從控制器角度看投射電容式觸摸系統(tǒng)

自 2007 年推出 iPhone? 以來(lái)，投射電容式觸摸屏技術(shù)已被越來(lái)越多的應(yīng)用所采用。然而，將投射電容式觸摸傳感器集成到觸摸屏設(shè)備中仍然是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題，特別是在LCD顯示器、外圍設(shè)備和環(huán)境產(chǎn)生的噪聲方面。最有前途的解決方案之一是利用高信噪比（SNR）觸摸屏控制器來(lái)解決噪聲問(wèn)題。高SNR控制器還具有本文探討的許多其他優(yōu)點(diǎn)。

SNR定義為信號(hào)（有意義的信息）和背景噪聲（不需要的信號(hào)）之間的功率比。如果在同一阻抗上測(cè)量信號(hào)和噪聲，則可以通過(guò)計(jì)算均方根（RMS）幅度值的平方來(lái)獲得SNR。功率值的數(shù)值比值（PS/PN） 通常非常大，最好使用對(duì)數(shù)分貝 （dB） 刻度來(lái)描述。因此，信噪比可以表示為：

SNRdB = 10log10(PS/PN) = 10log10(RMSS/RMSN)2 = 20log10(RMSS/RMSN)

較高的SNR值表示相對(duì)于背景噪聲測(cè)量的信號(hào)強(qiáng)度較高。

整體觸控性能

從高層次來(lái)看，有兩個(gè)主要組件決定了整體觸摸性能：觸摸傳感器設(shè)計(jì)和觸摸控制器集成電路。存在各種觸摸傳感器圖案設(shè)計(jì)，通常以指示圖案形狀或構(gòu)造的名稱來(lái)指代，例如三角形、菱形、雪花、街道和小巷以及電線桿。例如，“菱形”是菱形（菱形）結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格，而“街道和小巷”是類似于城市布局的相交行和列的網(wǎng)格。一些模式使用單層ITO，而其他模式則需要兩層或三層，具體取決于所需的系統(tǒng)性能和觸摸控制器集成電路的架構(gòu)。

通常，觸摸傳感器模式和層結(jié)構(gòu)（“堆疊”）是根據(jù)觸摸控制器架構(gòu)量身定制的，以最大限度地提高SNR。例如，在具有交叉（短路橋）的單層互電容菱形圖案中，從觸摸表面到ITO的X層和Y層的距離是相同的。這減少了增益誤差，并使行和列的SNR水平相似。但是，這種設(shè)計(jì)可能需要屏蔽層，以防止接收傳感器從LCD下方拾取噪聲。使用具有高SNR的觸摸控制器可以通過(guò)放寬對(duì)設(shè)計(jì)的限制來(lái)降低觸摸傳感器成本，從而可以使用更廣泛的圖案和層結(jié)構(gòu)。本應(yīng)用筆記稍后將討論，像MAX11871這樣的高SNR觸摸控制器可以提供額外的優(yōu)勢(shì)，例如更容易找到觸摸的質(zhì)心，降低觸摸屏對(duì)環(huán)境噪聲的敏感性，以及允許使用手套和小尖端導(dǎo)電手寫筆。

控制器架構(gòu)

兩種主要的競(jìng)爭(zhēng)投射電容觸摸技術(shù)是自電容和互電容[1]。以下是每個(gè)方法的簡(jiǎn)要摘要。

自電容

早期的procap方法至今仍在使用

通常僅限于一次觸摸，或兩次重影觸摸（與預(yù)期觸摸位置相關(guān)的錯(cuò)誤觸摸）

鉆石圖案最常見(jiàn)

更低的液晶抗噪能力

更簡(jiǎn)單、成本更低的控制器

互電容

新一代設(shè)計(jì)獲得市場(chǎng)份額

真正的多點(diǎn)觸控，具有兩個(gè)或多個(gè)明確的觸摸

更好的觸摸精度

在傳感器模式設(shè)計(jì)中具有更大的靈活性，有助于最大限度地提高 SNR

更好的抗噪能力

更復(fù)雜、成本更高的控制器

許多應(yīng)用只需要一兩次觸摸，因此自電容解決方案可能很有吸引力，特別是如果可以控制用戶界面中的觸摸位置以消除重影。雖然使用自電容系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)超過(guò)30dB的典型SNR，但這通常需要在LCD和傳感器底部觸摸層之間有一個(gè)屏蔽層，這會(huì)增加成本并降低顯示器亮度。

其他技術(shù)可以應(yīng)用于自電容解決方案，以進(jìn)一步提高SNR。這些措施包括（a）增加每個(gè)通道的采樣數(shù)量，（b）增加傳感器驅(qū)動(dòng)電壓，這在存在固定背景噪聲（例如來(lái)自LCD的噪聲）的情況下增加信號(hào)幅度，以及（c）在不同頻率下采樣以避免固定頻率干擾，例如60Hz（這稱為“頻率抖動(dòng)”）。然而，這些技術(shù)通常也會(huì)降低幀速率并增加功耗，這兩者都通常是不可取的。

為了最大化SNR并支持兩個(gè)或多個(gè)明確的觸摸，很明顯，最理想的觸摸系統(tǒng)架構(gòu)依賴于互電容。圖1中的系統(tǒng)框圖示出了將激勵(lì)信號(hào)施加到其中一個(gè)觸摸傳感器電容板的廣義互電容實(shí)現(xiàn)方案。另一個(gè)觸摸傳感器電容板連接到觸摸控制器的模擬前端（AFE）。AFE輸出被轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，并在數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）中進(jìn)一步處理。

圖1.廣義互電容系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。

設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

將投射電容式觸摸傳感器集成到配備觸摸屏的設(shè)備中時(shí)，存在許多技術(shù)挑戰(zhàn)。以下段落描述了可以從高 SNR 觸摸控制器中受益的一些最常見(jiàn)情況。

傳感器堆疊：當(dāng)今觸摸行業(yè)中存在各種各樣的觸摸傳感器層結(jié)構(gòu)，由材料考慮、設(shè)備厚度目標(biāo)、性能要求和成本目標(biāo)驅(qū)動(dòng)。圖 2中顯示了一個(gè)示例。單個(gè)和多個(gè)基板、“面朝上”和“面朝下”結(jié)構(gòu)、X 和 Y 傳感器層厚度的變化、光學(xué)透明粘合劑 （OCA） 厚度的變化以及其他因素都會(huì)影響傳感器產(chǎn)生的信號(hào)電平。高SNR觸摸控制器可以降低這些結(jié)構(gòu)差異的重要性，因?yàn)樗軌蛱幚砀鼘挼挠|摸傳感器信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。這為設(shè)計(jì)師在堆疊設(shè)計(jì)方面提供了更大的自由度。

圖2.許多不同的互電容觸摸傳感器堆疊之一（不按比例縮放）。

厚蓋鏡頭：某些應(yīng)用（如銀行 ATM）可能需要厚蓋鏡頭來(lái)保護(hù)顯示器免受破壞。但是，較厚的蓋板會(huì)降低手指觸摸檢測(cè)的信號(hào)強(qiáng)度并降低觸摸位置的準(zhǔn)確性，因?yàn)槭种鸽x觸摸傳感器更遠(yuǎn)。這“分散”了電容曲線并降低了峰值，這使得確定預(yù)期觸摸的精確位置變得更加困難。戴手套的手也有類似的效果。

LCDVCOM類型：LCD VCOM是指“公共電壓”，即典型LCD的參考背板電壓。驅(qū)動(dòng)背板的技術(shù)因系統(tǒng)要求而異。兩種常見(jiàn)的方法是AC VCOM和DC VCOM。AC VCOM 在多個(gè)電壓電平之間調(diào)制背板，而 DC VCOM 在背板上保持恒定電壓。前一種方法會(huì)產(chǎn)生更多的噪音。

觸摸傳感器和蓋板之間的氣隙：觸摸屏設(shè)備最終用戶報(bào)告的最常見(jiàn)問(wèn)題之一是蓋板損壞。為了使產(chǎn)品更薄，可以將投射電容式觸摸傳感器層壓到蓋板的背面。但是，在更換損壞的蓋板時(shí)，還必須更換觸摸傳感器，這增加了維修成本。為了避免這種成本以及層壓的成本和較低的良率，設(shè)備制造商通常用薄墊圈將觸摸傳感器和蓋板分開(kāi)。

但是，當(dāng)觸摸傳感器和蓋板之間引入氣隙時(shí)，觸摸傳感器檢測(cè)手指觸摸變得更加困難，因?yàn)榭諝獾牡徒殡姵?shù)會(huì)降低手指觸摸的信號(hào)強(qiáng)度。解決這個(gè)問(wèn)題的一種方法是提高觸摸系統(tǒng)的靈敏度閾值。然而，這是一個(gè)危險(xiǎn)的游戲，因?yàn)閭鞲衅骺梢越邮盏綗o(wú)意的信號(hào)，例如LCD噪聲或來(lái)自環(huán)境的其他環(huán)境噪聲，這使得觸摸傳感器更難區(qū)分觸摸和噪聲。

工業(yè)設(shè)計(jì)要求：一些設(shè)備制造商將觸摸傳感器直接層壓到顯示器上，以實(shí)現(xiàn)更薄的整體設(shè)計(jì)。但這也帶來(lái)了巨大的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)橛|摸傳感器位于一個(gè)重要的噪聲源的頂部。一種解決方案是在觸摸傳感器和顯示器之間添加屏蔽層。然而，添加額外的ITO層會(huì)增加整體材料成本，并對(duì)光學(xué)清晰度產(chǎn)生負(fù)面影響。

On-Cell觸摸傳感器：為了降低整體制造成本，LCD制造商越來(lái)越多地采用的一種方法是將觸摸傳感器直接放置在濾色玻璃的頂部，偏光片下方。雖然這消除了對(duì)外部傳感器和層壓的需求，但觸摸傳感器的位置更靠近顯示器的中心，這進(jìn)一步增加了傳感器看到的噪音水平。

觸摸控制器位置：投射電容式觸摸控制器最常位于觸摸傳感器電纜（柔性芯片或PCB芯片）上，有時(shí)直接位于觸摸傳感器上（玻璃芯片）。但是，為了更容易地測(cè)試觸摸傳感器，某些設(shè)計(jì)要求將觸摸控制器安裝在系統(tǒng)主板上。這種方法可能需要將觸摸傳感器連接到觸摸控制器的長(zhǎng)柔性印刷電路（FPC）。長(zhǎng)FPC可以充當(dāng)天線，很容易拾取額外的噪聲，使觸摸控制器更難處理來(lái)自觸摸傳感器的模擬信息。

其他噪聲源：移動(dòng)設(shè)備上的主要噪聲源來(lái)自LCD顯示屏，LCD逆變器，Wi-Fi?天線，GSM天線以及設(shè)備內(nèi)的各種高速電路。環(huán)境噪聲也會(huì)對(duì)觸摸系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響。某些交流電源會(huì)產(chǎn)生高水平的噪聲，這些噪聲很容易通過(guò)設(shè)備的交流適配器傳導(dǎo)。此外，當(dāng)設(shè)備靠近強(qiáng)噪聲源（如桌面熒光燈）放置時(shí)，觸摸系統(tǒng)可能會(huì)將噪聲誤解為故意觸摸。

對(duì)于正常情況下正常大小的手指（> 7mm），高SNR控制器可能比低SNR控制器沒(méi)有顯著優(yōu)勢(shì)。當(dāng)微弱的輸入信號(hào)（例如由手寫筆或戴手套的小手指或戴手套的手指產(chǎn)生的信號(hào)）與嘈雜的環(huán)境相結(jié)合時(shí)，優(yōu)勢(shì)就顯現(xiàn)出來(lái)了。在這種情況下，低SNR控制器無(wú)法將信號(hào)與基線噪聲區(qū)分開(kāi)來(lái)。如果降低檢測(cè)閾值以提高觸摸檢測(cè)靈敏度，則觸摸系統(tǒng)很容易被噪聲觸發(fā)，從而導(dǎo)致意外激活。在實(shí)際應(yīng)用中，絕對(duì)不允許意外激活。

應(yīng)用挑戰(zhàn)

觸摸精度：觸摸精度是觸摸傳感器設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要指標(biāo)。例如，在虛擬觸摸屏鍵盤應(yīng)用程序中，字符被緊密地包裝在一個(gè)相對(duì)較小的區(qū)域中。對(duì)觸摸的精確響應(yīng)對(duì)于避免錯(cuò)誤鍵入的字符至關(guān)重要。實(shí)現(xiàn)高精度的一種方法是在控制器中添加更多傳感器通道，以支持更高的觸摸傳感器網(wǎng)格密度。但這也帶來(lái)了成本損失，因?yàn)橛|摸傳感器和觸摸控制器上都需要更多引腳。此外，更多的傳感器通道需要更多的走線沿著觸摸屏的邊框運(yùn)行，這可能會(huì)增加邊框?qū)挾取?/p>

高SNR觸摸控制器提高了觸摸精度，因?yàn)樗梢詮挠|摸中讀取更強(qiáng)的信號(hào)，并從更大的周圍區(qū)域收集樣本數(shù)據(jù)。較大的區(qū)域提供了更多的參考點(diǎn)，從中可以計(jì)算出觸摸的精確位置。圖3顯示了觸摸控制器SNR對(duì)手持4mm金屬塊的機(jī)械臂繪制的線條圖的影響。使用高SNR控制器繪制的線明顯比使用低SNR控制器繪制的線更平滑。請(qǐng)注意，這些測(cè)量值是使用相同的觸摸傳感器和相同的后處理軟件記錄的，以確保比較的公平性。

圖3.由手持 4 毫米金屬塊的機(jī)器人手臂制作的線條圖。左圖反映了高信噪比觸摸控制器的使用;右邊的那個(gè)，一個(gè)低信噪比觸摸控制器。

手寫筆：電阻式觸摸屏用戶早已習(xí)慣于使用細(xì)尖手寫筆。典型的電阻式觸摸屏手寫筆的尖端直徑小于1mm，通常由非導(dǎo)電塑料制成。對(duì)于投射電容式觸摸系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，檢測(cè)如此小的非導(dǎo)電設(shè)備一直是一個(gè)極其困難的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼘?duì)觸摸控制器產(chǎn)生的信號(hào)的影響非常微弱。市場(chǎng)上許多現(xiàn)有的觸摸系統(tǒng)都需要大直徑的手寫筆（3mm到9mm），這很難用于繪圖和書寫，因?yàn)榇蠊P尖遮擋了正在創(chuàng)建的數(shù)字墨水。

高SNR觸摸控制器可以檢測(cè)到尖端為1mm的手寫筆，只要手寫筆涂有導(dǎo)電材料（相對(duì)較小的犧牲）。圖4顯示了觸摸控制器SNR對(duì)檢測(cè)尖端為2mm的導(dǎo)電手寫筆的影響。低SNR控制器很難識(shí)別背景嘈雜的小手寫筆，尤其是在屏幕最嘈雜的部分。在低SNR情況下，將手寫筆減少到尖端1mm將導(dǎo)致所需信號(hào)被隱藏在背景噪聲中，從而使手寫筆無(wú)用。

圖4.在 4 英寸顯示屏上 2mm 導(dǎo)電手寫筆的這些電容曲線中，左側(cè)的配置文件反映了高 SNR 觸摸控制器的使用;右邊的那個(gè)，一個(gè)低信噪比觸摸控制器。手寫筆位于綠色圓錐體的頂點(diǎn);白色表面的高度表示整個(gè)顯示器的背景噪聲級(jí)別。SNR的大幅增加可有效降低背景噪聲的峰峰值幅度，如左圖所示。如果將右側(cè)配置文件中的手寫筆移動(dòng)到屏幕的左邊緣，則信號(hào)將在噪音中消失，手寫筆將停止工作。

懸停檢測(cè)：接近檢測(cè)正逐漸被觸摸屏應(yīng)用采用。例如，通過(guò)使用電子閱讀器應(yīng)用程序時(shí)提高觸摸系統(tǒng)的靈敏度，用戶可以通過(guò)手勢(shì)翻頁(yè)，而無(wú)需物理觸摸屏幕。但是，靈敏度更高的觸摸系統(tǒng)也可能由周圍噪聲觸發(fā)。對(duì)于設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，尋找最佳平衡，在不引起意外激活的情況下最大化接近距離是一場(chǎng)持續(xù)的斗爭(zhēng)。三菱電機(jī)公司在這一領(lǐng)域做了一些有趣的研究，因?yàn)樵摴緞?chuàng)建了一個(gè)觸摸系統(tǒng)，可以根據(jù)觸摸手指是懸停還是實(shí)際觸摸來(lái)自動(dòng)調(diào)整其靈敏度[2]。

手套操作：在醫(yī)療應(yīng)用中，觸摸屏應(yīng)適合戴手術(shù)手套使用。同樣，汽車中的觸摸屏GPS設(shè)備應(yīng)適合戴手套使用。大多數(shù)冬季手套由介電材料制成，這使得觸摸傳感器難以檢測(cè)到觸摸。當(dāng)用戶未戴手套時(shí)，增加觸摸控制器的靈敏度可能會(huì)導(dǎo)致意外觸發(fā)。目前市場(chǎng)上唯一的解決方案要求應(yīng)用程序（或用戶）根據(jù)使用情況選擇不同的靈敏度級(jí)別。

結(jié)論

高SNR投射電容式觸摸控制器具有許多優(yōu)勢(shì)。它可以適應(yīng)廣泛的設(shè)計(jì)和應(yīng)用要求，例如手寫筆、小手指和手套。它可以提高報(bào)告的觸摸位置的準(zhǔn)確性，而無(wú)需特殊的ITO傳感器圖案或添加更多傳感器通道。它可以適應(yīng)各種具有各種背光的顯示類型，同時(shí)保持良好的觸摸性能。它在傳感器設(shè)計(jì)和制造要求方面提供了更大的靈活性。它可以在嘈雜的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)觸摸系統(tǒng)操作，并且還能夠減輕設(shè)備本身發(fā)出的噪聲，例如LCD顯示屏，WiFi天線，GPS天線和AC適配器發(fā)出的噪聲。它使設(shè)備 OEM 能夠自由地從更廣泛的組件中進(jìn)行選擇。最后，從性能的角度來(lái)看，它提供了精確的觸摸精度?？傊?，高SNR觸摸控制器可為最終用戶提供強(qiáng)大的體驗(yàn)。

審核編輯：郭婷