用Gen4消除電容觸摸屏設(shè)計屏障

將電容式觸摸屏設(shè)計到產(chǎn)品并不是一項簡單的任務(wù)。這個復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)面臨著許多集成方面的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。終端用戶希望他們的產(chǎn)品輕薄，市場需要長電池壽命。對觸摸性能的預(yù)期相當(dāng)驚人：4mm手指，防手掌誤觸，1毫米觸控筆以及懸停。系統(tǒng)需要與低成本的通用USB電池充電器配合工作，抑制來自不斷增長的大量無線噪聲源的噪聲，以及忽視水的影響。還需注意，其價格必須便宜。解決這些問題并不容易。幸運(yùn)的是，賽普拉斯（Cypress）公司推出了Gen4（圖1）。

速度

從設(shè)計之初，Gen4旨在逐一解決這些設(shè)計問題。第一個挑戰(zhàn)是性能。雖然市場上一些觸摸屏聲稱高達(dá)250Hz,但在存在噪聲的現(xiàn)實應(yīng)用中卻不可能達(dá)到。這是由于這些器件中的8位MCU核能力不足，不具備實現(xiàn)滿足現(xiàn)今環(huán)境要求的先進(jìn)濾波算法所需的數(shù)學(xué)計算能力。一旦濾波完成，就需要像DSP一樣執(zhí)行8位數(shù)學(xué)計算，實現(xiàn)精確的位置測量，而又不降低系統(tǒng)性能。實測結(jié)果表明，在真實世界環(huán)境下，觸摸屏控制器的速度將減少到60Hz.這將導(dǎo)致在快速輕擊，尤其是觸筆跟蹤時，性能表現(xiàn)不佳。Gen4旨在解決這些問題。

Gen4平臺具備片上ARM M0核，從尺寸、速度和功耗而言，它都是世界上最好的處理器。完全流水線掃描引擎和真正的32位處理能力，使得

Gen4可以克服最苛刻的環(huán)境。它內(nèi)置DSP功能和觸摸屏子系統(tǒng)，能夠以1kHz頻率掃描面板，此外，它還能使下一次面板掃描與CPU處理之前

的數(shù)據(jù)集相獨立。所有這些能力加起來，在手機(jī)應(yīng)用中可以達(dá)到高達(dá)400Hz的刷新率。這意味著，高性能觸摸可以應(yīng)付各種噪聲環(huán)境，并跟

上未來的操作系統(tǒng)。

功耗

快速運(yùn)行的另一項優(yōu)勢是能夠節(jié)省功耗。通過快速掃描和處理，Gen4可以在掃描之間進(jìn)入睡眠。在移動設(shè)備應(yīng)用中，節(jié)省電池壽命至關(guān)重

要。有功功耗非常重要，它可以低至1.9mW.比有功功耗更重要的是待機(jī)功耗，因為顯示器會消耗掉更多功耗。Gen4有一個獨特的能力，那

就是進(jìn)入睡眠模式只消耗1.8uW.極為獨特的是，在這種模式下，它可以通過IIC或SPI端口的地址匹配來喚醒。這很關(guān)鍵，因為Gen4可以比

其它設(shè)備更快喚醒（其他設(shè)備需要一個引腳變化中斷，且必須啟動到準(zhǔn)備好狀態(tài)來處理觸摸數(shù)據(jù)）。這能幫助設(shè)計人員為用戶提供最靈敏

的用戶體驗。

解決充電器噪聲問題

充電器噪聲是電容式觸摸屏設(shè)計中談?wù)撟疃嗟脑肼曉粗?。?dāng)觸摸發(fā)生時，這種噪聲通過電池充電器物理耦合至傳感器。它可以表現(xiàn)為觸

摸的精度或線性度下降，錯誤或幻覺觸摸，甚至是觸摸屏變得無效或者不正確。罪魁禍?zhǔn)滓话闶桥浼袌龅牡统杀境潆娖鳎▓D2）。

一些振蕩線圈變換器充電器可以被認(rèn)為是寬帶噪聲發(fā)生器，因為它們產(chǎn)生了范圍從1kHz到近100kHz的多達(dá)40Vpp的噪聲。大多數(shù)最終還具有伴隨許多諧波的更多周期噪聲的傾向。

設(shè)計用于配合特定電話工作的OEM廠商的充電器具有較嚴(yán)格的噪聲規(guī)格，同時，在充電電路中廣泛采用USB連接器為配件市場創(chuàng)造了巨大的機(jī)會。為了在其中進(jìn)行競爭，配件廠商充分地降低充電器成本。采用低成本電子器件的充電器給手機(jī)充電將注入很多噪聲到觸摸屏，而導(dǎo)致其很可能無法使用。

因此，OEM廠商要求觸摸屏IC具有更高水平的噪聲處理能力。許多規(guī)范要求從1kHz到400kHz要有40Vpp,并在50~60Hz范圍要有95Vpp的抑制能力。幸運(yùn)的是，市場上已有專門的算法和方法（例如：Cypress的Charger Armor）可以滿足嚴(yán)格的要求，并具備400Vpp以上的電池充電器抗噪聲能力。這種水平是通過各種手段來實現(xiàn)的，無論是經(jīng)過非線性濾波，跳頻，還是其它的硬件方法。Gen4可以實現(xiàn)這一切。

實現(xiàn)滿足當(dāng)今移動行業(yè)要求規(guī)格的抗噪聲能力并非瑣事。觸摸屏通常采用處理器濾波解決這個問題。俗話說的根不正，苗必歪，染坊拿不出白布來也并不是百分百準(zhǔn)確，但一開始就采用干凈的信號卻仍很關(guān)鍵?？朔潆娖髟肼暤囊粋€最好方法，特別是那些輸出寬帶噪聲，是使用純凈的信號來予以克服。因為從觸摸控制器模擬端產(chǎn)生的未經(jīng)處理的信噪比和設(shè)備驅(qū)動面板的電壓成正比（SNR∝VTx），所以期望采用高電壓的Tx.

典型的觸摸屏控制器一般以連接到面板的2.7V電壓軌來驅(qū)動它，而Gen4系列則有一些區(qū)別。它同樣采用2.7V的模擬電源，但實際上卻以10V驅(qū)動面板。電荷泵和10V晶體管集成到Gen4器件系列，這使得它們能夠?qū)崿F(xiàn)較其他任何芯片近4倍的未經(jīng)處理的信噪比。

一旦信號獲取后，就可以采用中值濾波或是其他更先進(jìn)的非線性濾波等典型技術(shù)來進(jìn)一步提高信噪比，但這將以犧牲刷新率為代價。10V Tx已顯示出能夠處理充電器輸出高達(dá)31Vpp的帶內(nèi)噪聲，而并不需要采用這種先進(jìn)的濾波類型。

但是當(dāng)帶內(nèi)噪聲太高時又將怎樣？這就是其他先進(jìn)技術(shù)的重要性所在。如果設(shè)備需處理的帶內(nèi)噪聲變得很大，則Gen4具有的獨特處理能力便可派上用場：通過動態(tài)調(diào)整其發(fā)射頻率并轉(zhuǎn)換信道來避免噪聲。自適應(yīng)跳頻技術(shù)是觸摸屏中解決充電器噪聲問題的另一個關(guān)鍵技術(shù)。

解決顯示器噪聲問題

顯示器給投射式電容觸摸屏系統(tǒng)帶來了許多挑戰(zhàn)。這是因為它們產(chǎn)生了相當(dāng)大的噪聲，這些噪聲可以直接傳導(dǎo)到電容觸摸屏傳感器。還有一件更難的事情是，OEM廠商要求手機(jī)模型更薄，這意味著要使實際的觸摸屏傳感器更加接近顯示器，甚至就在里面。

多年來，業(yè)內(nèi)已使用屏蔽層來保護(hù)傳感器免受顯示器噪聲的影響。這會增加任何手機(jī)的成本與厚度，但卻十分有效。業(yè)內(nèi)還在顯示屏和傳感器之間使用了一個通常約為0.3毫米厚度的小氣隙，利用自然空氣消除來自顯示器的傳導(dǎo)噪聲。然而，隨著手機(jī)變得越來越薄，對于當(dāng)今的設(shè)計來說，這兩種選擇都不是很理想。

在傳統(tǒng)的TFT液晶顯示器中，公共電極（VCOM）由直流或交流電壓驅(qū)動。ACVCOM層通常用來降低顯示器驅(qū)動的工作電壓，同時保持液晶電壓恒定。這是一個相對低成本的顯示器，相對與DCVCOM來說，這種類型的顯示器功耗更高，噪聲也更大。我們簡單看看ACVCOM顯示器的典型波形（圖3）。

典型ACVCOM類型的顯示器會有集中在10~30kHz的500mVpp~3mVpp任何幅度的噪聲（如圖3所示），而DCVCOM噪聲則會較小。要測量顯示器的噪聲非常簡單，可以在顯示器的頂部加一個小銅帶，將示波器連接到該小銅帶，并將示波器的地連接到顯示器的電路地，然后運(yùn)行顯示器捕獲波形。這種程度的噪聲對于電容觸摸屏控制器來說是災(zāi)難性的，但是可以通過氣隙或者屏蔽來改進(jìn)。氣隙會使手機(jī)變厚，且會帶來機(jī)械設(shè)計問題。屏蔽層也會增加厚度，并帶來成本問題。

幸運(yùn)的是，顯示器噪聲可以采用Gen4輕松減弱。Cypress的Display Armor技術(shù)是業(yè)內(nèi)采用的最先進(jìn)的對抗顯示器噪聲的方法。通過在觸摸屏設(shè)備中集成內(nèi)置的監(jiān)聽通道，Gen4可以用兩種不同的方式來消除顯示器噪聲。一種方法是使用先進(jìn)的算法來區(qū)分噪聲和數(shù)據(jù)；另一種是檢測噪聲源并獲取波形，以致在沒有噪聲時進(jìn)行電容測量。這兩種方法都由硬件完成，不會影響到CPU或觸摸屏子系統(tǒng)通常的執(zhí)行。其結(jié)果是可以實現(xiàn)低成本的輕薄、先進(jìn)的電容觸摸屏層疊結(jié)構(gòu)（stackup）。

精度

觸摸屏控制器必須提供精確的用戶體驗，精度和線性度都是關(guān)鍵。精度定義為觸摸屏控制器報告的位置與實際目標(biāo)中心有多接近；線性度則度量的是報告位置與目標(biāo)經(jīng)過屏幕運(yùn)動線路的接近程度。兩者都是關(guān)鍵參數(shù)，且在邊緣周圍非常重要。Gen4可以幫助設(shè)計人員把精度和線性度提高到0.2mm以下。它還能支持較大范圍的手指尺寸：從小到4mm的較小手指到大到30mm的較大手指，都可以精確識別。

節(jié)約成本

Gen4系列產(chǎn)品的抗噪聲能力使設(shè)計人員不僅能夠抵御苛刻的環(huán)境要求，而且還能節(jié)約成本。如何實現(xiàn)呢？使用Gen4時，廠商可以使用低成本的電池充電器和低成本的顯示器。在傳感器設(shè)計時可以不必使用屏蔽層，也無需采用保護(hù)觸摸屏IC不受噪聲源影響的其他的昂貴元器件。Gen4甚至可以在FPC上節(jié)省成本，因為它可以使用單層布線。這要感謝其靈活的IO設(shè)計以及無需外部元器件。典型的設(shè)計可以設(shè)置Tx引腳在器件的任何一側(cè)，而所有的Rx引腳則均位于頂部，如FPC示意圖所示（圖4）。

易于使用

設(shè)計師面臨的另一個挑戰(zhàn)就是要不斷的學(xué)習(xí)新的工具和芯片。這是因為對于不同的項目有不同的控制器。無論是針對功能手機(jī)的這一項目，針對智能手機(jī)的另一項目，還是針對它們的手寫板設(shè)計的下一項目，試圖在一個時間表內(nèi)完成所有這些項目并學(xué)習(xí)很多的新知識，將帶來極大的挑戰(zhàn)性。Gen4可以解決這個問題，因為它是一個單芯片解決方案的平臺，可以支持所有這些市場的需求。具有31、35、36、40、56、60個傳感器IO可選（屏幕尺寸從1.5至12），設(shè)計人員不再需要擔(dān)心針對新產(chǎn)品提出的新結(jié)構(gòu)。此外，設(shè)計人員還可以在所有的項目中使用相同的開發(fā)環(huán)境：TrueTouch Host Emulator（TTHE）。它無需任何編碼，只需簡單點擊就能完全配置和調(diào)整觸摸設(shè)計，從而可以使設(shè)計人員節(jié)省設(shè)計時間。

本文小結(jié)

投射式電容觸摸屏控制器仍將繼續(xù)發(fā)展。性能將會增加，并且市場還將繼續(xù)對系統(tǒng)價格施壓。幸運(yùn)的是，我們已經(jīng)找到解決途徑。Gen4為市場帶來了無與倫比的抗噪聲能力，并結(jié)合了革命性的刷新率以及功耗。由于它的集成水平，設(shè)計人員可以實現(xiàn)先進(jìn)的性能，并在同時降低系統(tǒng)設(shè)計的成本。采用Gen4平臺方法可以使設(shè)計人員節(jié)省設(shè)計的時間和成本，并為終端客戶帶來極好的用戶體驗。