手機觸摸屏及其目標提取方法探討

引言

　　近年來(lái)，觸控手機的數量成幾何倍數增長(cháng)，用戶(hù)可以用手指直接與手機系統進(jìn)行交互。觸摸屏觸控大體上有兩種方式：觸筆觸控和手指觸控。

　　觸筆觸控是使用特制的觸摸筆點(diǎn)擊界面上的圖形目標來(lái)完成交互，這種交互方式要求用戶(hù)一只手固定手機設備，另一只手操作觸筆點(diǎn)擊觸摸屏，交互過(guò)程需兩只手共同參與才能完成。由于手機用戶(hù)常處于移動(dòng)狀態(tài)，很難滿(mǎn)足上述操作要求，控制效率低下。手指觸控可以單手持握手機，用拇指點(diǎn)擊或滑動(dòng)來(lái)完成觸控，已是當今觸摸屏發(fā)展的主流。

　　1 觸摸屏構成及原理

　　適用于移動(dòng)設備和消費電子產(chǎn)品的觸摸屏技術(shù)包括電阻式觸摸屏和投射電容式（projectedcapacitive）觸摸屏。觸摸屏附著(zhù)在顯示器的表面，與顯示器配合使用，能測量出觸摸點(diǎn)在屏幕上的坐標位置，就可根據顯示屏上對應坐標點(diǎn)的顯示內容或圖符獲知觸摸者的意圖。

　　1.1 電阻式觸摸屏

　　電阻觸摸屏是一塊四層透明的復合薄膜屏，最下面是玻璃或有機玻璃構成的基層，最上面是一層外表面經(jīng)過(guò)硬化處理從而光滑防刮的塑料層，中間是兩層金屬導電層ITO（Indium Tin Oxide ，銦錫氧化物，一種透明的導電材料），分別在基層和塑料層之內，兩導電層之間有許多細小的透明隔離點(diǎn)把它們隔開(kāi)。電阻式觸摸屏結構如圖1 所示。

　　圖1 電阻式觸摸屏結構

　　當手指觸摸屏幕時(shí)，兩導電層在觸摸點(diǎn)處接觸。觸摸屏的兩個(gè)金屬導電層是觸摸屏的兩個(gè)工作面，在每個(gè)工作面的兩端各涂有一條銀膠，稱(chēng)為該工作面的一對電極。若在一個(gè)工作面的電極對上施加電壓，則在該工作面上就會(huì )形成均勻連續的平行電壓分布。當在X方向的電極對上施加一確定的電壓，而Y方向電極對上不加電壓時(shí)，在X平行電壓場(chǎng)中，觸點(diǎn)處的電壓值可以在Y+（或Y-）電極上反映出來(lái)，通過(guò)測量Y+ 電極對地的電壓大小，便可得知觸點(diǎn)的X坐標值。同理，當在Y電極對上加電壓，而X電極對上不加電壓時(shí)，通過(guò)測量X+ 電極的電壓，便可得知觸點(diǎn)的Y坐標，如圖2 所示。根據X坐標和Y坐標可知觸摸點(diǎn)在屏幕上的位置。

　　圖2 電阻觸摸屏線(xiàn)路圖

　　電阻式觸摸屏是大批量應用、低成本的技術(shù)，其缺點(diǎn)是：堆疊厚，相對較為復雜；光學(xué)性能不良，需要較大功率的背光；不能檢測多個(gè)手指的動(dòng)作；必須有壓力才能動(dòng)作；需要用戶(hù)校準。

　　1.2 投射電容式觸摸屏

　　投射電容式觸控技術(shù)主要有兩種：一種是自電容型，另一種是互電容型。

　　互電容屏也是在玻璃表面用ITO 制作橫向電極與縱向電極，兩組電極交叉的地方會(huì )形成電容，也即這兩組電極分別構成了電容的兩極，形成電容矩陣。

　　如圖3 所示，當手指觸摸到電容屏時(shí)，由于人體是導電的，所以在ITO 電極與手指之間形成了新的電容，從而改變了原來(lái)兩個(gè)ITO 電極之間的電容量。檢測兩電極間互電容大小時(shí)，橫向的電極依次發(fā)出激勵信號，縱向的所有電極同時(shí)接收信號，這樣可以得到所有橫向和縱向電極交匯點(diǎn)的電容值大小，即整個(gè)觸摸屏二維平面的電容大小。

　　圖3 投射電容式觸摸屏

　　根據觸摸屏二維電容變化量數據，行列傳感器信號最強的交叉點(diǎn)即為觸摸點(diǎn)，如圖4 所示，通過(guò)內插法數值逼近能非常精確地確定手指位置的坐標值。設計一個(gè)投射電容傳感器陣列的目的是，在同一時(shí)間使手指能夠與多于一個(gè)的X傳感器和一個(gè)以上的Y傳感器發(fā)生作用，結合其它技術(shù)能實(shí)現多點(diǎn)觸摸。

　　圖4 行和列傳感器的信號強度確定了觸摸的位置

　　當幾個(gè)觸摸按鍵互相靠近時(shí)，接近的手指會(huì )導致多個(gè)按鍵電容的變化。Atmel 專(zhuān)利的鄰鍵抑制（AKS）技術(shù)采用迭代法重復測量每個(gè)按鍵上的電容變化，比較結果來(lái)確定哪個(gè)按鍵是用戶(hù)想要的。AKS抑制或忽略來(lái)自所有其它按鍵的信號，提供所選擇按鍵的信號，這可防止鄰鍵的假觸摸。

　　投射電容式觸摸屏相比其它觸摸屏技術(shù)的優(yōu)勢是：信噪比高；觸摸屏表面的清晰度和亮度比電阻屏高；能夠支持多點(diǎn)觸摸；無(wú)需用戶(hù)校準。其缺點(diǎn)之一是當戴手套或者用絕緣體觸摸時(shí)無(wú)反應，此外，還存在漂移現象，當溫度或濕度較高時(shí)會(huì )不敏感，當人體或另一只手靠近時(shí)會(huì )誤動(dòng)作。

　　2 觸摸屏系統

　　如圖5 所示，一個(gè)觸摸屏系統包括：前面板、傳感器薄膜、顯示單元、控制器板和系統軟件。

　　圖5 觸摸屏系統

　　前面板是終端產(chǎn)品的最表層。在某些產(chǎn)品中，它將透明的蓋板圍起來(lái)，以免受到外部惡劣氣候或潮濕的影響，也防止下面的傳感產(chǎn)品受到劃刻以及破壞。

　　觸摸屏“傳感器”是一個(gè)帶有觸摸響應表面的透明玻璃板，用來(lái)檢測觸摸輸入。該傳感器被安放到LCD 上面，使得面板的觸摸區域能覆蓋顯示屏的可視區域。前已述及，在觸摸時(shí)，根據電容值變化的數據，從而可確定屏幕上的觸摸位置。

　　用于觸摸屏的LCD 選擇方法與傳統系統中基本相同，包括分辨率、清晰度、刷新速度、成本等。但在觸摸屏中另一個(gè)主要的考慮是輻射電平，由于觸摸傳感器中的技術(shù)基于面板被觸摸所產(chǎn)生的微小電容變化，能夠輻射許多電磁噪聲的LCD 是設計中的難點(diǎn)。

　　觸摸控制器是一個(gè)小型的微控制器芯片，它位于觸摸傳感器和嵌入式系統控制器之間。觸摸控制器提取來(lái)自觸摸傳感器的信息，并將其轉換成嵌入式系統控制器能夠理解的信息。該芯片可以裝配到系統內部的控制器板上，也可以粘貼到玻璃觸摸傳感器上的柔性印刷電路上。

　　觸摸屏驅動(dòng)器軟件可以來(lái)自原廠(chǎng)商，也可以是后來(lái)加裝的軟件。該軟件應能使觸摸屏和系統控制器一同工作，它將告訴產(chǎn)品的操作系統如何解析來(lái)自觸摸控制器的觸摸事件信息。在嵌入式系統中，嵌入式控制驅動(dòng)器必須將出現在屏幕上的信息與接收到的觸摸位置進(jìn)行比對。

　　3 MMI 目標提取方法

　　臺灣聯(lián)發(fā)科技公司提供的MTK 手機平臺中的MMI 模塊即人機界面模塊，主要負責人機界面的顯示、屏幕流的控制以及與L4 層進(jìn)行通信完成人機交互。MMI 模塊主要由三部分組成，分別是應用層軟件、框架和圖像用戶(hù)接口。

　　3.1 按鍵提取方法

　　如圖6 所示，在獲得觸摸點(diǎn)消息后，系統MMI 層調用MMI 層坐標轉換函數提取驅動(dòng)層發(fā)送的觸摸點(diǎn)位置信息，并轉化為MMI 層的位置信息。當有觸摸操作進(jìn)行時(shí)，底層驅動(dòng)程序向MMI 層發(fā)送觸摸點(diǎn)的位置信息。在獲得驅動(dòng)層觸摸點(diǎn)信息后，系統MMI 層調用MMI 層坐標轉換函數提取驅動(dòng)層發(fā)送的觸摸點(diǎn)位置信息，并轉化為MMI 層的位置信息。如果系統所發(fā)事件是按下事件（MMI_PEN_EVENT_DOWN），系統根據觸摸點(diǎn)坐標調用當前按鍵信息提取函數獲得被選按鍵信息；如果是滑動(dòng)事件（MMI_PEN_EVENT_MOVE），則進(jìn)行滑動(dòng)方向判斷。

　　圖6 按鍵提取流程圖

　　3.2 滑動(dòng)操作的目標提取方法

　　以圖片瀏覽為例，手指向左滑動(dòng)顯示上一張圖片，向右滑動(dòng)顯示下一張圖片。如圖7 所示，設置有效的滑動(dòng)區域，并且根據屏幕大小設置一個(gè)合理的滑動(dòng)閾值，以防手指的微小滑動(dòng)導致誤操作。具體操作流程如圖8 所示。

　　圖7 手指滑動(dòng)區域

圖8 使用拇指滑動(dòng)控制圖片的操作流程

　　當手指按下時(shí)，首先判斷按下點(diǎn)的坐標是否在設定的有效區域內，再判斷抬起點(diǎn)的坐標是否在設定的有效區域內。當手指按下點(diǎn)和抬起點(diǎn)都在有效范圍內時(shí)，計算滑動(dòng)距離，若滑動(dòng)距離小于設定閾值，當作是無(wú)效觸摸，不做任何處理?；瑒?dòng)距離大于設定的閾值且向左滑動(dòng)，切換為上一張圖片；滑動(dòng)距離大于設定的閾值且向右滑動(dòng)，切換為下一張圖片。

　　4 結論

　　從顯示器、手機，到GPS、辦公設備、醫療監控等各種設備，觸摸屏都正在快速地應用到各個(gè)領(lǐng)域。

　　觸摸屏具有極好的外觀(guān)，觸控效率高，還提供了較高的安全性能、抗惡劣氣候性能和耐磨性，利用多點(diǎn)觸控技術(shù)將開(kāi)辟一個(gè)全新的、廣闊的市場(chǎng)。