產(chǎn)品設(shè)計人員若想在設(shè)備中加入電容式觸摸屏，便必需滿足許多有時相互矛盾的要求。這種難題通常會引伸出一個問題：是否為了改善噪聲的穩(wěn)健性而要犧牲顯示屏的響應(yīng)性能。

　　消費者希望在觸摸屏上移動手指時能夠得到實時的反應(yīng)。一個良好的觸摸控制器可以將非常快速的更新信息流發(fā)送到操作系統(tǒng)，讓應(yīng)用程序時刻知道手指當(dāng)前的位置，從而作出實時反應(yīng)。而且，雖然用手指輸入方式來瀏覽內(nèi)容非常不錯，但是在創(chuàng)建內(nèi)容方面，筆或手寫筆提供了許多優(yōu)點，可以讓使用者書寫和繪畫。一個良好的觸摸接口應(yīng)當(dāng)同時支持這兩種輸入方式。

　　系統(tǒng)設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)選擇容易整合在其產(chǎn)品中的零部件，預(yù)裝標(biāo)準(zhǔn)固件的觸摸控制器能夠顯著地縮短開發(fā)周期和調(diào)試周期。設(shè)計人員無需編寫復(fù)雜的觸摸感測代碼，只要選擇一組適合其項目具體要求的參數(shù)值，并將這些數(shù)值應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)的2線或3線界面。

　　例如，消費者對價格適宜的便攜式產(chǎn)品的需求，推動制造商生產(chǎn)材料層數(shù)較少的觸摸屏。為了實現(xiàn)這一點，傳感器現(xiàn)在已不再使用銦錫氧化物 （ITO）“屏蔽”層，而傳統(tǒng)上ITO層用于保護(hù)觸摸屏傳感器以避免來自其下之顯示設(shè)備的干擾。

　　圖1：現(xiàn)有觸摸屏疊層對比下一代觸摸屏疊層，右邊的“touch-on-lens”疊層的層數(shù)較少，可以減小顯示屏的厚度并提高亮度。但是，由于缺少了ITO屏蔽層，如果觸摸屏控制器沒有針對這一問題而進(jìn)行設(shè)計的話，顯示屏的噪聲問題便會急劇增加。

　　沒有屏蔽層，傳感器下面的顯示屏的干擾信號將比上面的手指的信號強很多倍。解決這一問題為觸摸屏控制器芯片帶來了非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。便攜式觸摸系統(tǒng)的另一個挑戰(zhàn)來自電池充電器，這也許會讓人有點驚訝。車內(nèi)充電器、無線充電器、售后市場 （after-market） 充電器和其它充電器通常使用切換技術(shù)來控制其輸出電壓，而切換頻率時的噪聲會影響觸摸屏的運作。

　　下圖所示為用戶在智能手機(jī)的畫圖應(yīng)用上以手指畫一組對角線時所顯示的圖像，同一臺智能手機(jī)連接不同的充電器，對每個圖像進(jìn)行捕獲。很明顯，這款智能手機(jī)所使用的觸摸屏控制器對于應(yīng)付充電器噪聲的穩(wěn)健性不足。

　　圖2：連接不同充電器的智能手機(jī)觸摸屏的畫線測試結(jié)果，在連接某些充電器時，觸摸屏顯示出誤觸、較差的線性度和高抖動，而這些都是很差的用戶體驗的例子。

　　雖然有些相對簡單的方法可以個別應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，但要同時解決所有難題，則需要使用更復(fù)雜的系統(tǒng)。

　　觸摸控制器IC的工作原理是將電壓信號傳輸?shù)絺鞲衅鲀?nèi)，并測量該數(shù)組中每個電容器的充電量。來自顯示屏和充電器的噪聲改變了有效的信號電壓，擾亂了測量結(jié)果。但是，如果增加信號電壓，干擾變得相對較小，就可帶來更準(zhǔn)確的測量結(jié)果。

　　這種技術(shù)簡單有效，因此在觸摸控制器中廣泛使用。例如，愛特梅爾公司的maXTouch? S系列器件采用高達(dá)24V高壓驅(qū)動，可提高嘈雜環(huán)境中的信噪比。

　　LCD、OLED和其它顯示屏組件產(chǎn)生的噪聲并非在任何時候都相同。隨著不斷刷新圖像，這些噪聲會跟從一個嘈雜期和安靜期的重復(fù)模式：從圖像頂部的像素水平線開始，更新每條水平線的顏色值，直到達(dá)到屏幕底部，然后重新返回到頂部，開始下一幀運作。

　　電氣活動通常在連續(xù)的水平線之間出現(xiàn)短暫的停頓，而在各幀之間的停頓會更長。有些觸摸控制器試圖利用這些被稱為“消隱信號間隔 （blanking interval）”的停頓，因為這些時候的噪聲水平通常低得多。

　　但是，這種方法存在幾方面的局限性。首先，經(jīng)特別設(shè)計可向觸摸控制器等其它部件提供同步信號的顯示屏組件少之又少，因此觸摸控制器很難了解什么時候會是安靜期。其次，消隱信號間隔并不總是安靜的，而且在某些情況下，間隔也太短而無法利用。最后，也是最重要的是，與顯示屏組件同步意味著觸摸控制器失去了選擇其工作頻率的自由。因此，雖然這種技術(shù)成功地避免了顯示屏的噪聲，但是避免來自充電器等其它來源的噪聲就變得更加困難。

　　因此，在實際系統(tǒng)中，與顯示屏組件同步并不是一種切實可行的方法。

　　在噪聲環(huán)境中，軟件技術(shù)也具有明顯的優(yōu)點。

　　實際上，可以僅僅采用軟件過濾器，便可差不多完全清消除顯示屏噪聲的影響，而不需要顯示屏組件同步或高電壓。

　　下圖說明軟件篩檢的有效性。在這些圖形中，垂直的Z軸代表著屏幕上每點由觸摸控制器測量的電容信號的大小。X軸和Y軸則代表觸摸傳感器本身的表面。

　　圖3：來自層壓在輸出大約3V峰峰噪聲的ACVCOM顯示屏上的touch-on-lens傳感器的兩個原始資料圖。一只手指正在觸摸傳感器，在左圖中，禁用軟件篩檢，導(dǎo)致信噪比低；在右圖中，啟用軟件篩檢，信噪比提高了30倍。

　　由于這種算法并不依賴于任何同步信息，因此可以與任何類型和任何分辨率的顯示器一起使用。此外，在執(zhí)行篩檢時，并不需要額外的收聽通道 （listening channel） 或?qū)τ|摸傳感器電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行非標(biāo)準(zhǔn)改動。這樣，系統(tǒng)設(shè)計人員便只需選擇自己想要的顯示屏，并確知它一直可以「正常工作」。

　　此外，這種技術(shù)意味著在選擇運作頻率時，觸摸控制器不必考慮顯示特性。由于具有這種額外的自由，因此能夠更有效地避免來自其它來源如充電器的噪聲和干擾。在同時存在不止一個噪聲來源的真實的消費產(chǎn)品中，這種靈活性是非常重要的。

　　雖然上述數(shù)據(jù)表明，單獨使用軟件即可克服顯示屏噪聲，但是這并不能消除在軟件中運行這種算法會對屏幕響應(yīng)性和功耗造成的不利影響。這一點表明，太著眼于消除噪聲的影響而不解決這類措施對觸摸屏性能的其它方面的影響是危險的。為此，如要毫無妥協(xié)地達(dá)到所有這些要求，必須采用結(jié)合軟件和硬件的復(fù)雜方法。

　　要運行這些算法而不減慢觸摸接口響應(yīng)速度或消耗更多功耗，觸摸控制器必須有效地應(yīng)付額外的處理負(fù)荷。專為觸摸應(yīng)用而定制的ASIC器件可以使用專用硬件模塊來進(jìn)行運算，從而將延遲和功耗影響減少到最小。例如，Atmel maXTouch S系列中的器件具有顯示屏噪聲消除算法的硬件加速特性。這一點與以標(biāo)準(zhǔn)處理器為基礎(chǔ)的解決方案形成對比。以標(biāo)準(zhǔn)處理器為基礎(chǔ)的解決方案不具備所需的特殊硬件功能，導(dǎo)致設(shè)計人員為了改善噪聲性能而必需在響應(yīng)性和電池壽命方面互相折衷。

　　將硬件功能和算法配合使用的準(zhǔn)則同樣適用于處理充電器噪聲。雖然高壓面板掃描改善了信噪比，讓信噪比隨著施加電壓以線性方式變化，但是，將這種電路與智能型固件配合，可以帶來更多的信噪比提升。例如，maXTouch S系列器件除采用高電壓掃描外，還采用主動噪聲防止措施來克服充電器的噪聲。這些器件中的智能型固件連續(xù)監(jiān)測環(huán)境中的背景噪聲水平，并自行做出反應(yīng)以改變模擬電路的掃描參數(shù)，以期避免出現(xiàn)高噪聲水平的頻帶。由于系統(tǒng)的噪聲曲線隨時間而變化，這種自主決策特性是必需的，尤其是采用電池充電器時，因為充電器切換頻率 （引申而言，即其噪聲曲線） 將根據(jù)電池負(fù)載電流而變化。

　　總結(jié)

　　為了滿足現(xiàn)今用戶接口的需求，觸摸控制器必須同時應(yīng)對多種挑戰(zhàn)，而不能一次只解決一個問題。

　　作者：愛特梅爾公司Brian Carroll

本文轉(zhuǎn)摘自電子發(fā)燒友網(wǎng)《傳感技術(shù)特刊》7月刊

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