應用于電容筆的雙協議切換方法

梁啟權

（深圳市匯頂科技股份有限公司 廣東省深圳市 518048）

觸摸屏上寫字劃線主要通過手指和主動筆實現，由于手指較粗，很難進行小字書寫和快速劃線，其點擊屏幕的精度也不高。主動筆筆尖較細，且筆尖帶壓感信息，可以在屏上精確點擊和類似鋼筆的帶筆鋒書寫。在電容屏中支持電容筆功能，無需增加硬件成本，只需修改軟件即可實現對主動筆的支持，此特征增加了智能終端廠商推廣主動筆的意愿。

主動筆書寫時，屏檢測主動筆在屏中的坐標，同時接收主動筆的筆尖壓力信息，智能終端結合主動筆的坐標信息和壓力信息輸出筆跡，實現主動筆在屏中劃線或書寫。在主動筆和屏交互時，主動筆按時序進行高壓信號的打碼，該打碼信號用于屏進行主動筆坐標定位和壓力編碼信息解碼。屏需按時序對主動筆進行采樣且按頻點解析，才可以正確解析到筆的信息。故各個廠家都制定主動筆協議，用于約定屏筆交互的流程、時序、頻點等信息。目前應用比較廣泛的主動筆協議有微軟制定的MPP 協議和谷歌主導的USI 協議。

1 觸摸屏檢測原理

主動筆筆尖電極輸出用于坐標定位和壓力編碼的高壓打碼信號，屏端的驅動感應通道電極接收來自筆的打碼信號，實現主動筆在屏中的坐標定位和編碼解析。主動筆發送信號可以為方波、正弦波或三角波等，實際使用的頻率可以為幾十KHz 到幾百KHz 之間。

如圖1所示，觸摸屏感應層包含了驅動通道Y 和感應通道X。當觸摸屏檢測主動筆的坐標或者編碼信息時，由筆尖電極發出信號，主動筆與驅動通道、感應通道之間都會有存在耦合電容，信號經過耦合電容耦合到通道上，再由觸摸控制器的感應電路來檢測主動筆信號，此時觸摸屏的驅動通道與感應通道都會連接到觸摸控制器的感應電路上。在此檢測過程中，觸摸控制器只接收信號，不發出驅動信號。觸摸屏檢測到的筆端信號，可以實現坐標定位和編碼信息的解碼。同時觸摸屏可整屏打出編碼脈沖，主動筆接收來自屏的編碼脈沖，實現觸摸屏到筆的通信。

圖1：觸摸屏檢測原理圖

圖2：微軟MPP1.51 協議示意圖

圖3：帶上行協議示意圖

圖4：上行編碼示意圖

圖5：位編碼系列

2 典型主動筆協議

2.1 循環打碼協議

MPP1.51 協議為典型的循環打碼協議，主動筆循環的進行打碼輸出。如圖2 為微軟MPP1.51[1]協議示意圖。由于筆端循環打碼而不修改時序，故需觸摸屏進行同步實現觸摸屏與筆的正常交互。同步后屏在固定時序上采樣主動筆信號即可得到坐標及編碼信息。在循環打碼協議下，主動筆只打碼而無法接收信號，即只能實現觸摸屏到筆的單向通信。

其各段的意義如表1，其中Beacon 固定輸出，用于坐標定位；Digital 段有壓力或按鍵才輸出，按鍵按下時優先輸出，無按鍵時用于傳輸筆ID 和筆電量信息；Pressure 段用于有壓力時傳輸壓力，其通過調頻的方式用不同的頻率表示不同的壓力等級。

2.2 帶上行協議

圖6：循環打碼下上行檢測示意圖

圖7：循環打碼模式切換協議邏輯

圖8：帶上行協議切換邏輯

谷歌制定的USI[1]協議是典型的帶上行協議,此協議下屏定期輸出上行信號，其上行信號包含筆下行打碼信號的格式及頻率信息；當筆收到屏發送的上行命令后，按上行命令規定的打碼格式進行打碼，筆未收到正確的上行信號時不打碼。

如圖3，筆在不打碼時進行檢同步，屏周期性的輸出上行信號。當筆靠近屏時，筆可以檢測到屏的上行同步信號，解析同步信號得到打碼格式信息并經延時后進行打碼。屏在打出同步信號后經延時進行采樣，即可得到坐標和編碼信息。其屏輸出的同步信號可以包含多位編碼，用于告知屏打碼格式和打碼頻率等信息，筆的打碼信號也可以通過調幅、調頻方式向屏發送編碼，實現觸摸屏與筆之間的雙向通信。

屏打出的同步信號由多位數字組成，每位數字用一定長度的編碼脈沖表示，每個脈沖占用固定的時間，如圖4 為n 位編碼示意圖，可根據協議需要定義各個位的意義，實現觸摸屏到筆的命令傳輸，如筆的編號、筆坐標打碼長度、筆數據編碼長度、筆打碼頻率等。

表1：MPP1.51 協議各段意義

表2：協議切換主要指標

上述每一個數據位，采用二進制編碼，分別用兩種不同的脈沖序列表示。圖5 給出一種二進制編碼系列的示例，位1 用0x98E1F28A 表示,位0 用：0x671E0D75 表示，每個編碼脈沖長度為32us，每個脈沖為1us，則一位占用的時間為32us。通過脈沖系列解碼，筆端可以識別到編碼信息，進而識別帶上行協議。

3 雙協議切換方法

3.1 協議切換原理

如圖6所示，主動筆按循環打碼協議時序輸出打碼信息，并在非打碼時序上進行上行信號檢測，此時主動筆可在支持循環打碼協議的觸摸屏屏上劃線。當筆靠近屏時，筆無法保證每個周期都可以檢測到正確的上行信號。當屏的上行正好在筆非打碼時序上時，則筆可以收到屏的上行信號，如圖6 的時序3；當屏的上行有部分或者完全與筆打碼時序重疊，則筆無法接收到上行信號，如圖6 中的時序1 和時序2。

當筆在無上行信號的屏上寫字劃線時，其不會收到正確的上行信號，此時繼續保持循環打碼協議的輸出；當筆靠近有上行的屏時，筆會收到正確的上行信號，此時可根據檢測上行信號正確次數特征切換到對應的帶上行協議。

圖7 為循環打碼協議切換到帶上行協議的切換邏輯，當無上行信號時，筆按協議循環打碼，同時檢測上行，此時主動筆保持工作在循環打碼模式下。當檢測到正確的上行且正確次數大于n（n>0）次時，表示筆靠近帶上行協議的屏，則切換到帶上行的打碼協議，實現循環打碼協議到帶上行協議的自動切換。

圖8 為帶上行協議切換到循環打碼協議的切換邏輯，在上行協議模式下，主動筆可在支持上行協議的屏上劃線。筆有壓力時，統計上行錯誤或無上行的次數，當其次數大于m（m>0）時,則表示當前主動筆是在非上行協議屏上書寫，則切換到循環打碼協議，實現帶上行協議到循環打碼協議的切換。

3.2 雙協議切換體驗

為了驗證雙協議切換的體驗，采用匯頂科技的GP850 主動筆芯片，開發同時支持USI 和MPP1.51 協議的主動筆，并按照3.1節的方法實際協議切換邏輯。采用微軟的Surface pro 7 和谷歌的PixelBook 進行協議切換體驗測試，其主要指標如表2。

實測中，大部分情況的切換時間小于150ms，可實現用戶無明顯感覺的協議切換。在2020年1月6日美國拉斯維加斯CES 展覽期間，匯頂科技將該雙協議方案進行展覽，得到各方的認可和肯定。

4 結論

本文分析了電容屏與主動筆的交互原理，介紹典型循環打碼協議MPP1.51 和典型帶上行協議USI 的特征，并根據兩個協議的特征提出帶上行協議和循環打碼協議自動切換的方法。實測表明，該方案可保證在較大干擾的情況下不誤切換，可在用戶幾乎無感覺的情況下進行快速協議切換，很好的滿足了一筆多用的用戶體驗要求。