有那么難嗎，告訴你如何在電容式觸摸感應界面實(shí)現可靠的手套觸摸

電容式觸摸感應用戶(hù)界面正逐步替代消費、醫療與工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品的機械按鍵。不過(guò)，隨著(zhù)觸摸感應用戶(hù)界面問(wèn)世，最終用戶(hù)也需要高級功能，如：可模擬機械按鍵功能的觸覺(jué)支持與手套觸摸，還有手寫(xiě)筆支持和接近感應。這些功能可以改善產(chǎn)品的整體用戶(hù)體驗，而且可以為制造商帶來(lái)脫穎而出的機遇。本文主要介紹上述功能之一——手套觸摸，其越來(lái)越多地應用于消費、工業(yè)及醫療領(lǐng)域。例如，即使在用戶(hù)由于天氣寒冷穿戴手套的情況下，可穿戴智能腕帶的觸摸界面也應當正常工作，而醫療實(shí)驗室設備在受到乳膠手套觸摸時(shí)也應當正常運行。

但是，在電容式觸摸界面實(shí)現手套觸摸并非易事，而且大多數實(shí)現方案往往只能提供不可靠、不一致的性能。本文專(zhuān)門(mén)探討在電容式觸摸按鍵上實(shí)現手套觸摸的挑戰以及如何解決相關(guān)挑戰，從而設計出具備手套觸摸功能的穩健、可靠觸摸感應界面。

實(shí)現可靠的手套觸摸存在兩大挑戰，即：
-檢測戴手套手部產(chǎn)生的弱信號
-忽略懸停在傳感器上方的手指產(chǎn)生的誤判觸摸

了解手套觸摸為何產(chǎn)生弱信號
電容式觸摸感應的工作原理是手指觸摸傳感器的覆蓋層時(shí)會(huì )引起傳感器的電容變化。觸摸感應控制器可以測量此電容變化并將其轉換到數字域（模數轉換）。在測量值超過(guò)預定義閾值時(shí)則記錄觸摸操作。

手指觸摸引起的數字化電容變化被稱(chēng)為信號，而并非由手指觸摸造成的數字化電容的意外變化被稱(chēng)為噪聲?？煽康挠|摸感應系統建議采用5：1的信噪比（SNR）。圖1說(shuō)明了在觸摸感應系統中如何測量電容。

簡(jiǎn)而言之，手指產(chǎn)生的電容可以視為平行板電容器，其中手指和傳感器是兩個(gè)導電板，而覆蓋層是平板之間的電介質(zhì)。手指產(chǎn)生的電容變化與傳感器、手指（即：平板面積）的尺寸和覆蓋層材料的介電常數成正比；但是與傳感器上的覆蓋層厚度（即：平板之間的距離）成反比。覆蓋層越厚，則平板間距離越大，從而使電容變化越小。這會(huì )降低信噪比。

圖1–觸摸感應系統中的電容測量。

手指穿戴手套時(shí)會(huì )在現有覆蓋層之上增加一個(gè)與手套厚度成正比的新覆蓋層，從而提高覆蓋層總厚度。其會(huì )使信號強度降低到預定義閾值以下，因此一般無(wú)法檢測到戴手套手部的觸摸操作。這就是為什么大多數用戶(hù)脫去手套才能有效觸摸電容式觸摸感應界面的按鍵。

了解“意外懸停”如何造成誤判觸摸
通過(guò)提高靈敏度，觸摸傳感器經(jīng)過(guò)調校之后可以支持更厚的覆蓋層。同樣，觸摸傳感器經(jīng)過(guò)調?？梢詸z測戴手套手部的觸摸。提高傳感器的靈敏度意味著(zhù)其只需要更小的電容變化就能夠檢測觸摸。

但是，此處的難題在于它會(huì )產(chǎn)生一種被稱(chēng)為“意外懸停”的情況，其中接近傳感器的光手指（懸停在傳感器上方）會(huì )產(chǎn)生與手套觸摸等效的電容變化。錯誤觸摸會(huì )被記錄為手套觸摸，盡管手指未觸摸傳感器，也未穿戴手套。這種情況一般都不符合需要，而且會(huì )對產(chǎn)品的用戶(hù)體驗帶來(lái)不利影響。圖2顯示了手套觸摸、手指觸摸和懸停手指產(chǎn)生的信號。

圖2–手套觸摸、手指觸摸與懸停手指產(chǎn)生的信號

因此，設計人員面臨以下問(wèn)題：針對正常觸摸感應進(jìn)行調校的系統無(wú)法檢測戴手套手部的觸摸，而針對手套觸摸進(jìn)行調校的系統會(huì )由于“意外懸停”產(chǎn)生誤判觸摸。

一種簡(jiǎn)單而不精巧的解決方案是在設計中添加用戶(hù)觸發(fā)的中斷信號或物理開(kāi)關(guān)，以指示他們是否穿戴手套。這會(huì )損害用戶(hù)體驗，尤其是需要“精簡(jiǎn)操作”的消費類(lèi)產(chǎn)品以及需要在各種情況下均同樣操作的醫療產(chǎn)品。

提高手套觸摸信號強度的主要設計參數
在提高手套觸摸信號強度時(shí)需要考慮三個(gè)重要設計參數：

靈敏度：靈敏度是電容式觸摸感應電路產(chǎn)生信號能力的測量指標–電路越敏感，則生成的信號越強。靈敏度一般按電容計數測量。對于電容式觸摸感應，一次觸摸產(chǎn)生的變化幅度在100飛法（fF）量級。戴手套手指觸摸一般產(chǎn)生100fF電容。靈敏度為500次/pF的電路可以針對100fF觸摸產(chǎn)生50個(gè)信號計數，而靈敏度為50次/pF的電路對于相同觸摸只能產(chǎn)生5個(gè)信號計數。因此，電路靈敏度越高，則手套觸摸檢測越可靠。

寄生電容：寄生電容是傳感器的固有電容，其源于傳感器與其它導電物體的接近。由于觸摸相互作用產(chǎn)生的電容變化（信號）可以視為與傳感器的寄生電容相關(guān)。電容變化與寄生電容之比越高，則傳感器可以調校的靈敏度越高。

例如，采用12位模數轉換器的電容式觸摸感應電路最高輸出是4096.寄生電容為16pF的傳感器經(jīng)調校后可達到最高為256次/pF的靈敏度，超過(guò)此值時(shí)模數轉換器就會(huì )飽和。不過(guò)，如果把寄生電容降低到8pF，則傳感器可以調校到512次/pF的最高靈敏度。在第一種情況下觸摸產(chǎn)生的100fF電容變化會(huì )產(chǎn)生大約25個(gè)信號計數，而第二種情況下會(huì )產(chǎn)生50個(gè)信號計數。

傳感器的寄生電容取決于傳感器層疊與布局的設計規格，如：跡線(xiàn)厚度、跡線(xiàn)間距以及PCB層間的距離。保持低寄生電容需要細心的傳感器布局設計和傳感器層疊。

為了提高性能和為設計人員提供靈活性，某些觸摸感應控制器集成以下兩個(gè)功能，以降低過(guò)多寄生電容對靈敏度的影響：
-假差分測量功能。
-對屏蔽電極的支持。

假差分測量功能：典型觸摸感應控制器可以測量從0到最大測量值的電容（如：0pF~8pF）?？蓪?shí)現假差分測量的觸摸感應控制器（即：假差分模數轉換）可設置成測量特定電容范圍（如：8pF~16pF），而且能夠達到更高靈敏度。通過(guò)這種方法，配備12位模數轉換器的電容觸摸感應電路可以調校達到512次/pF的靈敏度，即使是采用寄生電容為16pF的傳感器。

對屏蔽電極的支持：從周?chē)渌鼘щ娢矬w屏蔽傳感器可以盡可能降低額外電容，從而盡可能降低傳感器的寄生電容。

同時(shí)支持假差分測量功能和屏蔽電極的控制器一般能夠使靈敏度加倍，進(jìn)而提高手套觸摸性能。

噪聲：只要有信號就會(huì )有噪聲。信號是造成有意義輸出變化的電容改變。另一方面，噪聲指不改變電容、但是卻改變輸出的一切干擾。超過(guò)閾值的噪聲有可能造成誤判觸摸。通常而言，可靠的觸摸感應系統需要5：1的信噪比。也就是說(shuō)，除了具備高靈敏度之外，控制器還必須保持低噪聲。換句話(huà)說(shuō)就是，調校到500次/pF靈敏度的控制器必須把噪聲限值到10次以下，從而對100fF的觸摸保持5：1的SNR.

噪聲經(jīng)常是通過(guò)傳導效應（如：電源開(kāi)關(guān)噪聲或電氣快速瞬態(tài)（EFT）電流）或者通過(guò)耦合效應（如：來(lái)自手機的輻射噪聲或者信號跡線(xiàn)之間的串擾）進(jìn)入系統。

電容式傳感器和控制器一般必須從電源開(kāi)關(guān)等噪聲源進(jìn)行隔離。保持隔離和防止噪聲進(jìn)入電容式感應系統的關(guān)鍵是精心的系統與PCB設計。

避免“意外懸停”和誤判觸摸
本節詳細介紹了相關(guān)設計方法，可降低支持手套觸摸的觸摸感應系統中的“意外懸停”。

采用專(zhuān)用閾值：手套觸摸信號的幅度遠遠低于正常手指觸摸幅度。采用專(zhuān)用閾值連同固件設計邏輯有助于檢測和區分手指觸摸與手套觸摸，從而提高懸停排除性能。

可以針對手指觸摸和手套觸摸信號設置兩個(gè)專(zhuān)用閾值（下圖3的F閾值與G閾值）。這些閾值一般設置為典型手指觸摸或手套觸摸信號的80%.

圖3–手套觸摸與手指觸摸信號的專(zhuān)用閾值

在用戶(hù)首次觸摸傳感器時(shí)，固件會(huì )識別相關(guān)信號是超過(guò)手指閾值還是手套閾值。如果信號超過(guò)手指閾值，則其假設用戶(hù)未戴手套，同時(shí)拋棄在從檢測到最后觸摸開(kāi)始的預定義時(shí)間內（如：30秒）、低于手指閾值的所有信號。這樣可以確保不把懸停手指檢測成誤判的手套觸摸。圖4所示為固件決策樹(shù)。

合理的假設是用戶(hù)戴上手套再次觸摸傳感器至少需要30秒。但是，如果首次觸摸生成超過(guò)手套閾值但未超過(guò)手指閾值的信號，則系統假設用戶(hù)戴有手套，同時(shí)繼續檢測手套觸摸。在此模式下，如果用戶(hù)摘掉手套后觸摸傳感器，則信號會(huì )超過(guò)手指閾值，而系統會(huì )立即進(jìn)入僅檢測手指觸摸的模式。

圖4–采用專(zhuān)用閾值進(jìn)行手套觸摸檢測的固件決策邏輯。

典型觸摸感應用戶(hù)界面面板由多個(gè)傳感器組成?？梢愿纳泼姘宓墓碳Q策邏輯，使其能夠檢測所有傳感器的信號；如果在任何傳感器上檢測到手指觸摸，則可以讓所有傳感器都在預定義時(shí)間段內排除手套觸摸。

這種方法的主要缺點(diǎn)是：如果首次檢測到的信號是懸停手指信號，則可能造成誤判觸摸。

采用觸摸屏輸入：手機、打印機或高端家用電器等產(chǎn)品具有獨立控制的觸摸屏以及用戶(hù)界面（UI）面板上的觸摸按鍵，如圖5所示。在此類(lèi)系統中，相應控制器之間的通信有助于高效管理手套與手指觸摸。

圖5–配備觸摸屏控制器和電容式觸摸按鍵控制器的系統。

由于觸摸屏的傳感器結構特性，觸摸屏控制器能夠有效區分懸停手指與手套觸摸。戴手套手指的覆蓋面積大于光手指，其能夠在更多數量的相鄰感應節點(diǎn)上產(chǎn)生低幅度信號，而懸停手指僅在數量更少的相鄰感應節點(diǎn)上產(chǎn)生低幅度信號，如下圖6所示。觸摸屏控制器采用信號模式差異來(lái)區分用戶(hù)是否戴手套。

圖6–手套觸摸與懸停手指在觸摸屏上的熱點(diǎn)圖

如果觸摸屏檢測到手套觸摸，則信息傳輸到控制按鍵的電容式按鍵控制器。主機控制器一般具有上述兩種控制器之間的通信接口，而且能夠管理它們之間的信息交換，從而無(wú)需其它接口。

此方法顯然不適合未配備觸摸屏的系統。另外，此方法假設首次觸摸是在觸摸屏上而非按鍵上。否則會(huì )針對按鍵上的首次觸摸記錄為誤判觸摸，這類(lèi)似于采用“專(zhuān)用閾值”方法時(shí)的誤判觸摸。

采用分離傳感器設計：電容式按鍵一般采用能夠檢測導電物體存在與否的單一傳感器。分離傳感器設計是一種創(chuàng )新專(zhuān)利解決方案，能夠克服前文所述方法的各種缺點(diǎn)。

圖7左圖所示為典型電容式傳感器布局，其中心配備用于LED背光的可選小孔。右圖所示為分離傳感器設計，其中按鍵觸摸區域分為兩個(gè)專(zhuān)用傳感器（內部和外部傳感器）。

圖7–典型傳感器與分離傳感器設計

此方法的基本原理是：不同觸摸會(huì )在內部和外部傳感器上產(chǎn)生獨特信號模式。這些獨特信號模式可以在固件中解讀，以區分手指與手套觸摸。圖8說(shuō)明了兩種傳感器的典型信號特征。三個(gè)用例是：
-手套觸摸與內部及外部傳感器重疊，并且同時(shí)在內部與外部傳感器產(chǎn)生低幅度信號。
-手指觸摸與內部及外部傳感器重疊，并且同時(shí)在內部與外部傳感器產(chǎn)生高幅度信號。
-具有凸起形狀且小于手套的懸停手指會(huì )在內部傳感器產(chǎn)生較強信號，而在外部傳感器產(chǎn)生相對較弱信號。

圖8–分離傳感器設計的典型信號

圖9所示為分離傳感器設計的固件決策樹(shù)。

圖9–分離傳感器設計的固件決策邏輯

分離傳感器設計是在觸摸感應用戶(hù)界面實(shí)現手套觸摸的最可靠方法。

結論
隨著(zhù)手套觸摸成為應用的常用功能，最終產(chǎn)品用戶(hù)希望獲得始終可靠的性能。本文介紹了需要考慮的主要設計問(wèn)題以及可用于實(shí)現可靠手套觸摸的方法。確保用戶(hù)界面面板“正確運行”的最重要步驟是選擇正確的觸摸感應解決方案。