保持被禁止状态，即使它们误入工作区域。这意味着控制器必须能够同时唯一且明确地识别、归类和跟踪许多个触摸点。
    基本的多点触摸数据的另一个潜在用途是利用结构化方法来识别触摸屏表面上的形状。这一功能可带来各种可能有用的触摸界面提升。识别鼻子、脸颊甚至耳朵的基本形状，可进一步避免真实环境中可能导致触摸屏错误触发的无意触摸。
    不过，随着更多的触摸点可被唯一地识别并报告给主机，应用将开始利用多个触摸点数据。
   
    图6 同时多点触摸的实例
    噪声和系统问题
   如前所述，电容式触摸屏控制器可测量出行、列耦合电容上的极小变化。控制器的测量方法对于控制器的外部噪声易感性有着很大影响。
    触摸屏常遇到的噪声源之一是LCD本身。它在数微秒的上升/下降时间内测得的瞬态电压常常达到数伏特――这是极具挑战性的环境。有些不错的方法可以抑制控制器芯片中的这种噪声。比如采用适当的CDC(电荷转移)方法，就有可能从源头上抑制大部分噪声。第二种方案是在传感器上增加一个屏蔽层，把噪声隔离在电极之外。这种方法可能造成传感器过厚、过于昂贵。第三种也是更好的方法是采用一种新颖的传感器电极图样，带有两个ITO层，并且自我后向屏蔽。这种方法非常有用，因为若前面板因触摸压力向接地板(比如 LCD的前表面)弯曲，它能使传感器具有抗电容变化的能力。
    随着显示屏技术的发展，OLED显示屏等设备能够提供噪声小得多的环境，并非常适于采用电容式触摸屏技术。OLED显示屏适合于单层或双层传感器设计。LCD技术也在不断演进，适用性逐渐提高。第二大棘手噪声源是‘不固定的’开关模式电源。当置于触摸屏设备邻近时，其常常把相对于接地的数百伏特的50/60 Hz失真波形电容式耦合到整个触摸屏设备中。当用户触摸设备时，传感器高效地变为电容式分压器的一部分，产生大量低频噪声，影响测量结果。此外，通过巧妙的芯片设计，可以从源头基本上消除这种影响，并消除片上DSP功能带来的剩余噪声。
    总结
   总而言之，利用基于一流 DSP和微处理器的技术，可以实现高性能的电容式触摸传感器阵列，当用户触摸时，其能够产生表面电荷变化的图像。
    通过使用基于合适的CDC (电荷转移)和互电容(QMatrix)组合的传感器结构和信号捕获技术，系统能够具备抵抗系统干扰和背景加载有害源影响的强大能力。
    在获得电荷图像时，就可采用高效的微处理器技术(AVR)来处理数据，提供多个触摸点位置数据，或进行更高水平的处理，拒绝无意触摸点，或者解释触摸屏表面上一个或多个手指移动所代表的手势，这些手势可用于简化许多应用中的用户界面。
    完全可编程芯片中的系统内可建编程闪存解决方案包含了微处理器和DSP功能，以及广泛的可扩展通信协议，可为这类系统提供尽可能高的灵活性。
    通过适当而高效地处理数据的捕获、处理和报告，可以在极低的功率预算中实现上述所有功能，适用于要求最严苛的电池供电应用。