电容触摸屏控制器

电容触摸屏控制器（精选7篇）

电容触摸屏控制器 第1篇

凭借其巨大的出货量与其一年一次的变化, 移动市场大大拓展和发展了触摸屏控制技术。毫无疑问, 对于广大消费者而言, 触摸屏技术迈出的第一步是电阻式触摸技术。它的手写功能为文字输入带来了一种全新的方法。在今天的社会中, 手写输入已经和知道如何“正确”地在星巴克点单一样, 成为您社会地位的无言象征。如果您不知道这种技术, 那么您就过时了。电阻式触摸技术曾在移动市场占有“王座”的地位, 直到最近才被其新出现的“篡位者”打败:电容式触摸 (cap touch) 屏控制。最初使用时, 这种技术为一种专有技术, 但之后越来越多的公司看到了它的好处, 开始屈身致力于这种技术的开发工作。那么, 它有什么特别之处呢?让我们来深入研究电容式触摸技术及其成熟过程和各种版本情况。

第一次实现的电容式触摸一次只能识别一个触摸动作。毕竟, 这正是电阻式触摸屏所能实现的。那么, 为什么我们需要同时多点触摸呢?这种单一固有电容仅监控一个检测通道的接地电容值。当人们渴望拥有多点触摸时, 一种新的方法出现了。在这种情况下, 表面电容或者仅固有电容形成幻影效应 (请参见图1)

图1单触摸点固有电容单一传感器 (1a) 和导致幻影效应点 (白圈) 的双触摸点 (1b) 图像

为了解决这个问题, 我们使用互电容概念来监控每排和列之间组合的电容值。这种方法让系统拥有更高的精确度, 但是搜索数从算数搜索变为几何搜索。现在比较排数*列数和排数+列数 (参见图2) 。

这些基本的触摸检测系统, 演化出了手势识别、对象拒绝和其它功能。最初, 这些功能要求更多的功耗, 因此触摸设计人员使用现有微控制器, 并对必要模拟工具进行一些改进, 以应对开发工作。他们可能完成了工作, 但这是最为有效的方法吗?未必。经常有人告诉我, 您不必最优秀, 只需比竞争者好便可。

谈及人生安全时, 就会讲到从众心理。但在商界, 随大流并不总是能让您获得成功。新技术和新方法总是层出不穷。就电容式触摸屏而言, 使用集成微控制器可以实现您的目标, 但付出的代价是什么呢?集成FLASH和RAM会推高功耗和资金成本。另外, 使用触摸屏的系统通常都已经集成了某种嵌入式控制器, 用于满足完成触摸计算或者复杂触摸识别的要求。实际上, 研究今天的市场发展趋势就可以发现, 应用处理器正在塑造其自有专用触摸引擎。为什么会出现这种情况呢?

原因是系统优化。为什么要使用冗余元件呢, 因为这样可以:1) 节省资金;2) 减少对便携式设备充电的次数。换句话说, 你可以与朋友拥有更长的通话时间, 或者多看一部电影。因此, 触摸屏控制器公司们开始纷纷跟进。它们研究特殊需求, 开发出基于模拟前端 (AFE) 的投射电容式触摸屏控制器。

当开启使用嵌入式微控制器和使用数字状态机 (或基于AFE的设计) 的触摸IC时, 会出现什么情况呢?

图3使用应用处理器 (淡灰色) 的平均功耗, 对比使用嵌入式MCU (3a:深灰色) 的触摸IC以及使用数字状态机 (3b:红色) 基于触摸IC的AFE工作模式的功耗

图3表明, 应用处理器运行时两种方法都有噪声, 但是, 如果我们关闭应用处理器的结果如何呢?

这里是一个完全不同的情况。现在出现的是数量级的差异:<0.1m W vs<10m W。图4清楚地表明, 相比基于AFE的设计 (图4b) , 在更长一段时间内, 集成MCU触摸屏控制器 (图4a) 额外硬件的功耗更多。考虑到设备在90%时间里通常都处在上述状态下时, 这种情况便更具意义。这种AFE型设计的低功耗创新可给系统添加诸如双击唤醒等新功能。

我们从功耗的角度, 为您说明了只能使用基于AFE解决方案的合理性。您是否在想, 如果没有MCU, 你将更加依赖于应用处理器, 这样会不会让其负担过大呢?下面让我们来看看, 是否会出现这种情况。

应用处理器:

●ARM A9双核。

●1GHz。

图3使用应用处理器 (淡灰色) 的平均功耗, 对比使用嵌入式MCU (3a:深灰色) 的触摸IC以及使用数字状态机 (3b:红色) 基于触摸IC的AFE工作模式的功耗

●总MIPS/功耗:

1000 MHz* (2.5 DMIPS/MHz) *2=5000 DMIPS, 功耗~0.6W。

具有较强竞争力的MCU集成触摸屏控制器。

●规格:

Arm cortex M3。

60Mhz。

1.25DMIPS/MHz。

149µW/MHz。

●假设TSC CPU为100%负载

60MHz*1.25 DMIPs/MHz=75DMIPS。

60MHz*149µW/MHz=~9m W+Flash+M。

●在应用处理器运行所有触摸代码时所用资源

75 DMI PS/5000 DMI PS=1.5%。

0.6W*1.5%=9 m W。

在应用处理器上运行相同代码实际降低了Flash和M的功耗成本, 并且仅消耗1.5%的处理器可用DMIPS。这看似十分合理且功耗更低, 但我们假设100%的CPU负载在滤波和手势识别之间平等分配, 并且顺利协调。由于基于AFE设计已经内置了滤波硬件, 因此便不再需要这部分的CPU负载。现在, 您便可以把负载和功耗降低一半!

●运行手势识别/滤波时所用资源

32.5 DMIPS/5000 DMIPS=0.75%。

4.5 m W。

总结

电容触摸屏控制器 第2篇

1 CY8CTMA340概述

CY8CTMA340是由赛普拉斯半导体公司生产的电容触摸屏控制器。

CY8CTMA340是一个带有感应技术的电容触摸屏控制器,能支持4个手指同时在触摸屏上,读出它们的位置和手势信息。CY8CTMA340通过其触摸检测装置和位置分辨率算法来处理这组数字信息,这样来决定每个手指在触摸屏上的位置。手指的位置和移动可以被进一步处理并且可以被识别为单击、双击、平移和缩放这样一个手势,然后把信息提供给主机。另外,CY8CTMA340系列产品增加了一些改进性特点:较大手指、拇指检测,手掌、脸部检测,控制压制和潮湿手指的追踪,有最佳的防水性能,根据环境的改变也能自动校准参数,在有干扰的射频环境下也能稳定的运行,还有多样的通信协议,另外,它既支持单电源供电也能支持双电源供电,有多种封装形式。因此, CY8CTMA340具有其它同类产品所不具备的特殊优点,主要有:

• 单芯片、多点触控的电容触摸屏控制器;

• 可追踪2或4个手指的位置(X,Y和级);

• 多达256传感节点;

• 屏幕尺寸大到4.5吋;

• 无噪声分辨率一般为0.1mm;

• 8通道传输意味着更快的扫描触摸屏;

• 核心精度可达0.7mm;

• 低功耗;

• 支持双电源供电;

• 支持许多ITO制造商,LCD的供应商;

• 支持SPI或I2C通信。

2 CY8CTMA340工作原理

CY8CTMA340内部原理图如图1所示。

CY8CTMA340有8个通道,每个通道有4组感应引脚,每个感应引脚都可以被设置为接受感应或者发送感应。接收方从放置在接收和发送之间的电容上收集电荷,收集后的电荷被放在了一个内部集成的电容上,这个就被叫做模拟整合。被集成电容收集的电荷然后就被模数转换器采样,采样的结果被收集为数字整合,数字整合的结束就代表完成了一个转换。转换结束后,CPU就利用CY8CTMA340内部提供的片上算法来处理这些数字信息。

CY8CTMA340有3种电源状态:(1)激活模式:这种模式下触摸屏被激活开始扫描并且隔时刷新数据;(2)低功耗模式:触摸屏以很慢的速率去扫描;(3)深度睡眠模式:这种模式下触摸屏停止扫描并且CY8CTMA340处于低功耗的状态,内部时钟已经关闭,但是存储器状态和RAM仍然保持原来的状态。CY8CTMA340有2种电源供电方式,单电源供电和双电源供电,单电源供电简单方便,但是不稳定。双电源供电可以使芯片工作状态更稳定,缺点就是比较麻烦。图2,图3分别为单电源和双电源供电的接线图。

3 CY8CTMA340通信协议

CY8CTMA340触摸屏控制器最关键的就是其通信协议的说明,通信模式控制着CY8CTMA340的启动并且把信息提供给主控制器。它有三种通信模式:运行模式、系统信息模式、测试模式。在相同的通信模式下CY8CTMA340既可以支持I2C,也可以支持串行外设接口(SPI)。 所有的模式都共享着主机模式(HST_MODE),主机模式就是主机用来控制CY8CTMA340改变换通信模式,可以使其处于低电状态,控制其向深度睡眠模式转变,控制这个芯片的复位。

(1)运行模式

在运行模式下,可以通过主机模式来控制电源的状态,最重要的是它可以向主机提供每个手指(最多4个)的数据信息,例如地址信息,坐标信息以及手势的追踪。

(2)系统信息模式

系统信息模式下可以进行系统内置的固件测试,可以对电源状态、激活系统隔时刷新、触屏超时、低电源隔时刷新设置。

(3)系统测试模式

在系统测试模式下三个数据是有用的:原始数据、信号数据、校准数据。

I2C总线协议:

4 CY8CTMA340的应用实例

图5是CY8CTMA340的一个应用,图示为其硬件电路连接示意图。图中所用的电容触摸屏控制器为CY8CTMA340-48LQI-09(T),是48引脚的芯片,其支持的电容触摸屏的尺寸最大为4.5吋,其芯片的ID为0591H,其左边为电容触摸屏,右边与MCU相连,通过对MCU进行I2C总线编程,通过通信协议从而控制触摸屏控制器然后再作用于触摸屏,使其有手指触摸时可以检测并作出相应的应答。

5 结束语

本文主要讲述了一个新型的触摸屏控制器CY8CTMA340的特性以及应用。随着电子技术的不断发展以及触摸屏应用逐渐普遍,人们对其性能要求不断提高,CY8CTMA340以其多点触控,识别手势,低功耗高精度,支持双电源供电,支持通信协议等一系列的改进性的特点使其在同类型的产品中更适应市场的需求,使得触摸屏技术又有了更进一步的提高。

摘要：主要研究了一个新型的电容触摸屏控制器CY8CTMA340的特性和应用。它能支持多点触控(多达4个手指同时在触摸屏上);可以识别手势;拥有256个传感节点;低功耗,支持双电源供电;有最佳的防水性能等改进性特点。另外介绍了它的工作原理以及其I2C通信协议,最后给出了基于此控制器的一个应用实例。

关键词：CY8CTMA340,电容触摸屏控制器,I2C通信协议

参考文献

[1]TrueTouchTM Multi-Touch All-Points TouchscreenController[S].Cypress Peform,2010.

电容式触摸屏专利技术概况 第3篇

1 概述

随着电子产品的普及, 触摸技术得到了快速发展, 也逐渐被人们接受。触摸技术的种类有很多, 主要有电阻式、电容式、光电式、声波式、电磁式等[1], 而电阻式和电容式是目前最为常见的两种, 随着智能手机和平板电脑的兴起, 电容式正在取代电阻式, 成为触摸产业的主流设计。

电容式触摸屏是利用人体的电流感应进行工作。在触摸屏表面玻璃上贴上一层透明导电物, 当手指触摸在触摸屏上时, 由于人体电场, 手指和触摸屏表面形成一个耦合电容, 从而造成触摸点的电容量发生改变, 通过对电容量的改变测量, 确定出触摸点的位置信息[2]。

电容式触摸屏采用人体手指的电流感应进行触摸, 不同于电阻式通过感应压力实现触摸。电容式触摸屏具有灵敏度高、反应速度快、质量轻、硬度高等优点, 并且可以实现多点触摸, 电容屏操作的用户体验较好, 是近年来触摸屏领域的主导技术。目前市场上的绝大多数智能手机和平板电脑, 如苹果i Phone、i Pad以及三星Galaxy系列的触摸屏均为电容式的。除了智能手机和平板电脑, 电容屏已广泛应用到日常生活各个领域, 如ATM机、数码相机、游戏设备、餐饮系统、家用电器、车间系统、医疗设备等各个领域。

2 电容式触摸屏的发展历程

电容式触摸屏技术早在1965年就已经被提出, E.A.Johnson在论文《Touch Display-A novel input/output device for computers》[3]中提出了一种作为输入输出装置的触摸屏, 利用手指触摸产生感应静电电容, 通过电容变化的测量实现对触摸屏触摸动作的计算。在专利方面, 最早的英文专利US3666988A[4]于1972年5月30日被公开, 申请人为Rebort E Bellis, 发明了一种触摸感应电源控制电路, 通过具有带电电容的人体触摸感应实现触摸动作。国外的电容式触摸屏专利公开时间较早, 而中国的相关专利申请直到1997年才出现, 最早中文专利CN1151556A[5]于1997年6月11日被公开, 申请人为夏普公司, 发明了一种静电电容型方式的触摸屏, 在手指等导电物体接触屏幕时, 通过检测触摸点流过微小的电流来确定触摸位置。

电容式触摸屏虽然很早就已被发明, 但因技术门槛和制造成本较高, 并未在产业上得到广泛应用。直到2004年, 苹果公司开始研发智能手机, 联合台湾宸鸿光电 (TPK) 研制电容式触摸屏, 宸鸿光电作为i Phone手机的独家屏幕供应商, 成功研发出可以多点触摸的i Phone手机屏幕。苹果i Phone手机取得成功, 引发了三星、LG等厂商纷纷跟随研发和推出自己的电容屏产品。同时, 公众也逐渐关注电容式触摸屏技术和多点触控技术, 电容式触摸屏技术在产业上得到了的全面使用, 电容式触摸屏技术进行快速发展时期。

3 电容式触摸屏的技术分类

3.1 电容式触摸屏的专利分类号

专利文献是一种集技术信息、经济信息和法律信息于一体的文献类型, 据统计, 全世界最新的发明创造信息, 有90%以上都是首先通过专利文献公开的。全世界每年的专利文献数量约达到整个科技文献数量的四分之一, 专利文献已成为科研人员和企业研发人员重要的技术来源[6]。

专利文献具有国际上通用的专利文献分类法, 即国际专利分类法 (IPC) , 每篇专利文献都会使用IPC进行分类, 通过IPC分类号可以快捷检索出所需的专利文献。除了IPC, 一些国家或地区还有各自的分类体系, 如欧洲专利分类法 (EC) 、美国专利分类法 (UC) 、日本专利分类法 (FI/F-term) , 此外, 还有美国、欧洲共建的CPC专利分类体系。

电容式触摸屏技术在IPC中有明确的小组分类号G06F3/044, 即通过用电容性方式实现的数字转换器, 相关的分类号有G06F3/041和G06F3/033等。分类号G06F3/044是IPC第8版 (2006年1月出版) 才新增的, 此前的电容式触摸屏专利申请主要被分到分类号G06F3/033中。在各国的分类体系中, 如EC、UC、FI/FT, 只有FI对G06F3/044进行了下位细分, 分为:

在FI分类号中, G06F3/044E通过人体接触型是最常用的电容式触摸屏感应方式, 通过人体手指和触摸屏之间的耦合电容, 从而对感应的位置和动作进行判断。

3.2 电容式触摸屏的工作原理分类

电容式触摸屏按感应方式分为表面电容式和投射电容式。投射式电容根据其扫描方式又可分为自电容式和互电容式[7], 投射电容式最常见的应用是多点触控技术。

表面电容式触摸屏的原理类似于电阻式触摸屏, 而区别是在于通过电容值的变化来计算位置。表面电容式触摸屏四个角上引出四个电极, 当手指触摸到触摸屏表面时, 手指与触摸屏表面形成一个耦合电容, 高频电流会流入手指, 该电流从表面电容触摸屏四角电极流出, 流入到手指中, 流入手指的电流与电极到手指的距离成比例, 通过测量四个电极的电流计算得出触摸点位置。表面电容式触摸屏的主要缺点是采用了一个同质的感应层, 无法进行多点触摸位置点计算[8]。

投射电容式触摸屏是以X轴、Y轴交叉分布作为电极矩阵, 当手指触摸电容式触摸屏表面时, 手指与触摸屏之间会形成耦合电容, 触摸点的电容值会发生变化, 通过对X轴、Y轴的扫描, 检测触摸点电容量的变化, 从而计算出手指所在位置[9]。

自电容式触摸屏是一种单电极的方式, X轴和Y轴电极矩阵分别与地形成电容, 当手指触摸电容屏, 使得触摸点的电容量增加, 检测时, 自电容式触摸屏依次检测X轴和Y轴电极矩阵, 根据触摸前后电容量的变化, 分别确定X轴坐标和Y轴坐标, 从而得出电容屏的触摸点坐标[8]。

与自电容式触摸屏的检测方式不同, 互电容式触摸屏是一种双电极的方式, X轴和Y轴电极矩阵交叉处形成电容, 即X轴和Y轴电极分别构成了电容的两极, 当手指触摸电容屏, 使得触摸点的电容量增加, 检测时, Y轴电极矩阵分时依序发出信号, X轴电极矩阵同时接收信号, 从而得到所有X轴和Y轴电极矩阵交叉点的电容值, 根据电容量的变化, 计算出触摸点的位置[8]。

自电容式触摸屏分别扫描X轴和Y轴电极, 当有两个触摸点且这两个触摸点不在同一X轴或同一Y轴时, 通过坐标组合的方式会在X轴和Y轴形成四个坐标, 但其中只有两个坐标是真实的, 容易造成“鬼点”现象, 因此自电容式触摸屏无法实现真正的多点触摸, 而互电容通过对每一个交叉点进行扫描, 能准确地检测出多个触摸屏的位置。

多点触摸是指多点触摸识别手指位置或手势方向, 能支持多达十个手指的多点触摸。多点触摸是投射式电容式触摸屏的最大优势, 通过X与Y方向之间的交叉电容实现信号的传递, 从而实现多点触摸[10]。多点触控技术于1982年由多伦多大学发明, 为一种感应食指指压的多点触控屏幕, 同年贝尔实验室发表了首份探讨多点触控技术的学术文献[11], 随着i Phone等多点触控手机的兴起, 多点触控技术开始进入主流应用。

3.3 电容式触摸屏的结构和制造

电容式触摸屏按结构分为外挂式和内嵌式。外挂式电容触摸屏是将触摸部分与液晶显示部分分开制作, 再贴合在一起, 所以外挂式电容屏的厚度一般较厚。内嵌式电容触摸屏是将触摸集成到液晶显示里面, 是一种集成一体化的设计, 能降低屏幕的整体厚度, 并且维持较高的透光率。内嵌式是电容触摸屏的主流设计方案, 触摸屏的厚度较薄, 适合移动设备轻薄需求的需要[12]。

内嵌式电容式触摸屏一般为盖板—光学胶—传感器的三层结构, 其中传感器根据制造结构可分为玻璃结构、单层薄膜结构、双层薄膜结构和三层薄膜结构等。薄膜结构相对于玻璃结构, 在于透明性能和导电性能较好, 此外, 原材料以及生产技术等问题使薄膜成本结构要比玻璃结构便宜很多, 致使越来越多的厂商重新开发薄膜结构的电容屏, 薄膜结构触摸屏的市场份额在逐步扩大[13]。

电容式触摸屏的制造中, 盖板材料通常为钢化玻璃、亚克力等材料;光学胶可为聚酯、油墨、光硬化树脂等;传感器主要为ITO玻璃或者ITO薄膜等。电容屏中的传感器的ITO图形通常采用菱形+菱形的设计, 驱动IC一般采用IIC串行接口设计, 电容屏的生产经过镀膜、切割、贴合、电检等复杂的流程来完成。电容屏关键材料制造商中主要来自台湾省和日本, 中国内地的主要原材料制造商有莱宝、长信、南玻等[14]。

4 电容式触摸屏技术专利申请状况分析

本文中选取中国专利检索系统文摘数据库 (CPRSABS) 和德温特世界索引数据库 (DWPI) 中的数据进行检索, 采用分类号和关键词组合的方式对电容式触摸屏相关技术进行检索, 分类号主要为:G06F3/044, 关键词主要为:电容, 容量, 容性, 触摸, 触控, 触碰, 触屏, 触点, 触压, 触按, 在CPRSABS数据库中检索到中国专利申请共计2932件、在DWPI数据库中检索到全球专利申请共计6090件, 以此作为专利分析的样本数据 (检索日期2014年2月12日) 。

4.1 时间分布

注:由于发明专利默认是在申请日起18个月后公开, 所以2012年的部分申请还没有被公开, 因此导致2012年的全球申请量呈现下降的态势。

图1中显示了电容式触摸屏技术在中国及全球专利申请量年度变化的分布图, 从2004年起, 电容式触摸屏技术在中国及全球的申请量均呈现出稳步上升趋势, 说明中国的专利技术能够紧跟世界专利技术的步伐。2006年以前, 电容式触摸屏的专利申请数量很少, 全球专利年申请量还不足200件, 针对电容式触摸屏的技术研发还较少, 随着2007年苹果i Phone手机的成功推出, 业界开始关注电容式触摸屏技术, 专利申请数量增长迅猛。在2011年, 电容屏技术的中国专利申请量超过了800件, 全球申请量也达到了1800件, 电容屏技术目前正处于高速持续发展的态势。

4.2 地区分布

从图2中可以看出, 电容式触摸屏技术在全球专利申请中, 首次申请最多的地区是中国, 可见中国已成为全球最重要的电容式触摸屏技术研发区域之一, 占到全球专利申请总量的28.7%, 中国的长三角和珠三角地区已成为国内电容式触摸屏主要申请来源。台湾地区在电容屏的制造和研发一直处于领先水平, 占到全球电容屏专利申请量的14.1%, 日本、韩国的电子制造业也比较发达, 电容式触摸屏的技术水平较高, 相关申请也较多, 美国和欧洲也是电容屏技术的重要来源。

一般而言, 企业的专利创新首选以发明方式进行申请。中国的电容式触摸屏专利申请中, 实用新型专利占申请量32.2%, 发明的申请量占67.8%, 电容屏专利申请中发明专利所占比重较大, 说明中国的电容式触摸屏专利申请技术含金量较高。

4.3 申请人分布

从表2中可以看出, 在电容屏领域中国专利申请量排名前十位的申请人中, 全部为企业, 没有一家科研单位, 说明电容屏技术的产业应用程度较高, 前十位申请人中有四家是来自中国大陆的企业, 三家是来自台湾的企业, 来自日本、韩国和美国的各一家, 可见中国企业在国内很重视对专利的保护, 前十位申请人的申请量占到申请总量的24.9%;在全球专利申请量前十位的申请人中, 有一半是日本的企业, 台湾省和韩国各两家, 美国一家, 没有一家中国企业, 可见, 日本是全球电容式触摸屏领域的技术领头军, 台湾省和韩国是电容屏制造技术和技术应用的主要力量, 中国虽然近年来已经在大力研发电容屏技术, 但和国际相比仍有一定的差距。

注:由于比亚迪等公司的专利申请集中在2013年公开, 导致部分专利已被CPRSABS数据库收录, 而未被DWPI数据库收录, 结果造成上述公司在CPRSABS数据库的申请量大于DWPI数据库的申请量。

触摸屏产业化方面, 美国主要集中在触控IC、玻璃基板方面的研发, 日本则掌控关键原材料及其制造设备;台湾主要是在ITO功能玻璃上的制作, 中国大陆的企业主要在研发触摸屏模组、触控IC和功能玻璃等。台湾的宸鸿光电是现代电容式触摸屏技术的开创者, 申请了很多电容式触摸屏相关的核心专利, 带动了整个产业的发展[15];比亚迪在电容屏的专利大部分是应用方面的, 并在电容触摸屏控制IC方面有所发展;瀚瑞微电子出版的书籍《电容式触控技术入门及实例解析》是目前国内最全面介绍电容屏技术的书籍。

国内企业的专利申请量虽然很多, 但在全球专利申请还较少, 尤其是核心专利的数量离世界一流企业仍有很大差距, 国内企业应高度重视技术研发, 充分激发研究人员的创新能力, 研究出高水平的电容式触摸屏技术, 同时还要提高专利保护的意识, 通过专利申请来保证和提升在电容屏领域的竞争力。

5 当前电容式触摸屏技术的研究热点和发展趋势

电容式触摸屏是一个新兴技术, 正处于高速发展时期, 专利申请的数量较多、增长速度也较快, 围绕着电容屏的专利诉讼官司也不断, 数额也较大。电容式触摸屏技术研究的热点主要在其应用、工艺、结构和检测等[16]。目前, 多点触控仍是电容式触摸屏的研究热点, 其他研究热点还有接近传感、抗静电、强光可视、屏层设计、布线结构和材料选择等[17,18,19,20]。

投射式多点触控电容触摸屏 第4篇

电容式触摸屏分为表面电容式 (Surface Capacitive) 触摸屏和投射电容式 (Projected Capacitive) 触摸屏两种。

表面电容式触摸屏使用透明并且导电的ITO屏作为电容感应器。在ITO屏的4个边缘, 电极与ITO相连, 在电极上施加高频的交流驱动信号, 当手指触摸在ITO层上时, 由于人体电场, 用户手指和触摸屏表面形成一个耦合电容。由于电容具有通交流的特性, 手指从接触点吸走一个很小的电流, 这个电流分别从触摸屏4角的电极流出, 并且流经这4个电极的电流与手指到4个角的距离成正比, 控制器通过对这4个电流比例的精确计算, 得出触摸点的位置。

根据ITO电极的位置, 表面电容式触摸屏又分为外表面电容触摸屏和内表面电容触摸屏两种类型。由于ITO电极并不耐磨, 因此外表面ITO电容触摸屏较为少见, 而内表面电容触摸屏的成本低廉, 透光较为均匀, 灵敏度高, 通过改进ITO电极的形状或者使用电场线性化的电极, 可以极大地改善ITO屏电场的线性, 提高检测精确度。

表面电容式触摸屏虽然灵敏度非常高, 但是也带来了容易误触发的问题, 同时它存在着阴影效应、易产生温漂、不支持多点触控和手势识别等问题。

投射式电容触摸屏的基本原理与触摸板类似, 通过多个菱形块串联的X、Y轴上的感应电极互相镶嵌 (具体参见图1) , 在感应电极上施加驱动信号, 同样是根据人体电容效应, 对X轴和Y轴方向的感应电极进行扫描, 并使用重心算法, 分别对X轴和Y轴感应电极上所感应并检测到的信号进行定位, 就可以得到手指在触摸屏上的位置。

由于投射式电容屏幕必须是透明的, 因此这些感应电极都是透明而又导电的ITO, 而衬底则需要使用透明而又绝缘的玻璃或有机薄膜。为了使X、Y轴上的感应电极交叉而不短路, 生产厂家使用两种生产工艺结构, 一种是双层的ITO结构, 即X、Y轴的感应电极分别位于两个ITO层, 两个ITO层之间夹有透明而绝缘的玻璃或有机薄膜。显然这种结构要求各层的厚度都应当尽可能地薄以保证感应电极之间的灵敏度基本一致。另一种是单层ITO结构, 通过在X、Y轴感应电极的交叉点使用金属跳线将X轴 (或Y轴) 的菱形块连接起来, 在金属跳线下设置绝缘块以跨过Y轴 (或X轴) 的感应电极。这种结构对工艺要求很高, 但是感应电极之间的灵敏度能够保持一致, 同时比双层ITO结构具有更好的透光度。

2 自电容感应和互电容感应

投射式电容触摸屏主要包括两种感应方式:自电容感应和互电容感应。投射式电容触摸屏的ITO电极是通过多个菱形块串联的X、Y轴上的互相镶嵌的多串感测电极, 如果把X或Y轴方向的感应电极对地的电容称之为自电容Cs, 那么X或Y轴方向相交的感应电极之间形成的电容称之为互电容Cm。虽然互电容非常小 (约0.1~3p F) , 但却是相对稳定存在的。

自电容感应即通过检测感应电极相对于地之间的电容, 来检测手指与感应电极之间的变化, 以计算手指触摸位置, 手指触摸感应电极时相当于附加了一个手指电容CF, 因此手指触摸时感应电极的自电容将增加。互电容感应即通过检测交叉电极之间的耦合电容, 来检测手指与电极之间的变化, 以计算手指触摸位置, 手指接近感应电极时, 由于手指相当于一个导体, 所以原来从发射电极到接收电极的电场或电力线中额部分转移到了手指上, 这两个感应电极之间的场强的减弱或电力线的减少相当于互电容减少[1] (参见图2) 。

在早期的投射式电容触摸屏中, 通过感测感应电极自电容的方法, 最多可以实现两点触摸, 但同时会出现“鬼点”的现象, 因此并不能算作真正的多点触摸屏。为了进一步提高检测精度, 实现多点触摸, 在投射式电容触摸屏中, 采用了检测互电容的交叉点扫描技术以对触摸屏的所有电极交叉点进行扫描, 从原理上讲可以实现任意多点的触摸操作, 极大地改善了电容式触摸屏的检测精度和使用舒适度。

3 基于交叉点扫描的多点触控电容触摸屏技术

美国苹果 (APPLE) 公司于2004年5月6日提出了申请号为US10/840862, 发明名称为多点触摸屏的发明专利申请。在该申请中, 苹果公司第一次提出了使每个电容传感节点独立工作, 同时产生表示触摸屏上不同的点的信号, 以此达到同时检测多个触摸点的效果。在自电容的电容传感节点中, 透明导电介质 (如ITO) 被构造成空间分离的电极和轨迹, 以使每个电极表示一个不同的坐标, 而在实际中生产此类产品成本很高;在互电容的电容传感节点中, 透明导电介质被模压在两个不同的层上形成一组空间分离的线, 传感线与驱动线横切、交叉或相交, 从而形成一个电容耦合节点 (即投射式电容屏的感测电极结构) , 互电容传感节点的等效电路图, 见图3。

互电容电路220包括空间分离的驱动线222和传感线224, 从而构成了一个电容耦合节点226。驱动线222电气耦合到一个电压源228, 传感线224耦合到一个电容传感电路230 (如开关电容积分器) 。驱动线222用于向电容耦合节点226传送电流, 而传感线224用于向电容传感电路230传送电流。当没有目标时, 节点226上的电容耦合保持恒定, 如果一个目标 (如手指) 靠近节点226, 节点226的电容耦合也发生改变, 目标232将吸走一部分电流, 因此节点226上的电荷变小, 而电容耦合的变化也使得传感线224所携带的电流发生变化。电容传感电路230记录了出现电流变化的节点226的电流变化以及位置, 并把此信息传送给控制器。通过传感线依次扫描可以对每个节点226进行处理, 在每个扫描周期都对触摸屏上的所有节点进行感测, 因此可以提供多点传感。

苹果公司继续在多点触控电容触摸屏技术的基础上开发了多项手势控制技术, 并应用于自家生产的多种数码产品中, 在市场上独树一帜, 极大地提高了产品的竞争力。

4 多点触控电容触摸屏需要解决的问题

4.1 改进灵敏度和信噪比

感测信号的灵敏度和信噪比是电容感应触摸屏系统的最根本的问题, 无论是表面电容式触摸屏, 还是投射电容式触摸屏。由于感测的信号是电荷信号, 而环境中始终存在各种各样的电磁干扰, 并且电子设备内部也会存在电磁和静电的干扰。保证信号的灵敏度和信噪比, 保证触摸信号的稳定可靠, 还可以提高定位分辨率和定位精度。

为了提高灵敏度和信噪比, 常见的做法是降低ITO电极的电阻, 或者使用双路X、Y轴电极引出线的方式, 可以有效地减小感测电极电阻对信号衰减的影像。

4.2 选择合适的驱动信号

电容式触摸屏都需要驱动信号来产生感测电容, 因此驱动信号的频率和调制对感测信号的灵敏度和信噪比也有着直接的影像。选择合适的扫描频率, 能够产生较强的感测信号和比较低的噪声。而Synaptics、3M等公司提出了利用通信中的CDM技术对驱动信号进行调制和对感测信号进行解调, 可以大大减少计算量, 提高扫描速度。

4.3 改进数字滤波

使用数字滤波是减少噪声, 提高信噪比的有效方法。常用的数字滤波器有数据抖动滤波器, 数据中值滤波器, 数据IIR滤波器等。而现有的数字滤波技术还存在着对大的峰值噪声滤波效果不明显、延迟较大、影响感测响应时间等问题, 还需要进一步优化。

4.4 改进定位算法

当触摸屏尺寸较小时, 使用简单的重心公式乘以放大系数, 可以比较准确地定位手指的位置。而当前触摸屏的分辨率已经不断提升, 并且投射电容式触摸屏边缘的感应电极呈半个菱形块, 因此需要修改计算公式:

其中:P———手指在触摸屏上的坐标;G———放大系数;Sn———在第n个菱形感应块上的信号值;N———X或Y轴上的菱形感应块的数量;RL———触摸屏X或Y方向的逻辑分辨率。

使用修改后的公式可以得到比较好的计算精度。

4.5 消除LCD干扰

LCD显示器在触摸屏的正下方与触摸屏紧密贴合, 因此LCD工作时必然会干扰到触摸屏的电容感测。LCD的干扰信号会使触摸屏的信噪比大幅度减小, 严重时会导致触摸屏无法正常工作。通过增加空气间隙或增加屏蔽层的方式可以减少这种影响, 但是会带来其他性能方面的减弱。比亚迪股份有限公司在多点投射式电容触摸屏现有技术的基础上, 提出了一种可以屏蔽自电容的方法, 以提高触摸屏的信噪比。具体方法为在耦合电容的充电时段断开耦合电容与检测电路的连接, 在取样电容的感测时段断开驱动线的驱动信号, 因此可以屏蔽寄生电容对检测电路的影响, 提高检测的精确度。

5 多点触控电容触摸屏的未来发展趋势

由于投射式电容触摸屏必须用于显示层分离的ITO层来感测电容信号, 因此很难大幅度减小显示器厚度, 进而减小移动设备的厚度。

为了进一步缩小显示器和移动设备的厚度, 结合嵌入式触控显示器in-cell的技术, 苹果公司于2007年6月8日提出了申请号为US2007/070722的发明专利申请, 提出了进一步将触摸感测部件与显示电路相集成的液晶显示器触摸屏, 具体参见图4。

使用液晶像素电极作为感测电极的一部分, 再结合对应的传感线, 可以将电容式触摸屏的驱动电极和感测电极集成在液晶显示单元内, 大幅缩小触摸屏的厚度。

目前苹果公司已经与夏普和LG公司达成合作协议, 在未来对于降低智能手机的厚度将起到非常重要的作用。

摘要：电容式触摸屏是在玻璃表面贴上一层透明的金属导电物质 (ITO) , 当有带电物体 (如人体) 接触屏幕时, 金属导电物质会对带电物体进行感应, 接触位置的表面电容产生改变, 依据改变的电容计算接触位置。电容式触摸屏是电容式接触按键、触摸板、TFT等多种技术结合的产物, 并在发展过程中出现了诸多问题。本文主要针对投射式多点触控电容触摸屏技术存在的问题和改进进行了阐述, 并对嵌入式电容触摸屏的结构和原理进行介绍。

关键词：自电容,互电容,交叉点扫描,in-cell

参考文献

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[3]李昆益.触控技术与产业[M].台北五男图书出版股份有限公司, 2010.

电容触摸屏控制器 第5篇

电容式触摸屏中最常用的ITO传感器 ( ITOSensor) 是在玻璃基板表面镀上ITO,并通过光刻等途径将ITO制作成横向与纵向电极阵列[1],起感应作用,是电容式触摸屏的触控核心部件。目前ITO图形制作普遍采用的是化学腐蚀的办法[2,3]。ITO玻璃在蚀刻之后,表面有ITO的区域的反射率R1和无ITO的区域的反射率R2相差较大,导致视觉反差明显,会在ITO传感器表面上看到ITO图案( 即ITO电极影) ,影响了屏幕的整体显示效果和美观。如图1所示。

近年来,液晶屏的显示效果得到质的飞跃,传感器表面ITO图案的存在已经逐渐引起采购商家的不满,因此设法消除ITO电极影以进一步提高屏幕的整体显示效果,已经显得尤为迫切,目前国内外关于解决ITO电极影问题公开发表的论文非常少,因此对这一问题的研究具有一定的新颖性和重要的实际应用价值。

由于传感器表面肉眼可见的ITO图案是ITO区域和非ITO区域的反射率相差较大所引起的,因此我们设计特定的消影膜,以减小ITO区域和非ITO区域的反射率差值,当反射率差值小于临界值1.0% 时,肉眼便很难区分出ITO图案的存在。

1 理论优化设计

1. 1 消影膜层材料的选择及结构设计

消影膜层材料的选择需综合考虑可见光范围内材料的透过率、消光系数、折射率、稳定性等因素,最终我们选择SiO2和Nb2O5两种材料进行组合使用。SiO2是LCD行业里常用光学膜材料[4],具有优良的光学特性,应用非常广泛。Nb2O5有着较高的折射率,是性能优良的常用高折射率材料之一[5]。

我们把有消影膜的ITO玻璃( 亦称消影ITO玻璃) 设计成如图2所示的结构。在玻璃衬底上先分别镀上厚度为d3、d2的Nb2O5和SiO2膜层,然后再镀厚度为d1的ITO膜层。这样可以通过Nb2O5和SiO2膜层的调节作用,使光刻之后的传感器表面ITO区域和非ITO区域反射率非常接近,以减弱视觉反差,达到消影目的。

1. 2 消影膜层参数的计算

光学多层膜的基本理论计算工作前人已经做了许多研究[6,7,8]。一个光学多层膜系的特征矩阵为:

其中δj=(2π/λ)njdjcosθj表示第j层的相位厚度。由( 1) 式可以得到膜系的能量反射率为:

根据( 1) 、( 2) 两式可以推导出ITO区域反射率R1和非ITO区域反射率R2的表达式,且我们希望在可见光范围内找到各膜层厚度的组合,使其满足:

计算时薄膜光学参量如下选择[9,10]: n0= 1. 0( air) ,n1= 2. 05 ( ITO) ,n2= 1. 46 ( Si O2) ,n3= 2. 35( Nb2O5) ,ng= 1. 52( glass) 。则( 3) 式是一个关于变量d1( ITO的物理厚度) 、d2( Si O2的物理厚度) 、d3( Nb2O5的物理厚度) 的数值问题。利用Matlab编程处理,计算出满足( 3) 式的d1、d2、d3的组合解。根据实际情况,选取较合适的一组厚度组合: d1=21 nm,d2= 58 nm,d3= 7 nm。

1. 3 软件模拟

使用光学薄膜常用的TFCalc膜系设计软件,对普通的ITO传感器和我们所设计的有消影膜的ITO传感器反射率进行模拟对比,结果见图3。

从图中可以看出,普通ITO传感器表面ITO区域的反射率曲线( 玻璃 + ITO) 和非ITO区域反射率曲线( 玻璃) 相差较大,视觉反差明显。而我们设计的有消影膜层的ITO传感器表面ITO区域反射率曲线( 玻璃 + 消影膜 + ITO) 与非ITO区域反射率曲线( 玻璃 + 消影膜) 在可见光范围内都较平滑,且非常接近,其差值控制在1. 0% 以内,视觉反差小,肉眼不易看出ITO图案。并且还可以发现在可见光范围内,普通的ITO玻璃反射率曲线陡峭,透光不均匀。而有消影膜层的ITO玻璃反射率曲线相对较平缓,透光较均匀,有利于提高显示效果。

2 样品的制备

关于ITO、SiO2、Nb2O5薄膜的制备方法和工艺条件等因素对膜层性能的影响已经有了许多相关研究[11,12,13,14]。综合考虑Nb2O5、SiO2我们选用双靶中频反应磁控溅射制备,ITO选用直流磁控溅射方法制备。镀膜设备采用国产单面多功能连续镀膜系统,该系统拥有中频、射频、直流几种工作模式以及多个溅射腔体。ITO膜层采用的靶材是铟锡氧化物陶瓷靶( In2O3与SnO2质量比为9∶1 ) ,纯度为99.99% ; SiO2膜层采用的是高纯硅靶材,纯度为99.99% ; Nb2O5膜层采用的靶材是纯度为99. 9% 的铌靶。镀膜过程中均通入适当流量的高纯氩气作为放电气体,高纯氧气作为反应气体。溅射前真空室的本底真空度为2. 0×10- 4Pa。基片为普通钠钙硅酸盐玻璃,镀膜之前在丙酮、去离子水用超声波将其清洁除污。具体镀膜工艺条件见表1。

3 结果与分析

3. 1 样品反射率测量

样品的反射率采用美国珀金埃尔默公司生产的Lambda 950紫外可见近红外分光光度计测量。分别对玻璃基板( 玻璃) 、普通ITO玻璃( 玻璃 + ITO) 、镀有消影膜的基板( 玻璃 + 消影膜) 、消影ITO玻璃( 玻璃 + 消影膜 + ITO) 几组样品进行反射率测量,结果如图4所示。从图中可以看出普通ITO玻璃ITO部分和玻璃基板之间的反射率差值较大 ( 即普通ITO传感器表面有ITO区域和无ITO区域反射率差值较大) 。而消影ITO玻璃ITO部分和镀有消影膜层的基板之间反射率差值很小( 即有消影膜的ITO传感器表面ITO区域和无ITO区域反射率差值小) ,由| R1- R2|的曲线可以看出仅仅是在400 nm左右的较小波段,ΔR略微偏大,可见光的其余波段ΔR都控制在1. 0% 。与我们理论模拟的结果比较接近。这样视觉反差非常小,ITO图案不易被肉眼察觉。

3. 2 样品透过率测量

对以上样品再进行透过率的测量,测试设备采用上海天美科学仪器有限公司生产的UV-VIS 8500型紫外/可见分光光度计。测量结果见图5。从图中易看出普通的ITO玻璃在可见光范围内透过率偏低且很不均匀,尤其是380 ~ 550 nm范围内透过率较低,这样会使触摸屏显示的图像有轻微的偏色,使用中还需要对色彩进行校正[15]。而消影ITO玻璃在整个可见光范围内透过率相对较高,且透过率曲线较平缓,透光均匀性较好。

3. 3 分析

实际样品测量的数值与我们理论模拟的结果整体上接近,但略有出入,这主要是因为: ( 1) 模拟软件中各种材料的参数及探测条件均为理想值,在不同的设备中实际镀制出来的薄膜参数必定会有差异,这是主要的原因; ( 2) 测试仪器本身的精度以及不可避免的测量误差等。不过存在的这点误差并没有影响到我们想要消电极影的目的。由实测的反射率图中可知,由于消影膜层的调节作用,可见光范围内,ITO区域和非ITO区域的反射率差值ΔR基本上都控制在1. 0% 以内,这样是可以达到消影效果的。

3. 4 实际消影效果对比

将传统条件下制备的普通ITO玻璃和镀有消影膜层的ITO玻璃进行光刻,然后用CCD外接显微镜放大20倍分别观察其表面的ITO图案,见图6。由图可见,传统条件下制备的ITO传感器表面ITO电极影十分明显,而我们制备的镀有消影膜ITO传感器表面的电极影已经明显削弱,虽然还能观察到轻微的电极图案,但是要注意这是在显微镜下放大观察的,直接用肉眼观察的话,这么轻微的残留电极影肉眼不易辨别,消影效果良好。

3. 5 膜层结合力测试

相比于普通的ITO玻璃,消影ITO玻璃是在ITO膜层与玻璃基板之间增加了消影膜,因此对消影ITO玻璃有必要进行膜层结合力的测量。采用百格刀结合3M胶带的方 法进行测 试。按照ISOR1514及ISO2808的规定选取不同区域制备了两份试片,然后将3M胶带贴在整个划格上,然后以最小角度撕下,用CCD外接显微镜放大20倍观察膜层剥落情况,见图7。在切口的相交处有小片剥落,剥落情况轻微,结合力达到ISO等级1级( ASTM等级: 4B) ,可见ITO膜层与消影基板结合力好,满足实际使用要求。

4 结 论

我们所设计制备的ITO消影膜是通过在玻璃基板和ITO膜之间镀上Nb2O5和SiO2消影膜层,并利用计算机编程匹配出合适的物理厚度,在满足ITO导电能力和ITO膜层与基板结合力的同时使ITO传感器获得了以下优良性能:

1. 通过消影膜层的调节作用,减少ITO区域和非ITO区域的反射率差值,降低视觉反差,使得电容屏传感器表面ITO图案变淡,肉眼不易观察到,达到了消弱ITO电极影的目的,提高了视觉效果;

电容式触摸感应技术中的电容物理学 第6篇

关键词：电容感应,电容,电力线

电容式触摸屏设计制造技术是材料物理与电子技术相结合的产物[1,2,3]。材料特征参数、三维结构 (stackup) 和二维版图形状 (layout) 决定了触摸屏的全部电学特性。这些电学特性可以用等效的分布式阻抗电路来描述，并可以与电容感应拾取电路一起在电路仿真系统中进行完整的系统模拟。

在上述的系统设计流程中，两个最重要的环节是，第一，正确全面的获得电阻、电容及其拓扑结构的信息，第二，正确区分手指触摸后的感应电容和寄生电容。这些往往与所选用的电容感应电路有着极为密切的联系[4,5]，而其中对于各种电容性质的正确认识是最基本也是至关重要的。由于电容式触摸屏技术中涉及到众多的电容类型，如何得到正确的电容特性成为大多数工程教育背景的开发人员所面临的一个难点问题。本文将运用电力线基本原理，对分布在触摸屏上的不同电容特性进行分析。

基本概念

这里的核心物理问题是，什么叫电容?电容是一种电荷储存器件。对这个概念的一种错误理解经常是：电容是净电荷的积累。事实上，电容可以进一步描述成等量的正负电荷在两个电极分布的一种储存结构，这里的两个关键词是：等量，两极。我们可以用物理中的电力线概念将这两个关键词联系在一起：电力线从正电荷出发终止于负电荷。电力线的存在决定了电容的存在，电力线的路径和密度决定了电容的性质和大小。

触摸屏寄生电容物理模型

先看一下最简单的平板电容，如图1所示。虚线是电力线。众所周知的平板电容表达式为：

这个公式成立的前提假设是：W>>d, L>>d。其物理含义是：全部电力线平行的分布在两个平板之间。

对比一条状金属与平板之间的电容。先画出它的电力线分布图，如图2所示。

在这种情况下，显而易见电力线不再是平行分布在条状金属与平板之间, 所以平板电容公式不再适用。

第三种情况是在两条平行线之间的电容。在触摸屏中常出现的电容形式是在同一或不同平面上的两个薄板之间的电容 (fringing capacitance, orsidewall capacitance) , 可以抽象为这种电容。

具体表现在实际触摸屏中, 以常见的三层ITO为例, 如图4所示[6]。最下面接近液晶屏的屏蔽层与第二层ITO之间是一类电容;第一层与第二层的边缘电容是二类电容;第一层与第二层的交叉点, 根据不同的工艺, 可能是一类或二类电容。

触摸屏感应电容物理模型

人体电路模型的最简单描述为“接地的导体”。按照前面对电容的定义，手指是作为接地的电极来影响触摸屏本身的电容分布的。

以触摸电容按键 (C a p S e n s e Button) 为例, 手指的感应电容可分为以下两种情况。第一种是新生电容。如图5所示, 激励信号源连接悬空的金属按键, 手指的靠近增加了其间的电场强度, 电力线密度随之上升, 感应电容也就随之增加。

图6手指调制电容金属按键，手指的靠近增加了其间的电场强度，电力线密度随之上升，感应电容也就随之增加。

另外，手指还会对已有电容的分布进行调制，尤其是对上述二类电容的调制。在触摸电容按键的设计中，常常在金属按键周围布上环状地平面。手指的接近，如图6所示，改变了电力线的分布，调制了金属按键的电容。

结语

本文通过电场电力线的基本原理分析了电容触摸屏的本身电容类型分布，以及人体触摸行为产生的新电容及对已有电容的调制。本文采用的分析方法是这项技术的物理基础。随着电容触摸技术的发展和市场的快速增长，毫不夸张的讲，新材料新结构的触摸屏在日新月异。具有牢固的基本概念才会从本质上把握住新技术的要领和发展的脉搏。

参考文献

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[2]Philipp H..不断发展的触摸屏技术[J].世界电子元器件:2008 (4) :22-24

[3]鲁冰.电容式触摸屏系统解决方案[J].电子产品世界.2008 (12) :51-52

[4]Cypress Application Notes-AN2041

[5]Cypress Capsense Sigma-Delta:User Module Datasheet

电容触摸屏控制器 第7篇

触摸屏作为一种人机交互的输入设备,是目前人与机器设备进行沟通的界面中最简单的一种。使用者可以不必再通过键盘和鼠标,而是利用触摸方式来进行输入。触摸屏的优点主要有坚固耐用、 反应速度快、易于交互等[1,2,3]。对触摸屏的操作过程是:以手指直接接触面板,接触点经由内部机构计算出接触点位置或接触点所在的区域,之后把结果传送到信息处理设备,达到输入的目的。

目前,触摸屏已广泛应用于人们的日常生活的各个领域,例如, 手机、数码相机、售票终端系统等。在手机方面,人们对手机的智能化和便捷程度的要求越来越高,使得触摸屏作为一种便捷的人机接口在手机上的应用越来越普及;在汽车电子领域,人们对汽车的娱乐信息系统的要求也不断增加,车载导航系统、车内影音娱乐系统等得到了普及,由于触摸屏是比较方便的人机交互界面,因此迅速占领了车内用人机交互设备的市场。

触摸屏的类型主要有如下五种:表面声波式、红外线式、电阻式、表面电容式、投射电容式等。前两种触摸屏的体积大而且价格较高,适合于在一些大型的设备上使用;后三种具有体积小价格低,适合于移动设备和消费电子产品,其中的电容触摸屏具有响应时间短和透过率高等特点,已成为市场的主流触摸屏[4,5]。

电容触摸屏的制造是一个复杂而又精细的过程,包括了许多生产工序,主要的有镀膜工艺、曝光显影工艺、蚀刻工艺等。为了确保触摸屏产品的质量,必需在生产过程中的多个工序进行测试。本文所针对的是对电容触摸屏的参数测试。

2电容触摸屏测试系统的结构

对电容触摸屏进行测试的测试系统主要包含如下模块:激励信号模块、控制模块、检测模块、探针模块、存储电路、LCD显示、键盘输入模块、接口模块等,如图1所示。对激励信号模块,我们采用直接数字频率合成(DDS)来进行设计,使用专用的DDS芯片AD9954来产生多种频率的信号波形。对AD9954的数据传送与控制,使用Altera公司Cyclone系列FPGA芯片EP1C3T144C8。对控制模块,使用STC90单片机来进行设计,并用它来实现对整个硬件部分的控制。

主要的工作流程是:在控制模块的作用下,由激励信号模块产生激励信号波形,通过探针模块将激励信号施加到电容触摸屏的扫描线上,由检测模块对扫描线间的电容进行测试,之后把测得的电容值保存到存储电路模块,并在LCD显示屏上进行显示,通过接口模块传送到微型计算机。

控制模块是对各种测试过程进行控制、进行测试数据的处理; 接口模块是实现USB接口、并口、RS232串口、GPIB接口和以太网接口等,并完成它们的集成。激励信号模块是根据需要产生多种频率的信号(方波、三角波、正弦波等),并施加到电容触摸屏的扫描线上, 以完成对扫描线间的电容进行检测;该模块是整个测试系统的一个关键部分,本文下面给出对它的软件程序设计。

3激励信号的软件程序设计

本文的激励信号发生器的软件系统是采用MFC(Microsoft Foundation Classes)和Visual C++进行设计的,图2是软件的主界面。

在主界面的菜单栏中有“文件”、“初始化”、“波形类型设置”、 “波形参数设置”、“发送波形数据”、“帮助”等菜单项。

3.1主界面的设计

在菜单项“文件”中有“新建”、“打开”、“保存”、“另存为”、“打印”、“退出”等菜单命令,它们是用于对信号波形的说明文件的创建、保存、修改、打印等。菜单项“初始化”的功能是实现对信号发生器的硬件电路中的DDS芯片、FPGA芯片、以及通信接口例如USB接口、并口、RS232串口、GPIB接口和以太网接口等的初始参数配置, 以保证后续工作过程的正确性。菜单项“波形类型设置”的功能是选择所要生成的信号波形的类型,例如方波、三角波、正弦波等。菜单项“波形参数设置”是给信号波形的一些参数赋值,例如频率与幅度等。菜单项“发送波形数据”是把前面的“波形类型设置”和“波形参数设置”中所指定的相关数据发送给信号发生器的硬件电路部分,之后由硬件电路来产生对应的信号波形。

对主界面的设计,主要采用MFC,它是微软公司提供的类库, 是以类的形式封装了API函数。利用MFC的类库可以完成对消息的自动化处理,同时通过控件与消息的对应关系,把消息映射到类的成员函数,从而完成对多种事件的处理。在进行MFC程序设计时编程者不需要详细了解每个API函数的实现与调用过程,只需要首先对这些类进行实例化,然后再调用其中的成员函数,就能获得相应的功能。

3.2初始化即驱动程序的设计

激励信号发生器的软件系统的初始化,主要是对硬件电路中的DDS芯片、FPGA芯片、以及通信接口的参数配置与数据一致性等进行处理,这是通过编制如下的通信驱动程序、FPGA驱动程序和AD驱动程序等多个驱动程序来实现的。

通信驱动程序是用于微型计算机与信号发生器硬件电路的数据通信,它提供了在两者之间进行通信时的初始化功能和接口函数,主要的函数有:初始化函数void Initial(int brate),其中参数brate为设置的波特率。数据发送函数:void Send(*datasend),其中参数datasend为发送的数据,它可以是字节数据或保存在一个缓冲区中的数据。数据接收函数:void Receive(*datarec),其中参数datarec为接收的数据,是把它存放在一个缓冲区中。

对USB接口、并口、RS232串口、GPIB接口和以太网接口等,由于它们是采用各自的数据通信协议,因此对它们中的每一种,这三个函数Initial( ), Send( ) 和Receive( ) 都有其对应的实现方式。

FPGA驱动程序的主要功能是通过单片机来对FPGA芯片进行控制,并实现对波形类型的选取、波形频率和波形幅度等的设置。主要的函数有:波形选择函数void Selectwave(char wav),其中wav参数是代表波形的类型,以字符的方式来表达。设置波形频率的函数void Freqset(int fre),其中fre参数是代表频率参数,以整型数的方式来表示。设置波形幅度的函数void Amplset(float amp), 其中amp参数是代表幅度参数,以浮点数的方式来表达。

AD驱动程序是实现对AD9954芯片输入数据、读写与更新它的寄存器等,以使得它在这些数据信息的作用下,产生相应的激励信号波形,并通过它的输出引脚传出。主要的函数有:读写寄存器函数void Readwrite(unsigned char address, unsigned char *buff, unsigned char mb, unsigned char sel),其中address为寄存器的地址,buff为指向读回数据的指针,mb为读回的数据的字节长度, sel为读写选择,此时用1表示读,用0表示写。更新寄存器函数void Update(void),它的功能是将寄存器的当前值清除,为后续的操作例如向寄存器中写入数据做准备。

3.3发送波形数据的程序设计

波形数据是需要通过微型计算机与信号发生器的接口传送到DDS的存储器RAM中。在我们所设计的硬件电路中,波形RAM的存储深度为1024个单元,每个单元的字长是12比特,因此,对波形的一个周期的采样点数为1024个。由于所采用的数模转换芯片支持如下两种输入格式:直接二进制码和二进制补码,因此为方便就使用直接二进制码作为输入,此时把波形点的幅度值量化为0至4095之间的无符号整数。发送波形数据的函数为void Sendwd( ),若是使用USB接口进行波形数据的传送,则该函数的主要代码为:

4激励信号波形的实验结果

使用所设计的激励信号发生器的软件系统,并在硬件电路的配合下,在设置了所需生成的信号波形的参数例如频率和幅度之后, 就可以通过硬件电路中的DDS芯片AD9954来产生所需的波形。这里所产生的信号类型为方波、三角波、正弦波等,信号波形的频率为100Hz、1KHz、10KHz等。图3是使用所设计的硬件电路来产生的这几种信号波形,它们的频率都为10KHz。

5结语

在对触摸屏进行测试的过程中,精确的激励信号的产生是一个关键的因素,它会对整个测试系统的测试精度产生影响。对激励信号的产生,主要涉及电路硬件和软件程序设计两个方面,本文对它的软件程序设计进行了讨论,给出了相关的设计方法与步骤,通过与硬件电路的结合,实现了对多种信号波形的产生,能较好地满足对电容触摸屏的参数进行测试的要求。

参考文献

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[2]夏厚胤,吴亮,黄子强.新型并行扫描抗强光红外触摸屏模块设计[J].液晶与显示,2015,30(3):472-483.

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