應(yīng)用于電容筆的雙協(xié)議切換方法

梁?jiǎn)?quán)

（深圳市匯頂科技股份有限公司 廣東省深圳市 518048）

觸摸屏上寫字劃線主要通過(guò)手指和主動(dòng)筆實(shí)現(xiàn)，由于手指較粗，很難進(jìn)行小字書寫和快速劃線，其點(diǎn)擊屏幕的精度也不高。主動(dòng)筆筆尖較細(xì)，且筆尖帶壓感信息，可以在屏上精確點(diǎn)擊和類似鋼筆的帶筆鋒書寫。在電容屏中支持電容筆功能，無(wú)需增加硬件成本，只需修改軟件即可實(shí)現(xiàn)對(duì)主動(dòng)筆的支持，此特征增加了智能終端廠商推廣主動(dòng)筆的意愿。

主動(dòng)筆書寫時(shí)，屏檢測(cè)主動(dòng)筆在屏中的坐標(biāo)，同時(shí)接收主動(dòng)筆的筆尖壓力信息，智能終端結(jié)合主動(dòng)筆的坐標(biāo)信息和壓力信息輸出筆跡，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)筆在屏中劃線或書寫。在主動(dòng)筆和屏交互時(shí)，主動(dòng)筆按時(shí)序進(jìn)行高壓信號(hào)的打碼，該打碼信號(hào)用于屏進(jìn)行主動(dòng)筆坐標(biāo)定位和壓力編碼信息解碼。屏需按時(shí)序?qū)χ鲃?dòng)筆進(jìn)行采樣且按頻點(diǎn)解析，才可以正確解析到筆的信息。故各個(gè)廠家都制定主動(dòng)筆協(xié)議，用于約定屏筆交互的流程、時(shí)序、頻點(diǎn)等信息。目前應(yīng)用比較廣泛的主動(dòng)筆協(xié)議有微軟制定的MPP 協(xié)議和谷歌主導(dǎo)的USI 協(xié)議。

1 觸摸屏檢測(cè)原理

主動(dòng)筆筆尖電極輸出用于坐標(biāo)定位和壓力編碼的高壓打碼信號(hào)，屏端的驅(qū)動(dòng)感應(yīng)通道電極接收來(lái)自筆的打碼信號(hào)，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)筆在屏中的坐標(biāo)定位和編碼解析。主動(dòng)筆發(fā)送信號(hào)可以為方波、正弦波或三角波等，實(shí)際使用的頻率可以為幾十KHz 到幾百KHz 之間。

如圖1所示，觸摸屏感應(yīng)層包含了驅(qū)動(dòng)通道Y 和感應(yīng)通道X。當(dāng)觸摸屏檢測(cè)主動(dòng)筆的坐標(biāo)或者編碼信息時(shí)，由筆尖電極發(fā)出信號(hào)，主動(dòng)筆與驅(qū)動(dòng)通道、感應(yīng)通道之間都會(huì)有存在耦合電容，信號(hào)經(jīng)過(guò)耦合電容耦合到通道上，再由觸摸控制器的感應(yīng)電路來(lái)檢測(cè)主動(dòng)筆信號(hào)，此時(shí)觸摸屏的驅(qū)動(dòng)通道與感應(yīng)通道都會(huì)連接到觸摸控制器的感應(yīng)電路上。在此檢測(cè)過(guò)程中，觸摸控制器只接收信號(hào)，不發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。觸摸屏檢測(cè)到的筆端信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)定位和編碼信息的解碼。同時(shí)觸摸屏可整屏打出編碼脈沖，主動(dòng)筆接收來(lái)自屏的編碼脈沖，實(shí)現(xiàn)觸摸屏到筆的通信。

圖1：觸摸屏檢測(cè)原理圖

圖2：微軟MPP1.51 協(xié)議示意圖

圖3：帶上行協(xié)議示意圖

圖4：上行編碼示意圖

圖5：位編碼系列

2 典型主動(dòng)筆協(xié)議

2.1 循環(huán)打碼協(xié)議

MPP1.51 協(xié)議為典型的循環(huán)打碼協(xié)議，主動(dòng)筆循環(huán)的進(jìn)行打碼輸出。如圖2 為微軟MPP1.51[1]協(xié)議示意圖。由于筆端循環(huán)打碼而不修改時(shí)序，故需觸摸屏進(jìn)行同步實(shí)現(xiàn)觸摸屏與筆的正常交互。同步后屏在固定時(shí)序上采樣主動(dòng)筆信號(hào)即可得到坐標(biāo)及編碼信息。在循環(huán)打碼協(xié)議下，主動(dòng)筆只打碼而無(wú)法接收信號(hào)，即只能實(shí)現(xiàn)觸摸屏到筆的單向通信。

其各段的意義如表1，其中Beacon 固定輸出，用于坐標(biāo)定位；Digital 段有壓力或按鍵才輸出，按鍵按下時(shí)優(yōu)先輸出，無(wú)按鍵時(shí)用于傳輸筆ID 和筆電量信息；Pressure 段用于有壓力時(shí)傳輸壓力，其通過(guò)調(diào)頻的方式用不同的頻率表示不同的壓力等級(jí)。

2.2 帶上行協(xié)議

圖6：循環(huán)打碼下上行檢測(cè)示意圖

圖7：循環(huán)打碼模式切換協(xié)議邏輯

圖8：帶上行協(xié)議切換邏輯

谷歌制定的USI[1]協(xié)議是典型的帶上行協(xié)議,此協(xié)議下屏定期輸出上行信號(hào)，其上行信號(hào)包含筆下行打碼信號(hào)的格式及頻率信息；當(dāng)筆收到屏發(fā)送的上行命令后，按上行命令規(guī)定的打碼格式進(jìn)行打碼，筆未收到正確的上行信號(hào)時(shí)不打碼。

如圖3，筆在不打碼時(shí)進(jìn)行檢同步，屏周期性的輸出上行信號(hào)。當(dāng)筆靠近屏?xí)r，筆可以檢測(cè)到屏的上行同步信號(hào)，解析同步信號(hào)得到打碼格式信息并經(jīng)延時(shí)后進(jìn)行打碼。屏在打出同步信號(hào)后經(jīng)延時(shí)進(jìn)行采樣，即可得到坐標(biāo)和編碼信息。其屏輸出的同步信號(hào)可以包含多位編碼，用于告知屏打碼格式和打碼頻率等信息，筆的打碼信號(hào)也可以通過(guò)調(diào)幅、調(diào)頻方式向屏發(fā)送編碼，實(shí)現(xiàn)觸摸屏與筆之間的雙向通信。

屏打出的同步信號(hào)由多位數(shù)字組成，每位數(shù)字用一定長(zhǎng)度的編碼脈沖表示，每個(gè)脈沖占用固定的時(shí)間，如圖4 為n 位編碼示意圖，可根據(jù)協(xié)議需要定義各個(gè)位的意義，實(shí)現(xiàn)觸摸屏到筆的命令傳輸，如筆的編號(hào)、筆坐標(biāo)打碼長(zhǎng)度、筆數(shù)據(jù)編碼長(zhǎng)度、筆打碼頻率等。

表1：MPP1.51 協(xié)議各段意義

表2：協(xié)議切換主要指標(biāo)

上述每一個(gè)數(shù)據(jù)位，采用二進(jìn)制編碼，分別用兩種不同的脈沖序列表示。圖5 給出一種二進(jìn)制編碼系列的示例，位1 用0x98E1F28A 表示,位0 用：0x671E0D75 表示，每個(gè)編碼脈沖長(zhǎng)度為32us，每個(gè)脈沖為1us，則一位占用的時(shí)間為32us。通過(guò)脈沖系列解碼，筆端可以識(shí)別到編碼信息，進(jìn)而識(shí)別帶上行協(xié)議。

3 雙協(xié)議切換方法

3.1 協(xié)議切換原理

如圖6所示，主動(dòng)筆按循環(huán)打碼協(xié)議時(shí)序輸出打碼信息，并在非打碼時(shí)序上進(jìn)行上行信號(hào)檢測(cè)，此時(shí)主動(dòng)筆可在支持循環(huán)打碼協(xié)議的觸摸屏屏上劃線。當(dāng)筆靠近屏?xí)r，筆無(wú)法保證每個(gè)周期都可以檢測(cè)到正確的上行信號(hào)。當(dāng)屏的上行正好在筆非打碼時(shí)序上時(shí)，則筆可以收到屏的上行信號(hào)，如圖6 的時(shí)序3；當(dāng)屏的上行有部分或者完全與筆打碼時(shí)序重疊，則筆無(wú)法接收到上行信號(hào)，如圖6 中的時(shí)序1 和時(shí)序2。

當(dāng)筆在無(wú)上行信號(hào)的屏上寫字劃線時(shí)，其不會(huì)收到正確的上行信號(hào)，此時(shí)繼續(xù)保持循環(huán)打碼協(xié)議的輸出；當(dāng)筆靠近有上行的屏?xí)r，筆會(huì)收到正確的上行信號(hào)，此時(shí)可根據(jù)檢測(cè)上行信號(hào)正確次數(shù)特征切換到對(duì)應(yīng)的帶上行協(xié)議。

圖7 為循環(huán)打碼協(xié)議切換到帶上行協(xié)議的切換邏輯，當(dāng)無(wú)上行信號(hào)時(shí)，筆按協(xié)議循環(huán)打碼，同時(shí)檢測(cè)上行，此時(shí)主動(dòng)筆保持工作在循環(huán)打碼模式下。當(dāng)檢測(cè)到正確的上行且正確次數(shù)大于n（n>0）次時(shí)，表示筆靠近帶上行協(xié)議的屏，則切換到帶上行的打碼協(xié)議，實(shí)現(xiàn)循環(huán)打碼協(xié)議到帶上行協(xié)議的自動(dòng)切換。

圖8 為帶上行協(xié)議切換到循環(huán)打碼協(xié)議的切換邏輯，在上行協(xié)議模式下，主動(dòng)筆可在支持上行協(xié)議的屏上劃線。筆有壓力時(shí)，統(tǒng)計(jì)上行錯(cuò)誤或無(wú)上行的次數(shù)，當(dāng)其次數(shù)大于m（m>0）時(shí),則表示當(dāng)前主動(dòng)筆是在非上行協(xié)議屏上書寫，則切換到循環(huán)打碼協(xié)議，實(shí)現(xiàn)帶上行協(xié)議到循環(huán)打碼協(xié)議的切換。

3.2 雙協(xié)議切換體驗(yàn)

為了驗(yàn)證雙協(xié)議切換的體驗(yàn)，采用匯頂科技的GP850 主動(dòng)筆芯片，開發(fā)同時(shí)支持USI 和MPP1.51 協(xié)議的主動(dòng)筆，并按照3.1節(jié)的方法實(shí)際協(xié)議切換邏輯。采用微軟的Surface pro 7 和谷歌的PixelBook 進(jìn)行協(xié)議切換體驗(yàn)測(cè)試，其主要指標(biāo)如表2。

實(shí)測(cè)中，大部分情況的切換時(shí)間小于150ms，可實(shí)現(xiàn)用戶無(wú)明顯感覺的協(xié)議切換。在2020年1月6日美國(guó)拉斯維加斯CES 展覽期間，匯頂科技將該雙協(xié)議方案進(jìn)行展覽，得到各方的認(rèn)可和肯定。

4 結(jié)論

本文分析了電容屏與主動(dòng)筆的交互原理，介紹典型循環(huán)打碼協(xié)議MPP1.51 和典型帶上行協(xié)議USI 的特征，并根據(jù)兩個(gè)協(xié)議的特征提出帶上行協(xié)議和循環(huán)打碼協(xié)議自動(dòng)切換的方法。實(shí)測(cè)表明，該方案可保證在較大干擾的情況下不誤切換，可在用戶幾乎無(wú)感覺的情況下進(jìn)行快速協(xié)議切換，很好的滿足了一筆多用的用戶體驗(yàn)要求。