在消費設(shè)備中采用電容式傳感器用戶接口

    電阻式觸摸面板是一種機械式的傳感器，由兩層材料構(gòu)成，中間一般通過空氣分離(圖1)。頂層是純凈的聚酯薄膜，底層是玻璃。若用手指壓按頂層，就會推動頂層與底層接觸。一旦測得接觸點的電壓，就可以計算出接觸位置。移開手指后，頂層又回復(fù)到原始狀態(tài)。

    嵌入式設(shè)計人員在RTS上面臨的兩大挑戰(zhàn)是：(1)承載顯示屏的光學(xué)結(jié)構(gòu)嚴(yán)重受損；(2)耐久性很差。采用RTS的設(shè)備在遇到摔落或用戶壓按過重的情況時，常常會發(fā)生故障。

    一旦RTS平板破裂，設(shè)備的主要硬件輸入就沒有了，設(shè)備也就無用了。對此，設(shè)計人員也有一些有限的預(yù)防措施可供選擇。比如，在RTS表面加一個玻璃框以期保護屏幕的邊角。而因此需要的開槽及玻璃框本身的成本可能是設(shè)備成本的兩倍。而且，RTS必須安裝在平坦表面上，不能在塑料材料之下。

    此外，RTS的靜電放電(ESD)阻抗很差。這一點往往使設(shè)備更受濕度損害，同時溫度和濕度的變化也會嚴(yán)重影響性能。RTS還讓脆弱的LCD暴露在更大風(fēng)險之中。至于有限的性能，RTS需要一個精度測頭；這些測頭在大多數(shù)滾動條和圖標(biāo)所在的邊緣處是不準(zhǔn)確的，它們需要用戶經(jīng)常性地進行校準(zhǔn)。    

圖1.電阻式觸摸面板是一種機械傳感器，由兩層材料構(gòu)成，中間一般通過空氣分離。

    電容式傳感器克服RTS的局限性

    一種更有效更可靠的替代方案是采用很薄的透明的電容式傳感器觸摸屏，嵌入式設(shè)計人員可以將之放置在任何可視表面上用于輸入和導(dǎo)航。這類電容式傳感器接口的一種實現(xiàn)方案被稱為ClearPad，可為設(shè)計人員提供一種克服RTS局限性的解決方案。

    電容式傳感器模塊中有一個透明的薄薄的手指感測區(qū)域，與一個包含了所有感測電子元件的撓性電路相連。如圖2所示，若手指按在導(dǎo)電線路網(wǎng)格頂端，將改變鄰近線路的電容。

圖2.電容式傳感器面板是固態(tài)的。若手指按在導(dǎo)電線路網(wǎng)格頂端，將改變鄰近線路的電容。一旦測得線路電容的變化，就可以計算出手指的位置。

    一旦測得線路電容的變化，就可以計算出手指的坐標(biāo)位置。無需壓力來激活電容式傳感器。只要在電容式面板表面輕輕地點擊或滑行即可。

    特別地，電容式傳感器的表面接收與用戶相接觸處的觸摸信息，并把信息發(fā)送到控制器板?？刂破靼逄幚碛|摸信號，再把信息傳送給主機。然后，主機把手指位置和接觸信息用于各種用戶接口功能，比如輸入字符、數(shù)據(jù)和屏幕滾動。

    在這種UI技術(shù)中，電容式感測與一個透明線路陣列相結(jié)合(圖3)。電容式傳感器接口方案中使用的材料與RTS的相同，都是在聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)上再加一層氧化銦錫(ITO)。不過，電容式傳感器不存在RTS的光學(xué)問題和耐久性問題，因為它是單層壓板，沒有降低光學(xué)性能的空氣間隙，而且，前者是固態(tài)的，無移動部件，從而可獲得很高的可靠性和耐久性。另一方面，電阻式觸摸屏是物理式開關(guān)，必須彎曲，需要摩擦使用，這些都縮短了它們的使用壽命。

圖3.電容式感測與一個透明線路陣列結(jié)合。電容性傳感器面板中使用的的材料與電阻式屏幕的相同，都是在聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)上再加一層氧化銦錫(ITO)。

    此外，在電容式傳感器中，嵌入式設(shè)計人員不受限于易彎曲表面材料，因為電容主要是通過非導(dǎo)電性材料來感測的。即使傳感器被放置在聚碳酸酯或]丙烯酸等耐用材料表面之下，也可以進行電容式感測。在這些情況中，電容式傳感器仍具有剛性罩面的環(huán)境耐久性，這個特性讓它在其他技術(shù)無法勝任的環(huán)境中也能夠工作。

    機械上的簡潔性是可靠性和光學(xué)性能提高的另一個主要原因。在電容式傳感器模塊中，各層之間在光學(xué)性能上都彼此匹配，并層壓在一起，不存在任何空氣間隙及它們引起的內(nèi)部反射問題。用于采用了極薄的導(dǎo)電層，光吸收也被減至最小。 [!--empirenews.page--]

    因為它是固態(tài)傳感器，沒有移動部件，在傳感器使用期間光學(xué)性能可保持穩(wěn)定一致。相反地，電阻式觸摸屏需要空氣間隙和絕緣點(spacerdot)，而這兩者都會產(chǎn)生內(nèi)部反射和散射光。此外，在電阻式觸摸屏工作期間，若頂層表面變形，就必須采取若干措施來使光學(xué)畸變(比如牛頓環(huán))降至最少。

    不同于RTS，電容式傳感器的傳感器層之間不需要臨界間距。電阻式傳感器的彎曲或變形可能會影響層間間距。但電容式傳感器可以通過彎曲表面進行感測，無功能性損失。鑒于以上差異，在采用RTS無法奏效的應(yīng)用中，設(shè)計人員可以利用電容式傳感器來增加簡單又具成本效益的觸摸式感測。

    應(yīng)用定制套件

    移動便攜式數(shù)字娛樂設(shè)備、遙控器和數(shù)碼相機等應(yīng)用的嵌入式設(shè)計人員可以根據(jù)自己的具體應(yīng)用要求來選擇電容式傳感器的尺寸和形狀及其相關(guān)支持模塊。裝配套件中將包括傳感器、帶有專有IC的控制器板，以及相關(guān)固件。

    基于電容式傳感器的設(shè)計為終端用戶提供了出色的光學(xué)和手指感測能力。由于這種傳感器的光學(xué)結(jié)構(gòu)匹配，減少了內(nèi)部反射，故顯示文本和圖形的承載屏幕鮮明清晰。從圖4可見，電容式傳感器模塊由四個區(qū)域組成。例如，專門為4英寸TFT顯示器而設(shè)計的電容式傳感器平板，有效激活區(qū)面積達60×80mm，傳感器厚度0.68mm(其中包括層壓到透鏡和外殼的0.075nm的粘合劑厚度)。有效激活區(qū)是指傳感器中用于報告用戶手指出現(xiàn)及其位置的一塊透明區(qū)域。

圖4.電容式傳感器模塊包括4個區(qū)域：有效區(qū)域、察看區(qū)域、3個側(cè)面的不透明PET非活躍邊界和封裝電容性感測電子裝置的尾部區(qū)域

    可視區(qū)也在傳感器的透明區(qū)域內(nèi)，位于有效激活區(qū)之外，不能感測用戶手指。傳感器可視區(qū)的三條邊上的非感測邊界采用不透明的PET材料，允許低阻抗線路布線。這些邊界的設(shè)計目的是電氣和光學(xué)屏蔽，保護用戶。最后，L形區(qū)(或拖尾)連接到傳感器，并容納電容式感測電子元件。

    由于傳感器的手指感測區(qū)域是透明的，故非常適合用于情景式GUI，這類GUI隨設(shè)備的工作模式或具體應(yīng)用的改變變化很大。按鈕陣列、滑標(biāo)、軟菜單、指針控制以及符號識別都可以采用。這些接口為嵌入式設(shè)計人員提供了數(shù)量相當(dāng)可觀的設(shè)計選擇。UI不再需要被固定在硬件中，現(xiàn)在完全可以被構(gòu)建在軟件內(nèi)，匹配指定任務(wù)或應(yīng)用的特定要求。

    新的設(shè)計要素

    相比嵌入式設(shè)計人員已習(xí)慣的RTS設(shè)計，電容式傳感器技術(shù)的大量設(shè)計考慮事項更新更豐富。在這種情況下，創(chuàng)建一個直觀的用戶接口不僅限于電容式傳感器本身的優(yōu)化。特別地，設(shè)計人員必須尤其關(guān)注解決用戶在設(shè)備UI上輸入不準(zhǔn)確的問題。

    由于電容式傳感器專門針對手指使用而優(yōu)化，UI設(shè)計人員必須考慮到普通用戶無法非常準(zhǔn)確地可靠安置和控制自己的手指。雖然針對手指使用而設(shè)計似乎有其局限性，這種限制實際上可以實現(xiàn)更直觀更簡單的UI。這樣的UI更適合于那些高產(chǎn)量設(shè)備和那些也許對技術(shù)不熟悉或沒有足夠的時間接受設(shè)備使用培訓(xùn)的用戶。

    還有一些其它的方法可優(yōu)化用戶與這類傳感器的交互作用。它們分為兩大類。一類是靜態(tài)設(shè)計，包括控制可發(fā)現(xiàn)性、布局和觸覺定義。另一類是動態(tài)控制處理，包括按鈕激活方法、手勢滯后，以及UI處理的一致性。

    控制可發(fā)現(xiàn)性是一個顯而易見但往往被忽略掉的設(shè)計問題。例如，ClearPad傳感器和其它觸摸屏接口一樣，可以讓嵌入式設(shè)計人員能夠完全以軟件的形式來實現(xiàn)設(shè)備的控制。在這種用戶接口中，當(dāng)用戶觸摸某一功能項時，顯示器顯示出與設(shè)備某操作相對應(yīng)的結(jié)果。

    但并非屏幕上所有對象都是可操作的。因此，對布局控制而言，也許最重要的交互規(guī)則是使可操作的對象或UI元素可發(fā)現(xiàn)，并與屏幕上其它不可觸摸操作的圖形相區(qū)別開來。

    盡管這種交互規(guī)則似乎十分簡單明了，但必需考慮到大多數(shù)現(xiàn)有圖形用戶接口在顯示UI元素與不可操作對象方面的含混程度。于是，小孩和其它GUI新手在使用存在這種問題的觸摸屏UI時常常感覺困難也就不足為奇。

    布局設(shè)計的控制

    控制布局設(shè)計的另一個重要交互規(guī)則是UI元素的大小必需適中，而且間距適恰當(dāng)。雖然屏幕面積對大多數(shù)手持式設(shè)備來說都彌足珍貴，但小型控制元件過于擁塞會使用戶倍感挫敗。

    確定設(shè)備目標(biāo)用戶的典型手指大小范圍是很重要的。按鈕和UI元素若比最小的手指接觸面積(美國成年人的食指直徑一般在8-14mm間)還要小，就會造成可用性問題，故應(yīng)該予以避免。

    此外，確保UI元素之間有足夠的間距也很重要。理想而言，控制元件之間至少應(yīng)該有一個手指的寬度(UI元素中心之間的間距)。

    UI元素設(shè)計常常忽略的一個方面是，圖案元素的大小不需要與它的活動面積的大小相匹配。對按鈕來說，這意味著按鈕圖形不需要對應(yīng)它的活動區(qū)域。

    例如，對于那些基于美學(xué)/工業(yè)設(shè)計(ID)原因必需規(guī)劃間距緊密的大按鈕的設(shè)計，建議只把按鈕圖形的中心區(qū)域作為按的激活區(qū)。這樣一來就增大了按鈕陣列的有效間距，提高了可用性。反之，對于帶有極小按鈕(彼此間隔很遠(yuǎn))的UI，可能必需擴大每一個按鈕的激活區(qū)。

    對于電容式按鈕布局，嵌入式設(shè)計人員應(yīng)該盡量讓用戶一次只觸摸到一個按鈕。相同尺寸的按鈕并非同樣容易使用。要提高按鈕的易用性，同時又節(jié)省空間，可以根據(jù)各按鈕在產(chǎn)品總體設(shè)計中的位置和功能，把一部分做得小一些，一做得部分大一些。 [!--empirenews.page--]

    鑒于某些原因，邊角處的按鈕最方便使用。它們從多個方向都可接近，相鄰按鈕最少，而且，由于設(shè)備邊緣方便用戶手指操作，故它們在位置提示方面的觸知性最大。

    圖5所示的移動電話的鍵區(qū)就極好地演示了一種電容式按鈕大小安排方法，這種方法可以很有效地提高按鈕的易用性。所有按鈕的易用性都相似，因為它們大小不同。中間的按鈕由于使用頻率最低，故尺寸最大。

圖5：在這個移動電話鍵盤布局中，通過采用電容式傳感器，按鍵大小能夠被重新設(shè)定，從而使得每個按鍵都很方便壓按。

    增大中間按鈕的尺寸可提高它的易用性。其它按鈕大小根據(jù)靠近移動電話邊緣的按鈕的大小和形狀來考慮。這些邊緣按鈕可以小一些，因為電話邊緣為用戶手指提供了一個參考點。

    其它電容式控制裝置的接近度是按鈕布局的另一項考慮。設(shè)計人員應(yīng)該考慮到按鈕布局需便于設(shè)計所用的其它控制裝置(比如滾動屏顯傳感器)的使用。例如，電容式按鈕的安排應(yīng)該讓用戶在使用按鈕時不會無意中激活滾動或其它功能。

    最后，還有一個必須考慮到的因素是大約有10%的人口是左撇子。把控制裝置設(shè)計在產(chǎn)品的左邊或右邊都意味著忽視了另一用戶群體。因此，最頻繁使用的或需要最大靈活性的控制裝置應(yīng)該位于中間。

    類似于盲文凸點的方案

    在觸覺定義區(qū)，電容式技術(shù)對輕微的觸摸也能做出反應(yīng)；用戶不必大力壓按。但如果觸覺反饋是所需要的，類似于盲文凸點的觸覺定義，一個邊角或表面結(jié)構(gòu)的變化都可用于幫助用戶憑感覺確定電容式按鈕或傳感器區(qū)的位置。

    計算機的鍵區(qū)和電話設(shè)計歷來采用類似于盲文的凸點來標(biāo)明一組按鈕或按鍵當(dāng)中的“基鍵(Homebutton)”。如果電容式傳感器被設(shè)計來模擬一排按鈕或為滾動邊界提供界標(biāo)，這種類似于盲文的凸點或許也很有用。

    另一方面，如果在日常操作中，用戶的手指頻繁滑過，就不應(yīng)該考慮采用盲文凸點。舉例說明，若一個電容式傳感器重要用于指針控制和導(dǎo)航，則不應(yīng)該使用盲文凸點。它會產(chǎn)生不愉快的用戶體驗，甚至可能反過來影響指示性能。

    對于需要手指點擊或手勢選擇的應(yīng)用來說，電容式傳感器的表面不應(yīng)該非常光滑。若表面極端光滑，手指比較潮濕或粘膩時就會粘在上面，或者是漏跳過，而稍微粗糙的表面有助于用戶手指的滑動。因此，如果傳感器在頂層，電容式傳感器的表面可以采用一層硬質(zhì)覆層來變得粗糙一些。

    對于傳感器位于塑料材料之下的那些設(shè)計，嵌入式設(shè)計人員應(yīng)該為感測區(qū)的塑料表面選擇不同質(zhì)地的材料。塑料外殼的其余部分表面可以比較光滑。當(dāng)用戶手指移動到感測區(qū)之外時，用戶會注意到質(zhì)地的改變。

    我們已開發(fā)出的電容式傳感器方案獨有的一個UI設(shè)計領(lǐng)域是控制處理的概念。除了各種處理按鈕輸入的方法之外，輕微的觸摸也可以激活使手指移動形象化的UI元素。這種UI元素(手勢)的例子包括滾動、拖曳、涂墨(用于繪畫或符號識別)，以及搖全景/縮放。對這些因素，重要的是考慮到UI設(shè)計的動態(tài)方面和前面描述的靜態(tài)問題。

    在按鈕設(shè)計方面，采用兩個重要機制來激活按鈕，點擊和壓按。點擊是短促的接觸(一般小于250毫秒)，不包含顯著的手指移動。由于用戶必須在短暫的時間內(nèi)接觸并離開按鈕，這種機制可以防止按鈕的意外激活。但對于給定的設(shè)備，這個手勢可能不容易被檢測到，故對新手或未經(jīng)培訓(xùn)的用戶來說，即使在大按鈕上進行有效操作也有困難。

    壓按是在按鈕區(qū)產(chǎn)生的一種接觸，并在按鈕區(qū)上(手指盡量不移動)的停留時間超過某個閾值(一般超過250毫秒)。對大多數(shù)用戶來說，這種機制都很容易執(zhí)行，建議使用頻率超過點擊。

    此外，還必需關(guān)注按鈕被“激活”后的后續(xù)動作。在激活后，按鈕應(yīng)該失效一個短暫時期，以防止“雙重激活”。對于滾動和基于其它移動的UI元素，強烈建議控制處理滯后。滯后意味著一旦在給定的UI元素中通過觸摸激活某個手勢，UI元素的活動邊界應(yīng)該放寬到最初圖案活動區(qū)之外，以適應(yīng)用戶手指移動的不準(zhǔn)確性。

    活動邊界的這種放寬應(yīng)該繼續(xù)延伸，直到手勢完成或直到手指移動到新的活動邊界之外。例如，對于滾動條，用戶首先在滾動區(qū)內(nèi)觸摸，激活滾動手勢。但一旦手指開始移動，UI就應(yīng)該繼續(xù)滾動，即使手指稍微移動到圖案滾動區(qū)之外也無妨，直到手勢終止。通常只要抬手離開傳感器或明顯移動到圖案滾動區(qū)之外就被視為手勢終止。

    在UI控制處理中加上滯后功能，只要實現(xiàn)正確，就會大大提高了設(shè)備的可用性，因為它最大限度地減小了用戶輸入不準(zhǔn)確的影響。此外，滯后還能夠在空間受限的設(shè)計中使圖案UI元素的間距更緊密。

    UI控制處理

    UI控制處理的最后一個方面是處理的穩(wěn)定一致性。由于對用戶來說基礎(chǔ)處理不透明，不易于進行可視交互，故特定控制裝置布局中的UI元素工作穩(wěn)定一致就變得十分重要。例如，控制裝置布局若把點擊激活的按鈕和壓按激活的按鈕混在一起，肯定會讓用戶感到混淆。此外，對激活區(qū)和滯后，UI元素的執(zhí)行應(yīng)該保持穩(wěn)定一致。

    雖然UI設(shè)計人員通常都很熟悉如何保持給定控制裝置布局的一致性，但維持一個設(shè)備上的不同控制裝置布局之間的一致性同樣很重要。一般而言，UI設(shè)計人員會讓針對不同應(yīng)用的控制裝置布局在可視方面保持相似，以保持一種特定的ID語言。

    不過，設(shè)計人員仍必須謹(jǐn)慎，需確保這種一致性在控制處理中也得以保持。亦即，隨設(shè)備上的控制裝置布局從一個應(yīng)用程序向另一個應(yīng)用程序變化，按鈕處理、滾動條功能性及其它UI元素應(yīng)該行為相似。 [!--empirenews.page--]

    由于設(shè)備的應(yīng)用程序可能由不同的開發(fā)人員編寫(甚至是不同的公司)，UI處理的一致性可能是一項相當(dāng)艱巨的任務(wù)，不同于看得見的外觀裝置，這可能更難完成。若控制處理缺乏一致性，那么，不論特定應(yīng)用設(shè)計得多么出色，或UI控制布局可能多么合理，用戶都將很快對設(shè)備的操作感到失望。

    其它設(shè)計考慮事項

    在設(shè)計中采用RTS的嵌入式設(shè)計人員往往依賴不同IC供應(yīng)商提供的各種支持性ASIC、ASSP，或分立式模擬/數(shù)字元件。大多數(shù)情況下，設(shè)計人員采用的電阻式屏幕、支持性IC和主軟件都分別來自不同的廠商，他們負(fù)責(zé)把設(shè)計拼湊在一起使其能夠有效工作。

    因此，他們經(jīng)歷的性能級別變化很大。如果RTS沒有得到正確的設(shè)計和實現(xiàn)，其性能可能下降，從極差到差強人意都有可能，因為它很容易受到一系列環(huán)境問題、噪聲和手指數(shù)據(jù)過濾等因素的影響。

    相反地，電容式傳感器接口設(shè)計被精確調(diào)整來支持專有的混合信號VLSIIC。這種系統(tǒng)方案為嵌入式設(shè)計人員提供了專門針對他們各自的電容式傳感器功能而量身定做的電路。這種高水平的計算可把模擬電容式測量結(jié)果轉(zhuǎn)換為穩(wěn)健的行為。

    除此之外，鑒于編程人員面對的并非理想的輸入系統(tǒng)，還從他們的角度對設(shè)計流程進行了簡化。利用電容式傳感器，編程人員接收經(jīng)過濾過的純凈數(shù)據(jù)。反之，利用RTS，他們就會擔(dān)心數(shù)據(jù)的過濾和平均問題，必需確保在報告的手指位置上沒有太大的噪聲。

    在為這種電容式傳感器平板供電的電子器件的中心，有一個專有的16位RTSC微控制器內(nèi)核。它的任務(wù)是管理和收集模擬測量結(jié)果、補償環(huán)境影響(比如電氣噪聲和溫度漂移)、計算手指位置和接近度、檢測移動和點擊手勢，并與主系統(tǒng)進行通信。

    在靜電釋放(ESD)保護方面，嵌入式設(shè)計人員大有宰獲，因為電容式傳感器是設(shè)計來安裝在透鏡或設(shè)備外殼之下。故而它對ESD事件來說是完全封閉的。若正確安裝，它的額定ESD超過±15千伏(KV)。另一方面，電阻式屏為±8KV，這使其更易受環(huán)境問題的影響。

    關(guān)于電容式傳感器的低功率工作，嵌入式設(shè)計人員有好幾種模式可供選擇。根據(jù)報告的手指數(shù)據(jù)，傳感器可以早在上電后100毫秒內(nèi)進入省電狀態(tài)。這些模式包括激活、待機、睡眠和深度睡眠。