如何輕松面對(duì)多點(diǎn)電容觸摸屏的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

　　摘要：本文介紹了多點(diǎn)電容觸摸屏設(shè)計(jì)所面臨的十大挑戰(zhàn)，并說(shuō)明如何使用TTSP方案幫助設(shè)計(jì)者面對(duì)這些挑戰(zhàn)，使多點(diǎn)電容觸摸屏設(shè)計(jì)比以往更容易。

　　引言

　　多點(diǎn)電容觸摸屏的設(shè)計(jì)并非輕而易舉、唾手可得。嚴(yán)格地講，多點(diǎn)電容觸摸屏技術(shù)還并不是一個(gè)完全成熟的技術(shù)，它還是一個(gè)處于發(fā)展階段并且不斷發(fā)展不斷完善的技術(shù)。對(duì)于一個(gè)多點(diǎn)電容觸摸屏的設(shè)計(jì)者而言，在它面前仍然面臨著諸多的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。本文介紹多點(diǎn)電容觸摸屏設(shè)計(jì)有哪些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，和如何使用TTSP方案來(lái)幫助設(shè)計(jì)者面對(duì)這些挑戰(zhàn)，使多點(diǎn)電容觸摸屏設(shè)計(jì)比以往更容易。

　　設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

　　挑戰(zhàn)一
　　如何將由于手指觸摸而產(chǎn)生的微小的互電容變化轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，并具有足夠的分辨率?一般地講，多點(diǎn)觸摸是基于互電容感應(yīng)原理，而互電容是發(fā)射感應(yīng)條與接受感應(yīng)條在交叉點(diǎn)處的寄生電容，這個(gè)電容非常小，通常在0.2~4pF，而手指觸摸而產(chǎn)生的互電容的變化就更小了。對(duì)這種微小的互電容變化的檢測(cè)，不僅需要有對(duì)電容變化高度靈敏的硬件檢測(cè)電路以實(shí)現(xiàn)微弱模擬電量到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，同時(shí)也需要相應(yīng)的軟件來(lái)進(jìn)行控制協(xié)調(diào)，以保證在整個(gè)觸摸屏上的每一點(diǎn)對(duì)手指觸摸信號(hào)有足夠高的靈敏度。

　　挑戰(zhàn)二
　　如何獲得足夠快的掃描時(shí)間?對(duì)于一個(gè)M行和N列感應(yīng)條的單點(diǎn)觸摸屏，使用自電容掃描，僅需要分別掃描M行和N列后就可以根據(jù)每一行和每一列信號(hào)來(lái)進(jìn)行計(jì)算，來(lái)定位手指在觸摸屏上的坐標(biāo)。它掃描感應(yīng)條的次數(shù)是M+N次。當(dāng)你使用多觸點(diǎn)互電容掃描時(shí)，由于必須是行和列的交叉點(diǎn)掃描，所以它的掃描次數(shù)是M×N次掃描交叉點(diǎn)的次數(shù)。對(duì)于一個(gè)10行20列的3.2寸屏，自電容掃描只需要10+20=30次，而互電容掃描卻要10×20=200次。當(dāng)觸摸屏的尺寸越來(lái)越大時(shí)，掃描次數(shù)的增加越來(lái)越快。為了使用戶(hù)有比較好的觸摸體驗(yàn)，它需要每秒至少掃屏50次。 這就意味著每一個(gè)點(diǎn)的掃描加數(shù)據(jù)處理的時(shí)間必須少于100ms，這樣才能保證有足夠快的響應(yīng)時(shí)間。而觸摸屏的尺寸越大時(shí)，行和列數(shù)目就會(huì)越多，這個(gè)時(shí)間就更短。

　　挑戰(zhàn)三
　　觸摸按鍵、觸摸滑條和觸摸板都使用銅箔作為觸摸感應(yīng)器，但觸摸屏基本上都使用ITO(銦錫氧化物)材料作為觸摸感應(yīng)層。銅箔的電阻率極小，因而它的電阻幾乎可以忽略不計(jì)。ITO透明而導(dǎo)電，但ITO卻有比較高的電阻率。 通常在觸摸屏上ITO的電阻率用方阻來(lái)表示，即一個(gè)單位方塊的電阻是多少。 一般地，ITO的方塊電阻從45~350Ω不等，取決于觸摸屏生產(chǎn)廠家的涂層工藝。由于ITO電阻的存在，使得在觸摸屏上的每一個(gè)感應(yīng)條的近端和遠(yuǎn)端會(huì)有3k~30kΩ的電阻，這個(gè)電阻結(jié)合每一個(gè)感應(yīng)條上的自電容所產(chǎn)生的RC延遲，就使感應(yīng)條的近端和遠(yuǎn)端會(huì)對(duì)發(fā)射的信號(hào)有不同的響應(yīng)時(shí)間或者充放電時(shí)間，進(jìn)而導(dǎo)致在近端和遠(yuǎn)端的手指觸摸信號(hào)有大小的不同。嚴(yán)重的情況，這種不同可以達(dá)到50%以上。如何消除或減少這個(gè)差異，是多點(diǎn)電容觸摸屏設(shè)計(jì)的第三個(gè)挑戰(zhàn)。雖然選擇方阻更低的ITO涂層是減少這個(gè)差異最直接的方法，但通常方阻更低的ITO涂層的厚度會(huì)更厚，導(dǎo)致透明度的下降和成本的增加。對(duì)很多終端客戶(hù)來(lái)講是不可接受的。

　　挑戰(zhàn)四
　　信噪比(SNR)是多點(diǎn)電容觸摸屏設(shè)計(jì)中最重要的指標(biāo)之一。對(duì)一個(gè)觸摸屏來(lái)講，有足夠大的手指信號(hào)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。事實(shí)上，觸摸屏并非置身于象牙塔內(nèi)，在它的周?chē)兄T多的噪聲源。比如，緊貼在它下面的LCD就是一個(gè)噪聲源，不同的LCD甚至不同的顯示畫(huà)面，其噪聲的大小和頻譜都不一樣。尤其是對(duì)有些AC Vcomm類(lèi)型的LCD，它能夠在LCD的表面產(chǎn)生高達(dá)15nA/mm2的電流噪聲和1V以上的電壓噪聲。雖然一個(gè)ITO的屏蔽層被放在觸摸屏的下面的方案被一些設(shè)計(jì)者所采用, 但屏蔽層的增加，導(dǎo)致觸摸屏厚度的增加和成本的增加，也一定程度影響了可視性。并非所有的終端客戶(hù)都可以接受。手機(jī)本身的射頻信號(hào)和外界的電磁波也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生干擾。當(dāng)采用觸摸屏的終端采用外部市電供電時(shí)，通過(guò)來(lái)自電網(wǎng)和電源適配器可能產(chǎn)生很大的共模噪聲。還有使人感到棘手的充電器噪聲，觸摸屏及系統(tǒng)本身所產(chǎn)生的噪聲如AD轉(zhuǎn)換帶來(lái)噪聲、開(kāi)關(guān)噪聲以及電源噪聲和ESD測(cè)試所使用的8千伏ESD(靜電放電)噪聲。在這么一個(gè)多噪聲的環(huán)境中，如何使觸摸屏系統(tǒng)對(duì)各種噪聲源的噪聲有很好的噪聲免疫力獲得足夠高的信噪比是多點(diǎn)電容觸摸屏設(shè)計(jì)的第四個(gè)挑戰(zhàn)。