- 電容式觸摸屏設計到產品的各種挑戰
- 用Gen4消除電容觸摸屏設計屏障
將電容式觸摸屏設計到產品并不是一項簡單的任務。這個復雜的機電系統面臨著許多集成方面的嚴峻挑戰。終端用戶希望他們的產品輕薄，市場需要長電池壽命。對觸摸性能的預期相當驚人：4mm手指，防手掌誤觸，1毫米觸控筆以及懸停。系統需要與低成本的通用USB電池充電器配合工作，抑制來自不斷增長的大量無線噪聲源的噪聲，以及忽視水的影響。還需注意，其價格必須便宜。解決這些問題并不容易。幸運的是，賽普拉斯(Cypress)公司推出了Gen4。
速度
從設計之初，Gen4旨在逐一解決這些設計問題。第一個挑戰是性能。雖然市場上一些觸摸屏聲稱高達250Hz，但在存在噪聲的現實應用中卻不可能達到。這是由于這些器件中的8位MCU核能力不足，不具備實現滿足現今環境要求的先進濾波算法所需的數學計算能力。一旦濾波完成，就需要像DSP一樣執行8位數學計算，實現精確的位置測量，而又不降低系統性能。實測結果表明，在真實世界環境下，觸摸屏控制器的速度將減少到60Hz。這將導致在快速輕擊，尤其是觸筆跟蹤時，性能表現不佳。Gen4旨在解決這些問題。
一些振蕩線圈變換器充電器可以被認為是寬帶噪聲發生器，因為它們產生了范圍從1kHz到近100kHz的多達40Vpp的噪聲。大多數最終還具有伴隨許多諧波的更多周期噪聲的傾向。
設計用于配合特定電話工作的OEM廠商的充電器具有較嚴格的噪聲規格，同時，在充電電路中廣泛采用USB連接器為配件市場創造了巨大的機會。為了在其中進行競爭，配件廠商充分地降低充電器成本。采用低成本電子器件的充電器給手機充電將注入很多噪聲到觸摸屏，而導致其很可能無法使用。
因此，OEM廠商要求觸摸屏IC具有更高水平的噪聲處理能力。許多規范要求從1kHz到400kHz要有40Vpp，并在50~60Hz范圍要有95Vpp的抑制能力。幸運的是，市場上已有專門的算法和方法(例如：Cypress的Charger Armor)可以滿足嚴格的要求，并具備400Vpp以上的電池充電器抗噪聲能力。這種水平是通過各種手段來實現的，無論是經過非線性濾波，跳頻，還是其它的硬件方法。Gen4可以實現這一切。
實現滿足當今移動行業要求規格的抗噪聲能力并非瑣事。觸摸屏通常采用處理器濾波解決這個問題。俗話說的“根不正，苗必歪，染坊拿不出白布來”也并不是百分百準確，但一開始就采用干凈的信號卻仍很關鍵。克服充電器噪聲的一個最好方法，特別是那些輸出寬帶噪聲，是使用純凈的信號來予以克服。因為從觸摸控制器模擬端產生的未經處理的信噪比和設備驅動面板的電壓成正比(SNR∝VTx)，所以期望采用高電壓的Tx。
典型的觸摸屏控制器一般以連接到面板的2.7V電壓軌來驅動它，而Gen4系列則有一些區別。它同樣采用2.7V的模擬電源，但實際上卻以10V驅動面板。電荷泵和10V晶體管集成到Gen4器件系列，這使得它們能夠實現較其他任何芯片近4倍的未經處理的信噪比。
一旦信號獲取后，就可以采用中值濾波或是其他更先進的非線性濾波等典型技術來進一步提高信噪比，但這將以犧牲刷新率為代價。10V Tx已顯示出能夠處理充電器輸出高達31Vpp的帶內噪聲，而并不需要采用這種先進的濾波類型。
但是當帶內噪聲太高時又將怎樣？這就是其他先進技術的重要性所在。如果設備需處理的帶內噪聲變得很大，則Gen4具有的獨特處理能力便可派上用場：通過動態調整其發射頻率并轉換信道來避免噪聲。自適應跳頻技術是觸摸屏中解決充電器噪聲問題的另一個關鍵技術。
解決顯示器噪聲問題
顯示器給投射式電容觸摸屏系統帶來了許多挑戰。這是因為它們產生了相當大的噪聲，這些噪聲可以直接傳導到電容觸摸屏傳感器。還有一件更難的事情是，OEM廠商要求手機模型更薄，這意味著要使實際的觸摸屏傳感器更加接近顯示器，甚至就在里面。
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多年來，業內已使用屏蔽層來保護傳感器免受顯示器噪聲的影響。這會增加任何手機的成本與厚度，但卻十分有效。業內還在顯示屏和傳感器之間使用了一個通常約為0.3毫米厚度的小氣隙，利用自然空氣消除來自顯示器的傳導噪聲。然而，隨著手機變得越來越薄，對于當今的設計來說，這兩種選擇都不是很理想。
在傳統的TFT液晶顯示器中，公共電極(VCOM)由直流或交流電壓驅動。ACVCOM層通常用來降低顯示器驅動的工作電壓，同時保持液晶電壓恒定。這是一個相對低成本的顯示器，相對與DCVCOM來說，這種類型的顯示器功耗更高，噪聲也更大。我們簡單看看ACVCOM顯示器的典型波形(圖3)。
圖3：ACVCOM顯示器典型噪聲波形
典型ACVCOM類型的顯示器會有集中在10~30kHz的500mVpp~3mVpp任何幅度的噪聲(如圖3所示)，而DCVCOM噪聲則會較小。要測量顯示器的噪聲非常簡單，可以在顯示器的頂部加一個小銅帶，將示波器連接到該小銅帶，并將示波器的地連接到顯示器的電路地，然后運行顯示器捕獲波形。這種程度的噪聲對于電容觸摸屏控制器來說是災難性的，但是可以通過氣隙或者屏蔽來改進。氣隙會使手機變厚，且會帶來機械設計問題。屏蔽層也會增加厚度，并帶來成本問題。
幸運的是，顯示器噪聲可以采用Gen4輕松減弱。Cypress的Display Armor技術是業內采用的最先進的對抗顯示器噪聲的方法。通過在觸摸屏設備中集成內置的監聽通道，Gen4可以用兩種不同的方式來消除顯示器噪聲。一種方法是使用先進的算法來區分噪聲和數據；另一種是檢測噪聲源并獲取波形，以致在沒有噪聲時進行電容測量。這兩種方法都由硬件完成，不會影響到CPU或觸摸屏子系統通常的執行。其結果是可以實現低成本的輕薄、先進的電容觸摸屏層疊結構(stackup)。
精度
觸摸屏控制器必須提供精確的用戶體驗，精度和線性度都是關鍵。精度定義為觸摸屏控制器報告的位置與實際目標中心有多接近；線性度則度量的是報告位置與目標經過屏幕運動線路的接近程度。兩者都是關鍵參數，且在邊緣周圍非常重要。Gen4可以幫助設計人員把精度和線性度提高到0.2mm以下。它還能支持較大范圍的手指尺寸：從小到4mm的較小手指到大到30mm的較大手指，都可以精確識別。
節約成本
Gen4系列產品的抗噪聲能力使設計人員不僅能夠抵御苛刻的環境要求，而且還能節約成本。如何實現呢？使用Gen4時，廠商可以使用低成本的電池充電器和低成本的顯示器。在傳感器設計時可以不必使用屏蔽層，也無需采用保護觸摸屏IC不受噪聲源影響的其他的昂貴元器件。Gen4甚至可以在FPC上節省成本，因為它可以使用單層布線。這要感謝其靈活的IO設計以及無需外部元器件。典型的設計可以設置Tx引腳在器件的任何一側，而所有的Rx引腳則均位于頂部。
易于使用
設計師面臨的另一個挑戰就是要不斷的學習新的工具和芯片。這是因為對于不同的項目有不同的控制器。無論是針對功能手機的這一項目，針對智能手機的另一項目，還是針對它們的手寫板設計的下一項目，試圖在一個時間表內完成所有這些項目并學習很多的新知識，將帶來極大的挑戰性。Gen4可以解決這個問題，因為它是一個單芯片解決方案的平臺，可以支持所有這些市場的需求。具有31、35、36、40、56、60個傳感器IO可選(屏幕尺寸從1.5”至12”)，設計人員不再需要擔心針對新產品提出的新結構。此外，設計人員還可以在所有的項目中使用相同的開發環境：TrueTouch Host Emulator(TTHE)。它無需任何編碼，只需簡單點擊就能完全配置和調整觸摸設計，從而可以使設計人員節省設計時間。
本文小結
投射式電容觸摸屏控制器仍將繼續發展。性能將會增加，并且市場還將繼續對系統價格施壓。幸運的是，我們已經找到解決途徑。Gen4為市場帶來了無與倫比的抗噪聲能力，并結合了革命性的刷新率以及功耗。由于它的集成水平，設計人員可以實現先進的性能，并在同時降低系統設計的成本。采用Gen4平臺方法可以使設計人員節省設計的時間和成本，并為終端客戶帶來極好的用戶體驗。
