构建移动多传感器的触摸显示系统

移动设备似乎都有触摸屏显示器，而且通常还有许多其他传感器。了解底层技术可以帮助您评估这些设计中不可避免的权衡。现代游戏，医疗和移动设备主要由集中显示器为主要用户界面提供触摸感应。然而，这些产品中的大多数是可以受益于多种类型的传感器以确定位置，运动和其他环境条件的系统。使用模型和响应配置文件决定了可以使用的触摸界面的类型。将提供可用的传感器类型，开发和应用支持，产品实施问题以及分级可用性。

触摸传感器

有许多可用的触摸传感器接口和技术。有些是针对大面积应用的，或者需要线缆式电源才能执行。移动空间是这些接口的新“卷”区域。移动空间指南包括17英寸以下的显示，电池操作，断电模式，毫秒响应时间以及设备上一次只有一个用户。这些要求将主流触摸技术缩小为三种类型：电阻式，投射式电容式和表面电容式。表1中显示了这三种技术的概述。

电阻投射帽表面裸露手指是是是手套或手写笔是是否可密封框架是是否耐久性公平优秀良好稳定性优异优异良好透光率75％-88 ％《90％88％-93％Multi-Touch Capable否是是表1：触摸传感器的类型。

电阻式触摸是最古老，最简单的技术之一。触摸屏基于柔性导电层（通常涂覆有氧化铟锡［ITO］），其在另一ITO导电层上方间隔开。当顶层弯曲或凹陷时，它与底层接触，然后产生局部电压变化。感测电压变化的位置，并确定触摸的位置，如图1所示。这是一种高精度技术，因为顶层的弯曲可以来自大区域物体，如戴手套的手指，或非常小的区域，如手写笔的末端。该技术还允许顶层的边缘被密封，从而允许天气和灰尘/异物抵抗。 Digi-Key提供十个供应商提供的电阻式触摸控制IC - Analog Devices，Inc.，Atmel，Integrated Device Technology（IDT），Maxim，Microchip Technology，National Semiconductor，ROHM Semiconductor，Semtech，STMicroelectronics和Texas Instruments（TI）。用于显示系统的电阻式触摸IC，包括手机使用的电阻式触摸IC，都由开发系统支持，可以访问数据管道的所有阶段。 ADI公司的EVAL-AD7877EBZ-ND等开发系统包括软件，电缆，触摸传感器，控制电子元件和显示器。这些系统允许应用程序开发和传感器的实时测试。电阻式触摸系统的高速度，除了具有密封显示器的能力，当屏幕上有湿气或流体时持续运行，以及牢固的非意外触摸，使得电阻式触摸成为工业控制和医疗电子设备的首选技术。

图1：电阻式触控面板。 （Planar Systems提供）。

投射式电容式触控是另一项可以应对天气，灰尘和手套触摸的技术。该技术通过使用层压在两层保护玻璃之间的传感器网格来工作。传感器网格带电并将电场投射到顶部玻璃表面之外。传感器电路检测来自玻璃前面的触摸物体的场变化，而无需物理接触传感器网格（参见图2）。该技术可以使用防破坏材料并且还支持使用触笔。虽然这种技术像电阻一样强大，但速度并不快。它确实支持多点触控和手势识别。由于投射电容式触摸传感器网格没有像电阻式触摸那样功率下降，因此该技术可在1.7至2.5 V范围内工作，而电阻式触摸则在3.3至5 V范围内工作。这些器件的应用和开发套件供应商与电阻式触摸高度重叠，包括ADI公司，Atmel，赛普拉斯半导体公司，飞思卡尔半导体公司，集成器件技术公司，Maxim公司，Parallax公司，ROHM半导体公司和意法半导体。投影电容式控制IC的架构如图3所示，以及Microchip Technology的相关开发套件（部件号DM160211）。

图2：投射电容式触摸（PCT）面板的构造。 （由Zytronic Corporation提供）。

图3：投射电容式触摸屏传感技术的架构，Microchip Technology的mTouch TM 及其相关的开发套件。 （由Microchip Technology提供）。

表面电容是“最轻的触摸”技术，因为它需要最少的力来记录“触摸”。这种技术是显示器外表面上三个中唯一的一个，并且结果，具有最高水平的透明度和亮度，折衷最容易受到机械损伤。该技术通过使显示器的外玻璃涂覆有导电层（通常为ITO）来工作，如图4所示。将电极放置在面板的边缘周围，并在导电层上施加低电压以产生均匀的电场。面板上的触摸从显示器的每个角落吸取电流。然后，控制IC通过电流计算触摸的位置。该技术支持多点触控和手势，但需要裸露手指触摸的电容差分，并且不适用于手写笔或带手套的手等物体。由于边缘导体，该技术不允许密封显示，因此在液体和高污染物的情况下它不起作用。最后两个限制 - 手套和液体 - 是该技术不适用于医疗应用的主要原因。 STMicroelectronics的STM8/128-EV/TS等开发系统包括软件，电缆，电源，触摸传感器，控制电子设备和显示器。这些系统允许应用程序开发，包括分辨率，手势和多点触控功能。

图4：表面电容式触控面板。 （Planar Systems提供）。

其他传感器

在移动领域，新设备已经打开了用户界面（UI）以外的控件，而不是屏幕上显示的控件。对于游戏，手机和自定义扫描设备，方向和移动是软件控制的关键部分。图5显示了现代手机以及作为系统一部分的MEMS和传感器。典型的定位传感器是陀螺仪，加速度计，磁力计，数字罗盘和航位推算模块。对于医疗，工业控制和家庭自动化应用，触摸显示系统可以包括压力传感器，温度传感器以及颜色和光学传感器。这些传感器类别包括成像传感器，灰尘和湿度传感器，气体传感器，冲击和应变传感器以及振动/能量收集传感器。

图5：带有MEMS和传感器的手机系统。 （由Yole Development提供）。传统上，当使用这些类型的传感器创建设计时，唯一的接口是系统中的微控制器和微处理器。传感器可用的接口通常决定核心处理器上可用的接口。通过系统中的显示，可以进行权衡。显示屏上的触摸界面是系统的有效“主控台”;它是中断驱动的，并使用最高优先级的通道进入处理器。控制芯片的触摸接口可用作JTAG，SPI和标准串行端口接口，通常是更高速的数据路径。

图6：赛普拉斯CY3280触摸传感器开发套件。 （赛普拉斯半导体公司提供）。

当系统中包含其他传感器时，必须使用与“控制台”接口兼容的接口。必须考虑其他设备的定时，数据速率和数据传输调度，并验证数据总线合规性和软件应用程序兼容性。通常，系统固件作为自主控制台和控制器运行，因此附加传感器是系统中唯一的反馈。通过包含触摸界面，接口路径现在必须在其上运行多个设备。开发系统，如赛普拉斯半导体公司提供的系统，如图6所示，允许应用程序代码开发以及与其他传感器和系统的集成。开发系统可以支持多种微控制器选项。

系统权衡

额外的传感器有多种形式 - 裸传感器，带控制的传感器和完整的传感器子系统。最低的元件成本是裸传感器（见图7）。裸传感器具有模拟输出，必须进行数据转换，然后由中央处理器处理和解释。裸传感器组件是连续时间元件，基于处理器的系统需要采样数据离散时间接口。

带控制系统的传感器允许控制电子设备为系统产生数字输出并处理传感器的校准。此设置消除了传感器的连续时间方面，并允许控制系统以异步或同步模式运行。这些传感器电子元件的数据大小和分辨率应与触摸电子元件的数量级和分辨率相同。通常，这些独立传感器具有可产生8位至24位结果的信号处理IC。如果这些结果以毫秒数据速率提供，类似于触摸控制，则需要调度软件和本地缓冲区来缓存多种类型的数据，以便它们以有序的方式到达核心处理器。具有控制系统的传感器倾向于在数据转换器逻辑上具有简单的输出寄存器组，并保持设备的校准数据。这意味着传感器的连续循环需要清除传感器上的本地数据并转移到数字核心进行处理。

图7：预先安装的未补偿压力芯片的示例。 （由TDK EPC传感器业务集团提供）。

这些传感器的最终形式是完整模块。在模块级别，您可以获得传感器，控制电子元件和本地缓冲存储器。这种格式最容易与触摸传感器系统集成，因为有非核心内存可用于解决时序问题。然而，完整的模块具有最高的组件成本。这个成本可以通过提高系统性能和减少项目开发时间来抵消。

时间问题

这些多传感器系统的一些权衡，如手机或平板电脑，与时间有关关于正在运行的应用程序的传感器数据的数据。设备操作系统与数据如何到达有很大关系，以及应用程序必须处理的细节数量。通信和计算设备中的操作系统倾向于避免来自传感器的任何异步信号路径。相反，它们在连续时间基础上生成，量化，然后发送到存储器/寄存器，以便在主数据总线上以同步方式传输。这些信号中的一些还产生优先级中断，指示系统的位置或活动变化。除数据外，温度和其他环境传感器还可能产生中断。然后系统处理这些信号以确定是否应该关闭设备以进行保护。对于具有多个传感器的系统，当前的同步解决方案是对所有系统使用轮询基础，并且在轮询序列中，可以多次调用触摸UI。

触摸时某些其他传感器的位置不兼容系统使用可能是一个主要问题。磁力计和电子罗盘与表面和投射电容式触摸系统产生的电场以及LCD背光源的电源驱动器附近存在一些冲突。其他具有放置问题的传感器是温度传感器，需要远离驱动电子设备放置表面电容和电阻显示器。这些驱动电子设备往往比显示器的其他部件更热，并为温度传感器创建错误的配置文件。

触摸界面的全部要点是允许简化的GUI，以便快速选择新模式或嵌入式功能模式。项目系统可以完全原型化，允许应用程序和OS软件在多开发人员工具包环境中运行。这些开发工具的关键功能之一是帮助减少应用中触摸系统的延迟。为了降低成本，大多数系统都是使用触摸屏和模块级MEMS或传感器开发的。在开发初始配置之后，如果存在时序余量，则将数据加载到中央存储器以及应用程序是否仍在运行时，可以将模块系统退回到成本较低的传感器/控制逻辑设计。这使得单个设备和开发套件的可用性成为设计流程的关键部分。

原型创建

触摸和多传感器系统对原型的最终形式，适合性和功能的挑战超过了标准系统。不能使用选择标准项目框之类的东西。塑料太厚而且会破坏有源电容式触摸系统的边缘驱动，或者它是一个金属盒，它会阻挡磁力计，指南针或航位推算系统的信号。

气流对于这些系统至关重要，因为显示功能通常“开启”并产生恒定的电场和热量。因此，将压力传感器放置在不会吸收通风气流的地方至关重要。最终的原型，如图8所示，往往是多个堆叠的PCB，显示器位于顶部，触摸屏下方的板边缘上的连接器组。

图8：原型触摸系统。 （由东京电子通信大学提供）。