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。

　　信噪比（SNR）

　　SNR是指信号功率与噪声功率之比，换言之，即有用信息与错误或不相关数据之比。触摸屏面板上的传感器相当于一根大型天线，可接收荧光灯、LCD或充电器等系统和环境噪声。

　　

　　图2 TT Combined image_White

　　大型屏幕可作为更大型的天线，因此更容易接收噪声并使接收通道达到饱和。这会造成误触摸、触摸中断或触摸屏“锁定”以致触摸屏完全无法报告数据，从而显著影响触摸性能。为了排除这些干扰，触摸屏控制器要求能够增强信号或降低噪声。提高信噪比的一些主要方法包括提高发射电压以增强信号；使用硬件及数字滤波法降低噪声，或利用跳频远离噪声频率。

　　信噪比与发射电压成线性比例。发射电压可通过充电泵或VDDA驱动程序来提供。在大多数消费类电子设备中，充电泵一般可带有2.7-3V电源，且能进一步将这一电源电压提升到更高的电压。大屏幕的问题在于充电泵对高电容面板的驱动能力有限。也就是说必须增加外部泵或电源，而这会相应增加成本和功耗。

　　在没有足够信号的情况下，另一个选项是最大限度地降低噪声。第一道防线就是使用滤波器创造更加洁净的电容环境。如果这种方法无效，第二道防线一般是使用跳频去搜索干扰较少的频率。如上所述，大尺寸面板的寄生电容和电阻更高，会影响电阻电容（RC）时间常数，从而导致发射频率更低。更低的频率意味着它很难在噪声范围以外扫描整个面板。较高的发射频率会给触摸控制器提供更大的空间，使其远离噪声源。理想的最大发射频率为350kHz或者更高，但需要根据客户的具体目标，不断地在信噪比、刷新率以及功耗之间进行权衡，从而优化每台设备。台式电脑上的单机游戏更注重响应速度而非功耗，然而便携式设备则需要考虑功耗以延长电池使用寿命。

　　功耗

　　随着移动性在我们生活中占据着越来越重要的位置，功耗成为了消费者在选择便携式电子设备时的一项重要考虑因素。市场调查显示，大多数用户认为电池使用寿命是购买新型便携式设备时需要考虑的最重要特性之一。

　　

　　图3 电池寿命的重要性

　　由于液晶显示屏尺寸的加大，功耗通常与屏幕尺寸成正比。液晶显示屏的功耗在整个系统功耗中占相当大的比例。要想保持电池使用寿命，一种方法就是在系统中使用更大的电池组。但这会增加系统的重量，从而影响用户的便携性体验。另一种方法是通过降低刷新率、降低发射电压、禁用各种数字滤波器或使用尽可能低的模拟/数字电源，但这种方法会降低设备性能。同样，这些解决方案都会给用户体验带来负面影响，因此都不是理想的方案。

　　对于好的设备而言，重量与性能都是关键因素，延长电池使用寿命的最佳解决方案就是优化系统中单个组件的功耗。对于触摸屏控制器来说，这就意味着为设备制定灵活的功耗管理方案。

　　总功耗取决于设备的状态或使用情况。一款智能的高能效触摸屏控制器应具备多状态功耗管理，如工作状态、低功耗状态和深度休眠状态等，其中每种状态都有一套降低功耗的独特方案。这些都是通过触摸控制器的配置参数来管理的。

　　· 工作状态下，触摸屏具有最快的触摸响应时间，因为设备会积极地扫描触摸屏，从而确定触摸的存在并识别触摸坐标。

　　· 在工作状态下，如在一定时间内未检测到触摸事件，设备就会进入低功耗状态。这会进一步降低功耗并相应地延长响应时间。如设备检测到任何触摸事件，则会自动从低功耗状态切换到工作状态。

　　· 深度休眠状态下的功耗最低。这种状态下设备不进行任何扫描且不报告任何触摸。这时需要中断，才能唤醒触摸屏控制器，并将其切换到工作状态。

　　

　　图4 电源状态图

　　不同功耗状态是由系统环境决定的。比如，如果一段时间内屏幕没有被触摸，系统就会让用户界面停止活动以延长电池使用寿命。而这是通过主机管理设备上的各个组件来完成的，比如关闭液晶显示屏以及将触摸控制器置于低功耗状态等。在低功耗状态下，一旦检测到触摸事件，触摸屏控制器就会切换到工作模式，并继续扫描，以确定面板上的触摸坐标。如果在低功耗状态下未检测到触摸事件，主机就会驱动触摸控制器进入深度休眠状态以节省电量。这些动态功耗管理状态让消费者在使用便携式移动设备时能够灵活地管理触摸性能和功耗。

　　随着触摸屏的发展，为了保证用户体验，应采用系统级方法。触摸屏会受物理现象限制，要想让电容式触摸继续成为移动消费类电子产品的技术选择，那么独创性和集成度是关键。人们正在开发新的触摸屏材料以提高面板速度，同时也在定义主机处理架构以卸载部分繁重的数字运算。硬件和软件也在不断改进，滤除噪声的同时提高信号强度，同时，人们正在采用系统级功耗方式来延长电池使用寿命。设计人员面临的下一个重大挑战就是如何以更低成本实现这一切。

——本文选自电子发烧友网10月《触控技术特刊》“透视新设计栏目”，转载请注明出处，违者必究！