AD7879控制器支持電阻式觸摸屏上的手勢識別

作者：Javier Calpe, Italo Medina, Alberto Carbajo, and Maria Jose Martinez

使用觸摸的增強型低成本用戶界面是各種消費、醫(yī)療、汽車和工業(yè)設備的寶貴功能。在許多消費類應用中，設計人員更喜歡昂貴的電容式觸摸屏而不是電阻式技術，因為它們可以跟蹤大量手指，并且似乎可以與用戶進行更友好的交互。目前，低成本電阻技術填補了只需要一次觸摸的市場利基市場，極其精確的空間分辨率至關重要，手寫筆有助于特定功能，例如亞洲語言字符識別，或在用戶必須戴手套的環(huán)境中。

雖然電阻技術傳統(tǒng)上用于檢測屏幕上單點觸摸的位置，但本文提供了一種新的雙點觸控概念，它使用AD7879電阻式觸摸屏控制器檢測最常見的雙指手勢（縮放、捏合和旋轉），使用廉價的電阻式觸摸屏。

電阻式觸摸屏的經典方法

典型的電阻屏具有兩個平行的氧化銦錫 （ITO） 導電層，由間隙隔開（圖 1）。上層（Y）的邊緣電極相對于下層（X）的邊緣電極旋轉90°。當兩層通過施加在屏幕小區(qū)域的壓力使兩層電接觸時，就會發(fā)生“觸摸”。如果在頂層的兩個電極之間施加直流電壓，而下層浮動，則觸摸會使下層達到與觸摸點相同的電壓。通過測量底層的電壓來確定觸摸點的電阻與總電阻的比值，從而識別頂層方向的觸摸坐標。然后，交換各層的電氣連接，并獲得另一軸上觸摸點的坐標。

直流電壓提供的層，其承載的電流與其阻抗成反比，稱為“有源”層。測量電壓的層稱為“無源”層，因為沒有相關電流流過它。當發(fā)生單次觸摸時，在有源層形成分壓器，無源層電壓測量允許模數轉換器讀取與觸摸點與負極距離成比例的電壓1.

經典的 4 線電阻式觸摸屏因其低成本而在單點觸控應用中很受歡迎。用于多點觸控的電阻式方法采用了各種技術，這些技術始終包括矩陣布局屏幕，但屏幕制造成本卻大大增加。此外，控制器需要許多輸入和輸出來測量和驅動各種篩條，從而增加了控制器成本和測量時間。

圖1.（a）電阻式觸摸屏的結構，

（b）用戶觸摸屏幕時的電接觸。

超越單點觸控

然而，通過理解和建模過程背后的物理場，可以從電阻式觸摸屏中提取更多信息。當發(fā)生兩次觸摸時，來自無源屏幕的一段電阻加上觸摸觸點的電阻與有源屏幕的導電段并聯(lián)，因此電源看到的阻抗減小，電流增加。電阻控制器的經典方法假設通過有源層的電流是恒定的，而無源層是等電位的。只需輕輕一按，這些假設就不再成立，因此需要進行額外的測量來提取所需的信息。

電阻屏中的雙觸摸傳感模型如圖2所示。R觸摸是層之間的接觸電阻;在目前可用的大多數屏幕中，它通常與兩層的電阻具有相同的順序。如果恒定電流I流過有源層的端子，則有源層兩端的電壓如下：

圖2.電阻屏雙觸的基本型號。

手勢識別

手勢識別背后的想法可以用捏合作為一個例子來更好地描述。捏合手勢從兩個分開的手指觸摸開始。這會產生雙觸點，從而降低屏幕的阻抗，從而降低有源層板之間的電壓差。隨著手指靠攏，平行區(qū)域減小，因此屏幕的阻抗增加，有源層板之間的電壓差也增加。

當緊緊夾緊時，并聯(lián)電阻接近零并且Ru + Rd增加到總電阻，因此電壓增加到

圖 3 顯示了沿垂直 （Y） 軸執(zhí)行捏合的示例。其中一層的電極之間的電壓是恒定的，而另一層在手勢開始時顯示階躍降低，然后隨著手指靠近而增加。

圖3.執(zhí)行垂直捏合時的電壓測量。

圖4顯示了在傾斜處執(zhí)行捏合時的電壓測量值。在這種情況下，兩個電壓都顯示出階躍降低和緩慢恢復。兩個恢復率之間的比率，由每層的電阻歸一化，可用于檢測手勢的角度。

圖4.執(zhí)行對角線捏合時的電壓測量。

如果手勢是縮放（手指分開），則可以從前面的討論中推斷出行為。圖5顯示了沿每個軸和傾斜方向執(zhí)行縮放手勢時在兩個有源層中測量的電壓趨勢。

圖5.在不同方向上執(zhí)行變焦時的電壓趨勢。

使用AD7879檢測手勢

AD7879觸摸屏控制器設計用于與4線電阻式觸摸屏接口。除了感應觸摸外，它還測量輔助輸入端的溫度和電壓。所有四個觸摸測量以及溫度、電池和輔助電壓測量都可以編程到其片內定序器中。

AD7879配有一對低成本運算放大器，可以執(zhí)行上述捏合和變焦手勢測量，如圖6所示。

以下步驟描述了識別手勢的過程：

在第一個半周期中，向頂層（有源）施加直流電壓，X+引腳上的電壓（對應于VY+– VY–） 進行測量。這提供了與 Y 方向上的運動（一起或分開）相關的信息。

在第二個半周期中，向底部（有源）層施加直流電壓，Y+引腳上的電壓（對應于VX+– VX–） 進行測量。這提供了與 X 方向上的運動（一起或分開）相關的信息。

圖6中的電路要求差分放大器具有短路至V保護DD.在第一個半周期期間，下部放大器的輸出短路至VDD.在第二個半周期期間，上部放大器的輸出短路至VDD.為避免這種情況，AD7879的GPIO可以控制兩個外部模擬開關，如圖7所示。

圖6.基本手勢檢測的應用圖。

圖7.避免放大器輸出短路至VDD的應用圖。

在這種情況下，AD7879編程為從機轉換模式，僅測量一個半周期。當AD7879完成轉換時，會產生中斷。主機處理器對AD7879進行重新編程以測量第二個半周期，并更改AD7879 GPIO的值。在第二次轉換結束時，兩個圖層的結果都存儲在設備中。

旋轉可以建模為一個方向上的同時縮放和正交捏合，因此檢測一個并不困難。挑戰(zhàn)在于區(qū)分順時針 （CW） 和逆時針 （CCW） 手勢;這無法通過上述過程實現(xiàn)。檢測旋轉及其方向需要對主動和被動兩層進行測量，如圖8所示。由于圖7中的電路無法滿足這一要求，因此圖9提出了一種新的拓撲結構。

圖8.執(zhí)行 CW 和 CCW 旋轉時的電壓測量。

圖 9 中提出的拓撲允許執(zhí)行以下操作：

半周期 1：電壓施加到 Y 層，同時 （VY+– VY–）、VX–和 VX+被測量。AD7879在每次測量完成后都會產生一個中斷，允許處理器更改GPIO配置。

半周期 2：電壓施加到 X 層，同時 （VX+– VX–）、VY–和 VY+被測量。

圖9所示電路允許測量實現(xiàn)完整性能所需的所有電壓，即a）單點觸摸位置，b）縮放、捏合和旋轉手勢檢測和量化，以及c）CW與CCW旋轉判別。執(zhí)行雙點觸控手勢時的單點觸控操作可提供手勢質心的估計值。

圖9.單點觸摸定位和手勢檢測的應用圖。

實用提示

與柔和手勢相關的電壓變化非常微妙。通過增加這些變化可以提高系統(tǒng)的魯棒性，例如在屏幕電極和AD7879引腳之間增加一個小電阻;這將增加有源層中的壓降，并在一定程度上降低單點觸摸定位的精度。

另一種方法是僅在低側連接上添加一個電阻，當X和Y電極是有源層時，僅感測它們。通過這樣做，可以施加一些增益，因為直流值非常低。

ADI公司提供各種放大器和多路復用器，可滿足圖6、圖7和圖9所示應用的需求。電路測試電路時采用雙通道運算放大器AD8506和ADG16xx系列模擬多路復用器，采用3.3 V單電源供電，具有低導通電阻。

結論

變焦、收縮和旋轉可以使用AD7879控制器檢測，輔助電路最少。這些手勢只能通過活動層中的測量來識別。旋轉方向判別可以通過測量無源層中的電壓來實現(xiàn)，這可以通過使用主機處理器的兩個GPIO來實現(xiàn)。在該處理器中執(zhí)行的相當簡單的算法可以識別縮放、捏合和旋轉，估計它們的范圍、角度和方向。

審核編輯：郭婷