如何輕松面對多點(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)，并說明如何使用TTSP方案幫助設(shè)計(jì)者面對這些挑戰(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方案來幫助設(shè)計(jì)者面對這些挑戰(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，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。對這種微小的互電容變化的檢測，不僅需要有對電容變化高度靈敏的硬件檢測電路以實(shí)現(xiàn)微弱模擬電量到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，同時(shí)也需要相應(yīng)的軟件來進(jìn)行控制協(xié)調(diào)，以保證在整個(gè)觸摸屏上的每一點(diǎn)對手指觸摸信號有足夠高的靈敏度。

　　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來進(jìn)行計(jì)算，來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)觸摸屏的尺寸越來越大時(shí)，掃描次數(shù)的增加越來越快。為了使用戶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)對發(fā)射的信號有不同的響應(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。對很多終端客戶來講是不可接受的。

　　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。對一個(gè)觸摸屏來講，有足夠大的手指信號是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。事實(shí)上，觸摸屏并非置身于象牙塔內(nèi)，在它的周圍有諸多的噪聲源。比如，緊貼在它下面的LCD就是一個(gè)噪聲源，不同的LCD甚至不同的顯示畫面，其噪聲的大小和頻譜都不一樣。尤其是對有些AC Vcomm類型的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都可以接受。手機(jī)本身的射頻信號和外界的電磁波也會(huì)對其產(chǎn)生干擾。當(dāng)采用觸摸屏的終端采用外部市電供電時(shí)，通過來自電網(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)換帶來噪聲、開關(guān)噪聲以及電源噪聲和ESD測試所使用的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)。