结合功能强大的电路和智能软件实现最佳触摸屏

　　产品设计人员若想在设备中加入电容式触摸屏，便必需满足许多有时相互矛盾的要求。这种难题通常会引伸出一个问题：是否为了改善噪声的稳健性而要牺牲显示屏的响应性能。

　　消费者希望在触摸屏上移动手指时能够得到实时的反应。一个良好的触摸控制器可以将非常快速的更新信息流发送到操作系统，让应用程序时刻知道手指当前的位置，从而作出实时反应。而且，虽然用手指输入方式来浏览内容非常不错，但是在创建内容方面，笔或手写笔提供了许多优点，可以让使用者书写和绘画。一个良好的触摸接口应当同时支持这两种输入方式。

　　系统设计人员应当选择容易整合在其产品中的零部件，预装标准固件的触摸控制器能够显著地缩短开发周期和调试周期。设计人员无需编写复杂的触摸感测代码，只要选择一组适合其项目具体要求的参数值，并将这些数值应用于标准的2线或3线界面。

　　例如，消费者对价格适宜的便携式产品的需求，推动制造商生产材料层数较少的触摸屏。为了实现这一点，传感器现在已不再使用铟锡氧化物 （ITO）“屏蔽”层，而传统上ITO层用于保护触摸屏传感器以避免来自其下之显示设备的干扰。

　　

　　图1：现有触摸屏叠层对比下一代触摸屏叠层，右边的“touch-on-lens”叠层的层数较少，可以减小显示屏的厚度并提高亮度。但是，由于缺少了ITO屏蔽层，如果触摸屏控制器没有针对这一问题而进行设计的话，显示屏的噪声问题便会急剧增加。

　　没有屏蔽层，传感器下面的显示屏的干扰信号将比上面的手指的信号强很多倍。解决这一问题为触摸屏控制器芯片带来了非常严峻的挑战。便携式触摸系统的另一个挑战来自电池充电器，这也许会让人有点惊讶。车内充电器、无线充电器、售后市场 （after-market） 充电器和其它充电器通常使用切换技术来控制其输出电压，而切换频率时的噪声会影响触摸屏的运作。

　　下图所示为用户在智能手机的画图应用上以手指画一组对角线时所显示的图像，同一台智能手机连接不同的充电器，对每个图像进行捕获。很明显，这款智能手机所使用的触摸屏控制器对于应付充电器噪声的稳健性不足。

　　

　　图2：连接不同充电器的智能手机触摸屏的画线测试结果，在连接某些充电器时，触摸屏显示出误触、较差的线性度和高抖动，而这些都是很差的用户体验的例子。

　　虽然有些相对简单的方法可以个别应对这些挑战，但要同时解决所有难题，则需要使用更复杂的系统。

　　触摸控制器IC的工作原理是将电压信号传输到传感器内，并测量该数组中每个电容器的充电量。来自显示屏和充电器的噪声改变了有效的信号电压，扰乱了测量结果。但是，如果增加信号电压，干扰变得相对较小，就可带来更准确的测量结果。

　　这种技术简单有效，因此在触摸控制器中广泛使用。例如，爱特梅尔公司的maXTouch® S系列器件采用高达24V高压驱动，可提高嘈杂环境中的信噪比。

　　LCD、OLED和其它显示屏组件产生的噪声并非在任何时候都相同。随着不断刷新图像，这些噪声会跟从一个嘈杂期和安静期的重复模式：从图像顶部的像素水平线开始，更新每条水平线的颜色值，直到达到屏幕底部，然后重新返回到顶部，开始下一帧运作。

　　电气活动通常在连续的水平线之间出现短暂的停顿，而在各帧之间的停顿会更长。有些触摸控制器试图利用这些被称为“消隐信号间隔 （blanking interval）”的停顿，因为这些时候的噪声水平通常低得多。

　　但是，这种方法存在几方面的局限性。首先，经特别设计可向触摸控制器等其它部件提供同步信号的显示屏组件少之又少，因此触摸控制器很难了解什么时候会是安静期。其次，消隐信号间隔并不总是安静的，而且在某些情况下，间隔也太短而无法利用。最后，也是最重要的是，与显示屏组件同步意味着触摸控制器失去了选择其工作频率的自由。因此，虽然这种技术成功地避免了显示屏的噪声，但是避免来自充电器等其它来源的噪声就变得更加困难。

　　因此，在实际系统中，与显示屏组件同步并不是一种切实可行的方法。

　　在噪声环境中，软件技术也具有明显的优点。

　　实际上，可以仅仅采用软件过滤器，便可差不多完全清消除显示屏噪声的影响，而不需要显示屏组件同步或高电压。

　　下图说明软件筛检的有效性。在这些图形中，垂直的Z轴代表着屏幕上每点由触摸控制器测量的电容信号的大小。X轴和Y轴则代表触摸传感器本身的表面。

　　

　　图3：来自层压在输出大约3V峰峰噪声的ACVCOM显示屏上的touch-on-lens传感器的两个原始资料图。一只手指正在触摸传感器，在左图中，禁用软件筛检，导致信噪比低；在右图中，启用软件筛检，信噪比提高了30倍。

　　由于这种算法并不依赖于任何同步信息，因此可以与任何类型和任何分辨率的显示器一起使用。此外，在执行筛检时，并不需要额外的收听通道 （listening channel） 或对触摸传感器电极结构进行非标准改动。这样，系统设计人员便只需选择自己想要的显示屏，并确知它一直可以「正常工作」。

　　此外，这种技术意味着在选择运作频率时，触摸控制器不必考虑显示特性。由于具有这种额外的自由，因此能够更有效地避免来自其它来源如充电器的噪声和干扰。在同时存在不止一个噪声来源的真实的消费产品中，这种灵活性是非常重要的。

　　虽然上述数据表明，单独使用软件即可克服显示屏噪声，但是这并不能消除在软件中运行这种算法会对屏幕响应性和功耗造成的不利影响。这一点表明，太着眼于消除噪声的影响而不解决这类措施对触摸屏性能的其它方面的影响是危险的。为此，如要毫无妥协地达到所有这些要求，必须采用结合软件和硬件的复杂方法。

　　要运行这些算法而不减慢触摸接口响应速度或消耗更多功耗，触摸控制器必须有效地应付额外的处理负荷。专为触摸应用而定制的ASIC器件可以使用专用硬件模块来进行运算，从而将延迟和功耗影响减少到最小。例如，Atmel maXTouch S系列中的器件具有显示屏噪声消除算法的硬件加速特性。这一点与以标准处理器为基础的解决方案形成对比。以标准处理器为基础的解决方案不具备所需的特殊硬件功能，导致设计人员为了改善噪声性能而必需在响应性和电池寿命方面互相折衷。

　　将硬件功能和算法配合使用的准则同样适用于处理充电器噪声。虽然高压面板扫描改善了信噪比，让信噪比随着施加电压以线性方式变化，但是，将这种电路与智能型固件配合，可以带来更多的信噪比提升。例如，maXTouch S系列器件除采用高电压扫描外，还采用主动噪声防止措施来克服充电器的噪声。这些器件中的智能型固件连续监测环境中的背景噪声水平，并自行做出反应以改变模拟电路的扫描参数，以期避免出现高噪声水平的频带。由于系统的噪声曲线随时间而变化，这种自主决策特性是必需的，尤其是采用电池充电器时，因为充电器切换频率 （引申而言，即其噪声曲线） 将根据电池负载电流而变化。

　　总结

　　为了满足现今用户接口的需求，触摸控制器必须同时应对多种挑战，而不能一次只解决一个问题。

　　作者：爱特梅尔公司Brian Carroll

本文转摘自电子发烧友网《传感技术特刊》7月刊

——电子发烧友网版权所有，转载请注明出处，违者必究！