如何在電容式觸摸感應(yīng)界面實(shí)現(xiàn)可靠的手套觸摸

關(guān)鍵詞： 電容式觸摸感應(yīng) , 手套觸摸 , 意外懸停 , 誤判觸摸

電容式觸摸感應(yīng)用戶界面正逐步替代消費(fèi)、醫(yī)療與工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品的機(jī)械按鍵。不過，隨著觸摸感應(yīng)用戶界面問世，最終用戶也需要高級(jí)功能，如：可模擬機(jī)械按鍵功能的觸覺支持與手套觸摸，還有手寫筆支持和接近感應(yīng)。這些功能可以改善產(chǎn)品的整體用戶體驗(yàn)，而且可以為制造商帶來脫穎而出的機(jī)遇。本文主要介紹上述功能之一——手套觸摸，其越來越多地應(yīng)用于消費(fèi)、工業(yè)及醫(yī)療領(lǐng)域。例如，即使在用戶由于天氣寒冷穿戴手套的情況下，可穿戴智能腕帶的觸摸界面也應(yīng)當(dāng)正常工作，而醫(yī)療實(shí)驗(yàn)室設(shè)備在受到乳膠手套觸摸時(shí)也應(yīng)當(dāng)正常運(yùn)行。

但是，在電容式觸摸界面實(shí)現(xiàn)手套觸摸并非易事，而且大多數(shù)實(shí)現(xiàn)方案往往只能提供不可靠、不一致的性能。本文專門探討在電容式觸摸按鍵上實(shí)現(xiàn)手套觸摸的挑戰(zhàn)以及如何解決相關(guān)挑戰(zhàn)，從而設(shè)計(jì)出具備手套觸摸功能的穩(wěn)健、可靠觸摸感應(yīng)界面。

實(shí)現(xiàn)可靠的手套觸摸存在兩大挑戰(zhàn)，即：

- 檢測(cè)戴手套手部產(chǎn)生的弱信號(hào)
- 忽略懸停在傳感器上方的手指產(chǎn)生的誤判觸摸

了解手套觸摸為何產(chǎn)生弱信號(hào)

電容式觸摸感應(yīng)的工作原理是手指觸摸傳感器的覆蓋層時(shí)會(huì)引起傳感器的電容變化。觸摸感應(yīng)控制器可以測(cè)量此電容變化并將其轉(zhuǎn)換到數(shù)字域（模數(shù)轉(zhuǎn)換）。在測(cè)量值超過預(yù)定義閾值時(shí)則記錄觸摸操作。

手指觸摸引起的數(shù)字化電容變化被稱為信號(hào)，而并非由手指觸摸造成的數(shù)字化電容的意外變化被稱為噪聲。可靠的觸摸感應(yīng)系統(tǒng)建議采用5:1的信噪比（SNR）。圖1說明了在觸摸感應(yīng)系統(tǒng)中如何測(cè)量電容。

簡(jiǎn)而言之，手指產(chǎn)生的電容可以視為平行板電容器，其中手指和傳感器是兩個(gè)導(dǎo)電板，而覆蓋層是平板之間的電介質(zhì)。手指產(chǎn)生的電容變化與傳感器、手指（即：平板面積）的尺寸和覆蓋層材料的介電常數(shù)成正比；但是與傳感器上的覆蓋層厚度（即：平板之間的距離）成反比。覆蓋層越厚，則平板間距離越大，從而使電容變化越小。這會(huì)降低信噪比。

圖1 – 觸摸感應(yīng)系統(tǒng)中的電容測(cè)量。

手指穿戴手套時(shí)會(huì)在現(xiàn)有覆蓋層之上增加一個(gè)與手套厚度成正比的新覆蓋層，從而提高覆蓋層總厚度。其會(huì)使信號(hào)強(qiáng)度降低到預(yù)定義閾值以下，因此一般無法檢測(cè)到戴手套手部的觸摸操作。這就是為什么大多數(shù)用戶脫去手套才能有效觸摸電容式觸摸感應(yīng)界面的按鍵。
        
了解“意外懸停”如何造成誤判觸摸

通過提高靈敏度，觸摸傳感器經(jīng)過調(diào)校之后可以支持更厚的覆蓋層。同樣，觸摸傳感器經(jīng)過調(diào)校可以檢測(cè)戴手套手部的觸摸。提高傳感器的靈敏度意味著其只需要更小的電容變化就能夠檢測(cè)觸摸。

但是，此處的難題在于它會(huì)產(chǎn)生一種被稱為“意外懸停”的情況，其中接近傳感器的光手指（懸停在傳感器上方）會(huì)產(chǎn)生與手套觸摸等效的電容變化。錯(cuò)誤觸摸會(huì)被記錄為手套觸摸，盡管手指未觸摸傳感器，也未穿戴手套。這種情況一般都不符合需要，而且會(huì)對(duì)產(chǎn)品的用戶體驗(yàn)帶來不利影響。圖2顯示了手套觸摸、手指觸摸和懸停手指產(chǎn)生的信號(hào)。

圖2 – 手套觸摸、手指觸摸與懸停手指產(chǎn)生的信號(hào)

因此，設(shè)計(jì)人員面臨以下問題：針對(duì)正常觸摸感應(yīng)進(jìn)行調(diào)校的系統(tǒng)無法檢測(cè)戴手套手部的觸摸，而針對(duì)手套觸摸進(jìn)行調(diào)校的系統(tǒng)會(huì)由于“意外懸?！碑a(chǎn)生誤判觸摸。

一種簡(jiǎn)單而不精巧的解決方案是在設(shè)計(jì)中添加用戶觸發(fā)的中斷信號(hào)或物理開關(guān)，以指示他們是否穿戴手套。這會(huì)損害用戶體驗(yàn)，尤其是需要“精簡(jiǎn)操作”的消費(fèi)類產(chǎn)品以及需要在各種情況下均同樣操作的醫(yī)療產(chǎn)品。
        
提高手套觸摸信號(hào)強(qiáng)度的主要設(shè)計(jì)參數(shù)

在提高手套觸摸信號(hào)強(qiáng)度時(shí)需要考慮三個(gè)重要設(shè)計(jì)參數(shù)：

靈敏度：靈敏度是電容式觸摸感應(yīng)電路產(chǎn)生信號(hào)能力的測(cè)量指標(biāo) – 電路越敏感，則生成的信號(hào)越強(qiáng)。靈敏度一般按電容計(jì)數(shù)測(cè)量。對(duì)于電容式觸摸感應(yīng)，一次觸摸產(chǎn)生的變化幅度在100飛法（fF）量級(jí)。戴手套手指觸摸一般產(chǎn)生100fF電容。靈敏度為500次/pF的電路可以針對(duì)100fF觸摸產(chǎn)生50個(gè)信號(hào)計(jì)數(shù)，而靈敏度為50次/pF的電路對(duì)于相同觸摸只能產(chǎn)生5個(gè)信號(hào)計(jì)數(shù)。因此，電路靈敏度越高，則手套觸摸檢測(cè)越可靠。

寄生電容：寄生電容是傳感器的固有電容，其源于傳感器與其它導(dǎo)電物體的接近。由于觸摸相互作用產(chǎn)生的電容變化（信號(hào)）可以視為與傳感器的寄生電容相關(guān)。電容變化與寄生電容之比越高，則傳感器可以調(diào)校的靈敏度越高。

例如，采用12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電容式觸摸感應(yīng)電路最高輸出是4096。寄生電容為16pF的傳感器經(jīng)調(diào)校后可達(dá)到最高為256次/pF的靈敏度，超過此值時(shí)模數(shù)轉(zhuǎn)換器就會(huì)飽和。不過，如果把寄生電容降低到8pF，則傳感器可以調(diào)校到512次/pF的最高靈敏度。在第一種情況下觸摸產(chǎn)生的100fF電容變化會(huì)產(chǎn)生大約25個(gè)信號(hào)計(jì)數(shù)，而第二種情況下會(huì)產(chǎn)生50個(gè)信號(hào)計(jì)數(shù)。

傳感器的寄生電容取決于傳感器層疊與布局的設(shè)計(jì)規(guī)格，如：跡線厚度、跡線間距以及PCB層間的距離。保持低寄生電容需要細(xì)心的傳感器布局設(shè)計(jì)和傳感器層疊。

為了提高性能和為設(shè)計(jì)人員提供靈活性，某些觸摸感應(yīng)控制器集成以下兩個(gè)功能，以降低過多寄生電容對(duì)靈敏度的影響：

- 假差分測(cè)量功能。
- 對(duì)屏蔽電極的支持。

假差分測(cè)量功能：典型觸摸感應(yīng)控制器可以測(cè)量從0到最大測(cè)量值的電容（如：0pF~8pF）?？蓪?shí)現(xiàn)假差分測(cè)量的觸摸感應(yīng)控制器（即：假差分模數(shù)轉(zhuǎn)換）可設(shè)置成測(cè)量特定電容范圍（如：8pF~16pF），而且能夠達(dá)到更高靈敏度。通過這種方法，配備12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電容觸摸感應(yīng)電路可以調(diào)校達(dá)到512次/pF的靈敏度，即使是采用寄生電容為16pF的傳感器。

對(duì)屏蔽電極的支持：從周圍其它導(dǎo)電物體屏蔽傳感器可以盡可能降低額外電容，從而盡可能降低傳感器的寄生電容。

同時(shí)支持假差分測(cè)量功能和屏蔽電極的控制器一般能夠使靈敏度加倍，進(jìn)而提高手套觸摸性能。

噪聲：只要有信號(hào)就會(huì)有噪聲。信號(hào)是造成有意義輸出變化的電容改變。另一方面，噪聲指不改變電容、但是卻改變輸出的一切干擾。超過閾值的噪聲有可能造成誤判觸摸。通常而言，可靠的觸摸感應(yīng)系統(tǒng)需要5:1的信噪比。也就是說，除了具備高靈敏度之外，控制器還必須保持低噪聲。換句話說就是，調(diào)校到500次/pF靈敏度的控制器必須把噪聲限值到10次以下，從而對(duì)100fF的觸摸保持5:1的SNR。

噪聲經(jīng)常是通過傳導(dǎo)效應(yīng)（如：電源開關(guān)噪聲或電氣快速瞬態(tài)（EFT）電流）或者通過耦合效應(yīng)（如：來自手機(jī)的輻射噪聲或者信號(hào)跡線之間的串?dāng)_）進(jìn)入系統(tǒng)。

電容式傳感器和控制器一般必須從電源開關(guān)等噪聲源進(jìn)行隔離。保持隔離和防止噪聲進(jìn)入電容式感應(yīng)系統(tǒng)的關(guān)鍵是精心的系統(tǒng)與PCB設(shè)計(jì)。
        
避免“意外懸停”和誤判觸摸

本節(jié)詳細(xì)介紹了相關(guān)設(shè)計(jì)方法，可降低支持手套觸摸的觸摸感應(yīng)系統(tǒng)中的“意外懸停”。

采用專用閾值：手套觸摸信號(hào)的幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于正常手指觸摸幅度。采用專用閾值連同固件設(shè)計(jì)邏輯有助于檢測(cè)和區(qū)分手指觸摸與手套觸摸，從而提高懸停排除性能。

可以針對(duì)手指觸摸和手套觸摸信號(hào)設(shè)置兩個(gè)專用閾值（下圖3的F閾值與G閾值）。這些閾值一般設(shè)置為典型手指觸摸或手套觸摸信號(hào)的80%。

圖3 – 手套觸摸與手指觸摸信號(hào)的專用閾值

在用戶首次觸摸傳感器時(shí)，固件會(huì)識(shí)別相關(guān)信號(hào)是超過手指閾值還是手套閾值。如果信號(hào)超過手指閾值，則其假設(shè)用戶未戴手套，同時(shí)拋棄在從檢測(cè)到最后觸摸開始的預(yù)定義時(shí)間內(nèi)（如：30秒）、低于手指閾值的所有信號(hào)。這樣可以確保不把懸停手指檢測(cè)成誤判的手套觸摸。圖4所示為固件決策樹。

合理的假設(shè)是用戶戴上手套再次觸摸傳感器至少需要30秒。但是，如果首次觸摸生成超過手套閾值但未超過手指閾值的信號(hào)，則系統(tǒng)假設(shè)用戶戴有手套，同時(shí)繼續(xù)檢測(cè)手套觸摸。在此模式下，如果用戶摘掉手套后觸摸傳感器，則信號(hào)會(huì)超過手指閾值，而系統(tǒng)會(huì)立即進(jìn)入僅檢測(cè)手指觸摸的模式。

圖4 – 采用專用閾值進(jìn)行手套觸摸檢測(cè)的固件決策邏輯。

典型觸摸感應(yīng)用戶界面面板由多個(gè)傳感器組成?？梢愿纳泼姘宓墓碳Q策邏輯，使其能夠檢測(cè)所有傳感器的信號(hào)；如果在任何傳感器上檢測(cè)到手指觸摸，則可以讓所有傳感器都在預(yù)定義時(shí)間段內(nèi)排除手套觸摸。

這種方法的主要缺點(diǎn)是：如果首次檢測(cè)到的信號(hào)是懸停手指信號(hào)，則可能造成誤判觸摸。

采用觸摸屏輸入：手機(jī)、打印機(jī)或高端家用電器等產(chǎn)品具有獨(dú)立控制的觸摸屏以及用戶界面（UI）面板上的觸摸按鍵，如圖5所示。在此類系統(tǒng)中，相應(yīng)控制器之間的通信有助于高效管理手套與手指觸摸。

圖5 – 配備觸摸屏控制器和電容式觸摸按鍵控制器的系統(tǒng)。

由于觸摸屏的傳感器結(jié)構(gòu)特性，觸摸屏控制器能夠有效區(qū)分懸停手指與手套觸摸。戴手套手指的覆蓋面積大于光手指，其能夠在更多數(shù)量的相鄰感應(yīng)節(jié)點(diǎn)上產(chǎn)生低幅度信號(hào)，而懸停手指僅在數(shù)量更少的相鄰感應(yīng)節(jié)點(diǎn)上產(chǎn)生低幅度信號(hào)，如下圖6所示。觸摸屏控制器采用信號(hào)模式差異來區(qū)分用戶是否戴手套。

圖6 – 手套觸摸與懸停手指在觸摸屏上的熱點(diǎn)圖

如果觸摸屏檢測(cè)到手套觸摸，則信息傳輸?shù)娇刂瓢存I的電容式按鍵控制器。主機(jī)控制器一般具有上述兩種控制器之間的通信接口，而且能夠管理它們之間的信息交換，從而無需其它接口。

此方法顯然不適合未配備觸摸屏的系統(tǒng)。另外，此方法假設(shè)首次觸摸是在觸摸屏上而非按鍵上。否則會(huì)針對(duì)按鍵上的首次觸摸記錄為誤判觸摸，這類似于采用“專用閾值”方法時(shí)的誤判觸摸。

采用分離傳感器設(shè)計(jì)：電容式按鍵一般采用能夠檢測(cè)導(dǎo)電物體存在與否的單一傳感器。分離傳感器設(shè)計(jì)是一種創(chuàng)新專利解決方案，能夠克服前文所述方法的各種缺點(diǎn)。

圖7左圖所示為典型電容式傳感器布局，其中心配備用于LED背光的可選小孔。右圖所示為分離傳感器設(shè)計(jì)，其中按鍵觸摸區(qū)域分為兩個(gè)專用傳感器（內(nèi)部和外部傳感器）。

圖7 – 典型傳感器與分離傳感器設(shè)計(jì)

此方法的基本原理是：不同觸摸會(huì)在內(nèi)部和外部傳感器上產(chǎn)生獨(dú)特信號(hào)模式。這些獨(dú)特信號(hào)模式可以在固件中解讀，以區(qū)分手指與手套觸摸。圖8說明了兩種傳感器的典型信號(hào)特征。三個(gè)用例是：

- 手套觸摸與內(nèi)部及外部傳感器重疊，并且同時(shí)在內(nèi)部與外部傳感器產(chǎn)生低幅度信號(hào)。
- 手指觸摸與內(nèi)部及外部傳感器重疊，并且同時(shí)在內(nèi)部與外部傳感器產(chǎn)生高幅度信號(hào)。
- 具有凸起形狀且小于手套的懸停手指會(huì)在內(nèi)部傳感器產(chǎn)生較強(qiáng)信號(hào)，而在外部傳感器產(chǎn)生相對(duì)較弱信號(hào)。

圖8 – 分離傳感器設(shè)計(jì)的典型信號(hào)

圖9所示為分離傳感器設(shè)計(jì)的固件決策樹。

圖9 – 分離傳感器設(shè)計(jì)的固件決策邏輯

分離傳感器設(shè)計(jì)是在觸摸感應(yīng)用戶界面實(shí)現(xiàn)手套觸摸的最可靠方法。

結(jié)論

隨著手套觸摸成為應(yīng)用的常用功能，最終產(chǎn)品用戶希望獲得始終可靠的性能。本文介紹了需要考慮的主要設(shè)計(jì)問題以及可用于實(shí)現(xiàn)可靠手套觸摸的方法。確保用戶界面面板“正確運(yùn)行”的最重要步驟是選擇正確的觸摸感應(yīng)解決方案。您需要能夠提供始終保持高SNR與高靈敏度、可實(shí)現(xiàn)過度寄生電容補(bǔ)償（如：假差分測(cè)量功能和屏蔽電極）以及在設(shè)計(jì)與布局指導(dǎo)原則方面得到詳細(xì)文檔支持的可靠解決方案。

賽普拉斯的PSoC 4產(chǎn)品系列具有CapSense技術(shù)，可支持超過100:1的SNR、采用集成恒流源（IDAC）和屏蔽電極的假差分測(cè)量功能。它非常適合實(shí)現(xiàn)可靠手套觸摸檢測(cè)等高級(jí)功能。另外，《CapSense設(shè)計(jì)指南》能夠提供有關(guān)可靠觸摸感應(yīng)解決方案設(shè)計(jì)與布局的指導(dǎo)原則。