觸摸產(chǎn)品的關(guān)鍵參數(shù)解析

Steve Kolokowsky Trevor Davis

對當(dāng)前觸摸屏性能而言，影響最深遠(yuǎn)的技術(shù)變革或許就是從電阻式觸摸屏到電容式觸摸屏的轉(zhuǎn)變。根據(jù)業(yè)界分析公司iSupply預(yù)測，截至2011年，近1／4的觸摸屏手機(jī)中將停止沿用電阻式技術(shù)，轉(zhuǎn)而采用電容式觸摸屏。Jeffries＆Co，亦預(yù)測電容式觸摸屏的出貨量在2010年將達(dá)到1-1.88億件。市場呈爆炸性發(fā)展很大程度上歸功于電容式觸摸屏技術(shù)所帶來的各種效益。

傳統(tǒng)的電阻式觸摸板在檢測到手指或觸控筆時(shí)，柔軟的透明頂層被下壓后，接觸到下方的導(dǎo)電材料層，之后觸碰到感應(yīng)式電容屏幕，其本身沒有移動的部件。實(shí)際上，感應(yīng)式電容感應(yīng)硬件從上到下依次為玻璃材質(zhì)的頂層、x與Y軸的元件以及覆蓋在玻璃基板上的氧化銦錫(ITO)絕緣層。一些感應(yīng)器供應(yīng)商推出的單層感應(yīng)器，內(nèi)含x與Y軸感應(yīng)器和小型橋接器于一單層ITO之中。當(dāng)手指或其他導(dǎo)體靠近屏幕時(shí)，就會在感應(yīng)器和手指之間產(chǎn)生電容。雖然這一電容(約為0.5SpF)相對于系統(tǒng)其他電容(約為20pF)較小，不過仍有幾種技巧可以測量出此電容。其中一種技巧就是運(yùn)用賽普拉斯半導(dǎo)體公司開發(fā)的TrueToueh元件，快速給電容充電，再通過泄漏電阻來測量放電時(shí)間。

這種全玻璃的觸摸表面，在整個(gè)屏幕上帶給用戶光滑流暢的觸感。終端產(chǎn)品制造商亦偏愛玻璃屏，因?yàn)椴Ａ聊蛔尳K端產(chǎn)品擁有線條美麗的工業(yè)設(shè)計(jì)感，并能為觸摸檢測提供良好的電容式信號。不過，歸根結(jié)底，觸摸板的外觀只是原因之一，而其運(yùn)作模式也相當(dāng)重要。要想用觸摸屏實(shí)現(xiàn)出色的性能，首先需要了解一些關(guān)鍵的參數(shù)。

精確度一一精確度是指“觸摸屏預(yù)定義區(qū)域上的最大定位誤差，以實(shí)際手指位置和報(bào)告手指位置之間的直線距離為單位來衡量”。

精確度是通過模擬手指或機(jī)械手指來測量的。首先把手指放在面板的確切位置上，然后將實(shí)際手指位置與報(bào)告手指位置進(jìn)行比較。精確度極為重要。用戶希望系統(tǒng)能夠正確定位手指。電阻式觸摸屏的最大缺陷之一就是精確度低且精確度會隨時(shí)間的推移逐漸減弱。而電容式觸摸屏的高精確度使虛擬鍵盤以及無需觸控筆的手寫辨識等新型應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。例如，圖1顯示一個(gè)結(jié)構(gòu)不完整的觸摸板數(shù)據(jù)，顯示手指位置有游移的現(xiàn)象，然而模擬手指實(shí)際上是進(jìn)行直線的移動。

手指間距——手指間距的定義是“觸摸屏控制器可以報(bào)告的兩個(gè)手指放在觸摸屏上時(shí)手指中心之間的最小距離”。手指間距測量方法，是將兩個(gè)模擬或機(jī)械手指置于面板上并對向運(yùn)動，直至系統(tǒng)報(bào)告兩個(gè)手指為一個(gè)手指為止。有些觸摸屏供應(yīng)商規(guī)定手指間距為邊緣至邊緣的距離，有些則規(guī)定為中心點(diǎn)之間的距離。10mm機(jī)械手指的10mm手指間距，意味著有雙手指觸摸到觸摸屏，或是手指間距為10mm，實(shí)際情況根據(jù)觸摸屏控制器的規(guī)格定義而定。

若沒有良好的手指間距，就無法設(shè)計(jì)出真正的多點(diǎn)觸摸解決方案。手指間距對虛擬鍵盤尤為重要，因?yàn)檫@種情況下屏幕上的兩個(gè)手指間距通常很短。

響應(yīng)時(shí)間——響應(yīng)時(shí)間的定義是“觸摸屏上手指接觸時(shí)間和觸摸屏控制器生成中斷信號之間的時(shí)間”。測量方法是以電子刺激、模擬手指動作、或者向面板上物理移動模擬手指。響應(yīng)時(shí)間非常重要，因?yàn)樗苯佑绊懹脩粼谄聊簧弦苿邮种傅乃俣龋M(jìn)行“平移”或“輕彈”等操作，以及用手指或筆在屏幕上書寫。響應(yīng)時(shí)間緩慢的觸摸板，會有短暫停頓和檢測不到移動動作的情況。觸摸屏的響應(yīng)時(shí)間是系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的組成部分，其中包括：

·x／Y軸向掃描：觸摸控制器掃描和測量感應(yīng)器上電容變化所需的時(shí)間。

·手指檢測：比較觸摸板上的電容變化和預(yù)定義的“手指閾值”。若變化幅度超過手指閾值；就會檢測到手指的觸摸。

·手指位置：根據(jù)多個(gè)感應(yīng)器得到的結(jié)果進(jìn)行推算，確定手指的確切位置。

·手指跟蹤：當(dāng)感應(yīng)器上放置多個(gè)手指，每個(gè)手指必須正確識別并分配唯一的標(biāo)識符。

·中斷延遲：主機(jī)上中斷顯示和中斷服務(wù)之間的延遲。大多數(shù)系統(tǒng)中，中斷延遲都小于100μs。

·通信：一般系統(tǒng)在400kHz時(shí)使用I²c，或在1MHz時(shí)使用SPI接口與主機(jī)通信。

有幾種方法可用來縮短響應(yīng)時(shí)間，關(guān)鍵在于觸摸控制器IC的智能化程度。如比較有創(chuàng)意的方法，僅需掃描部分屏幕即可檢測到手指位置，一旦檢測手指后，就能快速掃描，計(jì)算出手指實(shí)際的“位置”，從而節(jié)約功耗和時(shí)間。另一種方法就是并行處理，即使用不同的硬件同步進(jìn)行掃描、手指處理和通信。采用高度優(yōu)化的算法進(jìn)行手指檢測、手指定位和手指ID，能縮短處理時(shí)間，進(jìn)而縮短響應(yīng)時(shí)間。

刷新率——手指出現(xiàn)在觸摸屏?xí)r，觸摸屏數(shù)據(jù)兩個(gè)相連幀在數(shù)據(jù)緩沖中保持可用的時(shí)間。刷新率偏低會導(dǎo)致動作抖動，移動線路也會變成不連續(xù)的線段，而不是流暢的曲線。如果觸摸板的刷新率較高，就能提供更多數(shù)據(jù)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)平滑或完整的形狀或動作軌跡。高刷新率還能改進(jìn)手勢的解譯功能。賽普拉斯的TrueTouch等智能觸摸屏控制器產(chǎn)品可根據(jù)系統(tǒng)要求調(diào)節(jié)刷新率。繪畫或手寫應(yīng)用需要高刷新率，而手機(jī)撥號鍵盤只需在按鈕按下或釋放時(shí)中斷主機(jī)即可。

平均功耗——觸摸系統(tǒng)的平均功耗包括控制器IC的掃描時(shí)間、處理時(shí)間、通信時(shí)間和休眠時(shí)間等因素，也包括主機(jī)處理器接收和解譯觸摸數(shù)據(jù)等因素。

功耗似乎是一個(gè)簡單的性能參數(shù)：測量設(shè)備使用的電流，再乘以電壓，就推算出功耗。在觸摸板的功耗方面，需要更復(fù)雜的計(jì)算公式，因?yàn)椴煌褂媚Ｊ綍a(chǎn)生不同功耗。手機(jī)的待機(jī)時(shí)間取決于觸摸屏的“待機(jī)”或“深度休眠”模式消耗的電流。即便觸摸屏在工作狀態(tài)下，也能采用幾種不同模式，如“觸摸喚醒(WOT)”、“觸摸”和“面頰檢測”等。如在一個(gè)5分鐘的通話中，正在搜索或輸入電話號碼時(shí)，手機(jī)可能切換至觸摸模式達(dá)10秒，之后再切換至提醒通話時(shí)的WOT模式或面頰檢測模式。即便發(fā)送文本短信(SMS)時(shí)，仍是混合WOT模式和實(shí)際手指接觸，控制器IC會根據(jù)用戶的輸入和思考間隙在休眠模式和工作模式之間切換。

如果不考慮上述功耗模式，可能會被系統(tǒng)節(jié)電性的宣傳所迷惑。在幾乎所有情況下，觸摸屏90％-99％的時(shí)間都處于“面頰檢測”模式和“觸摸喚醒”模式。一些系統(tǒng)甚至在手指接觸面板時(shí)也允許用戶自行設(shè)定處理時(shí)間和休眠時(shí)間的比例。如果系統(tǒng)只需報(bào)告“手指在相同位置保持不動”，那么就無需高達(dá)200Hz的刷新率。為了開發(fā)高性能觸摸屏，必須運(yùn)用休眠模式的低功耗系統(tǒng)，同時(shí)搭配創(chuàng)造的休眠和喚醒模式。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)電容式觸摸屏系統(tǒng)時(shí)還必須考慮一些其他重要因數(shù)。

手指電容——是指手指與單一感應(yīng)器元件之間測量到的電容。測量手指電容時(shí)，是用真實(shí)手指而不是金屬的機(jī)械手指，以確保測得符合實(shí)際狀況的數(shù)據(jù)。影響CF的因素包括覆蓋上層的透鏡厚度及覆蓋透鏡材料的介電常數(shù)。

系統(tǒng)固有噪聲電平——是指電容到數(shù)字轉(zhuǎn)換器輸出端所測量到噪聲，是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器輸入(電容)值。

信噪比(SNR)——是指感應(yīng)器測量到的手指信號除以觀察到的噪聲測量值。這不僅是一個(gè)結(jié)合上述兩項(xiàng)數(shù)值的重要縮寫名詞，但我們必須認(rèn)識到，要想設(shè)計(jì)出高效的觸摸板，系統(tǒng)必須能夠容納、調(diào)適及濾除移動系統(tǒng)中的寄生噪聲。為了觀察高信號數(shù)和極少的噪聲數(shù)，應(yīng)該針對觸摸功能考慮采用準(zhǔn)確的模擬前端元件。

賽普拉斯的TrueTouch系列等可編程解決方案能為噪聲過濾提供出色的機(jī)制。賽普拉斯的PSoC可編程模擬器件經(jīng)過再配置，可整合持續(xù)一段時(shí)間內(nèi)的信號，藉此濾除噪聲。不同的信號頻率，包括擴(kuò)頻和偽隨機(jī)頻率都能用來避免電磁干擾(EMI)。標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字濾波器能移除1～2位信號抖動或提供類似于IIR的低通濾波器。智能數(shù)字濾波器可刪除相對于面板附近區(qū)域檢測到的樣本不正常的樣本。智能濾波器僅受限于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)意。圖3顯示了器件的固有噪聲電平及檢測到的觸摸行為，在本例中，SNR為5。

了解和掌控關(guān)鍵的觸摸屏性能參數(shù)，就能大幅改進(jìn)觸摸屏的設(shè)計(jì)。了解這些參數(shù)，亦有助于我們選擇理想的設(shè)計(jì)合作伙伴，這些合作伙伴擁有適當(dāng)?shù)募夹g(shù)，能妥善處理移動消費(fèi)產(chǎn)品中未知的噪聲和電氣問題。

觸摸屏的優(yōu)勢在于其外觀簡單的設(shè)計(jì)風(fēng)格。在取代笨拙的按鈕、滾動球或不易讀的屏幕后，觸摸屏帶來一種能給用戶創(chuàng)造快樂使用體驗(yàn)的全新操作模式。不過，觸摸屏面臨的難題在于，要想推出一款美觀簡潔的設(shè)計(jì)，必須使用一流的軟硬件和精密的制造技術(shù)。掌控觸摸屏的要點(diǎn)、重要的設(shè)計(jì)參數(shù)、關(guān)鍵的觸摸屏性能參數(shù)以及觸摸屏設(shè)計(jì)中需衡量取舍的因素，是開發(fā)震撼市場的觸摸屏的第一步。我們期待著您的觸摸屏產(chǎn)品早日推出!