开发性能优异的电容式触摸屏

传统的电阻式触控面板在感测到手指或触控笔时，顶层柔性透明材料被下压，接触到下方的导电材料层；而投射式电容屏没有可移动部件。事实上，投射式电容感测硬件包含玻璃材质的顶层，之后是X与Y轴的组件，以及覆盖在玻璃基板上的氧化铟锡(ITO)绝缘层。部分传感器供货商会做一颗单层传感器，内嵌X与Y轴传感器和小型桥接组件于一单层ITO之中，当手指或其它导电物体靠近屏幕时，就会在传感器与手指之间产生一个电容。相对于系统而言，此电容相当小，但可利用多种技术测出此电容。

其中一种技术是采用TrueTouch组件，包括快速改变电容，并利用一个泄放电阻来测量放电时间。这种全玻璃的触控表面带给使用者光滑流畅的触感。终端产品制造商也偏爱玻璃屏，因为玻璃材质会让终端产品拥有线条美观的工业设计感，并能为测量触控提供优质的电容信号。最后，不仅要考虑触控面板的外观，了解其运作模式也相当重要。为设计出性能优良的触摸屏产品，必须注意以下参数。

精确度：精确度可定义为，在一个预先定义的触摸屏区域中最大的定位误差，以手指的实际位置与测量位置之间的直线距离为单位。在测量精确度时，使用的是一只模拟或机械手指。手指置于面板上的一个准确位置，再把手指实际位置与测量位置进行比较。精确度非常重要，使用者希望系统能准确地找到手指位置。电阻式触摸屏最令人诟病的一项缺点，就是低准确度，而且准确度会随时间逐渐减弱。电容式触摸屏的精确度创造出许多新应用，例如虚拟键盘，以及不用触控笔的手写辨识。图1显示一个结构不完整的触控面板数据，显示手指位置有游移现象，而实际上模拟手指是进行直线移动。

图1　范例显示在触控面板追踪中的不准确度或误差.

手指间距：手指间距定义为，当触摸屏控制器测量两只手指的位置时，两只手指中心点之间在屏幕上的最短距离。手指间距测量方法(图2)，是将两个模拟或机械手指置于面板上，然后逐渐拉近两只手指的距离，直到系统测到两只手指为一只手指为止。有些触摸屏供货商的手指间距是指边缘至边缘的距离，有些则是中心点之间的距离。10毫米机械手指的10毫米手指间距，表明有多只手指触碰到屏幕，或是手指之间的距离为10毫米，实际状况取决于触控控制器的规格定义。如果没有良好的手指间距，就无法设计出多点触控解决方案。对于仿真键盘而言，手指间距尤其重要，因为一般在使用仿真键盘时，手指在屏幕上的间距通常很短。

图2　测量手指间距。

响应时间：响应时间定义为，触摸屏上手指触碰事件与触摸屏控制器产生中断信号之间的时间。测量方法是以电子触动仿真手指触摸屏的环境，或在面板上移动一只模拟手指。响应时间尤其重要，因为它直接影响用户在屏幕上移动手指的速度；进行平移或轻弹的操作；用手指或笔在屏幕上书写。响应时间缓慢的触控面板，会有短暂停顿和侦测不到移动动作的情况。触摸屏的响应时间是系统响应时间的一部分，其中包括:

? X/Y轴向扫描：触控控制器扫描与测量传感器上电容变化所耗费的时间。

? 手指侦测：比较面板电容变化与预先定义的手指默认值。若变化幅度超越手指默认值，就会侦测到手指的触碰。

? 手指位置：根据多个传感器得到的结果数据进行推算，判断手指的实际位置。

? 手指追踪：当传感器上置有多只手指，每只手指必须正确辨识，并指派一个独特的辨识符号。

? 中断延迟：是指主控端上岔断指示和服务之间的延迟，在大多数的系统中，这种延迟不会超过100微秒。

? 通信：一般系统在400kHz时使用I2C，或在1MHz时使用SPI来与主控端进行通信。

市面上有许多工具能用来缩短响应时间，关键在于触控芯片的智能，比如较有创意的方法仅需扫描部分屏幕，即可侦测到手指位置，当侦测到手指后，就能快速扫描，计算出手指实际的定位，藉此节省耗电与时间。另一个重要工具是并行处理，使用不同的硬件组件进行扫描、手指处理及通信，使这些工作同步进行。采用高度优化的算法进行手指侦测、手指定位及手指识别码(ID)，能够缩短处理与响应时间。

画面更新率：当手指出现在触摸屏上时，一个数据缓冲器内触摸屏数据的两个相邻帧之间的时间。低画面更新率会导致系统侦测动作有停顿现象，侦测到的移动路线也会变成不连续的线段，而不是流畅的曲线。换言之，若触控面板拥有高画面更新率，就能提供更多的数据点，可转译成流畅或完整的形状或动作轨迹，此外，高画面更新率还能改进手势的解译功能。诸如TrueTouch这类智能触摸屏控制器能够调整其画面更新率来配合系统需求。手绘或手写应用需要相当高的画面更新率，但手机拨号键盘仅需在使用者按下或放开按钮时，截断主控端即可。

平均功耗：是指触控系统的平均功耗，包括控制器IC工作时的时间扫描、处理、通信、休眠等，以及主处理器接收与解译触控数据的时间。

功耗是很常见的性能参数：测量装置消耗的电流乘以电压，就能推算出功耗。在触控面板的功耗方面，需要更精密的计算公式，因为不同使用模式会产生不同功耗。手机的待机时间取决于触摸屏的待机或休眠模式消耗的电流。

触摸屏在工作时，还分成许多种模式，例如触碰唤醒(WOT)、面颊侦测(Cheek Detect)，比如接听一通5分钟来电，正在检视或输入电话号码时，手机可能切换至触控模式达10秒，之后再切换至提醒通话时的WOT或面颊侦测模式。即使在传送文字信息(SMS)时，仍是混合WOT模式与实际手指接触，在按键输入或思考时，控制器IC会在各种睡眠模式之间进行切换。

若不考虑这些功耗模式，就会很容易被系统耗电量所误导，在大多数的情况中，触摸屏90～99%的时间都是切换至面颊侦测模式及触碰唤醒模式。有些系统允许使用者自行设定处理时间与休眠模式的比例，甚至手指仍置于面板的时候。若系统仅侦测到手指置于相同位置，就不需要200MHz的画面更新率。想要开发一个高性能触摸屏，必须运用休眠模式的低功耗系统，并搭配创新的休眠与唤醒模式来工作。

系统研发人员在设计一个电容式触摸屏系统时，还要考虑许多其它重要因素：

手指电容:是指手指与单一传感器组件之间测量到的电容。测量手指电容时，是使用一只真实手指，而不是金属的机械手指，以确保测得符合实际状况的数据。影响回授电容(CF)的因素包括覆盖上层的镜片厚度及覆盖外层材料的介电常数。

系统本底噪声:系统本底噪声是指电容至数字转换器输出端所测量到的噪声，是数据转换器的输入(电容)值。

信噪比:信噪比(SNR)是传感器测得的手指信号与测量噪声之比。这是个重要参数，设计人员必须深入了解它，才能开发出高效率的触控面板。系统必须能调节、适应并滤除移动系统中的寄生噪声。为获得高信号数以及极少的噪声数，可考虑针对触控功能采用精确的模拟前端组件。

诸如TrueTouch系列可编程解决方案这类产品，可在滤除噪声方面提供许多绝佳的机制。PSoC可编程模拟组件能重新组态，以整合持续一段时间的信号，藉此滤除噪声。不同的信号频率，包括扩频与虚拟随机频率，亦可用来避免电磁干扰。标准的数字滤波器能移除1～2位的信号抖动或提供类似IIR的低通滤波器。智能数字滤波器能比对附近区域侦测到的样本，滤除不正常的样本，智能滤波器仅受限于系统设计人员的创意。图3显示一个组件的噪声水平范例，及侦测到的触控行为。在这个例子中，撷取到的SNR为5。

图3　信噪比(SNR)范例。

了解与掌握重要的触摸屏效能参数，就能大幅改进触摸屏设计。了解这些标准，也有助于选择理想的设计伙伴，这些业者拥有适合的技术，能妥善应对移动消费产品的噪声与电气问题。

触摸屏吸引人的优点，就在于其外表看似简单的设计。在取代笨重的按钮、轨迹球或传统屏幕后，触摸屏带来一种全新的操作模式，创造出令人喜爱的使用体验。触摸屏设计的难点在于，想要提供美观简洁的设计，必须采用精密复杂的硬件、固件体以及制造技术。掌握触摸屏的设计要点、关键性能参数，以及触摸屏设计的权衡考虑要素，是开发出一流触摸屏产品的第一步。

Steve Kolokowsky

Trevor Davis

赛普拉斯半导体