觸摸產品的關鍵參數解析

Steve Kolokowsky Trevor Davis

對當前觸摸屏性能而言，影響最深遠的技術變革或許就是從電阻式觸摸屏到電容式觸摸屏的轉變。根據業界分析公司iSupply預測，截至2011年，近1／4的觸摸屏手機中將停止沿用電阻式技術，轉而采用電容式觸摸屏。Jeffries＆Co，亦預測電容式觸摸屏的出貨量在2010年將達到1-1.88億件。市場呈爆炸性發展很大程度上歸功于電容式觸摸屏技術所帶來的各種效益。

傳統的電阻式觸摸板在檢測到手指或觸控筆時，柔軟的透明頂層被下壓后，接觸到下方的導電材料層，之后觸碰到感應式電容屏幕，其本身沒有移動的部件。實際上，感應式電容感應硬件從上到下依次為玻璃材質的頂層、x與Y軸的元件以及覆蓋在玻璃基板上的氧化銦錫(ITO)絕緣層。一些感應器供應商推出的單層感應器，內含x與Y軸感應器和小型橋接器于一單層ITO之中。當手指或其他導體靠近屏幕時，就會在感應器和手指之間產生電容。雖然這一電容(約為0.5SpF)相對于系統其他電容(約為20pF)較小，不過仍有幾種技巧可以測量出此電容。其中一種技巧就是運用賽普拉斯半導體公司開發的TrueToueh元件，快速給電容充電，再通過泄漏電阻來測量放電時間。

這種全玻璃的觸摸表面，在整個屏幕上帶給用戶光滑流暢的觸感。終端產品制造商亦偏愛玻璃屏，因為玻璃屏幕讓終端產品擁有線條美麗的工業設計感，并能為觸摸檢測提供良好的電容式信號。不過，歸根結底，觸摸板的外觀只是原因之一，而其運作模式也相當重要。要想用觸摸屏實現出色的性能，首先需要了解一些關鍵的參數。

精確度一一精確度是指“觸摸屏預定義區域上的最大定位誤差，以實際手指位置和報告手指位置之間的直線距離為單位來衡量”。

精確度是通過模擬手指或機械手指來測量的。首先把手指放在面板的確切位置上，然后將實際手指位置與報告手指位置進行比較。精確度極為重要。用戶希望系統能夠正確定位手指。電阻式觸摸屏的最大缺陷之一就是精確度低且精確度會隨時間的推移逐漸減弱。而電容式觸摸屏的高精確度使虛擬鍵盤以及無需觸控筆的手寫辨識等新型應用成為現實。例如，圖1顯示一個結構不完整的觸摸板數據，顯示手指位置有游移的現象，然而模擬手指實際上是進行直線的移動。

手指間距——手指間距的定義是“觸摸屏控制器可以報告的兩個手指放在觸摸屏上時手指中心之間的最小距離”。手指間距測量方法，是將兩個模擬或機械手指置于面板上并對向運動，直至系統報告兩個手指為一個手指為止。有些觸摸屏供應商規定手指間距為邊緣至邊緣的距離，有些則規定為中心點之間的距離。10mm機械手指的10mm手指間距，意味著有雙手指觸摸到觸摸屏，或是手指間距為10mm，實際情況根據觸摸屏控制器的規格定義而定。

若沒有良好的手指間距，就無法設計出真正的多點觸摸解決方案。手指間距對虛擬鍵盤尤為重要，因為這種情況下屏幕上的兩個手指間距通常很短。

響應時間——響應時間的定義是“觸摸屏上手指接觸時間和觸摸屏控制器生成中斷信號之間的時間”。測量方法是以電子刺激、模擬手指動作、或者向面板上物理移動模擬手指。響應時間非常重要，因為它直接影響用戶在屏幕上移動手指的速度，進行“平移”或“輕彈”等操作，以及用手指或筆在屏幕上書寫。響應時間緩慢的觸摸板，會有短暫停頓和檢測不到移動動作的情況。觸摸屏的響應時間是系統響應時間的組成部分，其中包括：

·x／Y軸向掃描：觸摸控制器掃描和測量感應器上電容變化所需的時間。

·手指檢測：比較觸摸板上的電容變化和預定義的“手指閾值”。若變化幅度超過手指閾值；就會檢測到手指的觸摸。

·手指位置：根據多個感應器得到的結果進行推算，確定手指的確切位置。

·手指跟蹤：當感應器上放置多個手指，每個手指必須正確識別并分配唯一的標識符。

·中斷延遲：主機上中斷顯示和中斷服務之間的延遲。大多數系統中，中斷延遲都小于100μs。

·通信：一般系統在400kHz時使用I²c，或在1MHz時使用SPI接口與主機通信。

有幾種方法可用來縮短響應時間，關鍵在于觸摸控制器IC的智能化程度。如比較有創意的方法，僅需掃描部分屏幕即可檢測到手指位置，一旦檢測手指后，就能快速掃描，計算出手指實際的“位置”，從而節約功耗和時間。另一種方法就是并行處理，即使用不同的硬件同步進行掃描、手指處理和通信。采用高度優化的算法進行手指檢測、手指定位和手指ID，能縮短處理時間，進而縮短響應時間。

刷新率——手指出現在觸摸屏時，觸摸屏數據兩個相連幀在數據緩沖中保持可用的時間。刷新率偏低會導致動作抖動，移動線路也會變成不連續的線段，而不是流暢的曲線。如果觸摸板的刷新率較高，就能提供更多數據點，可實現平滑或完整的形狀或動作軌跡。高刷新率還能改進手勢的解譯功能。賽普拉斯的TrueTouch等智能觸摸屏控制器產品可根據系統要求調節刷新率。繪畫或手寫應用需要高刷新率，而手機撥號鍵盤只需在按鈕按下或釋放時中斷主機即可。

平均功耗——觸摸系統的平均功耗包括控制器IC的掃描時間、處理時間、通信時間和休眠時間等因素，也包括主機處理器接收和解譯觸摸數據等因素。

功耗似乎是一個簡單的性能參數：測量設備使用的電流，再乘以電壓，就推算出功耗。在觸摸板的功耗方面，需要更復雜的計算公式，因為不同使用模式會產生不同功耗。手機的待機時間取決于觸摸屏的“待機”或“深度休眠”模式消耗的電流。即便觸摸屏在工作狀態下，也能采用幾種不同模式，如“觸摸喚醒(WOT)”、“觸摸”和“面頰檢測”等。如在一個5分鐘的通話中，正在搜索或輸入電話號碼時，手機可能切換至觸摸模式達10秒，之后再切換至提醒通話時的WOT模式或面頰檢測模式。即便發送文本短信(SMS)時，仍是混合WOT模式和實際手指接觸，控制器IC會根據用戶的輸入和思考間隙在休眠模式和工作模式之間切換。

如果不考慮上述功耗模式，可能會被系統節電性的宣傳所迷惑。在幾乎所有情況下，觸摸屏90％-99％的時間都處于“面頰檢測”模式和“觸摸喚醒”模式。一些系統甚至在手指接觸面板時也允許用戶自行設定處理時間和休眠時間的比例。如果系統只需報告“手指在相同位置保持不動”，那么就無需高達200Hz的刷新率。為了開發高性能觸摸屏，必須運用休眠模式的低功耗系統，同時搭配創造的休眠和喚醒模式。

系統設計人員在設計電容式觸摸屏系統時還必須考慮一些其他重要因數。

手指電容——是指手指與單一感應器元件之間測量到的電容。測量手指電容時，是用真實手指而不是金屬的機械手指，以確保測得符合實際狀況的數據。影響CF的因素包括覆蓋上層的透鏡厚度及覆蓋透鏡材料的介電常數。

系統固有噪聲電平——是指電容到數字轉換器輸出端所測量到噪聲，是數據轉換器輸入(電容)值。

信噪比(SNR)——是指感應器測量到的手指信號除以觀察到的噪聲測量值。這不僅是一個結合上述兩項數值的重要縮寫名詞，但我們必須認識到，要想設計出高效的觸摸板，系統必須能夠容納、調適及濾除移動系統中的寄生噪聲。為了觀察高信號數和極少的噪聲數，應該針對觸摸功能考慮采用準確的模擬前端元件。

賽普拉斯的TrueTouch系列等可編程解決方案能為噪聲過濾提供出色的機制。賽普拉斯的PSoC可編程模擬器件經過再配置，可整合持續一段時間內的信號，藉此濾除噪聲。不同的信號頻率，包括擴頻和偽隨機頻率都能用來避免電磁干擾(EMI)。標準的數字濾波器能移除1～2位信號抖動或提供類似于IIR的低通濾波器。智能數字濾波器可刪除相對于面板附近區域檢測到的樣本不正常的樣本。智能濾波器僅受限于系統設計人員的創意。圖3顯示了器件的固有噪聲電平及檢測到的觸摸行為，在本例中，SNR為5。

了解和掌控關鍵的觸摸屏性能參數，就能大幅改進觸摸屏的設計。了解這些參數，亦有助于我們選擇理想的設計合作伙伴，這些合作伙伴擁有適當的技術，能妥善處理移動消費產品中未知的噪聲和電氣問題。

觸摸屏的優勢在于其外觀簡單的設計風格。在取代笨拙的按鈕、滾動球或不易讀的屏幕后，觸摸屏帶來一種能給用戶創造快樂使用體驗的全新操作模式。不過，觸摸屏面臨的難題在于，要想推出一款美觀簡潔的設計，必須使用一流的軟硬件和精密的制造技術。掌控觸摸屏的要點、重要的設計參數、關鍵的觸摸屏性能參數以及觸摸屏設計中需衡量取舍的因素，是開發震撼市場的觸摸屏的第一步。我們期待著您的觸摸屏產品早日推出!