柔性導(dǎo)電織物鍵盤設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)便攜式電子設(shè)備及可穿戴計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)柔性、可折疊、多功能輸入設(shè)備的需求，采用導(dǎo)電織物結(jié)合觸摸屏控制器開發(fā)一種織物鍵盤，對(duì)設(shè)備組成原理、傳感器材料選取、鍵盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制程序編寫等3個(gè)關(guān)鍵問題進(jìn)行探討。測(cè)試了4種導(dǎo)電織物的面電阻值，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差率最小原則，選取面電阻值為2 646 Ω，標(biāo)準(zhǔn)差為114 Ω的織物作為傳感器材料；根據(jù)五線式觸摸屏控制電路的功能要求設(shè)計(jì)了全織物的5層鍵盤結(jié)構(gòu)，其中2層為導(dǎo)電織物層，實(shí)現(xiàn)按壓點(diǎn)位置與電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換。采用Cypress公司的軟件開發(fā)包，USB接口協(xié)議，在Microsoft VS20 05開發(fā)環(huán)境下設(shè)計(jì)了計(jì)算機(jī)采集程序。經(jīng)測(cè)試，織物鍵盤定位值的線性擬合R2值為0．999 5，提供了一種完全基于織物的高精度、柔性鍵盤解決方案。
關(guān)鍵詞：導(dǎo)電織物；柔性；輸入設(shè)備；表面電阻；觸摸屏

0 引言
    隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，電子設(shè)備逐漸小型化、低功耗化、模塊化，各種類型的便攜設(shè)備如手機(jī)、MP3、PDA乃至超便攜計(jì)算機(jī)不斷涌現(xiàn)，并逐步融入大眾的生活，成為人們獲取、傳輸信息的主要手段。使用方捷、易于攜帶的輸入設(shè)備成為提高信息輸入效率、增強(qiáng)用戶體驗(yàn)的關(guān)鍵，微型鍵盤、觸摸屏、語音控制等技術(shù)的應(yīng)用不斷提高電子設(shè)備的人機(jī)交互性能?；诳椢锏妮斎朐O(shè)備由于采用織物作為主體，具有輕薄、柔軟可折疊，便于與服裝進(jìn)行集成的優(yōu)點(diǎn)而成為便攜式輸入設(shè)備的理想選擇。
    基于導(dǎo)電織物的柔性鍵盤一般分為開關(guān)原理的掃描式鍵盤及觸摸屏原理的電阻式鍵盤2種。開關(guān)鍵盤采用導(dǎo)體或是銀漿作為導(dǎo)電通路嵌入織物面料中，通過輪詢掃描按壓點(diǎn)的通斷信息，判斷按鍵位置，其結(jié)構(gòu)和控制電路比較簡(jiǎn)單，功能也較為單一。同時(shí)，由于導(dǎo)體材料與織物面料力學(xué)特性存在差異，在折疊及受力情況下容易發(fā)生導(dǎo)體斷裂、移位等現(xiàn)象，導(dǎo)致按鍵功能失效。采用電阻式觸摸屏原理的織物輸入設(shè)備用具有均勻表面電阻的導(dǎo)電織物代替通常觸摸屏的透明氧化金屬導(dǎo)電層作為傳感器，對(duì)導(dǎo)電織物表面電阻值的一致性要求較高，必須選用表面電阻均勻的織物作為基材。同時(shí)，設(shè)備基于電阻分壓原理設(shè)計(jì)，電壓測(cè)量控制與位置計(jì)算也相對(duì)復(fù)雜，一般采用專用的芯片實(shí)現(xiàn)電路功能。與開關(guān)式鍵盤不同，觸摸鍵盤屬于連續(xù)型電壓模擬量測(cè)量，原理上可以細(xì)分到控制芯片DA分辨率相同數(shù)量的按鍵數(shù)目，還可通過軟件配合完成鍵盤、鼠標(biāo)等多種自定義功能，具有更為廣泛的用途。
    信息化服裝及可穿戴計(jì)算機(jī)是將信息處理設(shè)備穿戴在于人體身上，與人所穿的衣物相結(jié)合實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)之間自然、方便和有效的信息交互，因此需要將鍵盤、鼠標(biāo)進(jìn)行柔性化、織物化后與服裝進(jìn)行有效集成。針對(duì)信息化服裝及可穿戴計(jì)算機(jī)要求輸入方式靈活，特別是對(duì)鼠標(biāo)控制功能的需求，傳統(tǒng)掃描式按鍵已無法滿足需求。設(shè)計(jì)基于導(dǎo)電織物的柔性輸入鍵盤，對(duì)輸入設(shè)備原理、導(dǎo)電織物面電阻分布規(guī)律、織物鍵盤結(jié)構(gòu)、接口電路及程序設(shè)計(jì)等關(guān)鍵問題進(jìn)行了探討。

1 柔性輸入設(shè)備的原理
    基于電子織物的柔性輸入設(shè)備組成如圖1所示，主要由織物傳感器、觸屏控制電路、USB接口電路組成。其中，織物傳感器采用具有一定表面電阻的導(dǎo)電織物材料作為核心，結(jié)合多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將按壓位置信號(hào)線性轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)電壓信號(hào)；觸屏控制電路包括標(biāo)準(zhǔn)電壓生成、模／數(shù)轉(zhuǎn)換、邏輯控制3大功能，基于電阻分壓原理在導(dǎo)電織物表面形成標(biāo)準(zhǔn)的電壓梯度，測(cè)量按壓點(diǎn)的電壓后進(jìn)行模／數(shù)轉(zhuǎn)換，生成數(shù)字信號(hào)向外輸出；接口電路采用USB接口芯片，寫入觸屏控制電路參數(shù)，實(shí)時(shí)獲取傳感器輸出數(shù)據(jù)，向主控設(shè)備傳輸；上位計(jì)算機(jī)接收數(shù)據(jù)后完成電壓與按鍵位置的線性轉(zhuǎn)換。

    為簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性，選用高度集成的5線制觸摸屏控制芯片ADS7845實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)電壓的生成、數(shù)據(jù)采集處理及邏輯控制。芯片采用5 VUSB電源供電，生成的5 V參考電壓輸出管腳UR，LR，UL，LL與具有一定面電阻的織物材料的4角分別相連，織物表面形成橫向及縱向的梯度電壓。在按壓狀態(tài)下，位置點(diǎn)P處橫向及縱向的電壓通過wiper引腳分時(shí)刻進(jìn)入芯片內(nèi)部12位ADC，將模擬電壓量化為數(shù)字信號(hào)。芯片接口電路將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過USB接口向計(jì)算機(jī)輸出。計(jì)算機(jī)程序獲取按壓點(diǎn)電壓值，與5 V參考比較，確定按壓點(diǎn)在傳感器中的相對(duì)坐標(biāo)，從而確定其所在的具體位置及對(duì)應(yīng)的控制符號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制操作。

2 導(dǎo)電織物電學(xué)性能的分析
    作為織物鍵盤的核心部件，導(dǎo)電織物表面電阻值的均勻性與一致性是織物鍵盤實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。導(dǎo)電織物一般采用鍍銀工藝或是高分子導(dǎo)電布料形成具有一定表面電阻的織物面料，用于抗靜電及抑制電磁輻射等場(chǎng)合。由于紡織及織造工藝的限制，其織物不同區(qū)域表面電阻的差異非常大，均勻性較差，必須在使用前進(jìn)行電學(xué)性能分析。
    為保證鍵盤定位精度及線性度，對(duì)導(dǎo)電織物表面電阻值進(jìn)行測(cè)試。使用4探針科技公司的RTS-2型薄層電阻測(cè)試儀對(duì)圖2所示a，b，c，d四種織物樣品進(jìn)行面電阻測(cè)試。尺寸分別為10 cm x 8 cm，9 cm×6 cm，17 cm×10 cm，25 cm×7 cm。測(cè)試時(shí)，將織物區(qū)域按3×3比例劃分為9個(gè)區(qū)域，測(cè)量每個(gè)區(qū)域中心點(diǎn)的面電阻值3次取平均值作為每個(gè)區(qū)域面電阻值，所有區(qū)域面電阻值平均值作為織物的面電阻值，如表1所示。

    4種織物面電阻值如表1，由于導(dǎo)電織物的表面電阻均值從347 Ω到3 872 Ω差異較大，無法從方差比較出不同試樣表面電阻值的一致性，因此采用標(biāo)準(zhǔn)差率來定義樣品表面電阻的一致性差異。從表1中試樣4的表面電阻標(biāo)準(zhǔn)差率為0．40％，因此其均勻一致性較好。因此，選取試樣4織物作為操控器的傳感器材料。

3 織物鍵盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)
    織物鍵盤通過導(dǎo)電織物層、功能定義層、隔離層、保護(hù)層的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)按壓位置到電壓信號(hào)的變換，提供按鍵區(qū)域的定義劃分及對(duì)鍵盤進(jìn)行保護(hù)。計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序獲取傳感器采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行電壓數(shù)據(jù)到位置數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，并根據(jù)按鍵區(qū)域的功能定義實(shí)現(xiàn)操作控制功能。
3．1 織物鍵盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    織物鍵盤主體結(jié)構(gòu)如圖3共分為5層。根據(jù)每層的功能設(shè)計(jì)選用不同特性的織物組成織物鍵盤。

    鍵盤頂層為符號(hào)定義層，用于劃分觸摸區(qū)域，采用印染或針織等方式定義鍵盤功能如字符、功能鍵、計(jì)算機(jī)控制等，同時(shí)為鍵盤提供保護(hù)。第2層為上導(dǎo)電織物層，作為檢測(cè)電極在按壓狀態(tài)下與下導(dǎo)電織物層接通，獲得按壓位置的橫向和縱向電壓值。上導(dǎo)電織物層通過外接導(dǎo)線與觸屏控制器的wiper管腳相連，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)信號(hào)輸入。第3層為隔離層，用于分隔上、下導(dǎo)電織物層，系統(tǒng)采用網(wǎng)狀多孔輕薄多孔織物組成，兩層在不受外力時(shí)不接觸。按壓操控狀態(tài)下，上、下導(dǎo)電織物層受外力在按壓點(diǎn)通過隔離層的細(xì)孑L接通兩織物層，將電壓信號(hào)輸出。第4層為下導(dǎo)電織物層，該層織物的4個(gè)頂角通過金屬線對(duì)應(yīng)連接觸屏控制器的UR，LR，UL，LL四個(gè)管腳，控制電路提供標(biāo)準(zhǔn)電壓，在織物層表面形成電壓梯度，通過位置電壓表示其在織物層上的相對(duì)位置。最底層為保護(hù)層，為導(dǎo)電織物層提供絕緣保護(hù)并加固鍵盤。
    隔離層織物的選型決定鍵盤的實(shí)用性能。由于導(dǎo)電織物層比較柔軟，過薄的厚度和過大的網(wǎng)孔很容易接通上、下導(dǎo)電層，在未按鍵時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤按鍵指示。如果隔離層過后，織物網(wǎng)孔過小，則要求按壓力度比較大，影響操控的手感。實(shí)際設(shè)計(jì)中選用厚度0．3 mm孔徑為2．0 mm的多孔織物，實(shí)現(xiàn)較好的按壓手感和接通效果。
3．2 軟件功能設(shè)計(jì)
    觸屏控制電路采用TopTouch公司的控制模塊M5UG，板載觸屏控制芯片AD7845、USB接口控制芯片CY7C63723C及配置寄存器93LC46，實(shí)現(xiàn)觸屏的邏輯控制、標(biāo)準(zhǔn)比較電壓的生成、按壓點(diǎn)電壓數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換及傳輸。
    計(jì)算機(jī)端程序采用VS2005開發(fā)，鍵盤驅(qū)動(dòng)采用Cypress公司的CYUSB開發(fā)包設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)鍵盤資源的訪問，進(jìn)行查詢、設(shè)置、讀取等操作。
    軟件運(yùn)行界面如圖4所示，首先查找USB設(shè)備，通過設(shè)備描述字符獲取織物鍵盤設(shè)備，建立設(shè)備連接后就可以讀取設(shè)備操控產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。其中，STATUS表明本次讀取數(shù)據(jù)是否正確，在數(shù)據(jù)傳輸正常時(shí)，AD0，AD1是按壓點(diǎn)橫向、縱向電壓AD轉(zhuǎn)換值，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式即可得到二維坐標(biāo)值。
   
    式中：Px，Py是按壓點(diǎn)橫向及縱向位置。Vs是全幅面電壓差的A／D轉(zhuǎn)換值，系統(tǒng)中為12位A／D轉(zhuǎn)換滿刻度值2 048；Vx，Vy是按壓點(diǎn)橫向、縱向測(cè)得的電壓轉(zhuǎn)換值，如圖4中AD0，AD1所取值。Lx，Ly是織物長(zhǎng)度及寬度，可取1則實(shí)現(xiàn)兩者的歸一化處理，適應(yīng)不同的鍵盤尺寸。

3．3 線性度測(cè)試實(shí)驗(yàn)
    在織物鍵盤對(duì)角線上以0．5 cm的距離進(jìn)行按壓位置線性度測(cè)試。兩組對(duì)角線數(shù)據(jù)每組60個(gè)點(diǎn)，數(shù)據(jù)分布如圖5(a)，按壓點(diǎn)分布均勻?qū)ΨQ。圖5(b)為一對(duì)角線的線性擬合結(jié)果圖，采用直線方程進(jìn)行擬合，R2值達(dá)0．999 5，說明織物鍵盤的線性度非常好，完全滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。

4 結(jié)語
    采用表面電阻值分布均勻的導(dǎo)電織物作為觸摸操控設(shè)備的傳感器，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)鍵盤鼠標(biāo)等輸入設(shè)備，滿足人們對(duì)輕便、柔性輸入設(shè)備的需求。現(xiàn)有導(dǎo)電織物面料表面電阻值范圍從幾十歐到幾千歐，差異較大，需選取標(biāo)準(zhǔn)差率小于0．5％的織物以獲得較好的一致性。采用觸摸屏技術(shù)與導(dǎo)電織物相結(jié)合可實(shí)現(xiàn)鍵盤、鼠標(biāo)等功能，相較基于開關(guān)信號(hào)輸入的掃描式鍵盤，具有更緊湊的結(jié)構(gòu)，更豐富的功能，可更好滿足實(shí)用需求。