基于觸摸按鍵的手寫板設(shè)計(jì)

龍小翠，余小平，陳起傳

（成都理工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610059）

傳統(tǒng)手寫板[1]有電阻式、電容式、電磁壓感式3類。電阻與電容式手寫板分別通過(guò)阻值和容值的改變來(lái)判定用戶輸入；電磁壓感式通過(guò)手寫板上電后，表層電路在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生的磁場(chǎng)與手寫筆中產(chǎn)生的磁場(chǎng)形成互感完成對(duì)用戶輸入的檢測(cè)[2]。3類手寫板都結(jié)合觸摸屏作輸入設(shè)備，難免有不能承受重壓、耐磨性差、成本高的缺點(diǎn)。而直接在PCB上利用焊盤設(shè)計(jì)觸摸按鍵構(gòu)成手寫板，實(shí)現(xiàn)電容式觸摸手寫輸入[3]，彌補(bǔ)了觸摸屏輸入在一些簡(jiǎn)單手寫輸入環(huán)境中的限制。

PCB板上手寫板觸摸按鍵區(qū)域的設(shè)計(jì)，借鑒矩陣鍵盤的結(jié)構(gòu)方式[4]。主控制器使用較少的I/O資源就可以實(shí)現(xiàn)手寫板檢測(cè)[5]。控制器通過(guò)行列掃描手寫觸摸板上的觸摸按鍵，并記錄下各個(gè)觸摸點(diǎn)狀態(tài)，從而得到用戶輸入信息的二值圖像。

1 單觸摸點(diǎn)準(zhǔn)確檢測(cè)

1.1 觸摸按鍵電容分布

電容式觸摸按鍵的檢測(cè)是通過(guò)一個(gè)張弛振蕩器來(lái)完成的，當(dāng)有觸摸動(dòng)作時(shí)按鍵電容值變大，張弛振蕩器的振蕩頻率減小。主控制器通過(guò)檢測(cè)張弛振蕩的頻率變化判定是否有觸摸動(dòng)作發(fā)生。

圖1 觸摸按鍵電容分布圖Fig.1 Capacitances of touch key

觸摸按鍵電容分布如圖1所示，無(wú)觸摸時(shí)按鍵等效電容為C1=Cg//Cp//Ctr//Ce；而有觸摸時(shí)按鍵等效電容為C2=C1//Cto。所以有觸摸時(shí)按鍵的張弛振蕩電容相對(duì)于無(wú)按鍵時(shí)變大，按

1.2 固定時(shí)間門變電極振蕩按鍵檢測(cè)

由于當(dāng)有觸摸動(dòng)作發(fā)生時(shí)按鍵等效電容變大，所以在固定時(shí)間內(nèi)按鍵的脈沖個(gè)數(shù)變小。從而通過(guò)檢測(cè)兩種情況下脈沖個(gè)數(shù)可以判斷有無(wú)觸摸動(dòng)作發(fā)生。固定時(shí)間門變電極振蕩的方式[6]原理如圖2所示。

圖2 固定時(shí)間門變電極振蕩Fig.2 RO measurement timing diagram

分別記錄等時(shí)間門Tgate內(nèi)有無(wú)觸摸時(shí)的張弛振蕩器脈沖個(gè)數(shù)，可以得到脈沖個(gè)數(shù)的相對(duì)變化率為：

將η與參考相對(duì)變化率η0作比較就可以判斷有無(wú)觸摸動(dòng)作。 當(dāng) η＞η0時(shí)，說(shuō)明電容明顯增加，有觸摸動(dòng)作；當(dāng) η＜η0時(shí)，說(shuō)明電容變化不明顯，沒(méi)有觸摸動(dòng)作。所以參考值η的值選取非常關(guān)鍵，直接決定了觸摸按鍵的靈敏度和準(zhǔn)確性。

1.3 單個(gè)按鍵檢測(cè)的自適應(yīng)算法

由于空氣濕度、密度以及PCB上電路環(huán)境等因素的不穩(wěn)定，沒(méi)有按鍵按下時(shí)C1并非固定不變的，而存在一定的波動(dòng)。 所以，若 Key_LVL=N無(wú)按鍵－N有按鍵值選取太小，即 η0的選取太小，那么N無(wú)按鍵的變化就可能誤判成有觸摸動(dòng)作；而Key_LVL的值選取過(guò)大，即η0大于有輕微觸摸動(dòng)作時(shí)的相對(duì)變化率，那么可能使觸摸動(dòng)作發(fā)生時(shí)不能被檢測(cè)到，影響按數(shù)時(shí)間，T張弛振蕩周期，則Key_LVL的表達(dá)式如下：

其中 ΔM[i（i－1）]o是每次判斷參考的修正值，ΔM[i（i－1）]o是前兩次得到的 Key_LVL 作差所得的 ΔMi（i－1）。 然而這種較少的比較結(jié)果的修正效果并不理想，受環(huán)境變化影響較大。于是記錄前7次的Key_LVL值，并將相鄰兩次Key_LVL值做差，得到 6 次加權(quán)的差值，所以 ΔM[i（i－1）]o的修正如下：

其中 Ci－n是加權(quán)系數(shù)，表示各次比較的差值在 ΔM[i（i－1）]o中所占權(quán)重。 為了適應(yīng)環(huán)境的改變，Ci－1…Ci－6依次減小，通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試， 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選取 Ci－1=0.4，Ci－2=0.2，Ci－3=0.1，Ci－4=0.1，Ci－5=0.1，Ci－6=0.1，可使參考 η0自動(dòng)調(diào)整，減小環(huán)境因素的影響。根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)測(cè)量設(shè)計(jì)中取η0=10%，可以較為準(zhǔn)確的檢測(cè)到觸摸動(dòng)作。

2 PCB上的手寫板設(shè)計(jì)分析

在固定大小的PCB板上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)電容式手寫板時(shí)，基本單元觸摸按鍵是由兩個(gè)分開的焊盤通過(guò)行列導(dǎo)線連接到控制器的兩個(gè)I/O口上構(gòu)成。手寫板設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮按鍵分辨率、觸摸按鍵的尺寸、按鍵與按鍵之間的距離、按鍵與控制器之間導(dǎo)線的長(zhǎng)度和布線等因素。這些參數(shù)的選取都會(huì)影響到手寫板上用戶輸入信息檢測(cè)的準(zhǔn)確性。下面就分析每個(gè)因數(shù)對(duì)手寫板的輸入檢測(cè)的影響程度，從而在PCB手寫板設(shè)計(jì)選擇合適的參數(shù)實(shí)現(xiàn)手寫板的硬件設(shè)計(jì)。

2.1 按鍵分辨率與按鍵大小分析

手寫板上按鍵的分辨率直接影響手寫板對(duì)用戶輸入信息的檢測(cè)，分辨率越大手寫板對(duì)用戶信息的獲得的數(shù)字圖像越準(zhǔn)確，反之準(zhǔn)確性越差。而手寫板大小確定后，手寫板上按鍵的分辨率與單個(gè)按鍵的面積呈反比的關(guān)系。而人體的觸摸電隨著按鍵面積的減小而減小[8]。如果按鍵面積太小，觸摸電容很小，觸摸時(shí)的脈沖個(gè)數(shù)相對(duì)變化率小于η0，導(dǎo)致觸摸板不能檢測(cè)到按鍵的觸摸動(dòng)作；反之，觸摸按鍵的面積過(guò)大，不僅會(huì)使手寫板的分辨率減小，影響到手寫板對(duì)用戶輸入信息檢測(cè)的準(zhǔn)確性，而且還可能使手寫板出現(xiàn)觸摸盲區(qū)，遺漏用戶手寫輸入的信息。

在面積大小為10 cm×10 cm的PCB板上，利用焊盤制作尺寸不同的矩形觸摸按鍵時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得按鍵在有無(wú)按鍵時(shí)的張弛振蕩脈沖數(shù)，如圖3所示。

圖3 按鍵分辨率和按鍵尺寸關(guān)系圖Fig.3 The relationships key resolution and size

從圖3中可以看出隨著按鍵面積的變化，用戶觸摸時(shí)產(chǎn)生的觸摸電容基本不變，但是電容C1和單個(gè)按鍵檢測(cè)的脈沖相對(duì)變化率減小。所以觸摸板的分辨率不能一直提高，當(dāng)分辨率提高到某個(gè)點(diǎn)時(shí)，觸摸動(dòng)作產(chǎn)生時(shí)檢測(cè)到的計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)相對(duì)變化率η＜η0，從而無(wú)法判斷此時(shí)的觸摸動(dòng)作。因此，為了選擇一個(gè)相對(duì)較高的分辨率，并且保證η＞η0。此設(shè)計(jì)中手寫板中單個(gè)觸摸按鍵的尺寸選擇為8 mm×8 mm，此時(shí)的脈沖相對(duì)變化率為12.3%＞η0，可以檢測(cè)到觸摸動(dòng)作。所以在10 cm×10 cm的手寫板上按鍵分辨率選取8×8比較合適。

2.2 按鍵焊盤傳輸導(dǎo)線長(zhǎng)度分析

傳輸導(dǎo)線給觸摸按鍵帶來(lái)寄生電容隨著傳輸線的距離的變化關(guān)系如下式：

其中D為導(dǎo)線到地線的距離，d為導(dǎo)線的直徑，L為導(dǎo)線的長(zhǎng)度，ε0為真空介電常數(shù)。可以看出隨著PCB板上制作的觸摸按鍵到控制器的導(dǎo)線越長(zhǎng)，則傳輸線電容越大。如圖4所示，為兩個(gè)面積大小為8 mm×8 mm觸摸按鍵0和1，在有無(wú)觸摸動(dòng)作發(fā)生時(shí)，所測(cè)得的脈沖個(gè)數(shù)和有無(wú)觸摸動(dòng)作時(shí)的脈沖個(gè)數(shù)差值隨導(dǎo)線長(zhǎng)度變化的曲線。

圖4 按鍵焊盤導(dǎo)線長(zhǎng)度與觸摸電容的關(guān)系Fig.4 The wire length of pad and touch capacitances relationship

從圖4可以看出觸摸按鍵0和1的脈沖個(gè)數(shù)隨著導(dǎo)線長(zhǎng)度的增加基本上成線性減小的關(guān)系，這也滿足式（5）的關(guān)系。而觸摸動(dòng)作發(fā)生時(shí)，變化的脈沖個(gè)數(shù)隨導(dǎo)線據(jù)長(zhǎng)度的增加基本保持在一個(gè)水平，所以隨著導(dǎo)線長(zhǎng)度的增加脈沖個(gè)數(shù)的相對(duì)變化率η也增加，但是不論導(dǎo)線的長(zhǎng)度是多少都滿足η＞η0的觸摸動(dòng)作判決條件。

所以，PCB手寫板的焊盤的導(dǎo)線長(zhǎng)度對(duì)于人體接觸的觸摸電容檢測(cè)并不會(huì)產(chǎn)生明顯的影響。因此在大小為10 cm×10 cm左右的PCB板上設(shè)計(jì)電容式手寫板，焊盤導(dǎo)線長(zhǎng)度對(duì)于手寫板的觸摸檢測(cè)不會(huì)產(chǎn)生明顯的影響。

2.3 手寫板上按鍵自由空間耦合電容分析

在觸摸板上觸摸按鍵和矩陣鍵盤的排列方式一樣，行列導(dǎo)向成垂直走向。觸摸按鍵之間的距離會(huì)引起橫向和縱向按鍵的耦合電容產(chǎn)生明顯的變化。PCB手寫板設(shè)計(jì)需要找出橫向和縱向按鍵之間的距離對(duì)按鍵電容量影響的變化規(guī)律。從而設(shè)計(jì)觸摸按鍵時(shí)，確定按鍵之間應(yīng)該預(yù)留的距離，使得一個(gè)按鍵觸摸動(dòng)作發(fā)生時(shí)，對(duì)周圍按鍵的影響最小，從而提高手寫板對(duì)手寫輸入信息檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

如圖5所示為手寫板中4個(gè)不同位置的觸摸按鍵發(fā)生觸摸動(dòng)作時(shí)，對(duì)x方向和y方向的觸摸按鍵的影響測(cè)量數(shù)據(jù)曲線圖。從圖中曲線可以看出手寫板上觸摸點(diǎn)在x和y方向上，0到10 mm內(nèi)成二次曲線快速的衰減，而在距離大于10 mm之后平緩的減小。說(shuō)明在這種按行列式排列的觸摸按鍵組成的手寫板，要減小有觸摸動(dòng)作的按鍵對(duì)周圍按鍵的影響，在橫向和縱向按鍵之間的距離盡量的要保持在10 mm以上。從而在進(jìn)行手寫動(dòng)作時(shí)，使被觸摸點(diǎn)對(duì)周圍按鍵的影響較小，盡可能的降低手相互影響產(chǎn)生不準(zhǔn)確。

圖5 觸摸點(diǎn)在x和y方向的觸摸影響Fig.5 The effect by touch on direction of x and y

2.4 手寫輸入實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究分析在PCB板上利用焊盤制作的觸摸按鍵構(gòu)成的手寫板的主要影響因素。確定在10 cm×10 cm的PCB板上制作分辨率為8×8的觸摸手寫板，每個(gè)觸摸按鍵制作成大小為8 mm×8 mm，行列之間的相互距離為2 mm的合適的參數(shù)后。在PCB上制作實(shí)現(xiàn)手寫觸摸板，控制器通過(guò)掃描橫向和縱向的I/O口觸摸電容對(duì)應(yīng)的張弛振蕩脈沖數(shù)，計(jì)算出每個(gè)按鍵的脈沖數(shù)相對(duì)變化率，并與選取的相對(duì)變化率進(jìn)行比較，確定每個(gè)觸摸按鍵的狀態(tài)組成一幅數(shù)字圖像。如圖6所示，是PCB上手寫板采集到的手寫輸入‘8’和‘S’時(shí)的二值數(shù)據(jù)圖像。

從圖6可得，PCB制作完成的觸摸手寫板可以較為準(zhǔn)確的得到用戶的手寫輸入數(shù)據(jù)的二值圖像。進(jìn)而，通過(guò)圖像識(shí)別算法對(duì)二值圖像進(jìn)行處理實(shí)現(xiàn)手寫字符識(shí)別，判斷出手寫板用戶輸入的字符信息，實(shí)現(xiàn)用戶的手寫輸入。

圖6 用戶輸入信息二值圖像Fig.6 The binary image of touch input

3 結(jié) 論

觸摸按鍵手寫板設(shè)計(jì)采用電容觸摸的原理，在PCB上利用焊盤制作觸摸按鍵來(lái)設(shè)計(jì)手寫板輸入設(shè)備。在實(shí)現(xiàn)了單個(gè)觸摸按鍵準(zhǔn)確檢測(cè)的基礎(chǔ)上，分析了在PCB上制作手寫板制作時(shí)，單個(gè)觸摸按鍵尺寸、按鍵到控制器的距離對(duì)手寫檢測(cè)的影響，以及在PCB上按鍵垂直布線時(shí)，按鍵橫向和縱向距離對(duì)檢測(cè)效果的影響。最后通過(guò)分析選取合適的參數(shù)，在10 cm×10 cm的PCB上實(shí)現(xiàn)手寫板制作，并得到較為準(zhǔn)確的手寫輸入字符的數(shù)字二值圖像，完成了在PCB板上手寫板的硬件設(shè)計(jì)。但是獲得二值圖像并沒(méi)有完成手寫板設(shè)計(jì)的全部任務(wù)，二值圖像的識(shí)別還需要借鑒圖像識(shí)別算法完成。

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