電容式觸摸屏的設(shè)計(jì)開發(fā)

　　響應(yīng)時(shí)間：響應(yīng)時(shí)間定義為，觸摸屏上手指觸碰事件與觸摸屏控制器產(chǎn)生中斷信號(hào)之間的時(shí)間。測(cè)量方法是以電子觸動(dòng)仿真手指觸摸屏的環(huán)境，或在面板上移動(dòng)一只模擬手指。響應(yīng)時(shí)間尤其重要，因?yàn)樗苯佑绊懹脩粼谄聊簧弦苿?dòng)手指的速度;進(jìn)行平移或輕彈的操作;用手指或筆在屏幕上書寫。響應(yīng)時(shí)間緩慢的觸控面板，會(huì)有短暫停頓和偵測(cè)不到移動(dòng)動(dòng)作的情況。觸摸屏的響應(yīng)時(shí)間是系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的一部分，其中包括:

　　X/Y軸向掃描：觸控控制器掃描與測(cè)量傳感器上電容變化所耗費(fèi)的時(shí)間。

　　手指偵測(cè)：比較面板電容變化與預(yù)先定義的手指默認(rèn)值。若變化幅度超越手指默認(rèn)值，就會(huì)偵測(cè)到手指的觸碰。

　　手指位置：根據(jù)多個(gè)傳感器得到的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行推算，判斷手指的實(shí)際位置。

　　手指追蹤：當(dāng)傳感器上置有多只手指，每只手指必須正確辨識(shí)，并指派一個(gè)獨(dú)特的辨識(shí)符號(hào)。

　　中斷延遲：是指主控端上岔斷指示和服務(wù)之間的延遲，在大多數(shù)的系統(tǒng)中，這種延遲不會(huì)超過100微秒。

　　通信：一般系統(tǒng)在400kHz時(shí)使用I2C，或在1MHZ時(shí)使用SPI來與主控端進(jìn)行通信。

　　市面上有許多工具能用來縮短響應(yīng)時(shí)間，關(guān)鍵在于觸控芯片的智能，比如較有創(chuàng)意的方法僅需掃描部分屏幕，即可偵測(cè)到手指位置，當(dāng)偵測(cè)到手指后，就能快速掃描，計(jì)算出手指實(shí)際的定位，藉此節(jié)省耗電與時(shí)間。另一個(gè)重要工具是并行處理，使用不同的硬件組件進(jìn)行掃描、手指處理及通信，使這些工作同步進(jìn)行。采用高度優(yōu)化的算法進(jìn)行手指偵測(cè)、手指定位及手指識(shí)別碼(ID)，能夠縮短處理與響應(yīng)時(shí)間。

　　畫面更新率：當(dāng)手指出現(xiàn)在觸摸屏上時(shí)，一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖器內(nèi)觸摸屏數(shù)據(jù)的兩個(gè)相鄰幀之間的時(shí)間。低畫面更新率會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)偵測(cè)動(dòng)作有停頓現(xiàn)象，偵測(cè)到的移動(dòng)路線也會(huì)變成不連續(xù)的線段，而不是流暢的曲線。換言之，若觸控面板擁有高畫面更新率，就能提供更多的數(shù)據(jù)點(diǎn)，可轉(zhuǎn)譯成流暢或完整的形狀或動(dòng)作軌跡，此外，高畫面更新率還能改進(jìn)手勢(shì)的解譯功能。諸如TrueTouch這類智能觸摸屏控制器能夠調(diào)整其畫面更新率來配合系統(tǒng)需求。手繪或手寫應(yīng)用需要相當(dāng)高的畫面更新率，但手機(jī)撥號(hào)鍵盤僅需在使用者按下或放開按鈕時(shí)，截?cái)嘀骺囟思纯伞?p>　　平均功耗：是指觸控系統(tǒng)的平均功耗，包括控制器IC工作時(shí)的時(shí)間掃描、處理、通信、休眠等，以及主處理器接收與解譯觸控?cái)?shù)據(jù)的時(shí)間。

　　功耗是很常見的性能參數(shù)：測(cè)量裝置消耗的電流乘以電壓，就能推算出功耗。在觸控面板的功耗方面，需要更精密的計(jì)算公式，因?yàn)椴煌褂媚Ｊ綍?huì)產(chǎn)生不同功耗。手機(jī)的待機(jī)時(shí)間取決于觸摸屏的待機(jī)或休眠模式消耗的電流。

　　觸摸屏在工作時(shí)，還分成許多種模式，例如觸碰喚醒(WOT)、面頰偵測(cè)(Cheek Detect)，比如接聽一通5分鐘來電，正在檢視或輸入電話號(hào)碼時(shí)，手機(jī)可能切換至觸控模式達(dá)10秒，之后再切換至提醒通話時(shí)的WOT或面頰偵測(cè)模式。即使在傳送文字信息(SMS)時(shí)，仍是混合WOT模式與實(shí)際手指接觸，在按鍵輸入或思考時(shí)，控制器IC會(huì)在各種睡眠模式之間進(jìn)行切換。

　　若不考慮這些功耗模式，就會(huì)很容易被系統(tǒng)耗電量所誤導(dǎo)，在大多數(shù)的情況中，觸摸屏90～99%的時(shí)間都是切換至面頰偵測(cè)模式及觸碰喚醒模式。有些系統(tǒng)允許使用者自行設(shè)定處理時(shí)間與休眠模式的比例，甚至手指仍置于面板的時(shí)候。若系統(tǒng)僅偵測(cè)到手指置于相同位置，就不需要200MHz的畫面更新率。想要開發(fā)一個(gè)高性能觸摸屏，必須運(yùn)用休眠模式的低功耗系統(tǒng)，并搭配創(chuàng)新的休眠與喚醒模式來工作。

　　系統(tǒng)研發(fā)人員在設(shè)計(jì)一個(gè)電容式觸摸屏系統(tǒng)時(shí)，還要考慮許多其它重要因素：

　　手指電容:是指手指與單一傳感器組件之間測(cè)量到的電容。測(cè)量手指電容時(shí)，是使用一只真實(shí)手指，而不是金屬的機(jī)械手指，以確保測(cè)得符合實(shí)際狀況的數(shù)據(jù)。影響回授電容(CF)的因素包括覆蓋上層的鏡片厚度及覆蓋外層材料的介電常數(shù)。

　　系統(tǒng)本底噪聲:系統(tǒng)本底噪聲是指電容至數(shù)字轉(zhuǎn)換器輸出端所測(cè)量到的噪聲，是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的輸入(電容)值。

　　信噪比:信噪比(SNR)是傳感器測(cè)得的手指信號(hào)與測(cè)量噪聲之比。這是個(gè)重要參數(shù)，設(shè)計(jì)人員必須深入了解它，才能開發(fā)出高效率的觸控面板。系統(tǒng)必須能調(diào)節(jié)、適應(yīng)并濾除移動(dòng)系統(tǒng)中的寄生噪聲。為獲得高信號(hào)數(shù)以及極少的噪聲數(shù)，可考慮針對(duì)觸控功能采用精確的模擬前端組件。

　　諸如TrueTouch系列可編程解決方案這類產(chǎn)品，可在濾除噪聲方面提供許多絕佳的機(jī)制。PSoC可編程模擬組件能重新組態(tài)，以整合持續(xù)一段時(shí)間的信號(hào)，藉此濾除噪聲。不同的信號(hào)頻率，包括擴(kuò)頻與虛擬隨機(jī)頻率，亦可用來避免電磁干擾。標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字濾波器能移除1～2位的信號(hào)抖動(dòng)或提供類似IIR的低通濾波器。智能數(shù)字濾波器能比對(duì)附近區(qū)域偵測(cè)到的樣本，濾除不正常的樣本，智能濾波器僅受限于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)意。圖3顯示一個(gè)組件的噪聲水平范例，及偵測(cè)到的觸控行為。在這個(gè)例子中，擷取到的SNR為5。

　　圖3　信噪比(SNR)范例。

　　了解與掌握重要的觸摸屏效能參數(shù)，就能大幅改進(jìn)觸摸屏設(shè)計(jì)。了解這些標(biāo)準(zhǔn)，也有助于選擇理想的設(shè)計(jì)伙伴，這些業(yè)者擁有適合的技術(shù)，能妥善應(yīng)對(duì)移動(dòng)消費(fèi)產(chǎn)品的噪聲與電氣問題。

　　觸摸屏吸引人的優(yōu)點(diǎn)，就在于其外表看似簡單的設(shè)計(jì)。在取代笨重的按鈕、軌跡球或傳統(tǒng)屏幕后，觸摸屏帶來一種全新的操作模式，創(chuàng)造出令人喜愛的使用體驗(yàn)。觸摸屏設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于，想要提供美觀簡潔的設(shè)計(jì)，必須采用精密復(fù)雜的硬件、固件體以及制造技術(shù)。掌握觸摸屏的設(shè)計(jì)要點(diǎn)、關(guān)鍵性能參數(shù)，以及觸摸屏設(shè)計(jì)的權(quán)衡考慮要素，是開發(fā)出一流觸摸屏產(chǎn)品的第一步。