帶多點(diǎn)觸控功能的電容式觸摸屏方案

觸摸屏技術(shù)已經(jīng)存在了30多年，人們對(duì)在屏幕上指指畫畫也早已不感覺新鮮，但正當(dāng)人們對(duì)觸摸屏的審美疲勞達(dá)到了視而不見的程度時(shí)，iPhone的橫空出世讓觸摸屏重新成為被關(guān)注的焦點(diǎn)。人們驚奇地發(fā)現(xiàn)，在觸摸屏上用多個(gè)手指操作是如此地符合自己與生俱來(lái)的習(xí)慣。如果說(shuō)單點(diǎn)輸入是由于技術(shù)的限制而讓人被迫去適應(yīng)機(jī)器，那多點(diǎn)輸入的誕生就真正做到了以人為本。

從用戶輸入界面來(lái)看，多點(diǎn)觸控并非創(chuàng)舉。早在1982年，多倫多大學(xué)的一個(gè)科研項(xiàng)目中就提出了多點(diǎn)輸入的用戶界面，在當(dāng)時(shí)的項(xiàng)目中，由于使用了相機(jī)成像的技術(shù)，任意點(diǎn)的觸摸都可以同時(shí)被感應(yīng)到。那么，為什么當(dāng)多點(diǎn)觸控出現(xiàn)在手持消費(fèi)品上就如此受人追捧呢？首先，一種技術(shù)能應(yīng)用在大量生產(chǎn)的消費(fèi)產(chǎn)品上，就證實(shí)了該技術(shù)的成熟度。電容式觸摸感應(yīng)是一種應(yīng)用廣泛、歷久不衰的技術(shù)。其次，在消費(fèi)產(chǎn)品上的應(yīng)用，也表明了該技術(shù)的平民身價(jià)，它不是擺在櫥窗中供人觀賞、讓人望塵莫及的技術(shù)，而是人人皆可擁有。最后，多點(diǎn)觸控解決了手持設(shè)備發(fā)展的一個(gè)日益突出的矛盾，即設(shè)備功能越來(lái)越復(fù)雜而操作方式卻千篇一律，用戶往往需要多次按鍵才能完成一次有效的操作。多點(diǎn)觸控帶來(lái)了更多的選擇，抓取、拖曳、縮放、旋轉(zhuǎn)，所有這些都可以一氣呵成。

賽普拉斯半導(dǎo)體公司一直致力于電容式觸摸感應(yīng)方案，其可編程片上系統(tǒng)(PSoC)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于手機(jī)、家電等的電容式感應(yīng)按鍵應(yīng)用上。根據(jù)市場(chǎng)的需求，賽普拉斯也不失時(shí)機(jī)地推出了具有多點(diǎn)觸控功能的電容式觸摸屏解決方案。

多點(diǎn)觸控的概念

主流的觸摸屏分為電阻式觸摸屏、表面電容式(Surface Capacitance)觸摸屏、感應(yīng)電容式(Projected capacitance)觸摸屏、聲表面波式觸摸屏、紅外線式觸摸屏等。其中，紅外線式和感應(yīng)電容式觸摸屏能夠支持多點(diǎn)觸控，前者由于尺寸限制和線性度不高，尚不能滿足消費(fèi)類產(chǎn)品的要求，而感應(yīng)電容式觸摸屏因其相對(duì)可接受的成本以及良好的線性度和可操作性，是目前主流的多點(diǎn)觸控技術(shù)。

多點(diǎn)觸控的定義來(lái)自應(yīng)用，即利用多個(gè)點(diǎn)同時(shí)作用在平面上完成某個(gè)特定的操作，比如縮放。但是，為了實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)觸控，當(dāng)一個(gè)以上的手指作用在觸摸屏上時(shí)，控制器是否需要知道每個(gè)手指的具體位置呢？答案是否定的。在技術(shù)實(shí)現(xiàn)的角度上來(lái)講，多點(diǎn)觸控可被進(jìn)一步區(qū)分為多點(diǎn)檢測(cè)和多點(diǎn)解析。所謂多點(diǎn)檢測(cè)，是指能夠檢測(cè)到有多個(gè)點(diǎn)被觸摸到，但不一定需要知道每一個(gè)點(diǎn)的確切位置。但多點(diǎn)解析則不僅能檢測(cè)到多點(diǎn)觸摸，還可以比較精確地知道每個(gè)點(diǎn)的確切位置。目前多點(diǎn)觸控的應(yīng)用，體現(xiàn)為對(duì)用戶手勢(shì)的識(shí)別從而產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作，多點(diǎn)檢測(cè)即可以支持足夠多的手勢(shì)輸入。當(dāng)然，多點(diǎn)解析可以識(shí)別更多的手勢(shì)，在應(yīng)用設(shè)計(jì)中也具有更高的靈活性，但是它需要付出比前者更多的成本。

賽普拉斯的感應(yīng)電容式觸摸屏方案

PSoC是由賽普拉斯半導(dǎo)體公司推出的具有數(shù)字和模擬混合處理能力的可編程片上系統(tǒng)芯片，某些系列的PSoC(如CY8C21X34系列)由于其內(nèi)部配備的特殊資源，可以很容易地實(shí)現(xiàn)電容式觸摸感應(yīng)功能。它們僅需少量的外部分立元件，就可以將每一個(gè)通用的I/O都配置為電容感應(yīng)輸入。

不管是電容式還是電阻式觸摸屏，都依賴于一種透明的導(dǎo)電體材料，即銦錫氧化物(ITO)。感應(yīng)電容式觸摸屏在玻璃或其他透明基底上用ITO做出X-Y矩陣圖形(圖1)，這些圖形就是電容式感應(yīng)所需要的電極。利用ITO的導(dǎo)體特性產(chǎn)生原始的寄生電容，當(dāng)手指接近某個(gè)感應(yīng)電極時(shí)，相當(dāng)于在原來(lái)的電容基礎(chǔ)上并聯(lián)了新的電容，從而使感應(yīng)電極對(duì)地(掃描某個(gè)特定電極時(shí)，其它電極被接到地上)的電容發(fā)生變化。通過(guò)在PSoC內(nèi)部搭建電路，并用內(nèi)建8位處理器的程序來(lái)控制電路的運(yùn)作，就可以把電容的變化轉(zhuǎn)化成計(jì)數(shù)值的變化。PSoC根據(jù)每個(gè)感應(yīng)電極上的電容變化量計(jì)算出X和Y方向的精確坐標(biāo)，分辨率隨著電極數(shù)和電極之間的中心距離而變化。

圖1：感應(yīng)電容式觸摸屏的ITO圖形。

ITO的透光度與表面阻抗成正比，即透光度越高，表面阻抗越大，但在透光度一定的情況下，ITO的圖形設(shè)計(jì)也對(duì)阻抗有影響。由于這個(gè)特性，基于ITO的電容式觸摸感應(yīng)設(shè)計(jì)要面對(duì)不小的挑戰(zhàn)，因?yàn)樽杩沟拇嬖?，增加了電容充放電的時(shí)間，從而使感應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)，信噪比(SNR)也會(huì)相應(yīng)降低。盡量減少感應(yīng)電極的固有阻抗，是設(shè)計(jì)感應(yīng)電容式觸摸屏的關(guān)鍵因素。

在觸摸屏中，ITO是以平面導(dǎo)體的形式存在，每一個(gè)方塊區(qū)域?qū)?yīng)著同樣的阻抗。根據(jù)這一原則，賽普拉斯推薦使用菱形的感應(yīng)單元，因?yàn)檫B接這些菱形的導(dǎo)線可以用最少的方塊區(qū)域(少于等于2個(gè))拼接而成，如圖2所示。
 

圖2：連接菱形感應(yīng)單元的導(dǎo)線可以用最少的方塊區(qū)域拼接而成。

這種X-Y矩陣式的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)檢測(cè)，但還無(wú)法實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)解析。如圖3所示，當(dāng)兩個(gè)點(diǎn)同時(shí)作用到屏上時(shí)，X和Y方向上檢測(cè)到的信號(hào)體現(xiàn)為在兩個(gè)不同位置上出現(xiàn)峰值，而這樣的輸出卻對(duì)應(yīng)兩種不同的輸入，即圖3中的一對(duì)紅點(diǎn)和一對(duì)白點(diǎn)，控制器無(wú)法判斷手指當(dāng)前作用在哪一對(duì)點(diǎn)上。

圖3：當(dāng)兩個(gè)點(diǎn)同時(shí)作用到屏上時(shí)，X和Y方向上檢測(cè)到的信號(hào)體現(xiàn)為在兩個(gè)不同位置上出現(xiàn)峰值。

盡管如此，利用PSoC的后端處理能力依然可以實(shí)現(xiàn)豐富的兩點(diǎn)手勢(shì)輸入，如抓取、拖曳、縮放、旋轉(zhuǎn)等。從某種意義上講，這種方案兼顧了可操作性和成本。賽普拉斯也提供更多的拓展方案供客戶選擇，比如增加坐標(biāo)軸的數(shù)目和分割屏，這些方案可在一定程度上增加解析點(diǎn)的數(shù)目，但成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜度都相應(yīng)增加。

賽普拉斯感應(yīng)電容式觸摸屏方案的優(yōu)勢(shì)

由于PSoC的可配置、可編程的特點(diǎn)，賽普拉斯的感應(yīng)電容式觸摸屏方案具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

首先，與ASIC和固定功能的解決方案不同，PSoC可以在單片上同時(shí)實(shí)現(xiàn)離散按鍵、滑動(dòng)條、觸摸面板甚至是接近式感應(yīng)。很多用戶在實(shí)現(xiàn)觸摸屏的設(shè)計(jì)時(shí)，并不要求要屏上所有區(qū)域都輸出X和Y坐標(biāo)，在某些特定的區(qū)域(如屏幕底部)可能僅需要固定位置的按鍵功能。在另外一些應(yīng)用中的觸摸屏需要接近式感應(yīng)功能，如當(dāng)人體靠近到10厘米之內(nèi)時(shí)就打開屏幕背光。這些特殊需求都可以用單片PSoC實(shí)現(xiàn)，對(duì)于不同的感應(yīng)方式設(shè)置不同的參數(shù)，通過(guò)PSoC來(lái)動(dòng)態(tài)配置。

其次，PSoC內(nèi)置的8位處理器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多點(diǎn)手勢(shì)操作的識(shí)別和提取，把精簡(jiǎn)的指令信息發(fā)送給主處理器，能在很大程度上減輕主處理器的運(yùn)算壓力。

此外，PSoC內(nèi)部豐富的模擬和數(shù)字資源以及強(qiáng)大的運(yùn)算能力為設(shè)計(jì)者提供了優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可能。在一個(gè)實(shí)際的案例中，一顆PSoC同時(shí)實(shí)現(xiàn)了觸摸感應(yīng)、周圍光線強(qiáng)度感應(yīng)和LCD背光控制。

賽普拉斯感應(yīng)電容式觸摸屏方案的應(yīng)用

感應(yīng)電容式觸摸屏可用玻璃作基底，透光率高，使用中沒有機(jī)械變形，并支持多點(diǎn)觸控，因此感應(yīng)電容式觸摸屏被廣泛地應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域中。比如，隨著手機(jī)對(duì)多媒體功能的需求增大，以及3G應(yīng)用的推廣，用戶迫切需要有更豐富的多點(diǎn)操作方式來(lái)簡(jiǎn)化手機(jī)的使用，比如對(duì)圖片或視頻的縮放和旋轉(zhuǎn)，瀏覽網(wǎng)頁(yè)時(shí)的快速導(dǎo)航。

另外，一些手持的游戲機(jī)往往亞求多個(gè)鍵同時(shí)按下，以實(shí)現(xiàn)不同的操作，同時(shí)又要求減少機(jī)械鍵的數(shù)目，增加屏幕的尺寸，而這恰好是多點(diǎn)觸控的用武之地。在一些多媒體信息導(dǎo)航的設(shè)備或GPS中，對(duì)地圖的截取和縮放也是多點(diǎn)觸控的典型應(yīng)用模式。

總之，基于PSoC的感應(yīng)電容式觸摸屏方案增加了用戶界面的可操作性，而PSoC所具有的很高的靈活性和可擴(kuò)展性，也有助于新產(chǎn)品的開發(fā)和推廣。