觸摸屏多點觸摸技術揭秘

摘要：本文首先介紹多點觸摸技術原理，然后介紹觸摸屏的物理結構，最后再對多點觸摸關鍵技術——觸摸屏控制器進行介紹。
摘要：觸摸屏；多點觸摸；手勢；手指；TrueTouch

兩種多點觸摸技術

　　多點觸摸顧名思義就是識別到兩個或以上手指的觸摸。多點觸摸技術目前有兩種：Multi-Touch Gesture和Multi-Touch All-Point。通俗地講，就是多點觸摸識別手勢方向和多點觸摸識別手指位置。

識別手勢方向

　　我們現(xiàn)在看到最多的是Multi-Touch Gesture，即兩個手指觸摸時，可以識別到這兩個手指的運動方向，但還不能判斷出具體位置，可以進行縮放、平移、旋轉(zhuǎn)等操作。這種多點觸摸的實現(xiàn)方式比較簡單，軸坐標方式即可實現(xiàn)。把ITO分為X、Y軸，可以感應到兩個觸摸操作，但是感應到觸摸和探測到觸摸的具體位置是兩個概念。XY軸方式的觸摸屏可以探測到第2個觸摸，但是無法了解第二個觸摸的確切位置。單一觸摸在每個軸上產(chǎn)生一個單一的最大值，從而斷定觸摸的位置，如果有第二個手指觸摸屏面，在每個軸上就會有兩個最大值。這兩個最大值可以由兩組不同的觸摸來產(chǎn)生，于是系統(tǒng)就無法準確判斷了。有的系統(tǒng)引入時序來進行判斷，假設兩個手指不是同時放上去的，但是，總有同時觸碰的情況，這時，系統(tǒng)就無法猜測了。我們可以把并不是真正觸摸的點叫做“鬼點”，如圖1所示。

圖1 鬼點（無法分辨紅點還是藍點為真正的觸摸）

識別手指位置

　　Multi-Touch All-Point是近期比較流行的話題。其可以識別到觸摸點的具體位置，即沒有“鬼點”的現(xiàn)象。多點觸摸識別位置可以應用于任何觸摸手勢的檢測，可以檢測到雙手十個手指的同時觸摸，也允許其他非手指觸摸形式，比如手掌、臉、拳頭等，甚至戴手套也可以，它是最人性化的人機接口方式，很適合多手同時操作的應用，比如游戲控制。Multi-Touch All-Point的掃描方式是每行和每列交叉點都需單獨掃描檢測，掃描次數(shù)是行數(shù)和列數(shù)的乘積。例如，一個10根行線、15根列線所構成的觸摸屏，使用Multi-Touch Gesture的軸坐標方式，需要掃描的次數(shù)為25次，而多點觸摸識別位置方式則需要150次。

　　Multi-Touch All-Point基于互電容的檢測方式，而不是自電容，自電容檢測的是每個感應單元的電容（也就是寄生電容Cp）的變化，有手指存在時寄生電容會增加，從而判斷有觸摸存在，而互電容是檢測行列交叉處的互電容（也就是耦合電容Cm）的變化，如圖2所示，當行列交叉通過時，行列之間會產(chǎn)生互電容（包括：行列感應單元之間的邊緣電容，行列交叉重疊處產(chǎn)生的耦合電容），有手指存在時互電容會減小，就可以判斷觸摸存在，并且準確判斷每一個觸摸點位置。

圖2 互電容檢測方式

觸摸屏技術

　　下面介紹一下觸摸屏。觸摸屏，簡單講就是輸入和輸出合二為一，不再需要機械的按鍵或滑條，顯示屏就是人機接口。

　　圖3所示為一個觸摸屏模組示意圖，整個模組由LCD，觸摸屏，觸摸屏控制器，主CPU，LCD控制器構成。觸摸屏和觸摸屏控制器是整個模組的核心所在，所以我們會重點介紹這兩個部分。

圖3觸摸屏模組示意圖

圖4感應電容觸摸屏結構

　　圖4從上到下依次是：1表面護罩；2覆蓋層；3掩膜層&標示層；4光學膠；5第一層感應單元與襯底；6光學膠；7第二層感應單元與襯底；8空氣層或光學膠；9 LCD顯示屏。

　　表面護罩通常小于100um厚度。所有塑料覆蓋層上面都需要硬護罩，這是因為手指觸摸會劃傷塑料表面，如果覆蓋層是玻璃 可以不需要表面護罩，但玻璃必須經(jīng)過化學加強或淬火處理，表面護罩需要與覆蓋層進行光學匹配，以免光損失過多。

　　覆蓋層可以是0~3 mm厚，并不是所有的觸摸屏都需要覆蓋層，覆蓋層越薄，越可以獲得更高的信噪比和更好的感應靈敏度。常用材料有：聚碳酸脂、有機玻璃和玻璃。

　　第三層是掩膜層與標示層，它的厚度大致是100mm。掩膜層位于覆蓋物的下面，可以隱藏布線和LCD的邊緣等。在設計中允許增加標示性文字或圖標，不過標示物必須相當平整的壓在ITO的襯底上，而且標示物材料應該是非導電的。

　　第四層是光學膠，厚度約為25~200mm。光學膠越薄，信噪比越好，高介電常數(shù)(er)的光學膠可有更好的感應手指電容，從而也能獲得更高的信噪比。通常應用 PSA壓敏膠。

　　第五層為感應單元與襯底，ITO涂層的厚度小于100nm，ITO涂層襯底可以是100 um ~1mm 的玻璃 (IR ~ 1.52)或是25mm ~ 300mm PET 薄膜 (IR ~ 1.65)。越厚的 ITO，單位面積電阻越低，信噪比越好；越薄的ITO ，透光率越好。襯底可以是薄膜或玻璃。如果ITO做在玻璃襯底的下表面，玻璃襯底可以作為表面覆蓋物。

　　第六層又是一層光學膠，與前一層光學膠比較，這一層光學膠越厚信噪比越好，這一層光學膠通常與ACA - 各向異性導電膠結合使用

　　第七層也是感應單元與襯底，它與第一層襯底的材料相同。注意薄膜與玻璃不要混合使用。如果ITO 在襯底上表面，厚的襯底 可以獲得更高的信噪比；如果ITO 在襯底的下表面，薄的襯底使信噪比更高。同樣在邊緣區(qū)域要求采用異向?qū)щ娔z?，F(xiàn)在已有單襯底工藝來簡化生產(chǎn)和降低成本。

　　第八層是空氣或光學膠層，我們知道，空氣的介電常數(shù)等于1，這可以減小來自LCD上表面的寄生電容。假如使用光學膠，可以使安裝更堅固。需要使光學參數(shù)匹配可以使得光損失更小，需要選擇盡可能最低介電常數(shù)的光學膠，還要保證ITO感應單元與LCD上表面之間的距離最小250mm。

　　最后是LCD屏，對于觸摸屏設計來說，它是一個噪聲源，噪聲來自于背光，LCD像素驅(qū)動控制信號，通常不要采用被動點陣屏，這會在LCD的正面產(chǎn)生高壓信號，盡量使用帶Vcom的有源點陣屏，這可構成虛地或屏蔽功能；如果確實需要采用被動點陣屏，需要在觸摸屏中再增加一個ITO屏蔽層，屏蔽層必須接地, 以去除寄生電容CP的影響。

多點觸摸屏控制器

　　多點觸摸屏控制器是觸摸屏模組的核心，本文以Cypress的觸摸屏控制器為例進行介紹。
Cypress的觸摸屏控制器是Truetouch系列，它基于已經(jīng)被廣泛應用的PSoC（可編程系統(tǒng)芯片）技術。PSoC是集成了可編程模擬和數(shù)字外圍以及MCU核的混合信號陣列，所以PSoC的靈活性、可編程性、高集成度等特性同樣適用于Truetouch方案。

　　TrueTouch方案是感應電容觸摸屏方案。前面已介紹了這種觸摸屏的結構?？梢哉fLCD的廠家和種類有很多，感應器件也很多，玻璃、薄膜、ITO等，甚至ITO的模型也有多種。Truetouch基于PSoC技術，所以PSoC的靈活性使得它和眾多的LCD和ITO都能很好配合。

　　為什么Cypress的觸摸屏控制器起名叫做Truetouch方案，或者是說這個“True”是怎么來的？回顧一下觸摸屏的發(fā)展歷程，從最初Single-touch—只能有一個手指進行觸摸或滑動；后來Multi-touch gesture也產(chǎn)生了—可以識別到兩個手指的方向，但還不能判斷出他們的具體位置，可以進行縮放、平移、旋轉(zhuǎn)等操作；發(fā)展到今天—Cypress的True touch可以做到Multi-touch all-point，可以識別到多個手指并判斷出準確位置，是真正的多點觸摸，這也是True的由來。

　　Truetouch的產(chǎn)品系列可以分成三類，單點觸摸, 多點觸摸識別方向（multi-touch gesture）以及多點觸摸識別位置（ multi-touch all-point）。每一類又有各種型號，在屏幕尺寸、掃描速度、通訊方式、存儲器大小、功耗等方面作了區(qū)別，可以滿足不同的應用。Truetouch系列是基于PSoC技術的，所以這些器件可以使用簡單方便但功能強大的PSoC designer軟件環(huán)境進行設計。

　　TrueTouch方案的價值主要體現(xiàn)在以下幾個方面：保持了觸摸屏固有的美觀、輕、薄特點，可以使客戶的產(chǎn)品脫穎而出；采用感應電容觸摸屏技術，不需機械器件，更耐用；擁有完整的系列，從單點觸摸，到多點觸摸識別方向，再到多點觸摸識別位置；基于PSoC技術，使用靈活，可以和眾多的LCD和ITO配合使用；PSoC所有的價值在Truetouch里都能體現(xiàn)，例如靈活性，可編程性等等，可以縮短開發(fā)周期，使產(chǎn)品快速上市，還有集成度高，可以把很多外圍器件集成到PSoC（即Truetouch產(chǎn)品），這樣不僅可以降低系統(tǒng)成本以外，還可以降低總體功耗，提高電源效率。

結語

　　本文介紹了多點觸摸技術以及觸摸屏和觸摸屏控制器?？梢哉f，觸摸屏是人機接口的最終選擇。不管是單點觸摸，還是多點觸摸識別方向，抑或多點觸摸識別位置，它們在很多應用中都優(yōu)勢明顯，例如手機、Mp3、GPS等等。這些產(chǎn)品本身就要求具有體積小便于攜帶的特點，如何能夠使小體積產(chǎn)品發(fā)揮更多的功能，這就依賴于觸摸屏的應用。

參考文獻：
1. Edward Grivna, Designing Compelling User Interfaces with Multi-Touch All-Point Touchscreen Technology, Cypress Semiconductor
2. Edward Grivna, Touch Screen Essentials, Cypress Semiconductor
3. Yi Hang Wang, Practical considerations for capacitive touchscreen system design, Cypress Semiconductor
4. 王瑩，全球首臺觸摸式波輪洗衣機誕生的背后，電子產(chǎn)品世界，2007.7
5. 中星微電子公司編，3G時代，從“芯”看來，電子產(chǎn)品世界，2008.9