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使多点触摸屏超越智能手机范畴的控制IC

Margery Conner?? EDN高级技术编辑?? 2012年06月29日 ?? 收藏0
要点

1.现在,除了高端智能手机和平板电脑以外,用户还期望在其它应用中使用触摸屏,它们正逐步现身于汽车和仪器中。

2.在电容式触摸屏与较廉价但响应不快的电阻触摸技术的竞争中,成本是应用的一个约束因素。

3.触觉技术试图模拟真实世界的感受环境,其价格正在下降,可能在游戏市场上获得第一个进展。

自上次EDN研究触摸屏后(参考文献1),触摸屏已经在智能手机中确立了自己的地位, 并正在寻机进入更低价的“功能手机”,因为手机商期望从高端手机市场攫取一些份额。像iPad这类平板电脑,以及最新的Kindle Fire也助长了触摸屏的普及。由于用户越来越熟悉消费电子中的交互式且变化多端的触摸屏,因此他们希望在其它非传统触摸屏领域也有相同水平的互操作性,如汽车、医疗电子和工业设备等。

触摸屏面世已有几十年时间,它们通常采用的是电阻式触摸技术。使用电阻触摸屏时,用户手指的按压使屏幕外层发生物理形变,使电阻传感器接触到手指底面。电阻传感器排成一个X乘Y的阵列,并由一个薄而透明的绝缘体隔开。

注意这里用了一个词“按压”。按压是不同于触摸或扫过的一个动作。电阻触摸屏对于多点触摸手势的响应能力有限,如捏、缩放、扫和滚动等。用户一旦习惯于用这些手势操作自己的智能手机和平板电脑,就再也用不惯缺乏这些特性的简单触摸屏了。能够响应复杂手势的触摸屏通常都采用电容式检测技术。

电容检测触摸技术一般可采用自电容和互电容方式,不过也存在一些其它类型,如投射电容。自电容传感器由一系列氧化铟锡细线组成,它是一种排成XY网格的透明导电材料,X线与Y线之间有一个绝缘层。触摸网格上的某个区域会改变传感器对地的寄生电容。但是,这种方法不能处理多手指的触摸,因为传感器无法区分沿同一网格线上的多个手指。互电容可以探测到X线和Y线小交叠处的电容变化。由于交叠面积很小,因此电容也很小,但这种方法很精密,可以测出多个手指的位置。

每种方案都各有利弊。虽然自电容传感器通常无法区分出多个手指的同时动作,但它们可以产生出用于探测物体的较强电磁场,哪怕该物体并没有实际接触屏幕。互电容触摸屏则可以探测和跟踪多个手指,但手指必须接触屏幕,因为两个交叠传感器形成的电容非常小,其电磁场极其微弱。

当用户戴着手套时,手指与触摸屏之间闭合接触的需求就可能成为一个问题。电容触摸屏有这种限制,从而使人们倾向于电阻触摸屏。电阻技术在液体应用或潮湿气候下也有自己的优势,此时潮气会影响到电磁场的性能。Cypress公司的TrueTouch控制器技术尝试将自电容和互电容技术结合起来,以克服这些障碍(参考文献2)。

自电容和互电容都需要相同的XY传感器网格。在自电容情况下,控制器必须同时驱动X线和Y线。在互电容情况下,控制器发射X线,而从Y线接收。由于TrueTouch控制器IC采用了Cypress公司的PSoC(可编程系统单芯片)核心,因此控制器可以动态地配置其I/O脚,即时地将发射器转换为接收器。于是,无论控制器何时扫描传感器的网格板,它都可以同时在两种模式做探测(自电容和互电容)。自电容与互电容相结合,使人们即使戴着厚滑雪手套,也可以完成多触功能。这种能力产生了一个在汽车中的触摸屏安全问题(见附文“JD Power有关汽车安全与触摸屏的问答”)。

汽车中的触摸屏为10英寸或更大,通常大于智能手机的屏幕,后者典型尺寸约为4英寸。Atmel公司的MaxTouch系列触摸屏控制器包括通过汽车认证的mXT768E和mXT540E控制器,可用于中控台显示屏、导航系统,以及后座娱乐系统的5英寸~10英寸触摸屏。传统用于电容触摸屏的控制器都要求在多个触摸屏之间有一个屏蔽层,以防止耦合来自LCD的噪声。Atmel称MaxTouch器件提供80:1的信噪比,无需屏蔽层,能够实现单层传感器设计,从而降低成本和减小厚度(图1)。高SNR亦能够探测出一只戴薄手套的手指。一般来说,该技术可以探测厚度为1.5mm的手套,如皮、毛或棉手套。

图1,触摸屏叠层中有一个ITO屏蔽(a)。去掉这样一个屏蔽层意味着减小厚度,增加显示亮度,但可能产生LCD噪声问题(b)。
图1,触摸屏叠层中有一个ITO屏蔽(a)。去掉这样一个屏蔽层意味着减小厚度,增加显示亮度,但可能产生LCD噪声问题(b)。

外观优雅的触摸屏设计会有一种很酷的感觉,对消费者来说,这和触摸屏的性能同等重要。对于智能手机,工业设计决定了总是越薄越好。Cypress公司的SLIM(单层独立多点触摸)技术可做出更薄的屏幕,因为传感器是一层,而不是两层。对于传统的双层结构,制造商要在两个层面上制作传感器:即在各自的层上制作出X线和Y线,两层之间有一个绝缘层。鉴于ITO的成本,这种XY网格成本较高,ITO实际上是一个透明的金属层,成本大约每英寸屏幕(对角)1美元。

Cypress建立了一种专利图样,能够在一层的同一表面,同时布放X与Y传感器,而无需跳线或过孔(图2)。Cypress公司TrueTouch控制器营销总监John Carey称,SLIM可做出最薄和最低成本的触摸屏传感器,可用于最大4.5英寸的屏幕。该公司并没有公开这种图样,客户是与Cypress授权伙伴触摸屏供应商合作。

图2,Cypress公司的SLIM技术采用了一种专利图样,设计者能够在一层的相同表面同时布放X和Y传感器网格线,而不用跳线或过孔。
图2,Cypress公司的SLIM技术采用了一种专利图样,设计者能够在一层的相同表面同时布放X和Y传感器网格线,而不用跳线或过孔。

虽然多点触摸屏的价格在下降, 但它们仍比电阻屏贵大概10倍,后者有更广泛的用户群。对于受成本支配但仍需要某种形式多点触摸的应用,飞思卡尔公司提供了Xtrinsic CRTouch,它能够将标准的电阻触摸屏改造为能够识别滑动、双指挤捏的放大和缩小,以及多手指旋转。该芯片采用专利的算法和专门的模拟硬件,以及片上的状态机。控制器芯片还可管理最多四个电容触摸板,从而可实现小键盘、旋转钮,以及线性滑动棒。CRTouch芯片是飞思卡尔Ready Play产品中的一个成员,提供与Android和Linux操作系统的交钥匙式软件集成。芯片亦提供可配置的屏幕分辨率,以及可选用于电阻触摸屏手写笔输入的校准与压力探测。

Amazon公司在Kindle Touch上使用的是红外触摸传感器,部分原因是为了降低成本。Touch阅读器采用了一块黑白电子墨水屏,在屏幕和读者之间没有ITO层。屏幕是采用位于边框中的红外传感器,探测到手指截断的IR光束。该显示屏可以响应多点触摸的挤捏动作,用于PDF阅读时的缩放,但它不能接受像智能手机上那么多种多点触摸手势(参考文献3)。

随着触摸屏进入汽车、仪表和医疗设备等应用,这些设备的用户界面可以无限制地调整和更新。对于测试与测量设备的设计者来说,物理控制旋钮和表盘的位置总是很重要的,他们会花大量时间,决定哪个按钮应放在何处。

过去,一个频谱分析仪设计者的口号就是:“tune, boom, zoom”,其中,tune是中心频率,boom是基准电平或波幅,而zoom则是待测信号的量程。设备设计者的目标是让tune、boom和zoom尽量快而易用。例如,将中心频率、基准电平和量程键埋入一些菜单结构中就不是个好主意。这三个键通常要占据一个频谱分析仪前面板的相当大一部分。忠实的客户通常懒于接受对前面板的修改。现在,设备设计者可以让客户自己定制控制面板,以适合自己的喜好。

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