以专用硬体执行软体滤波 电容式触控萤幕效能全面升级

作者: 51Touch     时间:2012-05-15     源于:新电子    总点击:
【导读】:当消费者在触控萤幕上移动手指时,他们希望能获得即时的回应。一个优良的触控控制器可非常迅速地将更新的资讯发送给作业系统,因而应用程式能得悉手指当前的位置,从而提供即时回应。所谓报告率就是触控萤幕每秒更刷新的频率。

    北京时间05月15日消息,中国触摸屏网讯, 电容式触控萤幕已成为主流的智慧型手机和平板电脑使用者介面技术,同时正迅速被许多其他种类的设备所采用。产品设计人员要在设备中导入电容式触控萤幕,就得同时满足许多要求;当这些要求彼此冲突时,例如要提高杂讯抑制还是萤幕回应能力,设计人员往往要在设计品质作出折衷权衡。
 
    某些触控萤幕控制器依赖硬体主导的方法来解决这些问题,这方法无疑提供杂讯抑制能力,但却牺牲性能和简单的设计。市场上已出现更精细的触控控制器,这些解决方法把新型硬体及智慧型韧体结合,能满足上面的所有要求而不须做出妥协。
触控介面设计主要指标

    本文来自:http://www.51touch.com/touchscreen/news/front/201205/15-15465.html

    触控输入系统是目前消费性产品使用者介面最关键部件之一。因此,高品质的触控感测系统设计,必须首先考虑使用者的体验,以下是一些主要的指标。

    萤幕回应能力

    当消费者在触控萤幕上移动手指时,他们希望能获得即时的回应。一个优良的触控控制器可非常迅速地将更新的资讯发送给作业系统,因而应用程式能得悉手指当前的位置,从而提供即时回应。所谓报告率就是触控萤幕每秒更刷新的频率。

    电池使用寿命长

    消费者希望手上电池供电的设备在充电后,就能维持保持较长的操作时间,这意味着系统中的每个部件,包括触控控制器,必须尽量减少耗电量。

    可携性功能与成本相关

    现代消费性产品的趋势是更薄、更轻和更便宜。因此,各大公司都热衷于减少触控萤幕结构中的玻璃、塑胶和胶体的层数。

    手写笔支援

    虽然手指输入对于内容使用来说非常不错,但笔或手写笔对建构内容而言仍具有许多优势,例如可进行更多样化的书写和绘图,一个良好的触控介面应能同时支援这两种输入形式。

    保持使用稳健性

    触控萤幕介面应在所有环境下皆能正常使用,应能抵挡来自射频(RF)天线、液晶或有机发光二极体(OLED)显示萤幕、电池充电器、萤光灯或其他常见电场的电气干扰。

    上市时间

    系统设计人员应选择易整合到设备中的元件。预先载入标准韧体的触控控制器能大大缩短开发和除错周期,设计人员不须写入复杂的触控感测程式码,而只须轻易选择一组适合具体项目的参数,然后将这些参数应用到二线制或三线制介面模式即可。

    导入挑战来自杂讯干扰

    由于须同时满足如此多的要求,使构建高品质的触控萤幕介面的工作变得非常具有挑战性。除非系统设计十分出色,否则不同的要求会互相冲突,常须要进行痛苦的折衷权衡。例如,市场对可携式、价格相宜的设备的要求,推动供应商去制造材料层数更少的触控萤幕;为实现此一目标,感测器已取消传统上保护触控感测器免受底部显示元件干扰的铟锡氧化物(ITO)「遮罩」(Shield)层。由于没有遮罩层,来自感测器底部显示器的干扰,会比触控萤幕上手指传来的讯号强度大上许多倍,对触控萤幕控制器晶片来说,处理这种情形是一项严峻的挑战(图1)。


图1 当前触控式萤幕和新一代触控式萤幕的层数对比。右侧堆叠的Touch-on-Lens的层数更少,降低厚度并提高显示亮度,但是由于缺少ITO遮罩层,如果触控式萤幕控制器设计未解决这一问题的话,便会加重显示器杂讯问题。

    可携式触控系统的另一项挑战来自电池充电器。汽车内充电器、无线充电器、非原厂充电器和其他充电器,通常使用切换技术来控制输出电压,而切换频率的杂讯会影响触控萤幕的运作。图2为使用者用手指画出一组对角线时,智慧型手机绘图应用程式所显示的图像,并使用同一台手机连接不同的充电器来对图像进行撷取;透过显示图,可看出智慧型手机所使用的触控萤幕控制器,对充电器杂讯的稳定性控制还不够。


图2 采用不同充电器时,智慧型手机触控式萤幕的线条绘制测试结果。使用某些充电器时,这种触控式萤幕显示出错误触摸结果、不良线性关系以及较高抖动等不良的使用者体验。

    现有杂讯干扰抑制方案成效有限

    市场上有一些较简单的方法,可分别应对这些难题,但是若要同时解决这些挑战,必须采用更精细的系统。不过在考虑更先进的系统之前,先来了解这些相对简单的技术。

    高压驱动

    触控控制器IC通过驱动电压讯号进入到感测器内,并测量阵列中每个电容的充电量来发挥作用,来自显示器和充电器的杂讯会改变有效的讯号电压,从而扰乱测量结果。但是,如果讯号电压增加,干扰显得相对较小,便能获得较准确的测量结果。这种技术简单有效,因此在触控萤幕控制器中广泛被使用。例如,爱特梅尔(Atmel)maXTouch S系列元件,利用高达24伏特(V)的等效高压驱动来提高杂讯条件下的讯号杂讯比(SNR)。

    同步显示

    液晶显示器(LCD)、OLED和其他显示元件产生的杂讯,会随时间而有所变化。显示元件不断刷新图像时,会不断重复一个嘈杂和安静周期模式。通常从图像顶部的一条画素水平线开始,更新每条水平线的颜色值,直至到达萤幕底部,然后重新返回到顶部开始处理下一帧。在连续的水平线之间电气活动,通常会有短暂的停顿,在各帧之间的停顿时间则会更长。某些触控控制器试图利用这些停顿(称为「空白期」),因为在这些时间内杂讯通常低得多。

    然而,这种方法存在一些实际限制。首先,很少有显示元件设计会向其他部件如触控控制器,提供同步讯号。这使得触控控制器很难知道什么时候是空白期。其次,在某些情况下,空白期并不总是安静的,而且有时会因为时间太短而无法利用。最后,与显示元件同步意味着触控控制器失去选择自己工作频率的自由。因此,虽然可成功消除显示杂讯,但却难消除来自其他来源如充电器的杂讯。因此在实际系统中,同步显示并非切实可行的方法。

    新一代解决方案仰赖软硬体组合

    软体技术也可在嘈杂的条件下提供明显优势。实际上,仅仅使用软体滤波器即可差不多完全消除显示杂讯的影响,不需同步显示或高压技术。图3显示软体滤波的有效性。在这些图中,垂直Z轴表示萤幕上每点由触控控制器测量的电容讯号的容量,X轴和Y轴表示触控感测器本身的表面。

图3 当单一手指触控时,层叠在ACVCOM显示幕上的Touch-on-Lens感测器会输出约3伏特的峰至峰杂讯。左图为未使用软体滤波功能,因此讯噪比低;右图为启用软体滤波后的情形,讯噪比增加三倍。

    由于这种演算法并不依赖任何同步资讯,可与任何类型和任何解析度的显示萤幕一起使用。此外,并不需要其他收听通道,或对触控感测器电极配置进行非标准改造,即可进行滤波。这可让系统设计人员方便地选择任何显示器,来确保正确运作。

    此外,这种技术意味着触控控制器选择工作频率时,不必考虑显示特点。由于具备额外的自由度,能更好地避免其他杂讯来源,如充电器的杂讯和干扰。在可能同时受一种以上杂讯源影响的消费性产品中,这样的自由度非常关键。

    虽然上述资料显示软体可独自克服显示萤幕的杂讯,但是并不能消除软体中运行这种演算法对萤幕回应性和功耗的不良影响,也就是说若太过关注消除杂讯的影响,而不考量对触控萤幕其他性能的影响是危险的。因此要达到所有要求而不牺牲其他性能,须配合使用先进的软体和硬体。

    为运行这些演算法而不减慢触控介面或消耗额外的功率,触控控制器必须有效地处置额外的处理负荷。有一种专门客制化以用于触控应用的特定应用积体电路(ASIC),会利用专门的硬体模组来进行计算,大大减少延迟和功率影响。这一点与建基于标准处理器的解决方案不同,后者不具备所需的特定硬体功能,迫使设计人员在杂讯性能与回应性和电池寿命之间进行折衷权衡。

    硬体和软体演算法组合方式同样能很好地处理充电器杂讯。虽然高压面板扫描改进讯号杂讯比,随施加电压而进行线性调节,但是,将此类电路与智慧韧体组合可以提供附加的讯号杂讯比增益。例如,除高压扫描之外,maXTouch S系列中的元件,利用主动杂讯消除技术来克服充电器的杂讯。元件中的智慧型韧体连续监测环境中的背景杂讯水准,自主做出反应而改变类比电路的扫描参数,避免出现高杂讯水准的频段。由于系统的杂讯分布,随时间而有所变化,这种自主决策水准是必要的,尤其在使用电池充电器时,充电器切换频率及杂讯分布会根据电池的负载电流而变化,此时主动杂讯消除技术便能发挥功能。

    为满足现今使用者介面的要求,触控控制器不只须面对一种挑战,而是须同时应对各式各样的挑战,而新一代触控萤幕控制器,利用功能强大的电路和智慧演算法来应对这些挑战,能大大提高触控萤幕的性能。
 


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