在阻性觸摸屏上實(shí)現(xiàn)手勢識別

對于各種消費(fèi)、醫(yī)療、汽車和工業(yè)設(shè)備，增強(qiáng)的低成本觸控式用戶界面是一個(gè)極具價(jià)值的特性。在許多消費(fèi)電子應(yīng)用中，設(shè)計(jì)師偏向使用容性觸摸屏，而不愿使用阻性觸摸技術(shù)，原因是前者可以跟蹤手指，似乎能夠提供更友好的用戶交互體驗(yàn)。目前，低成本阻性技術(shù)的應(yīng)用市場包括：只需要單點(diǎn)觸控、至關(guān)重要的極其精確的空間分辨率、利用觸控筆來實(shí)現(xiàn)特定功能（如亞洲語言符號識別等），或者用戶必須戴手套的場合。 雖然阻性技術(shù)傳統(tǒng)上是用來檢測屏幕上“單點(diǎn)觸摸”的位置，但本文提出了一個(gè)創(chuàng)新的“兩點(diǎn)觸摸”概念，它利用阻性觸摸屏控制器 AD7879 在廉價(jià)的阻性觸摸屏上檢測最常見的雙指手勢（縮放、捏合和旋轉(zhuǎn)）。

雖然阻性技術(shù)傳統(tǒng)上是用來檢測屏幕上“單點(diǎn)觸摸”的位置，但本文提出了一個(gè)創(chuàng)新的“兩點(diǎn)觸摸”概念，它利用阻性觸摸屏控制器 AD7879 在廉價(jià)的阻性觸摸屏上檢測最常見的雙指手勢（縮放、捏合和旋轉(zhuǎn)）。

阻性觸摸屏的經(jīng)典方法
典型的阻性觸摸屏包括兩個(gè)平行的氧化銦錫(ITO)導(dǎo)電層，中間的間隙將兩層分開（圖 1）。上層(Y)的邊緣電極相對于下層(X)的邊緣電極旋轉(zhuǎn) 90°。當(dāng)對屏幕的一個(gè)小區(qū)域施加壓力，使這兩層發(fā)生電氣接觸時(shí)，就發(fā)生了“觸摸”現(xiàn)象。如果在上層的兩個(gè)電極之間施加一個(gè)直流電壓，而下層懸空，則觸摸將使下層獲得與觸摸點(diǎn)相同的電壓。判斷上層方向觸摸坐標(biāo)的方法是測量下層的電壓，以便確定觸摸點(diǎn)處的電阻占總電阻的比值。然后交換兩層的電氣連接，獲得觸摸點(diǎn)在另一個(gè)軸上的坐標(biāo)。

連接直流電壓的層稱為“有源”層，電流與其阻抗成反比。測量電壓的層稱為“無源”層，無相關(guān)電流流經(jīng)該層。發(fā)生單點(diǎn)觸摸時(shí)，在有源層中形成一個(gè)分壓器，無源層電壓測量通過一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器讀取與觸摸點(diǎn)和負(fù)電極之間的距離成比例的電壓¹.

由于成本低廉，傳統(tǒng)的 4 線阻性觸摸屏深受單點(diǎn)觸控應(yīng)用的歡迎。實(shí)現(xiàn)阻性多點(diǎn)觸控的技術(shù)有多種，其中總是會用到一個(gè)矩陣布局屏幕，但屏幕制造成本高得嚇人。此外，控制器需要許多輸入和輸出來測量和驅(qū)動(dòng)各個(gè)屏幕帶，導(dǎo)致控制器成本和測量時(shí)間增加。

圖 1. (a) 阻性觸摸屏的結(jié)構(gòu)；(b) 用戶觸摸屏幕時(shí)的電氣接觸

超越單點(diǎn)觸控
雖然如此，但通過理解并模擬該過程背后的物理原理，我們可以從阻性觸摸屏提取更多信息。當(dāng)發(fā)生兩點(diǎn)觸摸時(shí)，無源屏幕中的一段電阻加上觸點(diǎn)的電阻與有源屏幕的導(dǎo)電段并聯(lián)，因此電源的負(fù)載阻抗減小，電流增大。阻性控制器的經(jīng)典方法是假設(shè)有源層中的電流恒定不變，無源層為等電位。兩點(diǎn)觸摸時(shí)，這些假設(shè)不再成立，為了提取所需的信息，需要進(jìn)行更多測量。

阻性屏幕中的兩點(diǎn)觸摸檢測模型如圖 2 所示。R_touch為層間的接觸電阻；在現(xiàn)有的大多數(shù)屏幕中，其數(shù)量級一般與兩層的電阻相同。如果有一個(gè)恒定的電流I流經(jīng)有源層的兩端，則有源層上的電壓為：

圖 2. 阻性屏幕兩點(diǎn)觸摸的基本模型

手勢識別
以“捏合”(pinch)作為范例可以更好地描述手勢識別的工作原理。捏合手勢從兩根分開較遠(yuǎn)的手指觸摸開始，產(chǎn)生雙重接觸，使得屏幕的阻抗降低，有源層兩根電極之間的電壓差因此減小。隨著兩根手指越來越接近，并聯(lián)面積減小，因而屏幕的阻抗提高，有源層兩根電極之間的電壓差相應(yīng)地增大。

緊密捏合后，并聯(lián)電阻趨于 0，R_u + R_d提高到總電阻，因此電壓增大到：

圖 3 顯示了一個(gè)沿著垂直(Y)軸捏合的例子。當(dāng)手勢開始時(shí)，其中一層的兩根電極之間的電壓恒定不變，另一層則表現(xiàn)出階躍性降低，然后隨著手指相互靠近而提高。

圖 3. 垂直捏合時(shí)的電壓測量

圖 4 顯示傾斜捏合時(shí)的電壓測量結(jié)果。這種情況下，兩個(gè)電壓均表現(xiàn)出階躍性降低，然后緩慢恢復(fù)。兩個(gè)恢復(fù)速率（利用各層的電阻歸一化）的比值可以用來檢測手勢的角度。

圖 4. 傾斜捏合時(shí)的電壓測量

如果手勢為縮放（手指分開），其行為可以從上述討論推導(dǎo)出來。圖 5 顯示了沿各軸及沿傾斜方向縮放時(shí)測得的兩個(gè)有源層電壓趨勢。

圖 5. 沿不同方向縮放時(shí)的電壓趨勢

利用 AD7879檢測手勢
AD7879 觸摸屏控制器設(shè)計(jì)用于與 4 線式阻性觸摸屏接口。除了檢測觸摸動(dòng)作外，它還能測量溫度和輔助輸入端的電壓。所有四種觸摸測量加上溫度、電池、輔助電壓測量，均可以通過編程寫入其片內(nèi)序列器。

AD7879 結(jié)合一對低成本運(yùn)算放大器，可以執(zhí)行上述捏合和縮放手勢測量，如圖 6所示。

下面的步驟說明了手勢識別的過程：

1. 在前半周期中，將一個(gè)直流電壓施加于上層（有源層），并測量X+引腳的電壓（對應(yīng)于VY+ – VY–），以提供與Y方向上的運(yùn)動(dòng)（接近還是分開）相關(guān)的信息。
2. 在后半周期中，將一個(gè)直流電壓施加于下層（有源層），并測量Y+引腳的電壓（對應(yīng)于VX+ – VX–），以提供與X方向上的運(yùn)動(dòng)（接近還是分開）相關(guān)的信息。

圖 6 所示的電路需要為差分放大器提供保護(hù)，防止短接到 V_DD。在前半周期中，下方放大器的輸出短接到V_DD。在后半周期中，上方放大器的輸出短接到VDD。為避免這種現(xiàn)象， AD7879的GPIO可以控制兩個(gè)外部模擬開關(guān)，如圖 7所示。

圖 6. 基本手勢檢測應(yīng)用圖

圖 7. 避免放大器輸出短接到V_DD的應(yīng)用圖

這種情況下，AD7879 設(shè)置為從機(jī)轉(zhuǎn)換模式，并且僅測量半個(gè)周期。當(dāng) AD7879 完成轉(zhuǎn)換時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)中斷，主處理器重新設(shè)置 AD7879 以測量第二個(gè)半周期，并且改變 AD7879 GPIO 的值。第二轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，兩層的測量結(jié)果均存儲在器件中。

旋轉(zhuǎn)可以通過一個(gè)方向上的同時(shí)縮放和一個(gè)傾斜捏合來模擬，因此檢測旋轉(zhuǎn)并不困難。挑戰(zhàn)在于區(qū)別旋轉(zhuǎn)是順時(shí)針 (CW)還是逆時(shí)針(CCW)，這無法通過上述過程來實(shí)現(xiàn)。為了檢測旋轉(zhuǎn)及其方向，需要在兩層（有源層和無源層）上進(jìn)行測量，如圖 8 所示。圖 7 中的電路無法滿足之一要求，圖 9 提出了一種新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖 8. 順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)的電壓測量

圖 9所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了如下功能：

• 半周期 1：電壓施加于Y層，同時(shí)測量(V_Y+ – V_Y–)、V_X–和 V_X+。每完成一個(gè)測量，AD7879 就會產(chǎn)生一個(gè)中斷，以便處理器改變GPIO配置。
• 半周期 2：電壓施加于X層，同時(shí)測量(V_X+ – V_X–)、V_Y–和V_Y+。

圖 9 中的電路可以測量所有需要的電壓來實(shí)現(xiàn)全部性能，包括：a)單點(diǎn)觸摸位置；b)縮放、捏合、旋轉(zhuǎn)手勢檢測和量化； c)區(qū)別順時(shí)針與逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。用兩點(diǎn)觸摸手勢來完成單點(diǎn)觸摸操作時(shí)，可以估計(jì)手勢的中心位置。

圖 9. 單點(diǎn)觸摸位置和手勢檢測的應(yīng)用圖

實(shí)用提示
輕柔手勢產(chǎn)生的電壓變化相當(dāng)微細(xì)。通過放大這種變化，可以提高系統(tǒng)的魯棒性。例如，可以在屏幕的電極與 AD7879 的引腳之間增加一個(gè)小電阻，這將能提高有源層的壓降，但單點(diǎn)觸摸定位精度會有所下降。

另一種方法是僅在低端連接上增加一個(gè)電阻，當(dāng) X 層或 Y 層為有源層時(shí)，僅檢測 X–或 Y–電極。這樣就可以應(yīng)用一定的增益，因?yàn)橹绷髦迪喈?dāng)?shù)汀?

ADI公司有許多放大器和多路復(fù)用器可以滿足圖 6、圖 7 和圖 9 所示應(yīng)用的需求。測試電路使用AD8506 雙通道運(yùn)算放大器和ADG16xx 系列模擬多路復(fù)用器；多路復(fù)用器的導(dǎo)通電阻很低，采用 3.3 V單電源供電。

結(jié)束語
利用 AD7879 控制器和極少的輔助電路，可以檢測縮放、捏合和旋轉(zhuǎn)。只需在有源層上進(jìn)行測量，就能識別這些手勢。在主處理器的控制下，利用兩個(gè) GPIO 測量無源層的電壓，可以區(qū)別旋轉(zhuǎn)方向。在該處理器中執(zhí)行相當(dāng)簡單的算法，就能識別縮放、捏合和旋轉(zhuǎn)，估計(jì)其范圍、角度和方向。

感謝
本文獲得了西班牙瓦倫西亞中小企業(yè)協(xié)會(IMPIVA)通過項(xiàng)目 IMIDTF/2009/15 和西班牙教育與科學(xué)部通過項(xiàng)目 Consolider/CSD2007-00018提供的部分資助。

本文作者感謝 Colin Lyden、John Cleary和 Susan Pratt在討論中提供的有益建議。

參考文獻(xiàn)
(Information on all ADI components can be found at www.analog.com.)

1 Finn, Gareth. “New Touch-Screen Controllers Offer Robust Sensing for Portable Displays.” Analog Dialogue, Vol. 44, No. 2. February 2010. (return to text)

Authors
	Javier Calpe [javier.calpe@analog.com] 分別于 1989年和 1993年獲得西班牙瓦倫西亞大學(xué)物理學(xué)學(xué)士學(xué)位和博士學(xué)位，為該校講師。Javier自 2005 年起擔(dān)任ADI公司瓦倫西亞開發(fā)中心的設(shè)計(jì)中心經(jīng)理。
	Italo Medina [italo.medina@analog.com] 于 2010 年獲得西班牙瓦倫西亞理工大學(xué)電子工程學(xué)士學(xué)位。Italo于 2010 年加入ADI公司，成為愛爾蘭利默里克精密DAC部模擬設(shè)計(jì)師。
	Alberto Carbajo [alberto.carbajo@analog.com]于 2000 年獲得西班牙瓦倫西亞理工大學(xué)電子工程學(xué)士學(xué)位，2004 年獲得愛爾蘭科克大學(xué)(UCC) 工程碩士學(xué)位。Alberto于 2000 年加入ADI公司，在測試與設(shè)計(jì)部門工作。目前，他的工作重點(diǎn)是基于IC的檢測產(chǎn)品，包括信號處理和微控制器設(shè)計(jì)集成。
	María José Martínez [maria.martinez@analog.com] 于 2005 年獲得西班牙瓦倫西亞理工大學(xué)電信工程學(xué)士學(xué)位。她于 2006 年加入ADI公司，擔(dān)任觸摸屏產(chǎn)品應(yīng)用工程師，重點(diǎn)關(guān)注CapTouch?觸摸屏控制器和透鏡驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品。Maria目前在 ADI瓦倫西亞的便攜產(chǎn)品部門工作。