柔性導(dǎo)電織物鍵盤設(shè)計

摘要：針對便攜式電子設(shè)備及可穿戴計算機(jī)系統(tǒng)對柔性、可折疊、多功能輸入設(shè)備的需求，采用導(dǎo)電織物結(jié)合觸摸屏控制器開發(fā)一種織物鍵盤，對設(shè)備組成原理、傳感器材料選取、鍵盤結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制程序編寫等3個關(guān)鍵問題進(jìn)行探討。測試了4種導(dǎo)電織物的面電阻值，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差率最小原則，選取面電阻值為2 646 Ω，標(biāo)準(zhǔn)差為114 Ω的織物作為傳感器材料；根據(jù)五線式觸摸屏控制電路的功能要求設(shè)計了全織物的5層鍵盤結(jié)構(gòu)，其中2層為導(dǎo)電織物層，實(shí)現(xiàn)按壓點(diǎn)位置與電壓信號的轉(zhuǎn)換。采用Cypress公司的軟件開發(fā)包，USB接口協(xié)議，在Microsoft VS20 05開發(fā)環(huán)境下設(shè)計了計算機(jī)采集程序。經(jīng)測試，織物鍵盤定位值的線性擬合R2值為0．999 5，提供了一種完全基于織物的高精度、柔性鍵盤解決方案。
關(guān)鍵詞：導(dǎo)電織物；柔性；輸入設(shè)備；表面電阻；觸摸屏

0 引言
隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，電子設(shè)備逐漸小型化、低功耗化、模塊化，各種類型的便攜設(shè)備如手機(jī)、MP3、PDA乃至超便攜計算機(jī)不斷涌現(xiàn)，并逐步融入大眾的生活，成為人們獲取、傳輸信息的主要手段。使用方捷、易于攜帶的輸入設(shè)備成為提高信息輸入效率、增強(qiáng)用戶體驗(yàn)的關(guān)鍵，微型鍵盤、觸摸屏、語音控制等技術(shù)的應(yīng)用不斷提高電子設(shè)備的人機(jī)交互性能。基于織物的輸入設(shè)備由于采用織物作為主體，具有輕薄、柔軟可折疊，便于與服裝進(jìn)行集成的優(yōu)點(diǎn)而成為便攜式輸入設(shè)備的理想選擇。
基于導(dǎo)電織物的柔性鍵盤一般分為開關(guān)原理的掃描式鍵盤及觸摸屏原理的電阻式鍵盤2種。開關(guān)鍵盤采用導(dǎo)體或是銀漿作為導(dǎo)電通路嵌入織物面料中，通過輪詢掃描按壓點(diǎn)的通斷信息，判斷按鍵位置，其結(jié)構(gòu)和控制電路比較簡單，功能也較為單一。同時，由于導(dǎo)體材料與織物面料力學(xué)特性存在差異，在折疊及受力情況下容易發(fā)生導(dǎo)體斷裂、移位等現(xiàn)象，導(dǎo)致按鍵功能失效。采用電阻式觸摸屏原理的織物輸入設(shè)備用具有均勻表面電阻的導(dǎo)電織物代替通常觸摸屏的透明氧化金屬導(dǎo)電層作為傳感器，對導(dǎo)電織物表面電阻值的一致性要求較高，必須選用表面電阻均勻的織物作為基材。同時，設(shè)備基于電阻分壓原理設(shè)計，電壓測量控制與位置計算也相對復(fù)雜，一般采用專用的芯片實(shí)現(xiàn)電路功能。與開關(guān)式鍵盤不同，觸摸鍵盤屬于連續(xù)型電壓模擬量測量，原理上可以細(xì)分到控制芯片DA分辨率相同數(shù)量的按鍵數(shù)目，還可通過軟件配合完成鍵盤、鼠標(biāo)等多種自定義功能，具有更為廣泛的用途。
信息化服裝及可穿戴計算機(jī)是將信息處理設(shè)備穿戴在于人體身上，與人所穿的衣物相結(jié)合實(shí)現(xiàn)人與計算機(jī)之間自然、方便和有效的信息交互，因此需要將鍵盤、鼠標(biāo)進(jìn)行柔性化、織物化后與服裝進(jìn)行有效集成。針對信息化服裝及可穿戴計算機(jī)要求輸入方式靈活，特別是對鼠標(biāo)控制功能的需求，傳統(tǒng)掃描式按鍵已無法滿足需求。設(shè)計基于導(dǎo)電織物的柔性輸入鍵盤，對輸入設(shè)備原理、導(dǎo)電織物面電阻分布規(guī)律、織物鍵盤結(jié)構(gòu)、接口電路及程序設(shè)計等關(guān)鍵問題進(jìn)行了探討。

1 柔性輸入設(shè)備的原理
基于電子織物的柔性輸入設(shè)備組成如圖1所示，主要由織物傳感器、觸屏控制電路、USB接口電路組成。其中，織物傳感器采用具有一定表面電阻的導(dǎo)電織物材料作為核心，結(jié)合多層結(jié)構(gòu)設(shè)計，將按壓位置信號線性轉(zhuǎn)換為對應(yīng)電壓信號；觸屏控制電路包括標(biāo)準(zhǔn)電壓生成、模／數(shù)轉(zhuǎn)換、邏輯控制3大功能，基于電阻分壓原理在導(dǎo)電織物表面形成標(biāo)準(zhǔn)的電壓梯度，測量按壓點(diǎn)的電壓后進(jìn)行模／數(shù)轉(zhuǎn)換，生成數(shù)字信號向外輸出；接口電路采用USB接口芯片，寫入觸屏控制電路參數(shù)，實(shí)時獲取傳感器輸出數(shù)據(jù)，向主控設(shè)備傳輸；上位計算機(jī)接收數(shù)據(jù)后完成電壓與按鍵位置的線性轉(zhuǎn)換。

為簡化系統(tǒng)設(shè)計，提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性，選用高度集成的5線制觸摸屏控制芯片ADS7845實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)電壓的生成、數(shù)據(jù)采集處理及邏輯控制。芯片采用5 VUSB電源供電，生成的5 V參考電壓輸出管腳UR，LR，UL，LL與具有一定面電阻的織物材料的4角分別相連，織物表面形成橫向及縱向的梯度電壓。在按壓狀態(tài)下，位置點(diǎn)P處橫向及縱向的電壓通過wiper引腳分時刻進(jìn)入芯片內(nèi)部12位ADC，將模擬電壓量化為數(shù)字信號。芯片接口電路將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過USB接口向計算機(jī)輸出。計算機(jī)程序獲取按壓點(diǎn)電壓值，與5 V參考比較，確定按壓點(diǎn)在傳感器中的相對坐標(biāo)，從而確定其所在的具體位置及對應(yīng)的控制符號，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制操作。

2 導(dǎo)電織物電學(xué)性能的分析
作為織物鍵盤的核心部件，導(dǎo)電織物表面電阻值的均勻性與一致性是織物鍵盤實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。導(dǎo)電織物一般采用鍍銀工藝或是高分子導(dǎo)電布料形成具有一定表面電阻的織物面料，用于抗靜電及抑制電磁輻射等場合。由于紡織及織造工藝的限制，其織物不同區(qū)域表面電阻的差異非常大，均勻性較差，必須在使用前進(jìn)行電學(xué)性能分析。