- 電容式觸摸屏的構成
- 電容式觸摸屏的技術標準
- 采用TrueTouch組件與快速改變電容
- 采用偵測掃描的方法
傳統(tǒng)的電阻式觸控面板在感測到手指或觸控筆時，頂層柔性透明材料被下壓，接觸到下方的導電材料層；而投射式電容屏沒有可移動部件。事實上，投射式電容感測硬件包含玻璃材質的頂層，之后是X與Y軸的組件，以及覆蓋在玻璃基板上的氧化銦錫(ITO)絕緣層。部分傳感器供貨商會做一顆單層傳感器，內嵌X與Y軸傳感器和小型橋接組件于一單層ITO之中，當手指或其它導電物體靠近屏幕時，就會在傳感器與手指之間產生一個電容。相對于系統(tǒng)而言，此電容相當小，但可利用多種技術測出此電容。
其中一種技術是采用TrueTouch組件，包括快速改變電容，并利用一個泄放電阻來測量放電時間。這種全玻璃的觸控表面帶給使用者光滑流暢的觸感。終端產品制造商也偏愛玻璃屏，因為玻璃材質會讓終端產品擁有線條美觀的工業(yè)設計感，并能為測量觸控提供優(yōu)質的電容信號。最后，不僅要考慮觸控面板的外觀，了解其運作模式也相當重要。為設計出性能優(yōu)良的觸摸屏產品，必須注意以下參數。
精確度：精確度可定義為，在一個預先定義的觸摸屏區(qū)域中最大的定位誤差，以手指的實際位置與測量位置之間的直線距離為單位。在測量精確度時，使用的是一只模擬或機械手指。手指置于面板上的一個準確位置，再把手指實際位置與測量位置進行比較。精確度非常重要，使用者希望系統(tǒng)能準確地找到手指位置。電阻式觸摸屏最令人詬病的一項缺點，就是低準確度，而且準確度會隨時間逐漸減弱。電容式觸摸屏的精確度創(chuàng)造出許多新應用，例如虛擬鍵盤，以及不用觸控筆的手寫辨識。圖1顯示一個結構不完整的觸控面板數據，顯示手指位置有游移現象，而實際上模擬手指是進行直線移動。
圖1 范例顯示在觸控面板追蹤中的不準確度或誤差.
手指間距：手指間距定義為，當觸摸屏控制器測量兩只手指的位置時，兩只手指中心點之間在屏幕上的最短距離。手指間距測量方法(圖2)，是將兩個模擬或機械手指置于面板上，然后逐漸拉近兩只手指的距離，直到系統(tǒng)測到兩只手指為一只手指為止。有些觸摸屏供貨商的手指間距是指邊緣至邊緣的距離，有些則是中心點之間的距離。10毫米機械手指的10毫米手指間距，表明有多只手指觸碰到屏幕，或是手指之間的距離為10毫米，實際狀況取決于觸控控制器的規(guī)格定義。如果沒有良好的手指間距，就無法設計出多點觸控解決方案。對于仿真鍵盤而言，手指間距尤其重要，因為一般在使用仿真鍵盤時，手指在屏幕上的間距通常很短。
圖2 測量手指間距。[page]
響應時間：響應時間定義為，觸摸屏上手指觸碰事件與觸摸屏控制器產生中斷信號之間的時間。測量方法是以電子觸動仿真手指觸摸屏的環(huán)境，或在面板上移動一只模擬手指。響應時間尤其重要，因為它直接影響用戶在屏幕上移動手指的速度；進行平移或輕彈的操作；用手指或筆在屏幕上書寫。響應時間緩慢的觸控面板，會有短暫停頓和偵測不到移動動作的情況。觸摸屏的響應時間是系統(tǒng)響應時間的一部分，其中包括:
X/Y軸向掃描：觸控控制器掃描與測量傳感器上電容變化所耗費的時間。
手指偵測：比較面板電容變化與預先定義的手指默認值。若變化幅度超越手指默認值，就會偵測到手指的觸碰。
手指位置：根據多個傳感器得到的結果數據進行推算，判斷手指的實際位置。
手指追蹤：當傳感器上置有多只手指，每只手指必須正確辨識，并指派一個獨特的辨識符號。
中斷延遲：是指主控端上岔斷指示和服務之間的延遲，在大多數的系統(tǒng)中，這種延遲不會超過100微秒。
通信：一般系統(tǒng)在400kHz時使用I2C，或在1MHZ時使用SPI來與主控端進行通信。
市面上有許多工具能用來縮短響應時間，關鍵在于觸控芯片的智能，比如較有創(chuàng)意的方法僅需掃描部分屏幕，即可偵測到手指位置，當偵測到手指后，就能快速掃描，計算出手指實際的定位，藉此節(jié)省耗電與時間。另一個重要工具是并行處理，使用不同的硬件組件進行掃描、手指處理及通信，使這些工作同步進行。采用高度優(yōu)化的算法進行手指偵測、手指定位及手指識別碼(ID)，能夠縮短處理與響應時間。
畫面更新率：當手指出現在觸摸屏上時，一個數據緩沖器內觸摸屏數據的兩個相鄰幀之間的時間。低畫面更新率會導致系統(tǒng)偵測動作有停頓現象，偵測到的移動路線也會變成不連續(xù)的線段，而不是流暢的曲線。換言之，若觸控面板擁有高畫面更新率，就能提供更多的數據點，可轉譯成流暢或完整的形狀或動作軌跡，此外，高畫面更新率還能改進手勢的解譯功能。諸如TrueTouch這類智能觸摸屏控制器能夠調整其畫面更新率來配合系統(tǒng)需求。手繪或手寫應用需要相當高的畫面更新率，但手機撥號鍵盤僅需在使用者按下或放開按鈕時，截斷主控端即可。
平均功耗：是指觸控系統(tǒng)的平均功耗，包括控制器IC工作時的時間掃描、處理、通信、休眠等，以及主處理器接收與解譯觸控數據的時間。
功耗是很常見的性能參數：測量裝置消耗的電流乘以電壓，就能推算出功耗。在觸控面板的功耗方面，需要更精密的計算公式，因為不同使用模式會產生不同功耗。手機的待機時間取決于觸摸屏的待機或休眠模式消耗的電流。
觸摸屏在工作時，還分成許多種模式，例如觸碰喚醒(WOT)、面頰偵測(CheekDetect)，比如接聽一通5分鐘來電，正在檢視或輸入電話號碼時，手機可能切換至觸控模式達10秒，之后再切換至提醒通話時的WOT或面頰偵測模式。即使在傳送文字信息(SMS)時，仍是混合WOT模式與實際手指接觸，在按鍵輸入或思考時，控制器IC會在各種睡眠模式之間進行切換。
若不考慮這些功耗模式，就會很容易被系統(tǒng)耗電量所誤導，在大多數的情況中，觸摸屏90～99%的時間都是切換至面頰偵測模式及觸碰喚醒模式。有些系統(tǒng)允許使用者自行設定處理時間與休眠模式的比例，甚至手指仍置于面板的時候。若系統(tǒng)僅偵測到手指置于相同位置，就不需要200MHz的畫面更新率。想要開發(fā)一個高性能觸摸屏，必須運用休眠模式的低功耗系統(tǒng)，并搭配創(chuàng)新的休眠與喚醒模式來工作。
系統(tǒng)研發(fā)人員在設計一個電容式觸摸屏系統(tǒng)時，還要考慮許多其它重要因素：
ESD處理：為防止在觸摸表面上發(fā)生靜電放電事件，必須設置一條貫穿整個設備的低阻抗接地路徑。應使用放置在防護層非工作邊界區(qū)中的接地環(huán)來保護觸摸傳感器。接地環(huán)可以是簡單的金屬箔。必須保證在接地環(huán)和設備的系統(tǒng)地之間存在可靠連接。
手指電容:是指手指與單一傳感器組件之間測量到的電容。測量手指電容時，是使用一只真實手指，而不是金屬的機械手指，以確保測得符合實際狀況的數據。影響回授電容(CF)的因素包括覆蓋上層的鏡片厚度及覆蓋外層材料的介電常數。
系統(tǒng)本底噪聲:系統(tǒng)本底噪聲是指電容至數字轉換器輸出端所測量到的噪聲，是數據轉換器的輸入(電容)值。
信噪比:信噪比(SNR)是傳感器測得的手指信號與測量噪聲之比。這是個重要參數，設計人員必須深入了解它，才能開發(fā)出高效率的觸控面板。系統(tǒng)必須能調節(jié)、適應并濾除移動系統(tǒng)中的寄生噪聲。為獲得高信號數以及極少的噪聲數，可考慮針對觸控功能采用精確的模擬前端組件。
諸如TrueTouch系列可編程解決方案這類產品，可在濾除噪聲方面提供許多絕佳的機制。PSoC可編程模擬組件能重新組態(tài)，以整合持續(xù)一段時間的信號，藉此濾除噪聲。不同的信號頻率，包括擴頻與虛擬隨機頻率，亦可用來避免電磁干擾。標準的數字濾波器能移除1～2位的信號抖動或提供類似IIR的低通濾波器。智能數字濾波器能比對附近區(qū)域偵測到的樣本，濾除不正常的樣本，智能濾波器僅受限于系統(tǒng)設計人員的創(chuàng)意。圖3顯示一個組件的噪聲水平范例，及偵測到的觸控行為。在這個例子中，擷取到的SNR為5。
圖3 信噪比(SNR)范例。
了解與掌握重要的觸摸屏效能參數，就能大幅改進觸摸屏設計。了解這些標準，也有助于選擇理想的設計伙伴，這些業(yè)者擁有適合的技術，能妥善應對移動消費產品的噪聲與電氣問題。
觸摸屏吸引人的優(yōu)點，就在于其外表看似簡單的設計。在取代笨重的按鈕、軌跡球或傳統(tǒng)屏幕后，觸摸屏帶來一種全新的操作模式，創(chuàng)造出令人喜愛的使用體驗。觸摸屏設計的難點在于，想要提供美觀簡潔的設計，必須采用精密復雜的硬件、固件體以及制造技術。掌握觸摸屏的設計要點、關鍵性能參數，以及觸摸屏設計的權衡考慮要素，是開發(fā)出一流觸摸屏產品的第一步。
