使多点触摸屏超越智能手机范畴的控制IC

 要点

1.现在，除了高端智能手机和平板电脑以外，用户还期望在其它应用中使用触摸屏，它们正逐步现身于汽车和仪器中。

2.在电容式触摸屏与较廉价但响应不快的电阻触摸技术的竞争中，成本是应用的一个约束因素。

3.触觉技术试图模拟真实世界的感受环境，其价格正在下降，可能在游戏市场上获得第一个进展。

自上次EDN研究触摸屏后(参考文献1)，触摸屏已经在智能手机中确立了自己的地位， 并正在寻机进入更低价的“功能手机”，因为手机商期望从高端手机市场攫取一些份额。像iPad这类平板电脑，以及最新的Kindle Fire也助长了触摸屏的普及。由于用户越来越熟悉消费电子中的交互式且变化多端的触摸屏，因此他们希望在其它非传统触摸屏领域也有相同水平的互操作性，如汽车、医疗电子和工业设备等。

触摸屏面世已有几十年时间，它们通常采用的是电阻式触摸技术。使用电阻触摸屏时，用户手指的按压使屏幕外层发生物理形变，使电阻传感器接触到手指底面。电阻传感器排成一个X乘Y的阵列，并由一个薄而透明的绝缘体隔开。

注意这里用了一个词“按压”。按压是不同于触摸或扫过的一个动作。电阻触摸屏对于多点触摸手势的响应能力有限，如捏、缩放、扫和滚动等。用户一旦习惯于用这些手势操作自己的智能手机和平板电脑，就再也用不惯缺乏这些特性的简单触摸屏了。能够响应复杂手势的触摸屏通常都采用电容式检测技术。

电容检测触摸技术一般可采用自电容和互电容方式，不过也存在一些其它类型，如投射电容。自电容传感器由一系列氧化铟锡细线组成，它是一种排成XY网格的透明导电材料，X线与Y线之间有一个绝缘层。触摸网格上的某个区域会改变传感器对地的寄生电容。但是，这种方法不能处理多手指的触摸，因为传感器无法区分沿同一网格线上的多个手指。互电容可以探测到X线和Y线小交叠处的电容变化。由于交叠面积很小，因此电容也很小，但这种方法很精密，可以测出多个手指的位置。

每种方案都各有利弊。虽然自电容传感器通常无法区分出多个手指的同时动作，但它们可以产生出用于探测物体的较强电磁场，哪怕该物体并没有实际接触屏幕。互电容触摸屏则可以探测和跟踪多个手指，但手指必须接触屏幕，因为两个交叠传感器形成的电容非常小，其电磁场极其微弱。

当用户戴着手套时，手指与触摸屏之间闭合接触的需求就可能成为一个问题。电容触摸屏有这种限制，从而使人们倾向于电阻触摸屏。电阻技术在液体应用或潮湿气候下也有自己的优势，此时潮气会影响到电磁场的性能。Cypress公司的TrueTouch控制器技术尝试将自电容和互电容技术结合起来，以克服这些障碍(参考文献2)。

自电容和互电容都需要相同的XY传感器网格。在自电容情况下，控制器必须同时驱动X线和Y线。在互电容情况下，控制器发射X线，而从Y线接收。由于TrueTouch控制器IC采用了Cypress公司的PSoC(可编程系统单芯片)核心，因此控制器可以动态地配置其I/O脚，即时地将发射器转换为接收器。于是，无论控制器何时扫描传感器的网格板，它都可以同时在两种模式做探测(自电容和互电容)。自电容与互电容相结合，使人们即使戴着厚滑雪手套，也可以完成多触功能。这种能力产生了一个在汽车中的触摸屏安全问题(见附文“JD Power有关汽车安全与触摸屏的问答”)。

汽车中的触摸屏为10英寸或更大，通常大于智能手机的屏幕，后者典型尺寸约为4英寸。Atmel公司的MaxTouch系列触摸屏控制器包括通过汽车认证的mXT768E和mXT540E控制器，可用于中控台显示屏、导航系统，以及后座娱乐系统的5英寸~10英寸触摸屏。传统用于电容触摸屏的控制器都要求在多个触摸屏之间有一个屏蔽层，以防止耦合来自LCD的噪声。Atmel称MaxTouch器件提供80:1的信噪比，无需屏蔽层，能够实现单层传感器设计，从而降低成本和减小厚度(图1)。高SNR亦能够探测出一只戴薄手套的手指。一般来说，该技术可以探测厚度为1.5mm的手套，如皮、毛或棉手套。

图1，触摸屏叠层中有一个ITO屏蔽(a)。去掉这样一个屏蔽层意味着减小厚度，增加显示亮度，但可能产生LCD噪声问题(b)。

外观优雅的触摸屏设计会有一种很酷的感觉，对消费者来说，这和触摸屏的性能同等重要。对于智能手机，工业设计决定了总是越薄越好。Cypress公司的SLIM(单层独立多点触摸)技术可做出更薄的屏幕，因为传感器是一层，而不是两层。对于传统的双层结构，制造商要在两个层面上制作传感器：即在各自的层上制作出X线和Y线，两层之间有一个绝缘层。鉴于ITO的成本，这种XY网格成本较高，ITO实际上是一个透明的金属层，成本大约每英寸屏幕(对角)1美元。

Cypress建立了一种专利图样，能够在一层的同一表面，同时布放X与Y传感器，而无需跳线或过孔(图2)。Cypress公司TrueTouch控制器营销总监John Carey称，SLIM可做出最薄和最低成本的触摸屏传感器，可用于最大4.5英寸的屏幕。该公司并没有公开这种图样，客户是与Cypress授权伙伴触摸屏供应商合作。

图2，Cypress公司的SLIM技术采用了一种专利图样，设计者能够在一层的相同表面同时布放X和Y传感器网格线，而不用跳线或过孔。

虽然多点触摸屏的价格在下降， 但它们仍比电阻屏贵大概10倍，后者有更广泛的用户群。对于受成本支配但仍需要某种形式多点触摸的应用，飞思卡尔公司提供了Xtrinsic CRTouch，它能够将标准的电阻触摸屏改造为能够识别滑动、双指挤捏的放大和缩小，以及多手指旋转。该芯片采用专利的算法和专门的模拟硬件，以及片上的状态机。控制器芯片还可管理最多四个电容触摸板，从而可实现小键盘、旋转钮，以及线性滑动棒。CRTouch芯片是飞思卡尔Ready Play产品中的一个成员，提供与Android和Linux操作系统的交钥匙式软件集成。芯片亦提供可配置的屏幕分辨率，以及可选用于电阻触摸屏手写笔输入的校准与压力探测。

Amazon公司在Kindle Touch上使用的是红外触摸传感器，部分原因是为了降低成本。Touch阅读器采用了一块黑白电子墨水屏，在屏幕和读者之间没有ITO层。屏幕是采用位于边框中的红外传感器，探测到手指截断的IR光束。该显示屏可以响应多点触摸的挤捏动作，用于PDF阅读时的缩放，但它不能接受像智能手机上那么多种多点触摸手势(参考文献3)。

随着触摸屏进入汽车、仪表和医疗设备等应用，这些设备的用户界面可以无限制地调整和更新。对于测试与测量设备的设计者来说，物理控制旋钮和表盘的位置总是很重要的，他们会花大量时间，决定哪个按钮应放在何处。

过去，一个频谱分析仪设计者的口号就是：“tune, boom, zoom”，其中，tune是中心频率，boom是基准电平或波幅，而zoom则是待测信号的量程。设备设计者的目标是让tune、boom和zoom尽量快而易用。例如，将中心频率、基准电平和量程键埋入一些菜单结构中就不是个好主意。这三个键通常要占据一个频谱分析仪前面板的相当大一部分。忠实的客户通常懒于接受对前面板的修改。现在，设备设计者可以让客户自己定制控制面板，以适合自己的喜好。

触觉技术试图模仿真实世界的感知环境，它的价格也正在下降，可能通过游戏市场而找到第一个进展。来自触摸屏的感知反馈可以在游戏、汽车或仪表触摸屏上做出更丰富的体验，操作者可以不用看系统在触摸屏上给出的可视提示，就对一个动作做出反应(见附文“触感101”)。

展望未来， 除触摸屏以外，还有更多的控制界面会很快进入市场。当屏幕大于10英寸时，自电容和互电容检测都变得不再实用，并且有些设备需要较大面积的物理接触。例如，SmithsonMartin公司的Emulator DJ System就是一个透明的混音台，它能让观众通过混音板看到DJ(图3)。透明屏幕下面有一个投影仪，它将DJ在屏幕上看到的按键、旋钮与滑杆显示出来。观众也可以通过透明屏幕看到DJ，角落的摄像头可以通过追踪DJ手指的运动而实现触摸屏。

图3，SmithsonMartin公司的Emulator DVS DJ System是一个透明的混音台，观众可以通过混音板看到DJ。角落的摄像头追踪手指的运动，以实现触摸显示。

附文1：JD Power有关汽车安全与触摸屏的问答

最近博客上有一些针对触摸屏控制器新产品的问题，涉及触摸屏在汽车中的安全性，因为驾驶者应把目光放在道路上(参考文献1)。JD Power and Associates的全球汽车市场研究执行总监MikeVanNieuwkuyk最近为EDN杂志回答了下列问题。

EDN：触摸屏似乎要求驾驶员在使用时观看屏幕，因为触摸屏没有旋钮和按键的“手感”。它们会比专用硬件界面更加危险吗?

答：当然，任何会使驾驶员注意力离开道路的技术都会导致某种程度的分神。屏幕的位置、尺寸、图标/屏幕上的按键、文字大小，等等，都影响一个触摸屏的效果。不过，触摸屏使用中还可以集成一些为驾驶员提供反馈的特性，从而确保一个操控得到正确/肯定的执行。反馈可以采取声音响应方式，如一个音调、卡嗒声，或确认声;也可以是视觉响应，如一个指示有效/打开的光;或一种通过振动器提供振动或撞击的触感响应。这些特性都可以与触摸屏的使用相结合，确认消费者使用了预期的控制功能，并且得到了所要的结果。

EDN：触摸屏是无限可变的;界面设计者对于屏幕功能的大小、数量和性能几乎没有限制。驾驶员对触摸屏的使用是否有一种缓慢的学习曲线，如对MyFord Touch那样(参考文献2)?

答：任何新的技术都有一个学习曲线。触摸屏确实提供了极大的灵活性和创造性。在消费者熟悉界面以前，确实存在着触摸屏使用困难的可能性。很多消费者在汽车以外已经用过触摸屏，这创造出了很强的可接受性和高度的预期。不过，汽车以外的触摸屏使用有很高的交互性;而在汽车内，达不到相同的交互水平。

EDN：戴手套的手指能否可靠地使用触摸屏?

答： 戴手套用触摸屏可能会有激励和确定响应的问题。传统触摸屏不能探测手套，需要与皮肤接触。消费者可以戴特殊手套，但要求消费者去购买和佩戴这种手套是不现实的。有些新型触摸屏采用了一种表面的电场，当电场被破坏时，该区域便激活要操控的功能。这种屏幕就可以用手套。不过，戴手套使用还有其它问题，如手套增加了手指的大小，如果触摸屏的控制面过小，则可能导致意外触摸。

EDN：您认为触摸屏在汽车市场的用途何在?今后五年内，它们会成为一种必不可少的功能，还是一种小众的功能?另外，是否会出现某种触摸屏与专用屏的混合模式?

答： 在汽车的很多领域，采用触摸屏都有吸引人的原因，其灵活性和个性化的机会都吸引着汽车消费者。既然要在汽车上花费时间，消费者就希望这个时间花得有用、舒适、愉悦。屏幕在车里的位置总是存在着挑战，无论是专用屏还是触摸屏。交互性、视觉线、操控区以及眩光等都将决定触摸屏与专用屏的优劣选择。可能的结果是，我们会看到一种混合型的屏幕，它有传统的按键和旋钮，用于熟悉的功能，尽量减少注意力的分散。另外，将增强的语音识别集成为整体操控的一部分，肯定会影响屏幕的使用方式及其位置。

让我们面对现实： 我们处于一个喜好窥视的社会，屏幕无处不在。随着对越来越多功能需求的增长，我们通常用来观看的屏幕成为了交互的门户，现在还配上了触摸探测功能。尽管触摸功能有多种形式，包括电阻、电容和光学，下一个进展正在让这些触摸屏具有触及的感觉，这就是触感要做的事。触感是通过某个设备为屏幕提供振动(或感知)反馈的能力(图1)。

图1，触感显示器用传动器使触摸屏具有了触及的能力。触感中主要采用三种传动器：偏心旋转质量 (a)、线性谐振传动器 (b)，以及压电传动器 (c)。

触感反馈也有多种形式，主要有三种实现：ERM(偏心旋转质量)、LRA(线性谐振传动器)，以及压电传动器。ERM与LRA是基于惯性的传动器，包括一个线性运动的质量体，从而创造出可探测的振动力。ERM采用偏心重量，而LRA使用的是弹簧振荡的质量。ERM提供了基本触感效果，是一种高性价比的方案，但耗能大，要50ms~80ms才有效果，慢于LRA方式(参考文献1)。

LRA是以谐振频率工作，节能效果好。但由于它们是弹簧组件，经过一系列内外振动后，弹性系数会发生改变。这个问题似乎不严重。但是，如果系统没有以谐振频率工作，就不能获得最大的功率效率和最大的加速度。

压电传动是一种相对较新的触感反馈法。它利用了陶瓷材料中的压电原理，即物体内的电压与其当前形状有关系。但这里并不是通过弯曲一个器件寻找电压的变化，而是相反。施加一个电压，使传动器的自然状态发生改变。

压电传动的性能要强于其它两种技术。它是唯一一种能够初始化为局部触感的技术，即，只有设备中的一块区域能感觉到触感的效果。而在整体触感时，整个设备都会感到效果。对照一下单只手指的感觉，以及整部设备在衣兜里振动的感觉，就可以了解这点。压电触感就可以实现这种效果。它还有更多的效果选项，响应时间不到1ms，这意味着在ERM执行一次动作，压电传动器可以执行30到80次。压电传动的带宽也好于另外两种，因此，它可以无缝地重新创造出按压一只机械按键的感觉。

触感效果为设备增加了价值，与它们给系统增加的少许成本相比，还是很值的，尤其是很多重要的目标市场都已采用了这些元件。触感是一种增强用户满意度的很好方法，它能体现出产品的差异性，并进一步架起人类与机器之间互动的桥梁。