触摸产品的关键参数解析

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对当前触摸屏性能而言,影响最深远的技术变革或许就是从电阻式触摸屏到电容式触摸屏的转变。根据业界分析公司 iSupply 预测,截至 2011 年,近1/4的触摸屏手机中将停止沿用电阻式技术,转而采用电容式触摸屏。Jeffries & Co. 亦预测电容式触摸屏的出货量在 2010 年将达到 1~1.88 亿件。市场呈爆炸性发展很大程度上归功于电容式触摸屏技术所带来的各种效益。

传统的电阻式触摸板在检测到手指或触控笔时,柔软的透明顶层被下压后,接触到下方的导电材料层,之后触碰到感应式电容屏幕,其本身没有移动的部件。实际上,感应式电容感应硬件从上到下依次为玻璃材质的顶层、X与Y 轴的元件以及覆盖在玻璃基板上的氧化铟锡 (ITO) 绝缘层。一些感应器供应商推出的单层感应器,内含 X与Y 轴感应器和小型桥接器于一单层 ITO 之中。当手指或其他导体靠近屏幕时,就会在感应器和手指之间产生电容。虽然这一电容(约为 0.5pF)相对于系统其他电容(约为 20pF)较小,不过仍有几种技巧可以测量出此电容。其中一种技巧就是运用赛普拉斯半导体公司开发的 TrueTouch 元件,快速给电容充电,再通过泄漏电阻来测量放电时间。

这种全玻璃的触摸表面,在整个屏幕上带给用户光滑流畅的触感。终端产品制造商亦偏爱玻璃屏,因为玻璃屏幕让终端产品拥有线条美丽的工业设计感,并能为触摸检测提供良好的电容式信号。不过,归根结底,触摸板的外观只是原因之一,而其运作模式也相当重要。要想用触摸屏实现出色的性能,首先需要了解一些关键的参数。

精确度——精确度是指“触摸屏预定义区域上的最大定位误差,以实际手指位置和报告手指位置之间的直线距离为单位来衡量”。

精确度是通过模拟手指或机械手指来测量的。首先把手指放在面板的确切位置上,然后将实际手指位置与报告手指位置进行比较。精确度极为重要。用户希望系统能够正确定位手指。电阻式触摸屏的最大缺陷之一就是精确度低且精确度会随时间的推移逐渐减弱。而电容式触摸屏的高精确度使虚拟键盘以及无需触控笔的手写辨识等新型应用成为现实。例如,图 1 显示一个结构不完整的触摸板数据,显示手指位置有游移的现象,然而模拟手指实际上是进行直线的移动。



手指间距——手指间距的定义是“触摸屏控制器可以报告的两个手指放在触摸屏上时手指中心之间的最小距离”。手指间距测量方法,是将两个模拟或机械手指置于面板上并对向运动,直至系统报告两个手指为一个手指为止。有些触摸屏供应商规定手指间距为边缘至边缘的距离,有些则规定为中心点之间的距离。10mm机械手指的10mm手指间距,意味着有双手指触摸到触摸屏,或是手指间距为10mm,实际情况根据触摸屏控制器的规格定义而定。

若没有良好的手指间距,就无法设计出真正的多点触摸解决方案。手指间距对虚拟键盘尤为重要,因为这种情况下屏幕上的两个手指间距通常很短。

响应时间——响应时间的定义是“触摸屏上手指接触时间和触摸屏控制器生成中断信号之间的时间”。测量方法是以电子刺激、模拟手指动作、或者向面板上物理移动模拟手指。响应时间非常重要,因为它直接影响用户在屏幕上移动手指的速度,进行“平移”或“轻弹”等操作,以及用手指或笔在屏幕上书写。响应时间缓慢的触摸板,会有短暂停顿和检测不到移动动作的情况。触摸屏的响应时间是系统响应时间的组成部分,其中包括:

X/Y轴向扫描:触摸控制器扫描和测量感应器上电容变化所需的时间。

手指检测:比较触摸板上的电容变化和预定义的“手指阈值”。若变化幅度超过手指阈值,就会检测到手指的触摸。

手指位置:根据多个感应器得到的结果进行推算,确定手指的确切位置。

手指跟踪:当感应器上放置多个手指,每个手指必须正确识别并分配唯一的标识符。

中断延迟:主机上中断显示和中断服务之间的延迟。大多数系统中,中断延迟都小于100µs。

通信:一般系统在 400kHz 时使用 I2C,或在 1MHz 时使用 SPI 接口与主机通信。

有几种方法可用来缩短响应时间,关键在于触摸控制器 IC 的智能化程度。如比较有创意的方法,仅需扫描部分屏幕即可检测到手指位置,一旦检测手指后,就能快速扫描,计算出手指实际的“位置”,从而节约功耗和时间。另一种方法就是并行处理,即使用不同的硬件同步进行扫描、手指处理和通信。采用高度优化的算法进行手指检测、手指定位和手指ID,能缩短处理时间,进而缩短响应时间。



刷新率——手指出现在触摸屏时,触摸屏数据两个相连帧在数据缓冲中保持可用的时间。刷新率偏低会导致动作抖动,移动线路也会变成不连续的线段,而不是流畅的曲线。如果触摸板的刷新率较高,就能提供更多数据点,可实现平滑或完整的形状或动作轨迹。高刷新率还能改进手势的解译功能。赛普拉斯的TrueTouch等智能触摸屏控制器产品可根据系统要求调节刷新率。绘画或手写应用需要高刷新率,而手机拨号键盘只需在按钮按下或释放时中断主机即可。

平均功耗——触摸系统的平均功耗包括控制器 IC 的扫描时间、处理时间、通信时间和休眠时间等因素,也包括主机处理器接收和解译触摸数据等因素。

功耗似乎是一个简单的性能参数:测量设备使用的电流,再乘以电压,就推算出功耗。在触摸板的功耗方面,需要更复杂的计算公式,因为不同使用模式会产生不同功耗。手机的待机时间取决于触摸屏的“待机”或“深度休眠”模式消耗的电流。即便触摸屏在工作状态下,也能采用几种不同模式,如“触摸唤醒 (WOT)”、“触摸”和“面颊检测”等。如在一个 5 分钟的通话中,正在搜索或输入电话号码时,手机可能切换至触摸模式达 10 秒,之后再切换至提醒通话时的 WOT 模式或面颊检测模式。即便发送文本短信 (SMS) 时,仍是混合 WOT 模式和实际手指接触,控制器 IC 会根据用户的输入和思考间隙在休眠模式和工作模式之间切换。

如果不考虑上述功耗模式,可能会被系统节电性的宣传所迷惑。在几乎所有情况下,触摸屏90%~99% 的时间都处于“面颊检测”模式和“触摸唤醒”模式。一些系统甚至在手指接触面板时也允许用户自行设定处理时间和休眠时间的比例。如果系统只需报告“手指在相同位置保持不动”,那么就无需高达 200Hz 的刷新率。为了开发高性能触摸屏,必须运用休眠模式的低功耗系统,同时搭配创造的休眠和唤醒模式。
 

系统设计人员在设计电容式触摸屏系统时还必须考虑一些其他重要因数。



  手指电容——是指手指与单一感应器元件之间测量到的电容。测量手指电容时,是用真实手指而不是金属的机械手指,以确保测得符合实际状况的数据。影响 CF 的因素包括覆盖上层的透镜厚度及覆盖透镜材料的介电常数。



  系统固有噪声电平——是指电容到数字转换器输出端所测量到噪声,是数据转换器输入(电容)值。



  信噪比 (SNR)——是指感应器测量到的手指信号除以观察到的噪声测量值。这不仅是一个结合上述两项数值的重要缩写名词,但我们必须认识到,要想设计出高效的触摸板,系统必须能够容纳、调适及滤除移动系统中的寄生噪声。为了观察高信号数和极少的噪声数,应该针对触摸功能考虑采用准确的模拟前端元件。



  赛普拉斯的TrueTouch系列等可编程解决方案能为噪声过滤提供出色的机制。赛普拉斯的PSoC 可编程模拟器件经过再配置,可整合持续一段时间内的信号,藉此滤除噪声。不同的信号频率,包括扩频和伪随机频率都能用来避免电磁干扰 (EMI)。标准的数字滤波器能移除 1~2 位信号抖动或提供类似于 IIR 的低通滤波器。智能数字滤波器可删除相对于面板附近区域检测到的样本不正常的样本。智能滤波器仅受限于系统设计人员的创意。图 3 显示了器件的固有噪声电平及检测到的触摸行为,在本例中,SNR为5。





  了解和掌控关键的触摸屏性能参数,就能大幅改进触摸屏的设计。了解这些参数,亦有助于我们选择理想的设计合作伙伴,这些合作伙伴拥有适当的技术,能妥善处理移动消费产品中未知的噪声和电气问题。



  触摸屏的优势在于其外观简单的设计风格。在取代笨拙的按钮、滚动球或不易读的屏幕后,触摸屏带来一种能给用户创造快乐使用体验的全新操作模式。不过,触摸屏面临的难题在于,要想推出一款美观简洁的设计,必须使用一流的软硬件和精密的制造技术。掌控触摸屏的要点、重要的设计参数、关键的触摸屏性能参数以及触摸屏设计中需衡量取舍的因素,是开发震撼市场的触摸屏的第一步。我们期待着您的触摸屏产品早日推出!



  参考文献:



  [1] Benjamin A,Curtis B, Grasfeder R.Two Picks to Play Touchscreens[R/OL].(2010-3-30). https://online.barrons.com/article/SB126988942615169445.html



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