原创 先进投射电容式触控产品设计关键

                      

        触控芯片与软件相辅相成

　　良好的ITO传感器设计固然十分重要，而一个真正的矩阵CDC也可为良好的多点触控设备奠定基础。不过，实现这一切的基础芯片和软件技术，是任何触控传感器系统得以成功的关键（图5）。

                                                                              图5 系统模块示意
 

          

       与其它设计一样，触控屏幕驱动器芯片必须具备所有的芯片常规特性——高整合度、最小占位面积，以及近似于零的功耗和支持广大范围的传感器设计与实施环境的灵活性。同时也须考虑最佳的速度、功耗和灵活性组合，如控制器芯片能否在典型的低系统Vdd电源下工作？更高的Vdd意味着SNR更好，但同时也会导致功耗升高。另外，电平转换器是否须要连接主机？通信协议可否在未来扩展而毋须完全重写驱动程序？也都须认真思考。
　　目前已有业者推出在芯片上整合完整电容式感测电路的解决方案，毋需外部元件支持电容式感测，并可尽量降低成本和印刷电路板（PCB）占位面积要求。该方案前端是一个定制电容式触控引擎（CTE），完全能够对传感器的原始数据进行不同的数字信号处理（DSP）工作，因此，只须在触碰被确认和必须执行更先进的算法时才唤醒主中央处理器（CPU）。这样一来，可确保功耗降至最小，使系统的大部分时间都能处于超低功耗工作模式下。不仅如此，这类元件都包含系统内可自行编程闪存，故可提供最大的灵活性。在整个工作电压范围上，均能够通过常规通信端口进行系统内升级，毋需额外的接脚或电路。

　　元件的布局灵活性是一项很重要的设计参数，一个好的矩阵CDC应该不受到ITO连接的触碰灵敏性（也称为热点跟踪）的影响。从灵活性的角度来看，无疑是一大优势。它意味着芯片的位置既可以靠近传感器，例如像覆晶薄膜（Chip-on-flex）；也可以远离传感器，置于一块完全独立的电路板上。在后一种选择中，可以采用被动软性材料来连接ITO和芯片，两者间距离可达100毫米或更远。

　　建构最佳触控屏幕的另一个关键因素是响应时间。笔迹识别需要70～120Hz的XY更新频率。其它情况，如使用虚拟键盘手指/大拇指同时键入，需要在不到100毫秒的时间内向用户提供积极回馈以实现准确输入。乍看起来很简单，但若考虑到各种不同的系统延迟，即意味触控屏幕必须在15毫秒内报告首个确定的触碰位置。除非精心设计感测电路，否则可能导致功耗过大，从而缩短电池寿命。

　　值得注意的是，对于最好的CDC方法，ITO连接线路上因软性连接而产生的寄生电容仅仅产生次要影响。若选择错误的CDC方法，芯片会因测得无用的背景寄生电容而削弱能力，影响触控屏幕上的触碰效果，从而降低SNR和分辨率。

　　强化两点以上多点触控辨识度
 

　　至此，并没有提及如iPhone所采用两个触控点以上的实例。消费者已经熟悉了随iPhone大为流行的放大和缩小手势。不过，3、4乃至更多的触控点又能带来什么好处？问题不仅仅是设想什么手势或应用可使用这种功能，还在于控制器芯片如何能够利用这种丰富的信息来实现一个更好的解决方案。

　　此类运用的一个例子是跟踪触控屏幕边缘附近的多个触控点，并将之归类为禁止。这种功能可让用户随意舒适地手拿小型产品，即使手指和屏幕有少许重叠也不影响触控屏幕继续正常工作。不过，这里暗藏微妙之处。必须对这些被禁止的触控点进行跟踪并使其保持被禁止状态，即使它们误入工作区域。这意味着控制器必须能够同时唯一且明确地识别、归类和跟踪许多个触控点。

　　多点触控数据的另一个潜在用途是利用结构化方法来识别触控屏幕表面上的形状。这一功能可带来各种可能有用的触控接口提升。识别鼻子、脸颊甚至耳朵的基本形状，可进一步避免真实环境中可能由不小心产生的触碰所造成的触控屏幕错误。随着更多的触控点可被唯一地识别并报告给主处理器，设计人员将可利用多个触控点数据，创造出更多创新应用（图6）。
 

　　                                                                  图6 同时多点触控的实例

           

噪声和系统问题
 

　　如前所述，电容式触控屏幕控制器可测量出行、列耦合电容上的极小变化。控制器的测量方法对于控制器的外部噪声易感性有着很大影响。

　　触控屏幕常遇到的噪声源之一是LCD本身。它在数微秒的上升/下降时间内测得的瞬态电压常常达到数伏特，这是极具挑战性的环境。有些不错的方法可以抑制控制器芯片中的这种噪声，如采用适当的CDC方法，就有可能从源头上抑制大部分噪声。第二种方案是在传感器上增加一个屏蔽层，把噪声隔离在电极之外。

　　这种方法可能造成传感器过厚、过于昂贵。第三种也是更好的方法是采用一种新颖的传感器电极图样，带有两个ITO层，并且自我向后屏蔽。这种方法非常有用，因为若前面板因触碰压力向接地板（比如LCD的前表面）弯曲，它能使传感器具有抗电容变化的能力。

　　随着显示屏技术的发展，有机发光二极管（OLED）显示屏等设备噪声已较先前减小许多，且非常适于采用电容式触控屏幕技术，以及单层或双层传感器设计。LCD技术也在不断演进，适用性逐渐提高。

　　第二大棘手噪声源是“不固定的”开关模式电源。当置于触控屏幕设备附近时，其常常把相对于接地的数百伏特的50/60Hz失真波形电容式耦合到整个触控屏幕设备中。当用户接触到设备时，传感器高效率地变为电容式分压器的一部分，产生大量低频噪声，影响测量结果。此外，通过巧妙的芯片设计，可以从源头基本上消除这种影响，并消除芯片上DSP功能带来的剩余噪声。
 

　　导入先进技术 电容触控接口更友善
 

　　总而言之，以优异DSP和微处理器为基础的技术，可以实现高性能的电容式触控传感器数组，当用户触碰时，其能够产生表面电荷变化的图像。

　　通过以合适的CDC和互电容式组合为基础的传感器结构和信号撷取技术，系统能够具备抵抗系统干扰和背景加载有害源影响的强大能力。当获得电荷图像时，就可采用高效率的微处理器技术来处理数据，提供多个触控点位置数据，或进行更高水平的处理，拒绝不小心造成的触碰，或者解释触控屏幕表面上一个或多个手指移动所代表的手势，这些手势可用于简化许多应用中的用户接口。

　　完全可编程芯片中的系统内建可编程闪存解决方案包含微处理器和DSP功能及广泛的可扩展通信协议，可为这类系统提供最高的灵活性。通过适当而有效地处理数据的撷取、处理和报告，可以在极低的功率预算中实现上述所有功能，适用于要求最严苛的电池供电应用。

(本文转自电子工程世界：http://www.eeworld.com.cn/dygl/2012/0507/article_12034_2.html)