瘦身計劃：減少微控制器使用的電容式觸摸屏控制器案例分析

摘要：本文介紹如何利用新的傳感器技術讓電容式觸摸屏控制器應用中更具成本效益，從而逐漸取代電阻式觸摸屏。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/170155.htm

關鍵詞：傳感器；電容式觸摸屏；微控制器；電阻式觸摸屏

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.10.003

觸摸屏無處不在！盡管檢測觸摸動作的方法已經發展了數年時間，但直到最近它們才又恢復了生機，因為一些老技術得到重新開放和重生（我正在研究光學觸摸）。觸摸屏正不斷進入到我們的家庭和日常消費類設備中。為什么這么說？看看運行安卓系統的最新、最偉大的數碼相機吧。除玩“憤怒的小鳥”游戲以外，您還可以用它們照相。噢，您想要外出旅游吧！不管這些新應用是如何變得普遍流行的，當您拿出您的消費類顯微鏡觀察牛排被油炸過后發出嘶嘶聲的原因，并對其進行分析時，您就會明白新技術所帶來的這些巨大進步。

憑借其巨大的出貨量與其一年一次的變化，移動市場大大拓展和發展了觸摸屏控制技術。毫無疑問，對于廣大消費者而言，觸摸屏技術邁出的第一步是電阻式觸摸技術。它的手寫功能為文字輸入帶來了一種全新的方法。在今天的社會中，手寫輸入已經和知道如何“正確”地在星巴克點單一樣，成為您社會地位的無言象征。如果您不知道這種技術，那么您就過時了。電阻式觸摸技術曾在移動市場占有“王座”的地位，直到最近才被其新出現的“篡位者”打敗：電容式觸摸 （cap touch） 屏控制。最初使用時，這種技術為一種專有技術，但之后越來越多的公司看到了它的好處，開始屈身致力于這種技術的開發工作。那么，它有什么特別之處呢？讓我們來深入研究電容式觸摸技術及其成熟過程和各種版本情況。

第一次實現的電容式觸摸一次只能識別一個觸摸動作。畢竟，這正是電阻式觸摸屏所能實現的。那么，為什么我們需要同時多點觸摸呢？這種單一固有電容僅監控一個檢測通道的接地電容值。當人們渴望擁有多點觸摸時，一種新的方法出現了。在這種情況下，表面電容或者僅固有電容形成幻影效應（請參見圖1）

為了解決這個問題，我們使用互電容概念來監控每排和列之間組合的電容值。這種方法讓系統擁有更高的精確度，但是搜索數從算數搜索變為幾何搜索。現在比較排數*列數和排數+列數（參見圖2）。

這些基本的觸摸檢測系統，演化出了手勢識別、對象拒絕和其它功能。最初，這些功能要求更多的功耗，因此觸摸設計人員使用現有微控制器，并對必要模擬工具進行一些改進，以應對開發工作。他們可能完成了工作，但這是最為有效的方法嗎？未必。經常有人告訴我，您不必最優秀，只需比競爭者好便可。

談及人生安全時，就會講到從眾心理。但在商界，隨大流并不總是能讓您獲得成功。新技術和新方法總是層出不窮。就電容式觸摸屏而言，使用集成微控制器可以實現您的目標，但付出的代價是什么呢？集成FLASH和RAM會推高功耗和資金成本。另外，使用觸摸屏的系統通常都已經集成了某種嵌入式控制器，用于滿足完成觸摸計算或者復雜觸摸識別的要求。實際上，研究今天的市場發展趨勢就可以發現，應用處理器正在塑造其自有專用觸摸引擎。為什么會出現這種情況呢？

原因是系統優化。為什么要使用冗余元件呢，因為這樣可以：1）節省資金；2）減少對便攜式設備充電的次數。換句話說，你可以與朋友擁有更長的通話時間，或者多看一部電影。因此，觸摸屏控制器公司們開始紛紛跟進。它們研究特殊需求，開發出基于模擬前端（AFE）的投射電容式觸摸屏控制器。

當開啟使用嵌入式微控制器和使用數字狀態機（或基于AFE的設計）的觸摸IC時，會出現什么情況呢？

圖3使用應用處理器（淡灰色）的平均功耗，對比使用嵌入式MCU（3a：深灰色）的觸摸IC以及使用數字狀態機（3b：紅色）基于觸摸IC的AFE工作模式的功耗

圖3表明，應用處理器運行時兩種方法都有噪聲，但是，如果我們關閉應用處理器的結果如何呢？

這里是一個完全不同的情況。現在出現的是數量級的差異：<0.1mW vs<10mW。圖4清楚地表明，相比基于AFE的設計（圖4b），在更長一段時間內，集成MCU觸摸屏控制器（圖4a）額外硬件的功耗更多。考慮到設備在90%時間里通常都處在上述狀態下時，這種情況便更具意義。這種AFE型設計的低功耗創新可給系統添加諸如雙擊喚醒等新功能。

我們從功耗的角度，為您說明了只能使用基于AFE解決方案的合理性。您是否在想，如果沒有MCU，你將更加依賴于應用處理器，這樣會不會讓其負擔過大呢？下面讓我們來看看，是否會出現這種情況。

總結

我們討論了基于AFE設計的諸多好處，但請注意，這種構架并非為一種萬用靈藥。與其它構架一樣，它也存在一些不足。經驗證，它確實可以降低功耗和成本，但由于閃存集成于嵌入式/應用處理器中，因此系統更新稍微有些復雜。對系統進行較大改動時，需要更新驅動器，并且通常要修改系統代碼。因此，如果您使狀態機過載，則所有原始數據“殺手锏算法”都需要安全措施—如果您不希望它們開源的話。每一種情況均不同，每一個設計人員都有其自己想要實現的價值以及需要考慮的事項。諸如TSC3060等基于AFE的電容式觸摸屏控制器，是降低成本和延長電池使用時間的低功耗型設計的一種可行方法。