要點
1.現(xiàn)在，除了高端智能手機和平板電腦以外，用戶還期望在其它應(yīng)用中使用觸摸屏，它們正逐步現(xiàn)身于汽車和儀器中。
2.在電容式觸摸屏與較廉價但響應(yīng)不快的電阻觸摸技術(shù)的競爭中，成本是應(yīng)用的一個約束因素。
3.觸覺技術(shù)試圖模擬真實世界的感受環(huán)境，其價格正在下降，可能在游戲市場上獲得第一個進展。
自上次EDN研究觸摸屏后(參考文獻1)，觸摸屏已經(jīng)在智能手機中確立了自己的地位， 并正在尋機進入更低價的“功能手機”，因為手機商期望從高端手機市場攫取一些份額。像iPad這類平板電腦，以及最新的Kindle Fire也助長了觸摸屏的普及。由于用戶越來越熟悉消費電子中的交互式且變化多端的觸摸屏，因此他們希望在其它非傳統(tǒng)觸摸屏領(lǐng)域也有相同水平的互操作性，如汽車、醫(yī)療電子和工業(yè)設(shè)備等。
觸摸屏面世已有幾十年時間，它們通常采用的是電阻式觸摸技術(shù)。使用電阻觸摸屏時，用戶手指的按壓使屏幕外層發(fā)生物理形變，使電阻傳感器接觸到手指底面。電阻傳感器排成一個X乘Y的陣列，并由一個薄而透明的絕緣體隔開。
注意這里用了一個詞“按壓”。按壓是不同于觸摸或掃過的一個動作。電阻觸摸屏對于多點觸摸手勢的響應(yīng)能力有限，如捏、縮放、掃和滾動等。用戶一旦習慣于用這些手勢操作自己的智能手機和平板電腦，就再也用不慣缺乏這些特性的簡單觸摸屏了。能夠響應(yīng)復(fù)雜手勢的觸摸屏通常都采用電容式檢測技術(shù)。
電容檢測觸摸技術(shù)一般可采用自電容和互電容方式，不過也存在一些其它類型，如投射電容。自電容傳感器由一系列氧化銦錫細線組成，它是一種排成XY網(wǎng)格的透明導電材料，X線與Y線之間有一個絕緣層。觸摸網(wǎng)格上的某個區(qū)域會改變傳感器對地的寄生電容。但是，這種方法不能處理多手指的觸摸，因為傳感器無法區(qū)分沿同一網(wǎng)格線上的多個手指。互電容可以探測到X線和Y線小交疊處的電容變化。由于交疊面積很小，因此電容也很小，但這種方法很精密，可以測出多個手指的位置。
每種方案都各有利弊。雖然自電容傳感器通常無法區(qū)分出多個手指的同時動作，但它們可以產(chǎn)生出用于探測物體的較強電磁場，哪怕該物體并沒有實際接觸屏幕?；ル娙萦|摸屏則可以探測和跟蹤多個手指，但手指必須接觸屏幕，因為兩個交疊傳感器形成的電容非常小，其電磁場極其微弱。
當用戶戴著手套時，手指與觸摸屏之間閉合接觸的需求就可能成為一個問題。電容觸摸屏有這種限制，從而使人們傾向于電阻觸摸屏。電阻技術(shù)在液體應(yīng)用或潮濕氣候下也有自己的優(yōu)勢，此時潮氣會影響到電磁場的性能。Cypress公司的TrueTouch控制器技術(shù)嘗試將自電容和互電容技術(shù)結(jié)合起來，以克服這些障礙(參考文獻2)。
自電容和互電容都需要相同的XY傳感器網(wǎng)格。在自電容情況下，控制器必須同時驅(qū)動X線和Y線。在互電容情況下，控制器發(fā)射X線，而從Y線接收。由于TrueTouch控制器IC采用了Cypress公司的PSoC(可編程系統(tǒng)單芯片)核心，因此控制器可以動態(tài)地配置其I/O腳，即時地將發(fā)射器轉(zhuǎn)換為接收器。于是，無論控制器何時掃描傳感器的網(wǎng)格板，它都可以同時在兩種模式做探測(自電容和互電容)。自電容與互電容相結(jié)合，使人們即使戴著厚滑雪手套，也可以完成多觸功能。這種能力產(chǎn)生了一個在汽車中的觸摸屏安全問題(見附文“JD Power有關(guān)汽車安全與觸摸屏的問答”)。
汽車中的觸摸屏為10英寸或更大，通常大于智能手機的屏幕，后者典型尺寸約為4英寸。Atmel公司的MaxTouch系列觸摸屏控制器包括通過汽車認證的mXT768E和mXT540E控制器，可用于中控臺顯示屏、導航系統(tǒng)，以及后座娛樂系統(tǒng)的5英寸~10英寸觸摸屏。傳統(tǒng)用于電容觸摸屏的控制器都要求在多個觸摸屏之間有一個屏蔽層，以防止耦合來自LCD的噪聲。Atmel稱MaxTouch器件提供80:1的信噪比，無需屏蔽層，能夠?qū)崿F(xiàn)單層傳感器設(shè)計，從而降低成本和減小厚度(圖1)。高SNR亦能夠探測出一只戴薄手套的手指。一般來說，該技術(shù)可以探測厚度為1.5mm的手套，如皮、毛或棉手套。
圖1，觸摸屏疊層中有一個ITO屏蔽(a)。去掉這樣一個屏蔽層意味著減小厚度，增加顯示亮度，但可能產(chǎn)生LCD噪聲問題(b)。
外觀優(yōu)雅的觸摸屏設(shè)計會有一種很酷的感覺，對消費者來說，這和觸摸屏的性能同等重要。對于智能手機，工業(yè)設(shè)計決定了總是越薄越好。Cypress公司的SLIM(單層獨立多點觸摸)技術(shù)可做出更薄的屏幕，因為傳感器是一層，而不是兩層。對于傳統(tǒng)的雙層結(jié)構(gòu)，制造商要在兩個層面上制作傳感器：即在各自的層上制作出X線和Y線，兩層之間有一個絕緣層。鑒于ITO的成本，這種XY網(wǎng)格成本較高，ITO實際上是一個透明的金屬層，成本大約每英寸屏幕(對角)1美元。
Cypress建立了一種專利圖樣，能夠在一層的同一表面，同時布放X與Y傳感器，而無需跳線或過孔(圖2)。Cypress公司TrueTouch控制器營銷總監(jiān)John Carey稱，SLIM可做出最薄和最低成本的觸摸屏傳感器，可用于最大4.5英寸的屏幕。該公司并沒有公開這種圖樣，客戶是與Cypress授權(quán)伙伴觸摸屏供應(yīng)商合作。
圖2，Cypress公司的SLIM技術(shù)采用了一種專利圖樣，設(shè)計者能夠在一層的相同表面同時布放X和Y傳感器網(wǎng)格線，而不用跳線或過孔。
雖然多點觸摸屏的價格在下降， 但它們?nèi)员入娮杵临F大概10倍，后者有更廣泛的用戶群。對于受成本支配但仍需要某種形式多點觸摸的應(yīng)用，飛思卡爾公司提供了Xtrinsic CRTouch，它能夠?qū)藴实碾娮栌|摸屏改造為能夠識別滑動、雙指擠捏的放大和縮小，以及多手指旋轉(zhuǎn)。該芯片采用專利的算法和專門的模擬硬件，以及片上的狀態(tài)機?？刂破餍酒€可管理最多四個電容觸摸板，從而可實現(xiàn)小鍵盤、旋轉(zhuǎn)鈕，以及線性滑動棒。CRTouch芯片是飛思卡爾Ready Play產(chǎn)品中的一個成員，提供與Android和Linux操作系統(tǒng)的交鑰匙式軟件集成。芯片亦提供可配置的屏幕分辨率，以及可選用于電阻觸摸屏手寫筆輸入的校準與壓力探測。
Amazon公司在Kindle Touch上使用的是紅外觸摸傳感器，部分原因是為了降低成本。Touch閱讀器采用了一塊黑白電子墨水屏，在屏幕和讀者之間沒有ITO層。屏幕是采用位于邊框中的紅外傳感器，探測到手指截斷的IR光束。該顯示屏可以響應(yīng)多點觸摸的擠捏動作，用于PDF閱讀時的縮放，但它不能接受像智能手機上那么多種多點觸摸手勢(參考文獻3)。
隨著觸摸屏進入汽車、儀表和醫(yī)療設(shè)備等應(yīng)用，這些設(shè)備的用戶界面可以無限制地調(diào)整和更新。對于測試與測量設(shè)備的設(shè)計者來說，物理控制旋鈕和表盤的位置總是很重要的，他們會花大量時間，決定哪個按鈕應(yīng)放在何處。
過去，一個頻譜分析儀設(shè)計者的口號就是：“tune, boom, zoom”，其中，tune是中心頻率，boom是基準電平或波幅，而zoom則是待測信號的量程。設(shè)備設(shè)計者的目標是讓tune、boom和zoom盡量快而易用。例如，將中心頻率、基準電平和量程鍵埋入一些菜單結(jié)構(gòu)中就不是個好主意。這三個鍵通常要占據(jù)一個頻譜分析儀前面板的相當大一部分。忠實的客戶通常懶于接受對前面板的修改?，F(xiàn)在，設(shè)備設(shè)計者可以讓客戶自己定制控制面板，以適合自己的喜好。
觸覺技術(shù)試圖模仿真實世界的感知環(huán)境，它的價格也正在下降，可能通過游戲市場而找到第一個進展。來自觸摸屏的感知反饋可以在游戲、汽車或儀表觸摸屏上做出更豐富的體驗，操作者可以不用看系統(tǒng)在觸摸屏上給出的可視提示，就對一個動作做出反應(yīng)(見附文“觸感101”)。
展望未來， 除觸摸屏以外，還有更多的控制界面會很快進入市場。當屏幕大于10英寸時，自電容和互電容檢測都變得不再實用，并且有些設(shè)備需要較大面積的物理接觸。例如，SmithsonMartin公司的Emulator DJ System就是一個透明的混音臺，它能讓觀眾通過混音板看到DJ(圖3)。透明屏幕下面有一個投影儀，它將DJ在屏幕上看到的按鍵、旋鈕與滑桿顯示出來。觀眾也可以通過透明屏幕看到DJ，角落的攝像頭可以通過追蹤DJ手指的運動而實現(xiàn)觸摸屏。
圖3，SmithsonMartin公司的Emulator DVS DJ System是一個透明的混音臺，觀眾可以通過混音板看到DJ。角落的攝像頭追蹤手指的運動，以實現(xiàn)觸摸顯示。
附文1：JD Power有關(guān)汽車安全與觸摸屏的問答
最近博客上有一些針對觸摸屏控制器新產(chǎn)品的問題，涉及觸摸屏在汽車中的安全性，因為駕駛者應(yīng)把目光放在道路上(參考文獻1)。JD Power and Associates的全球汽車市場研究執(zhí)行總監(jiān)MikeVanNieuwkuyk最近為EDN雜志回答了下列問題。
EDN：觸摸屏似乎要求駕駛員在使用時觀看屏幕，因為觸摸屏沒有旋鈕和按鍵的“手感”。它們會比專用硬件界面更加危險嗎?
答：當然，任何會使駕駛員注意力離開道路的技術(shù)都會導致某種程度的分神。屏幕的位置、尺寸、圖標/屏幕上的按鍵、文字大小，等等，都影響一個觸摸屏的效果。不過，觸摸屏使用中還可以集成一些為駕駛員提供反饋的特性，從而確保一個操控得到正確/肯定的執(zhí)行。反饋可以采取聲音響應(yīng)方式，如一個音調(diào)、卡嗒聲，或確認聲;也可以是視覺響應(yīng)，如一個指示有效/打開的光;或一種通過振動器提供振動或撞擊的觸感響應(yīng)。這些特性都可以與觸摸屏的使用相結(jié)合，確認消費者使用了預(yù)期的控制功能，并且得到了所要的結(jié)果。
EDN：觸摸屏是無限可變的;界面設(shè)計者對于屏幕功能的大小、數(shù)量和性能幾乎沒有限制。駕駛員對觸摸屏的使用是否有一種緩慢的學習曲線，如對MyFord Touch那樣(參考文獻2)?
答：任何新的技術(shù)都有一個學習曲線。觸摸屏確實提供了極大的靈活性和創(chuàng)造性。在消費者熟悉界面以前，確實存在著觸摸屏使用困難的可能性。很多消費者在汽車以外已經(jīng)用過觸摸屏，這創(chuàng)造出了很強的可接受性和高度的預(yù)期。不過，汽車以外的觸摸屏使用有很高的交互性;而在汽車內(nèi)，達不到相同的交互水平。
EDN：戴手套的手指能否可靠地使用觸摸屏?
答： 戴手套用觸摸屏可能會有激勵和確定響應(yīng)的問題。傳統(tǒng)觸摸屏不能探測手套，需要與皮膚接觸。消費者可以戴特殊手套，但要求消費者去購買和佩戴這種手套是不現(xiàn)實的。有些新型觸摸屏采用了一種表面的電場，當電場被破壞時，該區(qū)域便激活要操控的功能。這種屏幕就可以用手套。不過，戴手套使用還有其它問題，如手套增加了手指的大小，如果觸摸屏的控制面過小，則可能導致意外觸摸。
EDN：您認為觸摸屏在汽車市場的用途何在?今后五年內(nèi)，它們會成為一種必不可少的功能，還是一種小眾的功能?另外，是否會出現(xiàn)某種觸摸屏與專用屏的混合模式?
答： 在汽車的很多領(lǐng)域，采用觸摸屏都有吸引人的原因，其靈活性和個性化的機會都吸引著汽車消費者。既然要在汽車上花費時間，消費者就希望這個時間花得有用、舒適、愉悅。屏幕在車里的位置總是存在著挑戰(zhàn)，無論是專用屏還是觸摸屏。交互性、視覺線、操控區(qū)以及眩光等都將決定觸摸屏與專用屏的優(yōu)劣選擇?？赡艿慕Y(jié)果是，我們會看到一種混合型的屏幕，它有傳統(tǒng)的按鍵和旋鈕，用于熟悉的功能，盡量減少注意力的分散。另外，將增強的語音識別集成為整體操控的一部分，肯定會影響屏幕的使用方式及其位置。
讓我們面對現(xiàn)實： 我們處于一個喜好窺視的社會，屏幕無處不在。隨著對越來越多功能需求的增長，我們通常用來觀看的屏幕成為了交互的門戶，現(xiàn)在還配上了觸摸探測功能。盡管觸摸功能有多種形式，包括電阻、電容和光學，下一個進展正在讓這些觸摸屏具有觸及的感覺，這就是觸感要做的事。觸感是通過某個設(shè)備為屏幕提供振動(或感知)反饋的能力(圖1)。
圖1，觸感顯示器用傳動器使觸摸屏具有了觸及的能力。觸感中主要采用三種傳動器：偏心旋轉(zhuǎn)質(zhì)量 (a)、線性諧振傳動器 (b)，以及壓電傳動器 (c)。
觸感反饋也有多種形式，主要有三種實現(xiàn)：ERM(偏心旋轉(zhuǎn)質(zhì)量)、LRA(線性諧振傳動器)，以及壓電傳動器。ERM與LRA是基于慣性的傳動器，包括一個線性運動的質(zhì)量體，從而創(chuàng)造出可探測的振動力。ERM采用偏心重量，而LRA使用的是彈簧振蕩的質(zhì)量。ERM提供了基本觸感效果，是一種高性價比的方案，但耗能大，要50ms~80ms才有效果，慢于LRA方式(參考文獻1)。
LRA是以諧振頻率工作，節(jié)能效果好。但由于它們是彈簧組件，經(jīng)過一系列內(nèi)外振動后，彈性系數(shù)會發(fā)生改變。這個問題似乎不嚴重。但是，如果系統(tǒng)沒有以諧振頻率工作，就不能獲得最大的功率效率和最大的加速度。
壓電傳動是一種相對較新的觸感反饋法。它利用了陶瓷材料中的壓電原理，即物體內(nèi)的電壓與其當前形狀有關(guān)系。但這里并不是通過彎曲一個器件尋找電壓的變化，而是相反。施加一個電壓，使傳動器的自然狀態(tài)發(fā)生改變。
壓電傳動的性能要強于其它兩種技術(shù)。它是唯一一種能夠初始化為局部觸感的技術(shù)，即，只有設(shè)備中的一塊區(qū)域能感覺到觸感的效果。而在整體觸感時，整個設(shè)備都會感到效果。對照一下單只手指的感覺，以及整部設(shè)備在衣兜里振動的感覺，就可以了解這點。壓電觸感就可以實現(xiàn)這種效果。它還有更多的效果選項，響應(yīng)時間不到1ms，這意味著在ERM執(zhí)行一次動作，壓電傳動器可以執(zhí)行30到80次。壓電傳動的帶寬也好于另外兩種，因此，它可以無縫地重新創(chuàng)造出按壓一只機械按鍵的感覺。
觸感效果為設(shè)備增加了價值，與它們給系統(tǒng)增加的少許成本相比，還是很值的，尤其是很多重要的目標市場都已采用了這些元件。觸感是一種增強用戶滿意度的很好方法，它能體現(xiàn)出產(chǎn)品的差異性，并進一步架起人類與機器之間互動的橋梁。
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