越来越多的工程师在其可携式设备内采用触控式屏幕设计。虽然电池技术正变得越来越高效，但尽可能降低系统功耗仍然很重要，因为触控式屏幕外围电路的复杂性正大幅增加。另外，最终用户也希望电池每次充电的间隔时间能够更长。

如果更低的功耗是主要追求目标，那么就必须特别关注模拟功率降低策略、巧妙地设计模拟数字转换器(ADC)、处理器数字接口，以及最佳化触控式屏幕控制算法，将协助你更快获得成功。

本文将介绍电阻触控式屏幕面板的构造，并讨论典型的四线电阻屏幕的内部工作原理，提供包括面板、触控式屏幕控制器和微处理器在内的触控式屏幕系统结构图。而后将介绍硬件的低功率策略。在第一级的功耗评估后，我们将深入研究更多硬件与相关软件策略。最后，我们将从低功率角度评估数字接口。

触控式屏幕运作原理

消费产品设计师可以从众多的触控式屏幕技术中选择他们想要的面板。目前多数面板技术均使用电阻、电容、表面声波(SAW)或红外线(IR)技术。市场上最流行的触控式屏幕是电阻触控式屏幕，因为它具有质量稳定、价格适中的特点。

电阻触控式屏幕分四线、五线、七线或八线几种形式。最常见的电阻触控式屏幕采用四线架构。四线电阻触控式屏幕面板的层次结构从上到下依次是可挠性矩形顶层；透明的导体覆盖层(导体覆盖材料通常由氧化铟锡，即ITO组成)；空气间隙和隔离层；另一个透明的ITO层；最后是一个稳定层。在图2a中，黄色代表的是四线触控式屏幕面板中上方的ITO层，绿色代表的是第二个ITO层，蓝色代表底部的稳定层。

面板的可挠性顶层(图2a并未显示)是一个覆盖层，对ITO层提供了一定程度的保护。该层的可挠性非常大，当按压时能让两个导电层接触。除非施加压力，否则几乎看不见的隔离层将使两个ITO导电层保持分离状态。

当你用触控笔或手指接触柔软的顶层时，你就能确定触控式屏幕面板的X-Y坐标。触控笔的压力使两个ITO层连接起来。当面板被触碰，设备就会对两个ITO层中的一层施加电压，电压来自位于该层两个对端的液态银导电条。当为其中一个ITO层供电时，如上部黄色区域，另一个ITO层(绿色区域)就可以用来检测触控笔的位置。然后使用高阻抗ADC，就能将透过触控笔碰触未加电层所获得的电压转换成数字值。

例如，如果你用2.5V电压从X+到X-(黄色区域)为X层供电，且触控笔的触点位置大约在两个X轴导电条之间的中间位置，那么Y+和Y-端点(绿色区域)电压将等于1.25V。这个电压正比于在X+和X-之间施加的电压，这是面板电阻电压分压的结果(图2b)。该技术可以检测到触控笔的X位置。同样，当为Y层的相对导体条供电时，就可以检测到Y位置。你可以使用X+和X-端点检测触控笔的Y位置，还能检测触控笔或手指的压力。压力测量得到的坐标为Z1和Z2。

 
图1：许多电池供电的消费设备均采用电阻触控式屏幕。

图2：四线触控式屏幕面板使用电阻触控式屏幕的两个主动区域检测X和Y压力点(a)。等效电路是简单的电压分压器(b)。

电阻触控式屏幕系统

电阻触控式屏幕系统由触控面板、触控式屏幕控制器和主处理器组成(图3)。触控式屏幕或触控面板是系统的‘电阻传感器’。

图3：由触控式屏幕面板、触控式屏幕控制器和微处理器组成的电阻触控式屏幕系统。

触控式屏幕控制器包含一个面板驱动器、一个多任务器和一个ADC。触控式屏幕控制器的驱动器分别为触控板的两个坐标独立供电，以控制开启或关断。流经触控板的电流值几乎等于供电电压除以触控板电阻的值。触控式屏幕内部的ADC用于测量接触位置和压力，并将从触控式屏幕测得的模拟电压转换成数字程序代码。典型的ADC采用连续近似缓存器(SAR)，分辨率有8位、10位或12位等。

触控式屏幕系统具有两个接口(图3)，一个是面板和触控式屏幕控制器之间的模拟接口，一个是触控式屏幕控制器和主处理器之间的数字接口。

触控式屏幕控制器在触控板和触控式屏幕控制器之间使用四线模拟接口为面板供电，并测量坐标。在某个X或Y坐标测量过程中，触控式屏幕控制器透过模拟接口的两根线(X+和X-)向面板的其中一个ITO层供电，并利用第二个ITO层和另外两根线(Y+和Y-)检测触控笔的坐标位置。

处理器和触控式屏幕控制器之间的数字通讯包括一个中断讯号和一条串行数字总线(SPI或I2C)。如果没有触控事件，处理器可以忽略触控式屏幕控制器而专注于执行其它任务。一旦面板有触压，源自触控式屏幕控制器的中断(图3)就会通知处理器，处理器紧接着透过串行总线读取触控式屏幕控制器发送的触控式屏幕数据。

触控式屏幕的模拟接口

影响触控板和模拟接口功耗的主要因素包括系统供电电压(VDD)、面板电阻以及面板开关的时间比例。触控式屏幕控制器的驱动器和ADC拓扑结构决定了系统模拟接口电源的极限。面板开关的时间比例主要取决于触控讯号的设立时间和系统噪声。

触控式屏幕和CMOS 12位SAR ADC的供电电压范围是1.2V到5.5V。触控式屏幕控制器驱动器的供电电压基本上也在这个范围内。在不同的电阻触控式屏幕面板中，每个ITO层的电阻可能是不一样的，范围从100Ω到几kΩ(图2b)，图2还提供了四线电阻触控式屏幕面板的等效电路。当面板受到按压时，面板所需功耗从302.5mW(电源=5.5V，面板电阻=100Ω)到720μW(电源=1.2V，面板电阻=2kΩ)不等。如同这些计算所显示，功率降低策略包括了降低面板和触控式屏幕控制器的供电电压、选择更高电阻的面板或双管齐下。

由于在面板启动(ON)期间功耗较大，因此，我们的主要目标是尽可能使触控板处于关闭(OFF)状态。结果，为电阻式面板ITO层供电的驱动电路会开始工作。设立时间错误通常是由于面板通电的上升时间或环境噪声引起的，如触控式屏幕的机械振动、显示器照明干扰、系统瞬变、静电放电(ESD)和/或电磁脉冲(EMP)。

如果这类噪声环境存在，就必须在触控面板和触控式屏幕控制器之间的讯号路径中增加噪声抑制组件。图3中的电容网络就是一种噪声抑制电路。需注意的是，在输入在线增加任何电容都会增加触控式屏幕控制器的输入设立时间(图4)。面板设立时间的增加会降低触控式屏幕控制器的采样率，并延长面板驱动器的通电工作(power-ON)时间。

图4：该图显示了具有不同线路电容之触控板的Y线电压上升时间(根据图3的CEX)。4号线没有插入CEX。3号线的CEX等于0.1μF。2号线的CEX等于1μF。

图4说明了触控板电阻与输入电路滤波电容(图3的CEX)之间随时间变化的关系。来自面板的触控式屏幕控制器讯号上升时间常数等于τ或R*CEX，其中R代表触控板上从触点到地的电阻。Y在线电压的上升时间等于：VY-(t)=VY-(FINAL)(1-e-t/τ)，其中VTOUCH(FINAL)是触点位置的终止电压。