触摸屏设计挑战升级 工程师该如何提升用户体验？

　　作者：赛普拉斯半导体公司Todd Severson、Henry Wong

　　支持触摸功能的消费类电子设备每一年都在不断增大屏幕尺寸。触摸屏在智能手机中得到广泛应用，并已迅速发展到平板电脑。随着Windows 8的发布，触摸功能正在向超极本、笔记本电脑以及一体机电脑（all-in-one PC）发展。随着屏幕尺寸不断增大，电容式触摸面临的主要挑战是在较大尺寸的屏幕上同样保持用户所期望的较高手机性能。这就意味着需要在相同的时间内扫描更大表面面积上的更多交叉点。此外，处理器必须能在信号更少、噪声更大的条件下工作，同时还要努力保持其速度、精确度以及响应能力，从而实现理想的用户界面体验。

　　2007年，Apple公司推出iPhone开启了电容式触摸屏在消费类电子产品上的应用。这款3.5英寸屏幕大小的设备引入了多点触摸用户体验，从而改变了用户与电子设备的互动方式。现在，触摸屏已成为数码相机（DSC）、便携式导航设备（PND）、电子阅读器、平板电脑、超极本以及一体机（AIO）电脑等消费类电子产品的标准配置。正如我们看到的，所有这些设备的一大主要趋势就是发展转向更大的屏幕尺寸。电容式触摸屏在进军超极本或笔记本电脑等新型细分市场的同时更在不断发展其现有产品细分类型。顶级智能手机的OEM厂商纷纷从智能手机转战超级手机，通过向客户提供更大的屏幕尺寸来实现其产品的差异化。

　　当今消费类电子产品的主要产品细分类型如下：3-5英寸屏幕大小的智能手机；5-8英寸的超级手机或平板手机；8-11.6英寸的平板电脑；11.6-15.6英寸的超极本；以及最大可达17英寸的笔记本电脑。在仅仅5年的产品历史中，平板电脑被认为是发展最快速的移动设备之一，其销量预计将在2015年赶超个人电脑。因此，PC供应商开始将重心转移至采用触摸友好型设计上，比如可用作笔记本电脑或平板电脑的可翻转笔记本电脑。

　　

　　图1 全球平板电脑和PC的预测

　　用户期望大屏幕设备能够实现与智能手机相类似的性能和触摸体验。大屏幕设备需要处理的用例通常与我们在较小型手机上看到的不同。笔记本电脑或PC更常是在插入电源时使用，它们的表面面积更大，因此在打字输入时可将手掌或其它大型物体放置在屏幕上，并且用户通常会将这些较大型的设备放在桌面或膝盖上而非拿在手中使用。所有这些动作都会改变设备的电气性能。性能稳健且响应速度快的用户体验主要包括：灵敏度高、能跟踪多个移动碰触对象、在各种噪声环境下能够识别并跟踪手指、在各种环境条件下能够识别和跟踪手指，并且保持可接受的功耗以实现理想的电池使用寿命。换言之，用户体验的本质是指在各种条件下当您触摸屏幕时系统所做出的响应。

　　电容式触摸屏的工作原理是通过将发射电压驱动至设备上的传感器面板，从而产生信号电荷。然后触摸屏控制器接收到信号，它能够通过测量传感器电荷的变化来确定传感器电容。芯片接收到的电流等于面板电容与发射驱动器的电压的乘积（Q1 = C * VTX）。基线电路能够移除额定的非触摸传感器电荷，从而让系统专注于测量因手指触摸而引起的传感器电荷的变化。这有助于改进触摸的测量、分辨率以及灵敏度。

　　随着电容式触摸屏的发展，我们面临着越来越多的技术挑战。较大型屏幕面临的主要问题是发射电压需要覆盖更大的表面面积，而且传感器的电阻和电容也有所增加。触摸面板受更高寄生电容和电阻的限制，会影响电阻电容（RC）的时间常数，从而导致发射频率变慢。发射工作频率则会影响信号建立、刷新率以及功耗。我们的目的是要确定能够在整个面板实现一致触摸响应并最大限度地降低扫描时间和功率所需的最高发射工作频率。

　　刷新率

　　刷新率是指触摸屏控制器在一秒钟内测量到的屏上触摸并将其报告回主机处理器的次数。刷新率越高，设备就会在越短的时间内收集越多的x/y数据坐标，从而实现响应快速的用户体验。大多数消费类电子产品都要求触摸控制器的刷新率大于100Hz或约为10ms。诸如数字绘图板或销售点（POS）终端等特定应用甚至要求更高的刷新率才能捕获和识别签名以及快速滑过的笔画。

　　对于大型屏幕而言，保持快速的刷新率极具挑战性，因为触摸控制器需要扫描更大的表面面积，从所有交叉点采集数据，然后再处理这些数据。刷新率主要受两大因素影响：屏幕的扫描速度以及已扫描数据的处理速度。在具有相同的传感器特性下（3108对比275），17英寸屏幕的交叉点数超出5英寸屏幕11倍。为了保持5英寸屏幕的用户体验，17英寸的屏幕就需要更强大的扫描与处理功能。

　　有一种方法可以解决扫描问题，那就是确保触摸控制器具有足够的接收通道，从而在单个周期内扫描整个屏幕。大多数触摸屏叠层都是由位于外壳玻璃下的传感器模式组成，其中包含大量的“单位晶胞（unit cell）”，这些晶胞以x和y方向排列，其中x方向用于发射，y方向用于接收，或反之亦然。接收通道会收集数据并使用模数转换器（ADC）将每个单位晶胞中的互电容变化转换为数字数据，以供主机解析手指触摸点的坐标。如果接收通道或ADC的数量不足，则需要多次扫描以及更长的时间来扫描整个面板。这会导致在给定的时间周期内只能获取更少的样本，从而带来不良的用户体验。

　　有一种方法可帮助解决处理问题，即为触摸控制器添加一个更大的处理器，或者将部分计算卸载到系统的主处理单元。这意味着将电容数据发送到主机端，并在应用或图形处理器上运行算法。其中一个实现方案就是使用触摸屏控制器扫描传感器，搜索第一次触摸，然后将图像传输至主机处理器。然后，主机会处理整个阵列、过滤噪声、查找触摸坐标，并跟踪手指ID。采用并行处理支持在作为触摸屏和显示屏主机的数千兆赫多内核处理器上完成大量数字运算。