帶多點(diǎn)觸控功能的電容式觸摸屏方案

觸摸屏技術(shù)已經(jīng)存在了30多年，人們對在屏幕上指指畫(huà)畫(huà)也早已不感覺(jué)新鮮，但正當人們對觸摸屏的審美疲勞達到了視而不見(jiàn)的程度時(shí)，iPhone的橫空出世讓觸摸屏重新成為被關(guān)注的焦點(diǎn)。人們驚奇地發(fā)現，在觸摸屏上用多個(gè)手指操作是如此地符合自己與生俱來(lái)的習慣。如果說(shuō)單點(diǎn)輸入是由于技術(shù)的限制而讓人被迫去適應機器，那多點(diǎn)輸入的誕生就真正做到了以人為本。

從用戶(hù)輸入界面來(lái)看，多點(diǎn)觸控并非創(chuàng )舉。早在1982年，多倫多大學(xué)的一個(gè)科研項目中就提出了多點(diǎn)輸入的用戶(hù)界面，在當時(shí)的項目中，由于使用了相機成像的技術(shù)，任意點(diǎn)的觸摸都可以同時(shí)被感應到。那么，為什么當多點(diǎn)觸控出現在手持消費品上就如此受人追捧呢？首先，一種技術(shù)能應用在大量生產(chǎn)的消費產(chǎn)品上，就證實(shí)了該技術(shù)的成熟度。電容式觸摸感應是一種應用廣泛、歷久不衰的技術(shù)。其次，在消費產(chǎn)品上的應用，也表明了該技術(shù)的平民身價(jià)，它不是擺在櫥窗中供人觀(guān)賞、讓人望塵莫及的技術(shù)，而是人人皆可擁有。最后，多點(diǎn)觸控解決了手持設備發(fā)展的一個(gè)日益突出的矛盾，即設備功能越來(lái)越復雜而操作方式卻千篇一律，用戶(hù)往往需要多次按鍵才能完成一次有效的操作。多點(diǎn)觸控帶來(lái)了更多的選擇，抓取、拖曳、縮放、旋轉，所有這些都可以一氣呵成。

賽普拉斯半導體公司一直致力于電容式觸摸感應方案，其可編程片上系統(PSoC)已經(jīng)被廣泛應用于手機、家電等的電容式感應按鍵應用上。根據市場(chǎng)的需求，賽普拉斯也不失時(shí)機地推出了具有多點(diǎn)觸控功能的電容式觸摸屏解決方案。

多點(diǎn)觸控的概念

主流的觸摸屏分為電阻式觸摸屏、表面電容式(Surface Capacitance)觸摸屏、感應電容式(Projected capacitance)觸摸屏、聲表面波式觸摸屏、紅外線(xiàn)式觸摸屏等。其中，紅外線(xiàn)式和感應電容式觸摸屏能夠支持多點(diǎn)觸控，前者由于尺寸限制和線(xiàn)性度不高，尚不能滿(mǎn)足消費類(lèi)產(chǎn)品的要求，而感應電容式觸摸屏因其相對可接受的成本以及良好的線(xiàn)性度和可操作性，是目前主流的多點(diǎn)觸控技術(shù)。

多點(diǎn)觸控的定義來(lái)自應用，即利用多個(gè)點(diǎn)同時(shí)作用在平面上完成某個(gè)特定的操作，比如縮放。但是，為了實(shí)現多點(diǎn)觸控，當一個(gè)以上的手指作用在觸摸屏上時(shí)，控制器是否需要知道每個(gè)手指的具體位置呢？答案是否定的。在技術(shù)實(shí)現的角度上來(lái)講，多點(diǎn)觸控可被進(jìn)一步區分為多點(diǎn)檢測和多點(diǎn)解析。所謂多點(diǎn)檢測，是指能夠檢測到有多個(gè)點(diǎn)被觸摸到，但不一定需要知道每一個(gè)點(diǎn)的確切位置。但多點(diǎn)解析則不僅能檢測到多點(diǎn)觸摸，還可以比較精確地知道每個(gè)點(diǎn)的確切位置。目前多點(diǎn)觸控的應用，體現為對用戶(hù)手勢的識別從而產(chǎn)生相應的動(dòng)作，多點(diǎn)檢測即可以支持足夠多的手勢輸入。當然，多點(diǎn)解析可以識別更多的手勢，在應用設計中也具有更高的靈活性，但是它需要付出比前者更多的成本。

賽普拉斯的感應電容式觸摸屏方案

PSoC是由賽普拉斯半導體公司推出的具有數字和模擬混合處理能力的可編程片上系統芯片，某些系列的PSoC(如CY8C21X34系列)由于其內部配備的特殊資源，可以很容易地實(shí)現電容式觸摸感應功能。它們僅需少量的外部分立元件，就可以將每一個(gè)通用的I/O都配置為電容感應輸入。

不管是電容式還是電阻式觸摸屏，都依賴(lài)于一種透明的導電體材料，即銦錫氧化物(ITO)。感應電容式觸摸屏在玻璃或其他透明基底上用ITO做出X-Y矩陣圖形(圖1)，這些圖形就是電容式感應所需要的電極。利用ITO的導體特性產(chǎn)生原始的寄生電容，當手指接近某個(gè)感應電極時(shí)，相當于在原來(lái)的電容基礎上并聯(lián)了新的電容，從而使感應電極對地(掃描某個(gè)特定電極時(shí)，其它電極被接到地上)的電容發(fā)生變化。通過(guò)在PSoC內部搭建電路，并用內建8位處理器的程序來(lái)控制電路的運作，就可以把電容的變化轉化成計數值的變化。PSoC根據每個(gè)感應電極上的電容變化量計算出X和Y方向的精確坐標，分辨率隨著(zhù)電極數和電極之間的中心距離而變化。

圖1：感應電容式觸摸屏的ITO圖形。

ITO的透光度與表面阻抗成正比，即透光度越高，表面阻抗越大，但在透光度一定的情況下，ITO的圖形設計也對阻抗有影響。由于這個(gè)特性，基于ITO的電容式觸摸感應設計要面對不小的挑戰，因為阻抗的存在，增加了電容充放電的時(shí)間，從而使感應時(shí)間變長(cháng)，信噪比(SNR)也會(huì )相應降低。盡量減少感應電極的固有阻抗，是設計感應電容式觸摸屏的關(guān)鍵因素。

在觸摸屏中，ITO是以平面導體的形式存在，每一個(gè)方塊區域對應著(zhù)同樣的阻抗。根據這一原則，賽普拉斯推薦使用菱形的感應單元，因為連接這些菱形的導線(xiàn)可以用最少的方塊區域(少于等于2個(gè))拼接而成，如圖2所示。

圖2：連接菱形感應單元的導線(xiàn)可以用最少的方塊區域拼接而成。

這種X-Y矩陣式的設計可以實(shí)現多點(diǎn)檢測，但還無(wú)法實(shí)現多點(diǎn)解析。如圖3所示，當兩個(gè)點(diǎn)同時(shí)作用到屏上時(shí)，X和Y方向上檢測到的信號體現為在兩個(gè)不同位置上出現峰值，而這樣的輸出卻對應兩種不同的輸入，即圖3中的一對紅點(diǎn)和一對白點(diǎn)，控制器無(wú)法判斷手指當前作用在哪一對點(diǎn)上。

圖3：當兩個(gè)點(diǎn)同時(shí)作用到屏上時(shí)，X和Y方向上檢測到的信號體現為在兩個(gè)不同位置上出現峰值。

盡管如此，利用PSoC的后端處理能力依然可以實(shí)現豐富的兩點(diǎn)手勢輸入，如抓取、拖曳、縮放、旋轉等。從某種意義上講，這種方案兼顧了可操作性和成本。賽普拉斯也提供更多的拓展方案供客戶(hù)選擇，比如增加坐標軸的數目和分割屏，這些方案可在一定程度上增加解析點(diǎn)的數目，但成本和設計復雜度都相應增加。

賽普拉斯感應電容式觸摸屏方案的優(yōu)勢

由于PSoC的可配置、可編程的特點(diǎn)，賽普拉斯的感應電容式觸摸屏方案具有得天獨厚的優(yōu)勢。

首先，與ASIC和固定功能的解決方案不同，PSoC可以在單片上同時(shí)實(shí)現離散按鍵、滑動(dòng)條、觸摸面板甚至是接近式感應。很多用戶(hù)在實(shí)現觸摸屏的設計時(shí)，并不要求要屏上所有區域都輸出X和Y坐標，在某些特定的區域(如屏幕底部)可能僅需要固定位置的按鍵功能。在另外一些應用中的觸摸屏需要接近式感應功能，如當人體靠近到10厘米之內時(shí)就打開(kāi)屏幕背光。這些特殊需求都可以用單片PSoC實(shí)現，對于不同的感應方式設置不同的參數，通過(guò)PSoC來(lái)動(dòng)態(tài)配置。

其次，PSoC內置的8位處理器可以實(shí)現對多點(diǎn)手勢操作的識別和提取，把精簡(jiǎn)的指令信息發(fā)送給主處理器，能在很大程度上減輕主處理器的運算壓力。

此外，PSoC內部豐富的模擬和數字資源以及強大的運算能力為設計者提供了優(yōu)化系統設計的可能。在一個(gè)實(shí)際的案例中，一顆PSoC同時(shí)實(shí)現了觸摸感應、周?chē)饩€(xiàn)強度感應和LCD背光控制。

賽普拉斯感應電容式觸摸屏方案的應用

感應電容式觸摸屏可用玻璃作基底，透光率高，使用中沒(méi)有機械變形，并支持多點(diǎn)觸控，因此感應電容式觸摸屏被廣泛地應用在各個(gè)領(lǐng)域中。比如，隨著(zhù)手機對多媒體功能的需求增大，以及3G應用的推廣，用戶(hù)迫切需要有更豐富的多點(diǎn)操作方式來(lái)簡(jiǎn)化手機的使用，比如對圖片或視頻的縮放和旋轉，瀏覽網(wǎng)頁(yè)時(shí)的快速導航。

另外，一些手持的游戲機往往亞求多個(gè)鍵同時(shí)按下，以實(shí)現不同的操作，同時(shí)又要求減少機械鍵的數目，增加屏幕的尺寸，而這恰好是多點(diǎn)觸控的用武之地。在一些多媒體信息導航的設備或GPS中，對地圖的截取和縮放也是多點(diǎn)觸控的典型應用模式。

總之，基于PSoC的感應電容式觸摸屏方案增加了用戶(hù)界面的可操作性，而PSoC所具有的很高的靈活性和可擴展性，也有助于新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和推廣。