工程師姚遠香 發表於 2018-08-04 08:54:00
從電話機，辦公設備，揚聲器，數碼相框，電視機控制鍵，遙控器，GPS系統，汽車無鑰控制，到醫療監控設備，到處都是觸摸設備！每一個行業，每個產品類型，各種尺寸，每一種應用，甚至是每個價格點上，都離不開觸摸技術。可以說，觸摸技術無處不在。
實際上，如果產品上有一個LCD或鍵盤，設計師可能就需要考慮如何才能設計出一個利用觸摸技術的產品。但對於設計師不幸的是，當設計觸控螢幕時，有許多種不同的解決方式，有各式各樣的性能，當然也需要各種不同的設計考慮。故現在是需要深入理解該技術，並對你的產品系列進行評估的時候了。只有這樣，才能成為市場上的領先者，而良好的外觀設計是設計的出發點。
觸摸技術的深入剖析
搞清設計所需是觸摸產品設計最重要的第一步。觸控螢幕供應鏈上的許多提供商通常提供許多令人迷惑的不同組件，而更多的時候是一些提供商聯合起來為終端客戶提供一個價值鏈。圖1中給出了觸控螢幕生態系統的構成圖。有趣的是，無論是在最新的筆記本電腦，或者最新的觸控螢幕手機中，該生態系統都是一樣的。
圖1：觸控螢幕控制器解析
#1前面板或外框
前面板或外框是終端產品的最表層。在某些產品中，該外框將透明的蓋板圍起來，以免受到外部的惡劣氣候或潮溼的影響，也防止下面的傳感產品受到刻劃以及破壞(見#3)。也有些時候，最外面的框只是簡單地覆蓋在觸摸傳感器的上邊，這種情況下僅僅是一個裝飾。
#2觸摸控制器
通常，觸摸控制器是一個小型的微控制器晶片，它位於觸摸傳感器和PC/或嵌入式系統控制器之間。該晶片可以裝配到系統內部的控制器板上，也可以放到粘貼到玻璃觸摸傳感器上的柔性印刷電路(FPC)上。該觸摸控制器將提取來自觸摸傳感器的信息，並將其轉換成PC或嵌入式系統控制器能夠理解的信息。
#3 觸摸傳感
觸控螢幕「傳感器」是一個帶有觸摸響應表面的透明玻璃板。該傳感器被安放到LCD上面，使得面板的觸摸區域能覆蓋顯示屏的可視區域。如今市場上有許多種不同的觸摸傳感技術，各自都採用彼此不同的方法來檢測觸摸輸入。基本上，這些技術都是在觸摸時，使電流流過面板，從而產生一個電壓或信號的變化。這個電壓變化將被觸摸控制器傳感，從而確定屏幕上的觸摸位置。
#4液晶顯示器(LCD)
絕大多數的觸控螢幕系統用於傳統的LCD上。用於觸摸產品的LCD選擇方法與傳統系統中基本相同，包括解析度，清晰度，刷新速度，成本等。但在觸控螢幕中的另一個主要的考慮是輻射電平。由於觸摸傳感器中的技術基於面板被觸摸所產生的微小的電變化，能夠輻射許多電氣噪聲的LCD是設計中的難點。在選擇用於觸摸系統中的LCD之前，應該與觸摸傳感器提供商進行協商。
#5系統軟體
觸控螢幕驅動器軟體可以來自原廠商（如手機中的嵌入式OS），也可以是後來加裝的軟體（像在傳統PC上加一個觸控螢幕）。該軟體應能使觸控螢幕和系統控制器一道工作。它將告訴產品的作業系統如何解析來自觸摸控制器的觸摸事件信息。在PC型應用中，絕大多數觸控螢幕驅動器的工作像一個滑鼠。這就使得觸控螢幕幕與在屏幕上的同一位置上連續的按滑鼠非常相似。在嵌入式系統中，嵌入式控制驅動器必須將出現在屏幕上的信息與接收到觸摸的位置進行比對。
三大觸摸技術
阻性觸摸技術：阻性觸摸技術是最常用的觸控螢幕技術。用於高業務流應用，並對屏幕上的水珠和其他殘留物具有免疫能力。阻性觸控螢幕通常是成本最低的解決方案。由於是對壓力起反應，可以用手指，帶手套的手，觸摸筆，或者像信用卡這類的其它的物體進行觸摸。
表面容性觸摸技術：表面容性觸摸技術提供的顯示清晰度比阻性觸摸中通常所用的塑料膜要清晰得多。在表面容性顯示中，位於顯示器四個角落的傳感器檢測由於觸摸引起的電容變化。這類觸控螢幕可以用手指或其他容性物體實現觸摸激勵。
保護性容性觸摸：保護性容性觸摸是最近才進入市場的一種技術。該技術也能提供優異的透光性，但它還具有一些比表面容性觸摸好得多的優點。投影型容性觸摸不需要位置校準，並能提供高得多的位置精度。投影型容性觸摸還有另外令人激動的地方，那就是它同時能夠支持多點觸摸。
觸控螢幕工作原理
我們將深入了解一下兩個最常用的觸控螢幕技術。使用最廣泛的技術是阻性觸摸。絕大多數人可能以前都在銀行的ATM機上、許多商場裡的信用卡檢查機、甚至是在餐館裡輸入一個訂餐單時用過這類阻性觸摸技術。而投影型容性觸控螢幕，使用的範圍還沒有這麼廣，但具有快速發展動力。許多採用投影型容性界面的手機和可攜式音樂播放器都在投放市場。無論是阻性或容性技術都有一個堅固的電組件，都利用ITO（氧化銦錫，透明導體），這兩種技術都會長期使用。
阻性觸控螢幕包括有一個柔性頂層，然後是一層ITO，一個空氣隙，然後是另一層ITO。面板有4根線附到ITO層上：「X」層的左右側各一根，「Y」層的頂端和底端各一根。
當柔性頂層受壓接觸到下面一層時檢測到觸摸。觸摸的位置按如下兩步來測量：首先，「X右」被驅動到一個已知電壓上，而把「X左」驅動到地，讀取來自Y傳感器的電壓。這樣就提供了X坐標。對於另一個坐標軸重複這一過程，即可確定精確的手指位置。
阻性觸控螢幕還有5線和8線型。5線型用更耐用的低阻「導體層」來代替最上面的ITO層。而8線面板則通過對面板特性的更好校準來實現更高的解析度。
對於阻性技術來說有幾個缺點。柔性頂層只有75%-80%的透光度，而且阻性觸控螢幕測量過程中也有較多的誤差源。如果ITO層不一致，電阻在傳感範圍將不會線性變化。需要10-12位的測量電壓精度，這在很多環境中都是困難的。為了將觸摸點與下層的LCD圖像對準，許多現有的阻性觸控螢幕都需要周期性的校準。
反之，投影型容性觸控螢幕沒有活動部件。在LCD和用戶之間只有ITO和透光度幾乎為100%的玻璃板。投影型容性傳感硬體包括一個玻璃頂層（見圖2），下面是一個X傳感器陣，一層絕緣玻璃，再下面是位於玻璃基片上的Y傳感器陣。面板連接到每一個X和Y傳感器，故5 x 6的面板共有11根連線（如下面的圖3所示），而10 x 14面板則有24條傳感器連線。
圖2：用於「阻性屏」（左）和「容性屏」（右）的堆疊層
當手指或其他傳到物體接近屏幕時，在傳感器和手指之間產生一個電容。雖然該電容相對於系統中的其他電容比較小（大約是20pF中的0.5pF），但還是可以利用集中技術測量出來的。其中一種技術就是利用賽普拉斯半導體公司被稱作為CSD的PSoC器件。它包括快速對電容器充電，然後測量對一個放電電阻的放電時間。
設計一個投影電容傳感器陣列的目的是在同一時間使手指能夠與多於一個的X傳感器和一個以上的Y傳感器發生作用（見圖 3）。這是的軟體能夠通過內插來非常精確地確定手指的具體位置。例如，如果傳感器1，2，3感應出的信號強度分別為3，10和7，則手指的中心位置應該位於(1*3+2*10+7*3) / (3+10+7) = 2.2處。
圖3：行和列傳感器的信號強度確定了觸摸的位置
因為投影型電容面板具有許多個傳感器，因此結合其他技術，可以同時檢測多個手指。實際上，投影型電容可以同時檢測高達10個手指。故可以實現激動人心的一些基於多個手指按壓的新應用。試想，你能夠在手機上彈鋼琴嗎？在PDA上用多個手指同時玩遊戲又如何？
毫無疑問，觸控螢幕具有極好的外觀。它們開始定義一個新型的用戶接口以及全球範圍內正在廣泛接納的工業設計標準。從心律監視器到最新的all-in-one印表機的各種設備中，觸控螢幕都正在快速地變成技術設計標準。但在美好外觀之外，觸控螢幕還提供難以匹敵的安全性能，抗惡劣氣候性能，耐磨性，並能利用像多點觸摸這類新觸摸技術來開闢一個全新的市場。利用觸摸技術可以實現許多種類的產品，因此設計師就必須深入理解該技術的生態系統和目前所採用技術的可用性。
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