电容触摸屏的设计挑战如何轻松面对

日期:2020-02-05 15:43  来源:北京华美讯通科技有限公司   作者:华美讯通   人气:
       电容触摸屏已经正在改变人们与手持设备之间的人机交互方式并给人们带来许多新的操作体验。从手机到电子书、电子写字板、导航仪、电子游戏机和笔记本电脑等等无不纷纷抛弃原来的轻触按键选择多点电容触摸屏来进行人机交互。尤其是苹果和平板电脑的横空出世,使多点电容触摸屏深入人心。然而,多点电容触摸屏的设计并非轻而易举。严格来讲,多点电容触摸屏技术还并不是一个完全成熟的技术,它还是一个处于发展阶段并且不断发展不断完善的技术。对于一个多点电容触摸屏的设计者而言,在他面前仍然面临着诸多的设计挑战。


 
       一.设计挑战

       设计挑战一

       来自多点电容触摸屏设计的第一个挑战是如何将手指触摸而产生的微小的互电容变化转化成数字信号并具有足够的分辨率。我们知道,一般来讲,多点触摸是基于互电容感应原理,而互电容是发射感应条与接受感应条在交叉点处的寄生电容,这个电容是非常的小,通常在0.2~4pF,而手指触摸产生的互电容的变化就更小了。对这种微小的互电容变化的检测,不仅需要有对电容变化高度灵敏的硬件检测电路以实现微弱模拟电量到数字信号的转换,同时也需要相应的软件来进行控制协调以保证在整个触摸屏上的每一点对手指触摸信号有足够高的灵敏度。

       设计挑战二

       如何获得足够快的扫描时间是多点电容触摸屏设计的第二个挑战。对于一个M行和N列感应条的单点触摸屏,使用自电容扫描,它只需要扫描M行和N列后就可以根据每一行和每一列信号来进行计算,定位手指在触摸屏上的坐标。它扫描感应条的次数是M+N次。当你使用多触点互电容扫描时,由于必须是行和列的交叉点扫描,所以它的扫描次数是MXN次扫描交叉点的次数。当触摸屏的尺寸越来越大时,扫描次数的增加越来越快,为了使用户有较好的触摸体验,它需要每秒至少扫屏50次。这就意味着每一个点的扫描加数据处理的时间必须少于100us,这样才能保证有足够快的响应时间。而触摸屏的尺寸越大时,行和列数目就会越多,这个时间就更短。

       设计挑战三

       触摸按键、触摸滑条和触摸板都使用铜箔作为触摸感应器,但触摸屏基本上都使用ITO材料作为触摸感应层。铜箔的电阻率极小,因而它的电阻几乎可以忽略不计。ITO透明而导电,但ITO却有比较高的电阻率。通常在触摸屏上ITO的电阻率用方阻来表示,即一个单位方块的电阻是多少。一般的,ITO的方块电阻从45~350欧姆不等,取决于触摸屏生产厂家的涂层工艺。由于ITO电阻的存在,使得在触摸屏上的每一个感应条的近端和远端会有3K~30K欧姆的电阻,这个电阻结合每一个感应条上的自电容所产生的RC延迟,就使感应条的近端和远端会对发射的信号有不同的响应时间或者放点时间,进而导致近端和远端的手指触摸信号有大小的不同。严重的情况,这种不同可以达到50%以上。如何消除或减少这个差异,是多点电容触摸屏设计的第三个挑战。虽然选择方阻最低的ITO涂层是减少这个差异最直接的方法,但通常更低的涂层厚度会更厚,导致透明度的下降和成本的增加。对很多终端客户来讲是不可接受的。

       设计挑战四

       手指定位精度是多点电容触摸屏设计的第四个挑战。现在的终端客户对手指在触摸屏上的定位精度要求越来越高,尤其在触摸屏边缘上定位精度。我们知道通常使用质心算法来实施手指的定位计算。然而由于电容触摸屏在边缘上的感应单元的不完整性和手指在边缘上先天地缺失半边的权重信号,在触摸屏的边缘仍然使用质心算法将带来较大的误差。因此,改进手指定位的算法,不仅适用于触摸屏的中间区域,同时适用于触摸屏的边缘区域使手指触摸的定位更准确是多点电容触摸屏设计必须面对的挑战。

       设计挑战五

       低功耗。任何使用电池供电的移动设备对其每一个功能单元设计的功耗要求都会非常苛刻,尤其是在当下的低碳时代。多点电容触摸屏作为移动设备中的一个单元功能当然也会例外。要使多点电容触摸屏在完全激活的情况下功耗小于35mW、在待机的状态下功耗小于100uW并非是一件容易的事。如果一个多点电容触摸屏的设计不能达到这个要求,将会在激烈的市场竞争中处于非常不利的境地。

       设计挑战六

       怎样客服来自低档充电器的噪声是多点电容触摸屏设计的第六个挑战。尤其是在中国市场,大量的低档充电器被用户所选用。这类充电器所产生的噪声和其他噪声有两个特别的不同:第一是它的噪声在没有手指触摸时并不呈现出来,仅当触摸时才显现出来并且非常的强烈,使得一个有效的触摸变得很不稳定进而变得失效;其次是这个噪声是来自充电器并通过地线传到触摸屏系统的一种共模噪声,它很难通过普通的硬件来过滤掉,常用的数字滤波对它的滤波效果也不理想。所以必须有一种高级的滤波方法来对付这种低档充电器的噪声。

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