低成本阻性触摸屏上实现手势识别

对于各种消费、医疗、汽车和工业设备，增强的低成本触控 式用户界面是一个极具价值的特性。在许多消费电子应用 中，设计师偏向使用容性触摸屏，而不愿使用阻性触摸技 术，原因是前者可以跟踪手指，似乎能够提供更友好的用户 交互体验。目前，低成本阻性技术的应用市场包括：只需要 单点触控、至关重要的极其精确的空间分辨率、利用触控笔 来实现特定功能（如亚洲语言符号识别等），或者用户必须 戴手套的场合。 虽然阻性技术传统上是用来检测屏幕上“单点触摸”的位 置，但本文提出了一个创新的“两点触摸”概念，它利用阻 性触摸屏控制器 AD7879 在廉价的阻性触摸屏上检测最常见 的双指手势（缩放、捏合和旋转）。

　　阻性触摸屏的经典方法

　　典型的阻性触摸屏包括两个平行的氧化铟锡（ITO）导电层，中 间的间隙将两层分开（图 1）。上层（Y）的边缘电极相对于下 层（X）的边缘电极旋转 90°。当对屏幕的一个小区域施加压 力，使这两层发生电气接触时，就发生了“触摸”现象。如 果在上层的两个电极之间施加一个直流电压，而下层悬空， 则触摸将使下层获得与触摸点相同的电压。判断上层方向触 摸坐标的方法是测量下层的电压，以便确定触摸点处的电阻 占总电阻的比值。然后交换两层的电气连接，获得触摸点在 另一个轴上的坐标。

 　　连接直流电压的层称为“有源”层，电流与其阻抗成反比。 测量电压的层称为“无源”层，无相关电流流经该层。发生 单点触摸时，在有源层中形成一个分压器，无源层电压测量 通过一个模数转换器读取与触摸点和负电极之间的距离成比 例的电压1.

　　由于成本低廉，传统的 4 线阻性触摸屏深受单点触控应用的 欢迎。实现阻性多点触控的技术有多种，其中总是会用到一 个矩阵布局屏幕，但屏幕制造成本高得吓人。此外，控制器 需要许多输入和输出来测量和驱动各个屏幕带，导致控制器 成本和测量时间增加。

　　图 1. （a） 阻性触摸屏的结构；（b） 用户触摸屏幕时的电气接触

　　超越单点触控

　　虽然如此，但通过理解并模拟该过程背后的物理原理，我们 可以从阻性触摸屏提取更多信息。当发生两点触摸时，无源 屏幕中的一段电阻加上触点的电阻与有源屏幕的导电段并 联，因此电源的负载阻抗减小，电流增大。阻性控制器的经 典方法是假设有源层中的电流恒定不变，无源层为等电位。 两点触摸时，这些假设不再成立，为了提取所需的信息，需 要进行更多测量。

　　阻性屏幕中的两点触摸检测模型如图 2 所示。Rtouch为层间的 接触电阻；在现有的大多数屏幕中，其数量级一般与两层的 电阻相同。如果有一个恒定的电流I流经有源层的两端，则有 源层上的电压为：

　　图 2. 阻性屏幕两点触摸的基本模型

　　手势识别

　　以“捏合”（pinch）作为范例可以更好地描述手势识别的工作 原理。捏合手势从两根分开较远的手指触摸开始，产生双重 接触，使得屏幕的阻抗降低，有源层两根电极之间的电压差 因此减小。随着两根手指越来越接近，并联面积减小，因而 屏幕的阻抗提高，有源层两根电极之间的电压差相应地增 大。

　　紧密捏合后，并联电阻趋于 0，Ru + Rd提高到总电阻，因此电 压增大到：

　　图 3 显示了一个沿着垂直（Y）轴捏合的例子。当手势开始时， 其中一层的两根电极之间的电压恒定不变，另一层则表现出 阶跃性降低，然后随着手指相互靠近而提高。

　　图 3. 垂直捏合时的电压测量

　　图 4 显示倾斜捏合时的电压测量结果。这种情况下，两个电 压均表现出阶跃性降低，然后缓慢恢复。两个恢复速率（利 用各层的电阻归一化）的比值可以用来检测手势的角度。

　　图 4. 倾斜捏合时的电压测量

　　如果手势为缩放（手指分开），其行为可以从上述讨论推导 出来。图 5 显示了沿各轴及沿倾斜方向缩放时测得的两个有 源层电压趋势。

　　图 5. 沿不同方向缩放时的电压趋势

　　利用 AD7879检测手势

　　AD7879 触摸屏控制器设计用于与 4 线式阻性触摸屏接口。除 了检测触摸动作外，它还能测量温度和辅助输入端的电压。 所有四种触摸测量加上温度、电池、辅助电压测量，均可以 通过编程写入其片内序列器。

　　AD7879 结合一对低成本运算放大器，可以执行上述捏合和缩 放手势测量，如图 6所示。

　　下面的步骤说明了手势识别的过程：

　　在前半周期中，将一个直流电压施加于上层（有源 层），并测量X+引脚的电压（对应于VY+ – VY–），以提 供与Y方向上的运动（接近还是分开）相关的信息。

　　在后半周期中，将一个直流电压施加于下层（有源 层），并测量Y+引脚的电压（对应于VX+ – VX–），以提 供与X方向上的运动（接近还是分开）相关的信息。

　　图 6 所示的电路需要为差分放大器提供保护，防止短接到 VDD。在前半周期中，下方放大器的输出短接到VDD。在后半 周期中，上方放大器的输出短接到VDD。为避免这种现象， AD7879的GPIO可以控制两个外部模拟开关，如图 7所示。

　　图 6. 基本手势检测应用图

　　图 7. 避免放大器输出短接到VDD的应用图

　　这种情况下，AD7879 设置为从机转换模式，并且仅测量半个 周期。当 AD7879 完成转换时，产生一个中断，主处理器重 新设置 AD7879 以测量第二个半周期，并且改变 AD7879 GPIO 的值。第二转换结束时，两层的测量结果均存储在器件 中。

　　旋转可以通过一个方向上的同时缩放和一个倾斜捏合来模 拟，因此检测旋转并不困难。挑战在于区别旋转是顺时针 （CW）还是逆时针（CCW），这无法通过上述过程来实现。为了 检测旋转及其方向，需要在两层（有源层和无源层）上进行测量，如图 8 所示。图 7 中的电路无法满足之一要求，图 9 提出了一种新的拓扑结构。

　　图 8. 顺时针和逆时针旋转时的电压测量

　　图 9所示的拓扑结构实现了如下功能：

　　半周期 1：电压施加于Y层，同时测量（VY+ – VY–）、VX–和 VX+。每完成一个测量，AD7879 就会产生一个中断，以 便处理器改变GPIO配置。

　　半周期 2：电压施加于X层，同时测量（VX+ – VX–）、VY–和VY+。

　　图 9 中的电路可以测量所有需要的电压来实现全部性能，包 括：a）单点触摸位置；b）缩放、捏合、旋转手势检测和量化； c）区别顺时针与逆时针旋转。用两点触摸手势来完成单点触 摸操作时，可以估计手势的中心位置。

　　图 9. 单点触摸位置和手势检测的应用图

　　实用提示

　　轻柔手势产生的电压变化相当微细。通过放大这种变化，可 以提高系统的鲁棒性。例如，可以在屏幕的电极与 AD7879 的引脚之间增加一个小电阻，这将能提高有源层的压降，但 单点触摸定位精度会有所下降。

　　另一种方法是仅在低端连接上增加一个电阻，当 X 层或 Y 层 为有源层时，仅检测 X–或 Y–电极。这样就可以应用一定的 增益，因为直流值相当低。

　　ADI公司有许多放大器和多路复用器可以满足图 6、图 7 和图 9 所示应用的需求。测试电路使用AD8506 双通道运算放大器和ADG16xx 系列模拟多路复用器；多路复用器的导通电阻很 低，采用 3.3 V单电源供电。

　　结束语

　　利用 AD7879 控制器和极少的辅助电路，可以检测缩放、捏 合和旋转。只需在有源层上进行测量，就能识别这些手势。 在主处理器的控制下，利用两个 GPIO 测量无源层的电压， 可以区别旋转方向。在该处理器中执行相当简单的算法，就 能识别缩放、捏合和旋转，估计其范围、角度和方向。

　　感谢

　　本文获得了西班牙瓦伦西亚中小企业协会（IMPIVA）通过项目 IMIDTF/2009/15 和西班牙教育与科学部通过项目 Consolider/CSD2007-00018提供的部分资助。

　　本文作者感谢 Colin Lyden、John Cleary和 Susan Pratt在讨论 中提供的有益建议。

　　参考文献

　　（Information on all ADI components can be found at www.analog.com.）

　　1 Finn， Gareth. “New Touch-Screen Controllers Offer Robust Sensing for Portable Displays.” Analog Dialogue， Vol. 44， No. 2. February 2010. （return to text）

　　Authors

　　Javier Calpe ［javier.calpe@analog.com］ 分别于 1989年和 1993年获得西班牙瓦伦西亚大学物理 学学士学位和博士学位，为该校讲师。Javier自 2005 年起担任ADI公司瓦伦西亚开发中心的设 计中心经理。

　　Italo Medina ［italo.medina@analog.com］ 于 2010 年获得西班牙瓦伦西亚理工大学电子工程学士 学位。Italo于 2010 年加入ADI公司，成为爱尔 兰利默里克精密DAC部模拟设计师。

　　Alberto Carbajo ［alberto.carbajo@analog.com］于 2000 年获得西班牙瓦伦西亚理工大学电子工程 学士学位，2004 年获得爱尔兰科克大学（UCC） 工程硕士学位。Alberto于 2000 年加入ADI公 司，在测试与设计部门工作。目前，他的工作 重点是基于IC的检测产品，包括信号处理和微 控制器设计集成。

　　María José Martínez ［maria.martinez@analog.com］ 于 2005 年获得西班牙瓦伦西亚理工大学电信工 程学士学位。她于 2006 年加入ADI公司，担任 触摸屏产品应用工程师，重点关注CapTouch®触 摸屏控制器和透镜驱动器产品。Maria目前在 ADI瓦伦西亚的便携产品部门工作。