详解多点电容触摸屏的设计挑战

　　多触点电容触摸屏已经并且正在继续改变人们与手持设备之间的人机交互方式并给人们带来许多新的操作体验。从手机到电子书、电子写字板、导航仪、电子游戏机和笔记本电脑等等无不纷纷抛弃原来的轻触按键，竞向选择多点电容触摸屏来进行人机交互。尤其是I-Phone和I-Pad的横空出世，使多点电容触摸屏深入人心。然而，多点电容触摸屏的设计并非轻而易举、唾手可得。严格地讲，多点电容触摸屏技术还并不是一个完全成熟的技术，它还是一个处于发展阶段并且不断发展不断完善的技术。对于一个多点电容触摸屏的设计者而言，在它面前仍然面临着诸多的设计挑战。本文介绍多点电容触摸屏设计有哪些设计挑战和如何使用TTSP方案来帮助设计者面对这些挑战，使多点电容触摸屏设计比以往更容易。

　　设计挑战

　　设计挑战一

　　来自多点电容触摸屏设计的第一个挑战是如何将由于手指触摸而产生的微小的互电容变化转化成数字信号并具有足够的分辨率。我们知道，一般地讲，多点触摸是基于互电容感应原理，而互电容是发射感应条与接受感应条在交叉点处的寄生电容，这个电容是非常的小，通常在0.2~4pF, 而手指触摸而产生的互电容的变化就更小了。对这种微小的互电容变化的检测，不仅需要有对电容变化高度灵敏的硬件检测电路以实现微弱模拟电量到数字信号的转换，同时也需要相应的软件来进行控制协调以保证在整个触摸屏上的每一点对手指触摸信号有足够高的灵敏度。

　　设计挑战二

　　如何获得足够快的扫描时间是多点电容触摸屏设计的第二个挑战。对于一个M行和N列感应条的单点触摸屏，使用自电容扫描，它仅需要分别扫描M行和N列后就可以根据每一行和每一列信号来进行计算，定位手指在触摸屏上的坐标。它扫描感应条的次数是M+N次。当你使用多触点互电容扫描时，由于必须是行和列的交叉点扫描，所以它的扫描次数是MXN次扫描交叉点的次数。 对于一个10行20列的3.2寸屏，自电容扫描只需要10+20=30次，而互电容扫描却要10X20=200次。当触摸屏的尺寸越来越大时，扫描次数的增加越来越快。为了使用户有比较好的触摸体验，它需要每秒至少扫屏50次。 这就意味着每一个点的扫描加数据处理的时间必须少于100us, 这样才能保证有足够快的响应时间。而触摸屏的尺寸越大时，行和列数目就会越多，这个时间就更短。

　　设计挑战三

　　触摸按键、触摸滑条和触摸板都使用铜箔作为触摸感应器，但触摸屏基本上都使用ITO(Indium Tin Oxides)材料作为触摸感应层。铜箔的电阻率极小，因而它的电阻几乎可以忽略不计。ITO透明而导电，但ITO却有比较高的电阻率。 通常在触摸屏上ITO的电阻率用方阻来表示，即一个单位方块的电阻是多少。 一般地，ITO的方块电阻从45~350欧姆不等，取决于触摸屏生产厂家的涂层工艺。由于ITO电阻的存在，使得在触摸屏上的每一个感应条的近端和远端会有3K~30K欧姆的电阻，这个电阻结合每一个感应条上的自电容所产生的RC延迟，就使感应条的近端和远端会对发射的信号有不同的响应时间或者充放电时间，进而导致在近端和远端的手指触摸信号有大小的不同。严重的情况，这种不同可以达到50%以上。如何消除或减少这个差异，是多点电容触摸屏设计的第三个挑战。虽然选择方阻更低的ITO涂层是减少这个差异最直接的方法，但通常方阻更低的ITO涂层的厚度会更厚，导致透明度的下降和成本的增加。对很多终端客户来讲是不可接受的。

　　设计挑战四

　　信噪比(SNR)是多点电容触摸屏设计中最重要的指标之一。对一个触摸屏来讲，有足够大的手指信号是远远不够的。事实上，触摸屏并非置身于象牙塔上，在它的周围有诸多的噪声源。比如，紧贴在它下面的LCD就是一个噪声源，不同的LCD甚至不同的显示画面，其噪声的大小和频谱都不一样。尤其是对有些AC Vcomm类型的LCD，它能够在LCD的表面产生高达15nA/mm2的电流噪声和1V以上的电压噪声。虽然一个ITO的屏蔽层被放在触摸屏的下面的方案被一些设计者所采用,但屏蔽层的增加，导致触摸屏厚度的增加和成本的增加，也一定程度影响了可视性。并非所有的终端客户都可以接受。手机本身的射频信号和外界的电磁波也会对其产生干扰。当采用触摸屏的终端采用外部市电供电时，通过来自电网和电源适配器可能产生很大的共模噪声。还有使人感到棘手的充电器噪声，触摸屏及系统本身所产生的噪声如AD转换带来噪声、开关噪声以及电源噪声和ESD测试所使用的8千伏ESD噪声。在这么一个多噪声的环境中，如何使触摸屏系统对各种噪声源的噪声有很好的噪声免疫力获得足够高的信噪比是多点电容触摸屏设计的第四个挑战。

　　设计挑战五

　　手指定位精度是多点电容触摸屏设计的第五个挑战。现在的终端客户对手指在触摸屏上的定位精度要求越来越高，尤其在触摸屏边缘上定位精度。我们知道通常使用质心算法来实施手指的定位计算。然而由于电容触摸屏在边缘上的感应单元的不完整性和手指在边缘上先天地缺失半边的权重信号，在触摸屏的边缘仍然使用质心算法将带来较大的误差。因此，改进手指定位的算法，不仅适用于触摸屏的中间区域，同时适用于触摸屏的边缘区域使手指触摸的定位更准确是多点电容触摸屏设计必须面对的挑战。

　　设计挑战六

　　多点触摸手势识别和跟踪。多点电容触摸屏就是为了多点触摸和手势识别而设计的。一般使用最多可以识别十个手指的触摸。最常用的手势为一或二个手指的手势。它不仅要能识别单触点的十四种手势(上、下、左、右、左上、左下、右上、右下、左旋、右旋、单击、双击、点住和抬起)，而且要能识别双触点的二十七种手势(双触点上移、双触点下移、双触点左移、双触点右移、双触点左上移、双触点左下移、双触点右上移、双触点右下移、、双触点缩小、双触点放大、双触单击、一触一上移、一触一下移、一触一左移、一触一右移、一触一左上移、一触一左下移、一触一右上移、一触一右下移、一触一左下左拐、一触一右下右拐、一触一右下左拐、一触一右上右拐、一触一Z形移、一触一三角移、一触一正方移和一触一画圆)。此外，在多于两个手指触摸时要能实时地跟踪这些手指的移动，赋予每一个触摸手指的临时识别代码不能搞错。它对手势识别算法的设计和芯片的运算速度都是一个实实在在的挑战。

　　设计挑战七

　　低功耗。任何使用电池供电的移动设备对其每一个功能单元设计的功耗要求都会非常苛刻，尤其是在当下的低碳时代。多点电容触摸屏作为移动设备中的一个功能单元当然也不会例外。要使多点电容触摸屏在完全激活的情况下功耗小于35mW、在待机的状态下功耗小于100uW并非是一件容易的事。如果一个多点电容触摸屏的设计不能达到这个要求，将会在激烈的市场竞争中处于非常不利的境地。