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图解触摸屏技术原理.doc

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上传者: xqsong 2010-05-14 评分 3 0 28 4 126 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《图解触摸屏技术原理doc》,可适用于工程科技领域,主题内容包含图解触摸屏技术原理iPhone可能是年采用了触摸屏的最高端手机产品。在年多款其它型号的手机也将采用触摸屏技术而年还将有多款新手机采用触摸屏技术。触摸符等。

图解触摸屏技术原理iPhone可能是年采用了触摸屏的最高端手机产品。在年多款其它型号的手机也将采用触摸屏技术而年还将有多款新手机采用触摸屏技术。触摸屏将在手机上变得如此普及以致于我们预计到年带触摸屏的手机将达到亿部左右。与此同时即便是低端手机型号也将增加触摸按键、滑动条和旋转轮的使用。当然手机只是其中的一个应用触摸屏技术正在迅速渗透的其它一些应用还包括PDA、PC、GPS系统和家用电器。今天精心设计的触摸屏使用起来是一种享受。该技术带来了新颖的、富有吸引力的和简单易用的人机接口而且这样的接口能很容易地进行改进和更新以实现新的特性或系统功能。为响应不断改变的消费需求而做出的设计更改只需要对软件做出一些修改就可以了。最重要的是最新的触摸屏产品即便在有射频干扰的环境下也能稳定可靠地工作。走近触摸屏今天的电气和电子设备采用了以下种类型的触摸屏技术:电阻式、表面电容式、投射电容式、表面声波式和红外线式。其中前三种适合用于移动设备和消费电子产品后两种技术做出的触摸屏不是太昂贵就是体积太大因此不适合上述应用。采用以上任何一种触摸屏技术的系统都由一个感应装置、它与电子控制电路的互连装置和控制电路本身构成。电阻式触摸屏(见图)从技术角度来讲可能并不算真正的‘触摸’屏因为它需要一定的压力才能激活。这点与真正的触摸接口是不同的因为有些触摸屏甚至只需将手指靠近就能感应到。电阻式触摸屏采用了三明治架构实现上下两层是印刷在塑料(PET)薄膜上的导电性铟锡氧化物(ITO)中间隔以空气。该空气隙由很多微小的间隔器来保持。当两个导电层被手指(或铁笔)压到一起时才算是完成了一次‘触摸’而触摸的位置通过测量X轴和Y轴上的电压比就可检测出来。根据采用多少根线将数据传输到微控制器进行处理电阻式触摸屏可分为四线、五线、六线和八线版本。电阻式触摸屏成本低廉已经广泛地在大批量应用中得到了采用。不过该技术固有的不足已经限制了它无法得到业界的普遍认可。这些不足包括机械性弱点、有限的工业设计选择、在大多数应用中需要一个斜面、触摸屏的厚度、糟糕的光学性能和需要用户校准。使用电阻式触摸屏技术无法实现接近检测(即在手指靠近屏幕时便能感应到)也不能实现多指检测。而这两种选项现在都是产品设计师所需要的。图:电阻式触摸屏成本很低但有很多设计局限性为了操作上的方便人们用触摸屏来代替鼠标或键盘。工作时我们必须首先用手指或其它物体触摸安装在LCD或显示器前端的触摸屏然后系统根据手指触摸的图标或菜单位置来定位选择信息输入。触摸屏(触摸屏的工作原理)由触摸检测部件和触摸屏控制器组成触摸检测部件安装在显示器屏幕前面用于检测用户触摸位置接受后送触摸屏控制器而触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息并将它转换成触点坐标再送给CPU它同时能接收CPU发来的命令并加以执行。这种触摸屏利用压力感应进行控制。电阻触摸屏的主要部分是一块与显示器表面非常配合的电阻薄膜屏这是一种多层的复合薄膜它以一层玻璃或硬塑料平板作为基层表面涂有一层透明氧化金属(透明的导电电阻)导电层上面再盖有一层外表面硬化处理、光滑防擦的塑料层、它的内表面也涂有一层涂层、在他们之间有许多细小的(小于英寸)的透明隔离点把两层导电层隔开绝缘。当手指触摸屏幕时两层导电层在触摸点位置就有了接触电阻发生变化在X和Y两个方向上产生信号然后送触摸屏控制器。控制器侦测到这一接触并计算出(XY)的位置再根据模拟鼠标的方式运作。这就是电阻技术触摸屏的最基本的原理。表面电容式触摸屏(图)采用了一个普通的ITO层和一个金属边框。电场几乎直线穿过ITO层当一根手指触摸屏幕时它会从面板中放出电荷。感应在触摸屏的四个角完成不需要复杂的ITO图案。这类型触摸屏的一个最著名ITO图案是由WilliamPepper设计的他在年为他的设计图案申请了专利。这一图案奠定了Microtouch公司(现在的M公司)卖出的表面电容式触摸屏产品的基础。使用在面板背面的表面电容式触摸技术的企图总是遇到‘手影效应’这一现象会给触摸屏带来很大的感应误差因为靠近面板的用户手和腕会产生电容性耦合问题而且由于靠近的角度和距离相当随意而导致不确定的耦合电容值。由于表面电容式触摸屏采用的是均匀的ITO层因此它们无法抑制这些错误信号因为它们已和实际触摸信号缠绕在三维信号空间。如果不将ITO排成行和列那么在面板的背面使用表面电容式触摸技术的企图肯定会失败。图:表面电容式触摸屏上的普通ITO传感器电极很容易损坏而且由于手影效应而无法抑制错误触发信号投射电容式触摸(图)技术正在促进触摸屏在消费电子中的应用。它需要个或多个精心设计的、被蚀刻的ITO层但可比其它触摸技术提供更多技术优势。这些ITO层通过蚀刻形成多个水平和垂直电极所有这些电极都由一个电容式感应芯片来驱动。该芯片既能将数据传送到一个主处理器也能自己处理触摸点的XY轴位置。通常水平和垂直电极都通过单端感应方法来驱动也就是说一行和一列的驱动电路没有什么区别我们把这称为‘单端’感应。不过在一些方法中一根轴通过一套AC信号来驱动而穿过触摸屏的响应则通过其它轴上的电极感测出来。我们把这称为‘横穿式’感应因为电场是以横穿的方式通过上层面板的电介层从一个电极组(如行)传递到另一个电极组(如列)。图:投射式触摸屏技术包括通过清晰的蚀刻的ITO图案沿着X轴和Y轴进行感应在任何一种情况下位置都是通过测量X电极和Y电极之间信号改变量的分配来确定的随后会使用数学算法处理这些已改变的信号水平以确定触摸点的XY坐标。目前分辨率高达x和厚度高达mm的这种触摸屏已经进行了公开演示。电容式触摸屏值得注意的一个问题就是LCD本身非常靠近ITO层如果没有在气密堆叠时事实上接合到一起的话。由于它不停地扫描象素因此它总是不变地散发出大量的电气噪音。这一最大频率可以达到kHz的噪音在几乎所有情况下都要求在ITO感应电极和LCD模块之间安装一个屏蔽层。这意味着在通常情况下电容式触摸屏需要有个ITO层:两个用于XY感应矩阵一个用来进行噪音屏蔽而这一屏蔽ITO层意味着更高的成本和更低的透明度。其结果是大多数触摸屏供应商都采用至少两个ITO感应层和一个屏蔽层来实现无噪音工作。值得注意的是QuantumResearchGroup现在已经开发出了一种不需要屏蔽层的独特单层投射式XY矩阵设计并将于下半年公开上市。目前一家主要手机制造商已经在其进入生产阶段的三款手机产品中采用了这一设计。当只使用一层ITO时成本可以大幅下降层堆叠厚度可以变薄透明度会得到改善背光功率要求也会降低。更重要的是单层ITO技术也使得可制造性得到大幅改善。触摸屏应用领域的另一热点话题是‘多指触摸’即触摸屏能够同时感应到多个点的触摸这一性能由于在苹果的iPhone上得到了实现而变得很流行。表面电容式触摸屏在同一时间无法感应到多指触摸因为它采用了一个同质的感应层而这种感应层只会将触摸屏上任何位置感应到的所有信号汇聚成一个更大的信号。同质层破坏了太多的信息以致于无法感应到多指触摸。不过双层投射电容式触摸屏可以识别两指触摸尽管单端变量无法充分地区分开两指触摸并在整个屏上单独跟踪它们。再增加一个感应层可以解决剩下的模糊性问题但这样会极大地提高成本。而使用横穿感应方法的双层投射电容式触摸屏则在理论上能非常清晰地识别两指或多指触摸并独立在整个屏幕上跟踪每个触摸点。与电阻式和表面电容式触摸屏不一样投射电容式触摸屏不需要经常或由用户进行校准甚至在工厂中也不需要因为其电极结构在很大程度上决定了屏幕的响应而这些都是固定的。同质触摸屏技术经常需要反复进行实质补偿因为其表面电阻会随着时间的推移而变得品质下降和不均匀。基于投射式电容技术创建一款有吸引力的、功能可靠的和稳定的触摸屏包括选择正确的基本技术以及选择由哪一家供应商来提供这一技术。有些供应商提供交钥匙解决方案该方案由一个控制器和一个触摸屏感应单元组成且它们常常被集成在一起。有些供应商提供芯片方案并在ITO薄膜的设计和选择过程中提供技术支持。在这一发展中市场上供应链的选择包含许多超越上述技术的权衡关键的权衡因素包括:薄膜供应的多源化能力、可制造性、质量控制和测试。即便到了最后的工序即将薄膜层压到最终产品上也需要非常小心因为这是一个由于压力不当和层压工艺不够精确而容易引入许多错误的关键步骤。投射电容式触摸屏正是我们需要的方案。这种触摸屏解决了之前各种触摸屏的许多问题目前至少两家芯片供应商已经可以提供这一技术。正确供应商的选择将取决于设计的技术要求以及成本和供应链管理要求而后两者刚刚现在才开始成为重要的选择因素。下表分析了几种触摸屏技术的优缺点三大主流触摸屏技术就电子产品特别是消费类产品而言如何将用户复杂的控制动作转变为直观、便捷且可生产的体验是用户界面设计面临的终极挑战。用户界面设计一方面要考虑到用户视觉、听觉、味觉、嗅觉和触觉等五种感官的需求另一方面还要考虑到用户需求对器件或系统的影响。目前市场上推出的大部分产品虽然有效但主要都是将用户的视觉和触觉分开来处理。从计算机键盘、手机键盘、MP播放器、家用电器甚至电视遥控器等上面的简单按钮或按键到音量调节滑条、滚轮和跟踪板LU等上面更高级的单击和滚动特性输出位置(也就是用户的输入或操控动作的结果LU)与用户的输入位置是截然不同的。要是能让输入和输出,即视觉和触觉完全达到一致那该有多好啊!而这种视觉和触觉的一致性正是触摸屏的基本优势所在。让视觉和触觉完全达到一致说起来简单但做起来则不啻为一场意义深远的技术突破其将彻底改变用户与电子产品互动的方式因此有人将此称为用户界面的革命。触摸屏的透明特性允许用户直接“触摸”显示屏上的不同内容人们对这样的用户界面设计发出感叹。因为用户再也不用去找电子设备周边的这个或那个按钮如计算机鼠标或键盘甚至手机上的拨号按键而是直接与固化在设备“大脑”(即其操作系统)中的应用进行互动。这是一场革命性的变化这种操控方式可让用户直接掌控强大的操作系统和应用程序一切尽在用户的指尖。当然我们能在计算机屏幕上使用鼠标和跟踪LU板访问应用程序不过这种操控不是直接触摸显示屏不能让用户与屏幕及内嵌的应用融为一体。实际上我们能通过我们所能想象出来的各种动作或手势来使用触摸屏让显示屏变得鲜活生动只要眼睛看到的都能简单地通过触摸进行互动。目前触摸屏主要分为三大类:单点触摸多点触摸识别手指方向多点触摸识别手指位置。单点触摸屏触摸屏的功能发展由简及繁最初的产品只支持最简单的操LU控就是一个手指触摸屏幕上的一点来实现操控。比如我们每天在附件超市的POS终端机或者在机场的checkin终端上进行的操作。以前我们只能通过屏幕周边的机械按钮进行操控单点触摸屏在此基础上实现了用户界面方面的一大进步。当然机械和新型电容式触摸感应按钮在我们的家庭、办公室及其他地方无所不在:手机、固定电话、遥控器、电视、电脑及其各种外设、游戏机、电冰箱、微波炉、烤箱以及无线电和空调等车内电子控制设备等等。现在如下列图所示的单点触摸屏在显示屏上直接集成了用户控制界面因此再也不需要传统的机械按钮了。图:单点触摸屏功能这种屏幕为用户界面带来两大好处一是设备设计空间得到优化特别有利于小型设备因其能在同一区域内同时“安装”屏幕和按钮二是由于按钮能绑定于操作系统中的任意应用所以设备使用的“按钮”可以达到无限多个。上述功能主要建立在电阻式触摸屏技术基础之上在消费电子产品、机场报刊亭、食品杂货店POS终端和车载GPS系统等各种应用中都得到了广泛推广。点触摸屏识别手指方向尽管单点触摸屏和电阻式触摸屏技术很令人吃惊并颇具革命意义但其还是有两大缺点一是电阻式技术依赖于触摸屏的物理运动LU尽管影响LU不大但经过正常的磨损老化后性能就会下降二是这种技术只支持单点触摸也就是一次只能用一个手指在屏幕的某个区域做单一动作。为什么用户与设备的互动只能局限于一根手指呢?苹果公司为用户界面革命做出了不可估量的贡献其推出的iPhone采用了感应电容式触摸屏。即使在智能电话等小型化设备中要想充分发挥应用和操作系统的功能也需要多个手指才能实现最佳的可用性。因为有了苹果公司用户现在已经很难设想过去是怎么在不支持两个手指的手势动作的情况下完成诸如下列图所示的照片缩放以及相册、网页视图的方位改变等相关操作的。图:多点手势触摸屏上的图片缩放其他技术革新者正在多种设备系统上继续沿用这种多点触摸技术其中包括GoogleG和BlackberryStorm智能电话、MacBookPro和惠普touchsmart台式机和笔记本电脑、便携式媒体播放器以及其他多种应用等。现在用户又有了新的期待希望进一步改善用户与其电子产品的互动方式各种电子产品也都纷纷争相实现用户的这种新要求。多点触摸屏识别手指位置与单点触摸屏一样识别手指方向的多点触摸屏也有一个局限就是该技术能在屏幕上同时识别的操作点数量有限。为什么一次只能识别两个操作点呢?用户的两只手有十个手指当用户之间彼此互动时屏幕上会出现更多的手指。这就是识别手指位置的多点触摸概念的由来它可以实现两个手指以上的操控。Cypress将此技术称为“多点触控全区输入”它进一步提升了触摸屏可靠的可用性能满足多种特性丰富的应用需求。可靠性是指我们能以最高粒度准确捕获到屏幕上所有触点的原始数据尽可能减少屏幕触点定位不准带来的混乱问题的能力。可用性是指众多功能强大的应用可在不同大小的屏幕上受益于双手或两个手指以上的屏幕操控的能力。D互动游戏、键盘输入和地图操作等都是使用这种触摸屏功能的一些主要对象。从根本上来讲多点触控全区输入技术为设备和系统OEM厂商提供了唾手可得的所有触摸数据帮助他们发挥创造性以开发下一代新型实用的技术。赛普拉斯半导体公司推出的TrueTouch触摸屏解决方案就是多点触控全区输入的一个应用实例。TrueTouch采用了赛普拉斯PSoC可编程片上系统架构该架构集成了带有可编程模拟和数字块的位微控制器。可实现无与伦比的灵活性和可配置性。TrueTouch解决方案的感应式电容触摸屏控制器能扩展支持各种尺寸的屏幕可灵活支持单点触摸、识别手指方向的多点触摸和识别手指位置的多点触摸技术。TrueTouch可高度集成外部元件而且特别适合与各种触摸屏感应器或LCD显示屏协同工作。灵活的PSoC架构使设计人员能够在产品设计的最后阶段方便地进行修改而这是其他触摸屏产品无法做到的。图:可以识别手指位置的多点触摸屏

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