從控制器角度談感應(yīng)電容觸控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

摘要：自2007年iPhone出現(xiàn)后，感應(yīng)電容觸摸屏的年銷(xiāo)售額已增長(zhǎng)了100倍，并且速度沒(méi)有減慢的跡象。本文描述了把感應(yīng)電容型觸摸屏集成到一個(gè)設(shè)備中時(shí)須面對(duì)的很多設(shè)計(jì)和應(yīng)用挑戰(zhàn)，并重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了控制器信噪比的重要性。

簡(jiǎn)介 自2007年iPhone出現(xiàn)后，感應(yīng)電容觸摸屏的應(yīng)用范圍就在不斷擴(kuò)大。盡管如此，真正把感應(yīng)電容觸摸屏集成到設(shè)備中仍存在著很大的挑戰(zhàn)，尤其在液晶顯示器(LCD)、外圍器件產(chǎn)生干擾及嘈雜的環(huán)境中。有效的解決方案之一是使用高信噪比(SNR)的觸摸屏控制器來(lái)對(duì)抗噪聲。一個(gè)高信噪比控制器還會(huì)有其它優(yōu)勢(shì)，下面將會(huì)詳細(xì)描述。 SNR定義為信號(hào)(有用的信息)和噪聲(無(wú)用信號(hào))的功率比。如果信號(hào)和噪聲在相同的負(fù)載下測(cè)量，SNR可以通過(guò)計(jì)算幅度均方根(RMS)的平方獲得。功率比的值(PS/PN)通常很大，通常用對(duì)數(shù)(dB)來(lái)描述。SNR可以表示為：高SNR意味著測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度比背景噪聲高。整體觸控性能 主要由兩個(gè)器件決定整體觸控性能：觸摸屏傳感器和觸摸屏控制器。觸摸屏傳感器種類(lèi)繁多，它們的名稱(chēng)形象的說(shuō)明了其形狀和結(jié)構(gòu)，例如三角形、菱形、雪花形、條形等等。例如，“菱形”是菱形的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，而“條形”是行列交叉的網(wǎng)格，像一個(gè)城市的街道。一些傳感器類(lèi)型使用一層ITO，而其它的則需要兩層或三層，這決定于所需的系統(tǒng)性能和觸摸屏控制器芯片。 通常要根據(jù)觸摸屏控制器結(jié)構(gòu)來(lái)決定觸摸屏傳感器樣式和層結(jié)構(gòu)(“堆疊”)以最大化SNR。例如，在單層互容帶有交叉(搭橋)的菱形樣式中，觸摸屏表面到ITO的X層和Y層的距離是一樣的，這降低了增益誤差并使行和列的SNR很接近。盡管如此，仍需要增加一層屏蔽層防止傳感器受到LCD噪聲干擾。使用高SNR的觸摸屏控制器可以降低觸摸屏傳感器的成本，放寬設(shè)計(jì)限制，使用更多的樣式和層結(jié)構(gòu)。正如下面將要討論的一樣，高SNR觸摸屏控制器還可提供額外的好處，例如較容易找到觸摸中心，降低了觸摸屏對(duì)環(huán)境噪聲的靈敏度，并允許使用手套或尖導(dǎo)電筆?？刂破骷軜?gòu) 自容式和互容式[1]是兩種主要的電容觸摸屏感應(yīng)檢測(cè)技術(shù)，自容式和互容式的特性簡(jiǎn)單歸納如下：自容式●今天仍在使用的早期技術(shù)?！袷芟抻?ldquo;鬼點(diǎn)”(相對(duì)于真實(shí)觸摸位置的錯(cuò)誤觸摸位置)，通常為一點(diǎn)觸摸或兩點(diǎn)觸摸?！窳庑螛邮阶钇毡??！駥?duì)LCD噪聲抑制較差?！窈?jiǎn)單，低成本控制器?；ト菔健裾诠フ际袌?chǎng)的新一代設(shè)計(jì)?！裾嬲膬牲c(diǎn)或多點(diǎn)觸摸?！褫^高的精度?！駛鞲衅鳂邮皆O(shè)計(jì)更加靈活，這有助于最大化SNR?！褫^好的噪聲抑制?！窀鼜?fù)雜，高成本控制器。 很多應(yīng)用僅需要一個(gè)或兩個(gè)觸點(diǎn)，因此自容方案更有吸引力，尤其當(dāng)用戶(hù)界面的觸摸位置可控以消除“鬼點(diǎn)”的時(shí)候。自容方案的典型SNR超過(guò)30dB，通常需要在LCD和傳感器的觸摸層底部之間增加屏蔽層，這會(huì)增加成本，降低顯示亮度。 其它技術(shù)可被用到自容方案以進(jìn)一步提高SNR。這包括(a)增加每通道的采樣數(shù)；(b)增加傳感器驅(qū)動(dòng)電壓，這增加了固定噪聲(如來(lái)自L(fǎng)CD的噪聲)下的信號(hào)幅度；(c)在不同頻率采樣以避免固定頻率干擾，如避開(kāi)60Hz(這被稱(chēng)為“頻率抖動(dòng)”)。盡管如此，該技術(shù)通常會(huì)降低幀率，增加功耗，這兩樣都是不希望的。 從以上討論中可以很清楚地看出，為了最大化SNR并支持兩點(diǎn)或多點(diǎn)的觸摸，互容式是最有希望的感應(yīng)檢測(cè)技術(shù)。圖1的系統(tǒng)框圖歸納了互容式的實(shí)現(xiàn)方法，即把一個(gè)激勵(lì)信號(hào)加在觸摸屏傳感器電容的一極，把另一極連接到觸摸屏控制器的模擬前端(AFE)，AFE的輸出被轉(zhuǎn)化成數(shù)字格式并在數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)中進(jìn)行進(jìn)一步處理。圖1. 互容式系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)挑戰(zhàn) 當(dāng)把電容觸摸屏傳感器集成到觸控設(shè)備中時(shí)會(huì)遇到很多技術(shù)挑戰(zhàn)。下文所述情況均可受益于高SNR的觸摸屏控制器。 傳感器層設(shè)計(jì)：如今存在各種各樣的觸摸屏傳感器層結(jié)構(gòu)，分別對(duì)應(yīng)材料、厚度、性能和成本的不同要求。如圖2所示。而單層還是多層襯底，“向上”還是“向下”架構(gòu)，X和Y層厚度的變化，透光膠(OCA)厚度的變化以及其它因素都會(huì)影響傳感器產(chǎn)生的信號(hào)幅度。由于高SNR觸摸屏控制器可以處理較寬動(dòng)態(tài)范圍的觸摸屏傳感器信號(hào)，結(jié)構(gòu)差異引起的影響會(huì)被削弱。這就給了設(shè)計(jì)者更多的自由去選擇傳感器層結(jié)構(gòu)。圖2. 一種互容式觸摸屏傳感器的層結(jié)構(gòu)(與實(shí)物不成比例)。 厚防護(hù)罩：一些應(yīng)用，例如銀行ATM機(jī)，可能需要一個(gè)厚玻璃罩來(lái)防止顯示器被破壞。但厚玻璃罩會(huì)降低觸摸信號(hào)強(qiáng)度，并降低觸摸位置檢測(cè)精度，這是因?yàn)槭种鸽x觸摸屏傳感器距離變大，導(dǎo)致電容范圍變大，信號(hào)幅值變低，很難確定精確觸摸位置，戴手套也會(huì)產(chǎn)生相同的效果。 LCD VCOM類(lèi)型： LCD VCOM是“共模電壓”，是LCD屏的參考電壓。根據(jù)系統(tǒng)要求，可能采用AC VCOM或DC VCOM。AC VCOM是交變的，而DC VCOM是恒壓。前一種方式會(huì)產(chǎn)生更多的噪聲。 觸摸屏傳感器和保護(hù)透鏡間的氣隙：觸控設(shè)備用戶(hù)報(bào)告的最常見(jiàn)問(wèn)題之一是保護(hù)透鏡破損。為把產(chǎn)品做得更薄，電容型觸摸屏傳感器可以被壓到保護(hù)透鏡背面，但當(dāng)替換一個(gè)破損的保護(hù)透鏡時(shí)，觸摸屏傳感器也必須被替換，這會(huì)增加維修成本。為了避免這個(gè)成本，以及壓合工藝低良率帶來(lái)的成本，通常會(huì)用一個(gè)襯墊將觸摸屏傳感器和保護(hù)透鏡隔開(kāi)。 盡管如此，當(dāng)觸摸屏傳感器和保護(hù)透鏡間出現(xiàn)氣隙時(shí)，觸摸屏傳感器會(huì)很難探測(cè)到手指觸摸行為，因?yàn)榭諝饨殡姵?shù)低，手指觸摸產(chǎn)生的信號(hào)的強(qiáng)度也低。解決這種問(wèn)題的一個(gè)方法是提高觸控系統(tǒng)靈敏度閾值，但這會(huì)很危險(xiǎn)，因?yàn)閭鞲衅鲿?huì)接收到一些雜散信號(hào)，例如LCD或其它環(huán)境噪聲，使得觸摸屏傳感器很難從噪聲中區(qū)分出觸摸動(dòng)作。 工業(yè)設(shè)計(jì)要求：一些器件生產(chǎn)商把觸摸屏傳感器直接做在顯示器上以使得整體設(shè)計(jì)更薄。但這也是有風(fēng)險(xiǎn)的，因?yàn)橛|摸屏傳感器被直接放在噪聲源上。一個(gè)解決方案是在觸摸屏傳感器和顯示器之間增加一個(gè)屏蔽層。但多增加一層ITO會(huì)增加整體材料成本，而且對(duì)透光性有影響。 集成觸摸屏傳感器：為了降低生產(chǎn)成本，LCD生產(chǎn)商開(kāi)始把觸摸屏傳感器直接做在偏光鏡下面的彩色濾光片上。這種方法不需要外部傳感器和壓合，但觸摸屏傳感器更靠近顯示器，進(jìn)一步增加了傳感器接收到的噪聲。 觸摸屏控制器位置：電容型觸摸屏控制器通常位于觸摸屏電纜上(芯片在導(dǎo)線(xiàn)或PCB上)，有時(shí)也會(huì)直接放在觸摸屏傳感器上(芯片在玻璃上)。但是為了測(cè)試方便，有些設(shè)計(jì)需要把觸摸屏控制器放在系統(tǒng)板上。這可能需要很長(zhǎng)的柔性電路板(FPC)來(lái)連接觸摸屏傳感器和控制器。長(zhǎng)FPC會(huì)起到天線(xiàn)的作用，很容易吸收噪聲，使得觸摸屏控制器很難處理觸摸屏傳感器發(fā)出的弱信號(hào)。 其它噪聲源：移動(dòng)設(shè)備的主要噪聲源是LCD屏、LCD逆變器、WiFi天線(xiàn)、GSM天線(xiàn)和設(shè)備中的各種高速電路。環(huán)境噪聲也對(duì)觸控系統(tǒng)有很大影響，如一些交流電源會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的噪聲，這些噪聲會(huì)經(jīng)由AC適配器傳播。同樣，當(dāng)把設(shè)備放在臺(tái)式熒光燈等強(qiáng)噪聲源附近時(shí)，觸控系統(tǒng)會(huì)把噪聲誤認(rèn)為有效的觸摸行為。 通常條件下，對(duì)正常大小的手指(>7mm)而言，高SNR的控制器不比低SNR的控制器有很大的優(yōu)勢(shì)，只有在在強(qiáng)噪聲環(huán)境中，如使用書(shū)寫(xiě)筆或使用戴手套的手指輸入，信號(hào)很弱的時(shí)候優(yōu)勢(shì)才會(huì)體現(xiàn)出來(lái)。低SNR控制器不能把信號(hào)從噪聲中區(qū)分出來(lái)。如果降低傳感器閾值以增加探測(cè)靈敏度，觸控系統(tǒng)則會(huì)很容易被誤觸發(fā)，引起誤操作，這在實(shí)際應(yīng)用中是絕對(duì)不被允許的。應(yīng)用挑戰(zhàn) 觸摸精度：觸摸精度是觸摸屏傳感器設(shè)計(jì)的一個(gè)重要指標(biāo)。例如，在虛擬鍵盤(pán)應(yīng)用中，字符被緊湊的排在一個(gè)很小的區(qū)域內(nèi)，精確響應(yīng)觸摸動(dòng)作，避免誤輸入字符很關(guān)鍵。提高精度的方法之一是在控制器中增加更多的傳感器通道，支持更高的觸摸屏傳感器網(wǎng)格密度。但這將付出成本的代價(jià)，因?yàn)橛|摸屏傳感器和觸摸屏控制器都需要更多的引腳。此外，更多的傳感器通道需要在觸摸屏邊界增加更多的走線(xiàn)，會(huì)增加邊界寬度。 高SNR觸摸屏控制器能夠增強(qiáng)檢測(cè)精度，因?yàn)樗鼘?duì)弱信號(hào)的檢測(cè)能力更強(qiáng)，并從較大的周邊范圍內(nèi)收集采樣數(shù)據(jù)，而較大的檢測(cè)范圍提供了更多的參考點(diǎn)，從而觸摸位置可以被精確算出。圖3揭示了觸摸屏控制器SNR對(duì)劃線(xiàn)精度的影響，這是一個(gè)機(jī)械臂握著一個(gè)4mm金屬片所畫(huà)的直線(xiàn)。高SNR控制器畫(huà)出的直線(xiàn)顯然比低SNR控制器畫(huà)出的直線(xiàn)更平滑。注意這些測(cè)量結(jié)果都是由相同的觸摸屏傳感器和相同的后處理軟件記錄的，以保證公正的比較。圖3. 一個(gè)機(jī)器臂握著4mm金屬片畫(huà)的直線(xiàn)。左側(cè)使用的是高SNR的觸摸屏控制器；右側(cè)使用的是低SNR觸摸屏控制器。 書(shū)寫(xiě)筆：電阻觸摸屏用戶(hù)長(zhǎng)期以來(lái)已經(jīng)習(xí)慣了使用帶有尖的書(shū)寫(xiě)筆。典型電阻觸摸屏?xí)鴮?xiě)筆筆尖直徑小于1mm，通常用不導(dǎo)電的塑料制作。對(duì)于電容觸控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，檢測(cè)這樣一個(gè)細(xì)小、不導(dǎo)電的器件很困難，因?yàn)樗軌蚪o觸摸屏控制器提供的信號(hào)非常微弱。市場(chǎng)上很多觸控系統(tǒng)使用的書(shū)寫(xiě)筆筆尖直徑很大(3－9mm)，使得書(shū)寫(xiě)和繪畫(huà)都變的很困難，因?yàn)楣P尖粗會(huì)使得書(shū)寫(xiě)的痕跡很模糊。 只要書(shū)寫(xiě)筆用導(dǎo)電材料包裹(一個(gè)相對(duì)較小的犧牲)，高SNR的觸摸屏控制器可以檢測(cè)到1mm直徑筆尖的書(shū)寫(xiě)筆。圖4說(shuō)明了觸摸屏控制器SNR對(duì)2mm導(dǎo)電筆尖的書(shū)寫(xiě)筆檢測(cè)結(jié)果的影響。低SNR的控制器很難從背景噪聲中識(shí)別出小筆尖的書(shū)寫(xiě)筆，尤其在屏幕噪聲最大的部分。在低SNR情況下使用1mm筆尖的書(shū)寫(xiě)筆將導(dǎo)致有用信號(hào)淹沒(méi)在背景噪聲中，導(dǎo)致書(shū)寫(xiě)筆無(wú)法使用。圖4. 4英寸屏上使用2mm導(dǎo)電書(shū)寫(xiě)筆的電容值剖面圖，左側(cè)剖面使用高SNR觸摸屏控制器；右側(cè)使用低SNR觸摸屏控制器。書(shū)寫(xiě)筆位于綠色錐體頂部；白色平面的高度代表了背景噪聲。信噪比的增加有效降低了背景噪聲幅度，如左圖所示。如果右圖中的書(shū)寫(xiě)筆移到屏幕的左邊，信號(hào)將被噪聲淹沒(méi)，書(shū)寫(xiě)筆將無(wú)法工作。 非接觸檢測(cè)：接近檢測(cè)逐漸在觸摸屏應(yīng)用中被采用。例如，通過(guò)增加觸控系統(tǒng)的靈敏度，當(dāng)使用電子書(shū)時(shí)，用戶(hù)可以手勢(shì)翻頁(yè)，而不需要實(shí)際觸碰屏幕。但觸控系統(tǒng)增加靈敏度也很容易被環(huán)境噪聲觸發(fā)，設(shè)計(jì)者一直在努力尋找最佳平衡，既要最大化接近距離，又不至于引起誤觸發(fā)。三菱在這個(gè)領(lǐng)域做了一些有趣的研究，他們建了一個(gè)觸控系統(tǒng)，基于觸摸手指是懸空還是真實(shí)觸摸來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)靈敏度。 戴手套操作：在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，觸摸屏需要能在帶著外科手套的情況下工作。與之類(lèi)似，車(chē)載觸摸屏GPS需要能在冬天戴手套時(shí)使用，大多數(shù)手套是由介電材料做成的，這使得觸摸屏傳感器很難檢測(cè)到觸摸動(dòng)作。增加觸摸屏控制器的靈敏度可能在用戶(hù)不帶手套時(shí)引起誤觸發(fā)。唯一解決方法是需要應(yīng)用(或用戶(hù))根據(jù)情況選擇不同靈敏度。結(jié)論 高SNR電容型觸摸屏控制器帶有很多優(yōu)勢(shì)，它可以滿(mǎn)足如書(shū)寫(xiě)筆，小手指和手套等廣泛的設(shè)計(jì)和應(yīng)用要求。它可以幫助改善觸摸精度而不需要專(zhuān)門(mén)的ITO傳感器樣式或增加傳感器通道。它可以滿(mǎn)足各種顯示器及不同背光燈的要求，同時(shí)保持很好的觸摸性能，它為傳感器設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供了更靈活的選擇。使觸控系統(tǒng)可以工作在強(qiáng)噪聲環(huán)境中，并可減小設(shè)備本身來(lái)自L(fǎng)CD，WiFi天線(xiàn)，GPS天線(xiàn)和AC適配器的噪聲。它給予設(shè)備OEM商更多的自由來(lái)選擇元器件。最后，從性能的觀點(diǎn)來(lái)看，它提供了精確的觸摸精度?？傊?，高SNR觸摸屏控制器能幫助終端用戶(hù)實(shí)現(xiàn)更可靠的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)G. 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