用Gen4消除電容觸摸屏設(shè)計(jì)屏障

將電容式觸摸屏設(shè)計(jì)到產(chǎn)品并不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的任務(wù)。這個(gè)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(chǎng)需要長(zhǎng)電池壽命。對(duì)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(lái)自不斷增長(zhǎng)的大量無(wú)線噪聲源的噪聲，以及忽視水的影響。還需注意，其價(jià)格必須便宜。解決這些問(wèn)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(jì)之初，Gen4旨在逐一解決這些設(shè)計(jì)問(wèn)題。第一個(gè)挑戰(zhàn)是性能。雖然市場(chǎng)上一些觸摸屏聲稱高達(dá)250Hz,但在存在噪聲的現(xiàn)實(shí)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(shí)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(jì)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(jì)算，實(shí)現(xiàn)精確的位置測(cè)量，而又不降低系統(tǒng)性能。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，在真實(shí)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(shí)，性能表現(xiàn)不佳。Gen4旨在解決這些問(wèn)題。

Gen4平臺(tái)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(dú)立。所有這些能力加起來(lái)，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(lái)的操作系統(tǒng)。

功耗

快速運(yùn)行的另一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)是能夠節(jié)省功耗。通過(guò)快速掃描和處理，Gen4可以在掃描之間進(jìn)入睡眠。在移動(dòng)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?yàn)轱@示器會(huì)消耗掉更多功耗。Gen4有一個(gè)獨(dú)特的能力，那

就是進(jìn)入睡眠模式只消耗1.8uW.極為獨(dú)特的是，在這種模式下，它可以通過(guò)IIC或SPI端口的地址匹配來(lái)喚醒。這很關(guān)鍵，因?yàn)镚en4可以比

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

的用戶體驗(yàn)。

解決充電器噪聲問(wèn)題

充電器噪聲是電容式觸摸屏設(shè)計(jì)中談?wù)撟疃嗟脑肼曉粗?。?dāng)觸摸發(fā)生時(shí)，這種噪聲通過(guò)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(cuò)誤或幻覺(jué)觸摸，甚至是觸摸屏變得無(wú)效或者不正確。罪魁禍?zhǔn)滓话闶桥浼袌?chǎng)的低成本充電器（圖2）。

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?yàn)樗鼈儺a(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(jì)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(shí)，在充電電路中廣泛采用USB連接器為配件市場(chǎng)創(chuàng)造了巨大的機(jī)會(huì)。為了在其中進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，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(wú)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(chǎng)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(guò)各種手段來(lái)實(shí)現(xiàn)的，無(wú)論是經(jīng)過(guò)非線性濾波，跳頻，還是其它的硬件方法。Gen4可以實(shí)現(xiàn)這一切。

實(shí)現(xiàn)滿足當(dāng)今移動(dòng)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(gè)問(wèn)題。俗話說(shuō)的根不正，苗必歪，染坊拿不出白布來(lái)也并不是百分百準(zhǔn)確，但一開始就采用干凈的信號(hào)卻仍很關(guān)鍵?？朔潆娖髟肼暤囊粋€(gè)最好方法，特別是那些輸出寬帶噪聲，是使用純凈的信號(hào)來(lái)予以克服。因?yàn)閺挠|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(dòng)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(lái)驅(qū)動(dòng)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(shí)際上卻以10V驅(qū)動(dòng)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(hào)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(lái)進(jìn)一步提高信噪比，但這將以犧牲刷新率為代價(jià)。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(shí)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(dú)特處理能力便可派上用場(chǎng)：通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整其發(fā)射頻率并轉(zhuǎn)換信道來(lái)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(wèn)題的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

解決顯示器噪聲問(wèn)題

顯示器給投射式電容觸摸屏系統(tǒng)帶來(lái)了許多挑戰(zhàn)。這是因?yàn)樗鼈儺a(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(shí)際的觸摸屏傳感器更加接近顯示器，甚至就在里面。

多年來(lái)，業(yè)內(nèi)已使用屏蔽層來(lái)保護(hù)傳感器免受顯示器噪聲的影響。這會(huì)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(gè)通常約為0.3毫米厚度的小氣隙，利用自然空氣消除來(lái)自顯示器的傳導(dǎo)噪聲。然而，隨著手機(jī)變得越來(lái)越薄，對(duì)于當(dāng)今的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，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(dòng)。ACVCOM層通常用來(lái)降低顯示器驅(qū)動(dòng)的工作電壓，同時(shí)保持液晶電壓恒定。這是一個(gè)相對(duì)低成本的顯示器，相對(duì)與DCVCOM來(lái)說(shuō)，這種類型的顯示器功耗更高，噪聲也更大。我們簡(jiǎn)單看看ACVCOM顯示器的典型波形（圖3）。

典型ACVCOM類型的顯示器會(huì)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(huì)較小。要測(cè)量顯示器的噪聲非常簡(jiǎn)單，可以在顯示器的頂部加一個(gè)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(duì)于電容觸摸屏控制器來(lái)說(shuō)是災(zāi)難性的，但是可以通過(guò)氣隙或者屏蔽來(lái)改進(jìn)。氣隙會(huì)使手機(jī)變厚，且會(huì)帶來(lái)機(jī)械設(shè)計(jì)問(wèn)題。屏蔽層也會(huì)增加厚度，并帶來(lái)成本問(wèn)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(duì)抗顯示器噪聲的方法。通過(guò)在觸摸屏設(shè)備中集成內(nèi)置的監(jiān)聽(tīng)通道，Gen4可以用兩種不同的方式來(lái)消除顯示器噪聲。一種方法是使用先進(jìn)的算法來(lái)區(qū)分噪聲和數(shù)據(jù)；另一種是檢測(cè)噪聲源并獲取波形，以致在沒(méi)有噪聲時(shí)進(jìn)行電容測(cè)量。這兩種方法都由硬件完成，不會(huì)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(shí)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(yàn)，精度和線性度都是關(guān)鍵。精度定義為觸摸屏控制器報(bào)告的位置與實(shí)際目標(biāo)中心有多接近；線性度則度量的是報(bào)告位置與目標(biāo)經(jīng)過(guò)屏幕運(yùn)動(dòng)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(jì)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(shí)別。

節(jié)約成本

Gen4系列產(chǎn)品的抗噪聲能力使設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)呢？使用Gen4時(shí)，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(jì)時(shí)可以不必使用屏蔽層，也無(wú)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?yàn)樗梢允褂脝螌硬季€。這要感謝其靈活的IO設(shè)計(jì)以及無(wú)需外部元器件。典型的設(shè)計(jì)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(jì)師面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)就是要不斷的學(xué)習(xí)新的工具和芯片。這是因?yàn)閷?duì)于不同的項(xiàng)目有不同的控制器。無(wú)論是針對(duì)功能手機(jī)的這一項(xiàng)目，針對(duì)智能手機(jī)的另一項(xiàng)目，還是針對(duì)它們的手寫板設(shè)計(jì)的下一項(xiàng)目，試圖在一個(gè)時(shí)間表內(nèi)完成所有這些項(xiàng)目并學(xué)習(xí)很多的新知識(shí)，將帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)性。Gen4可以解決這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)樗且粋€(gè)單芯片解決方案的平臺(tái)，可以支持所有這些市場(chǎng)的需求。具有31、35、36、40、56、60個(gè)傳感器IO可選（屏幕尺寸從1.5至12），設(shè)計(jì)人員不再需要擔(dān)心針對(duì)新產(chǎn)品提出的新結(jié)構(gòu)。此外，設(shè)計(jì)人員還可以在所有的項(xiàng)目中使用相同的開發(fā)環(huán)境：TrueTouch Host Emulator（TTHE）。它無(wú)需任何編碼，只需簡(jiǎn)單點(diǎn)擊就能完全配置和調(diào)整觸摸設(shè)計(jì)，從而可以使設(shè)計(jì)人員節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)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(huì)增加，并且市場(chǎng)還將繼續(xù)對(duì)系統(tǒng)價(jià)格施壓。幸運(yùn)的是，我們已經(jīng)找到解決途徑。Gen4為市場(chǎng)帶來(lái)了無(wú)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(jì)人員可以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的性能，并在同時(shí)降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成本。采用Gen4平臺(tái)方法可以使設(shè)計(jì)人員節(jié)省設(shè)計(jì)的時(shí)間和成本，并為終端客戶帶來(lái)極好的用戶體驗(yàn)。