以專用硬體執(zhí)行軟體濾波 電容式觸控螢?zāi)恍苋嫔?jí)
北京時(shí)間2012年05月17日消息，寶威科技網(wǎng)訊，電容式觸控螢?zāi)灰殉蔀橹髁鞯闹腔坌褪謾C(jī)和平板電腦使用者介面技術(shù)，同時(shí)正迅速被許多其他種類的設(shè)備所采用。產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員要在設(shè)備中導(dǎo)入電容式觸控螢?zāi)唬偷猛瑫r(shí)滿足許多要求；當(dāng)這些要求彼此沖突時(shí)，例如要提高雜訊抑制還是螢?zāi)换貞?yīng)能力，設(shè)計(jì)人員往往要在設(shè)計(jì)品質(zhì)作出折衷權(quán)衡。
某些觸控螢?zāi)豢刂破饕蕾囉搀w主導(dǎo)的方法來(lái)解決這些問(wèn)題，這方法無(wú)疑提供雜訊抑制能力，但卻犧牲性能和簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)。市場(chǎng)上已出現(xiàn)更精細(xì)的觸控控制器，這些解決方法把新型硬體及智慧型韌體結(jié)合，能滿足上面的所有要求而不須做出妥協(xié)。
觸控介面設(shè)計(jì)主要指標(biāo)
觸控輸入系統(tǒng)是目前消費(fèi)性產(chǎn)品使用者介面最關(guān)鍵部件之一。因此，高品質(zhì)的觸控感測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，必須首先考慮使用者的體驗(yàn)，以下是一些主要的指標(biāo)。
螢?zāi)换貞?yīng)能力
當(dāng)消費(fèi)者在觸控螢?zāi)簧弦苿?dòng)手指時(shí)，他們希望能獲得即時(shí)的回應(yīng)。一個(gè)優(yōu)良的觸控控制器可非常迅速地將更新的資訊發(fā)送給作業(yè)系統(tǒng)，因而應(yīng)用程式能得悉手指當(dāng)前的位置，從而提供即時(shí)回應(yīng)。所謂報(bào)告率就是觸控螢?zāi)幻棵敫⑿碌念l率。
電池使用壽命長(zhǎng)
消費(fèi)者希望手上電池供電的設(shè)備在充電后，就能維持保持較長(zhǎng)的操作時(shí)間，這意味著系統(tǒng)中的每個(gè)部件，包括觸控控制器，必須盡量減少耗電量。
可攜性功能與成本相關(guān)
現(xiàn)代消費(fèi)性產(chǎn)品的趨勢(shì)是更薄、更輕和更便宜。因此，各大公司都熱衷于減少觸控螢?zāi)唤Y(jié)構(gòu)中的玻璃、塑膠和膠體的層數(shù)。
手寫(xiě)筆支援
雖然手指輸入對(duì)于內(nèi)容使用來(lái)說(shuō)非常不錯(cuò)，但筆或手寫(xiě)筆對(duì)建構(gòu)內(nèi)容而言仍具有許多優(yōu)勢(shì)，例如可進(jìn)行更多樣化的書(shū)寫(xiě)和繪圖，一個(gè)良好的觸控介面應(yīng)能同時(shí)支援這兩種輸入形式。
保持使用穩(wěn)健性
觸控螢?zāi)唤槊鎽?yīng)在所有環(huán)境下皆能正常使用，應(yīng)能抵擋來(lái)自射頻(RF)天線、液晶或有機(jī)發(fā)光二極體(OLED)顯示螢?zāi)?、電池充電器、螢光燈或其他常?jiàn)電場(chǎng)的電氣干擾。
上市時(shí)間
系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)選擇易整合到設(shè)備中的元件。預(yù)先載入標(biāo)準(zhǔn)韌體的觸控控制器能大大縮短開(kāi)發(fā)和除錯(cuò)周期，設(shè)計(jì)人員不須寫(xiě)入復(fù)雜的觸控感測(cè)程式碼，而只須輕易選擇一組適合具體項(xiàng)目的參數(shù)，然后將這些參數(shù)應(yīng)用到二線制或三線制介面模式即可。
導(dǎo)入挑戰(zhàn)來(lái)自雜訊干擾
由于須同時(shí)滿足如此多的要求，使構(gòu)建高品質(zhì)的觸控螢?zāi)唤槊娴墓ぷ髯兊梅浅＞哂刑魬?zhàn)性。除非系統(tǒng)設(shè)計(jì)十分出色，否則不同的要求會(huì)互相沖突，常須要進(jìn)行痛苦的折衷權(quán)衡。例如，市場(chǎng)對(duì)可攜式、價(jià)格相宜的設(shè)備的要求，推動(dòng)供應(yīng)商去制造材料層數(shù)更少的觸控螢?zāi)?；為?shí)現(xiàn)此一目標(biāo)，感測(cè)器已取消傳統(tǒng)上保護(hù)觸控感測(cè)器免受底部顯示元件干擾的銦錫氧化物(ITO)「遮罩」(Shield)層。由于沒(méi)有遮罩層，來(lái)自感測(cè)器底部顯示器的干擾，會(huì)比觸控螢?zāi)簧鲜种競(jìng)鱽?lái)的訊號(hào)強(qiáng)度大上許多倍，對(duì)觸控螢?zāi)豢刂破骶瑏?lái)說(shuō)，處理這種情形是一項(xiàng)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)(圖1)。
圖1 當(dāng)前觸控式螢?zāi)缓托乱淮|控式螢?zāi)坏膶訑?shù)對(duì)比。右側(cè)堆疊的Touch-on-Lens的層數(shù)更少，降低厚度并提高顯示亮度，但是由于缺少I(mǎi)TO遮罩層，如果觸控式螢?zāi)豢刂破髟O(shè)計(jì)未解決這一問(wèn)題的話，便會(huì)加重顯示器雜訊問(wèn)題。
可攜式觸控系統(tǒng)的另一項(xiàng)挑戰(zhàn)來(lái)自電池充電器。汽車內(nèi)充電器、無(wú)線充電器、非原廠充電器和其他充電器，通常使用切換技術(shù)來(lái)控制輸出電壓，而切換頻率的雜訊會(huì)影響觸控螢?zāi)坏倪\(yùn)作。圖2為使用者用手指畫(huà)出一組對(duì)角線時(shí)，智慧型手機(jī)繪圖應(yīng)用程式所顯示的圖像，并使用同一臺(tái)手機(jī)連接不同的充電器來(lái)對(duì)圖像進(jìn)行擷??；透過(guò)顯示圖，可看出智慧型手機(jī)所使用的觸控螢?zāi)豢刂破鳎瑢?duì)充電器雜訊的穩(wěn)定性控制還不夠。
圖2 采用不同充電器時(shí)，智慧型手機(jī)觸控式螢?zāi)坏木€條繪制測(cè)試結(jié)果。使用某些充電器時(shí)，這種觸控式螢?zāi)伙@示出錯(cuò)誤觸摸結(jié)果、不良線性關(guān)系以及較高抖動(dòng)等不良的使用者體驗(yàn)。
現(xiàn)有雜訊干擾抑制方案成效有限
市場(chǎng)上有一些較簡(jiǎn)單的方法，可分別應(yīng)對(duì)這些難題，但是若要同時(shí)解決這些挑戰(zhàn)，必須采用更精細(xì)的系統(tǒng)。不過(guò)在考慮更先進(jìn)的系統(tǒng)之前，先來(lái)了解這些相對(duì)簡(jiǎn)單的技術(shù)。
高壓驅(qū)動(dòng)
觸控控制器IC通過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓訊號(hào)進(jìn)入到感測(cè)器內(nèi)，并測(cè)量陣列中每個(gè)電容的充電量來(lái)發(fā)揮作用，來(lái)自顯示器和充電器的雜訊會(huì)改變有效的訊號(hào)電壓，從而擾亂測(cè)量結(jié)果。但是，如果訊號(hào)電壓增加，干擾顯得相對(duì)較小，便能獲得較準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。這種技術(shù)簡(jiǎn)單有效，因此在觸控螢?zāi)豢刂破髦袕V泛被使用。例如，愛(ài)特梅爾(Atmel)maXTouch S系列元件，利用高達(dá)24伏特(V)的等效高壓驅(qū)動(dòng)來(lái)提高雜訊條件下的訊號(hào)雜訊比(SNR)。
同步顯示
液晶顯示器(LCD)、OLED和其他顯示元件產(chǎn)生的雜訊，會(huì)隨時(shí)間而有所變化。顯示元件不斷刷新圖像時(shí)，會(huì)不斷重復(fù)一個(gè)嘈雜和安靜周期模式。通常從圖像頂部的一條畫(huà)素水平線開(kāi)始，更新每條水平線的顏色值，直至到達(dá)螢?zāi)坏撞?，然后重新返回到頂部開(kāi)始處理下一幀。在連續(xù)的水平線之間電氣活動(dòng)，通常會(huì)有短暫的停頓，在各幀之間的停頓時(shí)間則會(huì)更長(zhǎng)。某些觸控控制器試圖利用這些停頓(稱為「空白期」)，因?yàn)樵谶@些時(shí)間內(nèi)雜訊通常低得多。
然而，這種方法存在一些實(shí)際限制。首先，很少有顯示元件設(shè)計(jì)會(huì)向其他部件如觸控控制器，提供同步訊號(hào)。這使得觸控控制器很難知道什么時(shí)候是空白期。其次，在某些情況下，空白期并不總是安靜的，而且有時(shí)會(huì)因?yàn)闀r(shí)間太短而無(wú)法利用。最后，與顯示元件同步意味著觸控控制器失去選擇自己工作頻率的自由。因此，雖然可成功消除顯示雜訊，但卻難消除來(lái)自其他來(lái)源如充電器的雜訊。因此在實(shí)際系統(tǒng)中，同步顯示并非切實(shí)可行的方法。
新一代解決方案仰賴軟硬體組合
軟體技術(shù)也可在嘈雜的條件下提供明顯優(yōu)勢(shì)。實(shí)際上，僅僅使用軟體濾波器即可差不多完全消除顯示雜訊的影響，不需同步顯示或高壓技術(shù)。圖3顯示軟體濾波的有效性。在這些圖中，垂直Z軸表示螢?zāi)簧厦奎c(diǎn)由觸控控制器測(cè)量的電容訊號(hào)的容量，X軸和Y軸表示觸控感測(cè)器本身的表面。
圖3 當(dāng)單一手指觸控時(shí)，層疊在ACVCOM顯示幕上的Touch-on-Lens感測(cè)器會(huì)輸出約3伏特的峰至峰雜訊。左圖為未使用軟體濾波功能，因此訊噪比低；右圖為啟用軟體濾波后的情形，訊噪比增加三倍。
由于這種演算法并不依賴任何同步資訊，可與任何類型和任何解析度的顯示螢?zāi)灰黄鹗褂谩４送?，并不需要其他收?tīng)通道，或?qū)τ|控感測(cè)器電極配置進(jìn)行非標(biāo)準(zhǔn)改造，即可進(jìn)行濾波。這可讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員方便地選擇任何顯示器，來(lái)確保正確運(yùn)作。
此外，這種技術(shù)意味著觸控控制器選擇工作頻率時(shí)，不必考慮顯示特點(diǎn)。由于具備額外的自由度，能更好地避免其他雜訊來(lái)源，如充電器的雜訊和干擾。在可能同時(shí)受一種以上雜訊源影響的消費(fèi)性產(chǎn)品中，這樣的自由度非常關(guān)鍵。
雖然上述資料顯示軟體可獨(dú)自克服顯示螢?zāi)坏碾s訊，但是并不能消除軟體中運(yùn)行這種演算法對(duì)螢?zāi)换貞?yīng)性和功耗的不良影響，也就是說(shuō)若太過(guò)關(guān)注消除雜訊的影響，而不考量對(duì)觸控螢?zāi)黄渌阅艿挠绊懯俏ｋU(xiǎn)的。因此要達(dá)到所有要求而不犧牲其他性能，須配合使用先進(jìn)的軟體和硬體。
為運(yùn)行這些演算法而不減慢觸控介面或消耗額外的功率，觸控控制器必須有效地處置額外的處理負(fù)荷。有一種專門(mén)客制化以用于觸控應(yīng)用的特定應(yīng)用積體電路(ASIC)，會(huì)利用專門(mén)的硬體模組來(lái)進(jìn)行計(jì)算，大大減少延遲和功率影響。這一點(diǎn)與建基于標(biāo)準(zhǔn)處理器的解決方案不同，后者不具備所需的特定硬體功能，迫使設(shè)計(jì)人員在雜訊性能與回應(yīng)性和電池壽命之間進(jìn)行折衷權(quán)衡。
硬體和軟體演算法組合方式同樣能很好地處理充電器雜訊。雖然高壓面板掃描改進(jìn)訊號(hào)雜訊比，隨施加電壓而進(jìn)行線性調(diào)節(jié)，但是，將此類電路與智慧韌體組合可以提供附加的訊號(hào)雜訊比增益。例如，除高壓掃描之外，maXTouch S系列中的元件，利用主動(dòng)雜訊消除技術(shù)來(lái)克服充電器的雜訊。元件中的智慧型韌體連續(xù)監(jiān)測(cè)環(huán)境中的背景雜訊水準(zhǔn)，自主做出反應(yīng)而改變類比電路的掃描參數(shù)，避免出現(xiàn)高雜訊水準(zhǔn)的頻段。由于系統(tǒng)的雜訊分布，隨時(shí)間而有所變化，這種自主決策水準(zhǔn)是必要的，尤其在使用電池充電器時(shí)，充電器切換頻率及雜訊分布會(huì)根據(jù)電池的負(fù)載電流而變化，此時(shí)主動(dòng)雜訊消除技術(shù)便能發(fā)揮功能。
為滿足現(xiàn)今使用者介面的要求，觸控控制器不只須面對(duì)一種挑戰(zhàn)，而是須同時(shí)應(yīng)對(duì)各式各樣的挑戰(zhàn)，而新一代觸控螢?zāi)豢刂破鳎霉δ軓?qiáng)大的電路和智慧演算法來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，能大大提高觸控螢?zāi)坏男阅堋?/p>
