2 PCB上的手寫(xiě)板設(shè)計(jì)分析

　　在固定大小的PCB板上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)電容式手寫(xiě)板時(shí)，基本單元觸摸按鍵是由兩個(gè)分開(kāi)的焊盤(pán)通過(guò)行列導(dǎo)線連接到控制器的兩個(gè)I/O口上構(gòu)成。手寫(xiě)板設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮按鍵分辨率、觸摸按鍵的尺寸、按鍵與按鍵之間的距離、按鍵與控制器之間導(dǎo)線的長(zhǎng)度和布線等因素。這些參數(shù)的選取都會(huì)影響到手寫(xiě)板上用戶輸入信息檢測(cè)的準(zhǔn)確性。下面就分析每個(gè)因數(shù)對(duì)手寫(xiě)板的輸入檢測(cè)的影響程度，從而在PCB手寫(xiě)板設(shè)計(jì)選擇合適的參數(shù)實(shí)現(xiàn)手寫(xiě)板的硬件設(shè)計(jì)。
?

　　2.1 按鍵分辨率與按鍵大小分析

　　手寫(xiě)板上按鍵的分辨率直接影響手寫(xiě)板對(duì)用戶輸入信息的檢測(cè)，分辨率越大手寫(xiě)板對(duì)用戶信息的獲得的數(shù)字圖像越準(zhǔn)確，反之準(zhǔn)確性越差。而手寫(xiě)板大小確定后，手寫(xiě)板上按鍵的分辨率與單個(gè)按鍵的面積呈反比的關(guān)系。而人體的觸摸電容C=ε0εrs/d，隨著按鍵面積的減小而減小。如果按鍵面積太小，觸摸電容很小，觸摸時(shí)的脈沖個(gè)數(shù)相對(duì)變化率小于η0，導(dǎo)致觸摸板不能檢測(cè)到按鍵的觸摸動(dòng)作;反之，觸摸按鍵的面積過(guò)大，不僅會(huì)使手寫(xiě)板的分辨率減小，影響到手寫(xiě)板對(duì)用戶輸入信息檢測(cè)的準(zhǔn)確性，而且還可能使手寫(xiě)板出現(xiàn)觸摸盲區(qū)，遺漏用戶手寫(xiě)輸入的信息。

　　在面積大小為10 cmx10 cm的PCB板上，利用焊盤(pán)制作尺寸不同的矩形觸摸按鍵時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得按鍵在有無(wú)按鍵時(shí)的張弛振蕩脈沖數(shù)，如圖3所示。

　　從圖3中可以看出隨著按鍵面積的變化，用戶觸摸時(shí)產(chǎn)生的觸摸電容基本不變，但是電容C1和單個(gè)按鍵檢測(cè)的脈沖相對(duì)變化率減小。所以觸摸板的分辨率不能一直提高，當(dāng)分辨率提高到某個(gè)點(diǎn)時(shí)，觸摸動(dòng)作產(chǎn)生時(shí)檢測(cè)到的計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)相對(duì)變化率η《η0，從而無(wú)法判斷此時(shí)的觸摸動(dòng)作。因此，為了選擇一個(gè)相對(duì)較高的分辨率，并且保證η》η0。此設(shè)計(jì)中手寫(xiě)板中單個(gè)觸摸按鍵的尺寸選擇為8 mmX8 mm，此時(shí)的脈沖相對(duì)變化率為12.3%》η0，可以檢測(cè)到觸摸動(dòng)作。所以在10 cmx10 cm的手寫(xiě)板上按鍵分辨率選取8x8比較合適。

　　2.2 按鍵焊盤(pán)傳輸導(dǎo)線長(zhǎng)度分析

　　傳輸導(dǎo)線給觸摸按鍵帶來(lái)寄生電容隨著傳輸線的距離的變化關(guān)系如下式：

　　其中D為導(dǎo)線到地線的距離，d為導(dǎo)線的直徑，L為導(dǎo)線的長(zhǎng)度，ε0為真空介電常數(shù)?？梢钥闯鲭S著PCB板上制作的觸摸按鍵到控制器的導(dǎo)線越長(zhǎng)，則傳輸線電容越大。如圖4所

　　示，為兩個(gè)面積大小為8 mmx8 mm觸摸按鍵0和1，在有無(wú)觸摸動(dòng)作發(fā)生時(shí)，所測(cè)得的脈沖個(gè)數(shù)和有無(wú)觸摸動(dòng)作時(shí)的脈沖個(gè)數(shù)差值隨導(dǎo)線長(zhǎng)度變化的曲線。

　　從圖4可以看出觸摸按鍵0和1的脈沖個(gè)數(shù)隨著導(dǎo)線長(zhǎng)度的增加基本上成線性減小的關(guān)系，這也滿足式（5）的關(guān)系。而觸摸動(dòng)作發(fā)生時(shí)，變化的脈沖個(gè)數(shù)隨導(dǎo)線據(jù)長(zhǎng)度的增加基本保持在一個(gè)水平，所以隨著導(dǎo)線長(zhǎng)度的增加脈沖個(gè)數(shù)的相對(duì)變化率η也增加，但是不論導(dǎo)線的長(zhǎng)度是多少都滿足η》η0的觸摸動(dòng)作判決條件。

　　所以，PCB手寫(xiě)板的焊盤(pán)的導(dǎo)線長(zhǎng)度對(duì)于人體接觸的觸摸電容檢測(cè)并不會(huì)產(chǎn)生明顯的影響。因此在大小為10 cmx10 cm左右的PCB板上設(shè)計(jì)電容式手寫(xiě)板，焊盤(pán)導(dǎo)線長(zhǎng)度對(duì)于手寫(xiě)板的觸摸檢測(cè)不會(huì)產(chǎn)生明顯的影響。

　　2.3 手寫(xiě)板上按鍵自由空間耦合電容分析

　　在觸摸板上觸摸按鍵和矩陣鍵盤(pán)的排列方式一樣，行列導(dǎo)向成垂直走向。觸摸按鍵之間的距離會(huì)引起橫向和縱向按鍵的耦合電容產(chǎn)生明顯的變化。PCB手寫(xiě)板設(shè)計(jì)需要找出橫向和縱向按鍵之間的距離對(duì)按鍵電容量影響的變化規(guī)律。從而設(shè)計(jì)觸摸按鍵時(shí)，確定按鍵之間應(yīng)該預(yù)留的距離，使得一個(gè)按鍵觸摸動(dòng)作發(fā)生時(shí)，對(duì)周?chē)存I的影響最小，從而提高手寫(xiě)板對(duì)手寫(xiě)輸入信息檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

　　如圖5所示為手寫(xiě)板中4個(gè)不同位置的觸摸按鍵發(fā)生觸摸動(dòng)作時(shí)，對(duì)x方向和y方向的觸摸按鍵的影響測(cè)量數(shù)據(jù)曲線圖。從圖中曲線可以看出手寫(xiě)板上觸摸點(diǎn)在x和y方向上，0到10 mm內(nèi)成二次曲線快速的衰減，而在距離大于10 mm之后平緩的減小。說(shuō)明在這種按行列式排列的觸摸按鍵組成的手寫(xiě)板，要減小有觸摸動(dòng)作的按鍵對(duì)周?chē)存I的影響，在橫向和縱向按鍵之間的距離盡量的要保持在10 mm以上。從而在進(jìn)行手寫(xiě)動(dòng)作時(shí)，使被觸摸點(diǎn)對(duì)周?chē)存I的影響較小，盡可能的降低手相互影響產(chǎn)生不準(zhǔn)確。

　　2.4 手寫(xiě)輸入實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

　　通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究分析在PCB板上利用焊盤(pán)制作的觸摸按鍵構(gòu)成的手寫(xiě)板的主要影響因素。確定在10 cmx10 cm的PCB板上制作分辨率為8x8的觸摸手寫(xiě)板，每個(gè)觸摸按鍵制作成大小為8 minx8 mim，行列之間的相互距離為2 mm的合適的參數(shù)后。在PCB上制作實(shí)現(xiàn)手寫(xiě)觸摸板，控制器通過(guò)掃描橫向和縱向的I/O口觸摸電容對(duì)應(yīng)的張弛振蕩脈沖數(shù)，計(jì)算出每個(gè)按鍵的脈沖數(shù)相對(duì)變化率，并與選取的相對(duì)變化率進(jìn)行比較，確定每個(gè)觸摸按鍵的狀態(tài)組成一幅數(shù)字圖像。如圖6所示，是PCB上手寫(xiě)板采集到的手寫(xiě)輸入‘8’和‘S’時(shí)的二值數(shù)據(jù)圖像。

　　從圖6可得，PCB制作完成的觸摸手寫(xiě)板可以較為準(zhǔn)確的得到用戶的手寫(xiě)輸入數(shù)據(jù)的二值圖像。進(jìn)而，通過(guò)圖像識(shí)別算法對(duì)二值圖像進(jìn)行處理實(shí)現(xiàn)手寫(xiě)字符識(shí)別，判斷出手寫(xiě)板用戶輸入的字符信息，實(shí)現(xiàn)用戶的手寫(xiě)輸入。

　　3 結(jié)論

　　觸摸按鍵手寫(xiě)板設(shè)計(jì)采用電容觸摸的原理，在PCB上利用焊盤(pán)制作觸摸按鍵來(lái)設(shè)計(jì)手寫(xiě)板輸入設(shè)備。在實(shí)現(xiàn)了單個(gè)觸摸按鍵準(zhǔn)確檢測(cè)的基礎(chǔ)上，分析了在 PCB上制作手寫(xiě)板制作時(shí)，單個(gè)觸摸按鍵尺寸、按鍵到控制器的距離對(duì)手寫(xiě)檢測(cè)的影響，以及在PCB上按鍵垂直布線時(shí)，按鍵橫向和縱向距離對(duì)檢測(cè)效果的影響。最后通過(guò)分析選取合適的參數(shù)，在10 cm×10 cm的PCB上實(shí)現(xiàn)手寫(xiě)板制作，并得到較為準(zhǔn)確的手寫(xiě)輸入字符的數(shù)字二值圖像，完成了在PCB板上手寫(xiě)板的硬件設(shè)計(jì)。但是獲得二值圖像并沒(méi)有完成手寫(xiě)板設(shè)計(jì)的全部任務(wù)，二值圖像的識(shí)別還需要借鑒圖像識(shí)別算法完成。