摘要： 本文首先介紹多點(diǎn)觸摸技術(shù)原理，然后介紹 觸摸屏 的物理結(jié)構(gòu)，最后再對多點(diǎn)觸摸關(guān)鍵技術(shù) —— 觸摸屏 控制器進(jìn)行介紹。 關(guān)鍵詞： 觸摸屏 ；多點(diǎn)觸摸；手勢；手指； TrueTouch
兩種多點(diǎn)觸摸技術(shù)
多點(diǎn)觸摸顧名思義就是識(shí)別到兩個(gè)或以上手指的觸摸。多點(diǎn)觸摸技術(shù)目前有兩種： Multi-Touch Gesture 和 Multi-Touch All-Point 。通俗地講，就是多點(diǎn)觸摸識(shí)別手勢方向和多點(diǎn)觸摸識(shí)別手指位置。
識(shí)別手勢方向
我們現(xiàn)在看到最多的是 Multi-Touch Gesture ，即兩個(gè)手指觸摸時(shí)，可以識(shí)別到這兩個(gè)手指的運(yùn)動(dòng)方向，但還不能判斷出具體位置，可以進(jìn)行縮放、平移、旋轉(zhuǎn)等操作。這種多點(diǎn)觸摸的實(shí)現(xiàn)方式比較簡單，軸坐標(biāo)方式即可實(shí)現(xiàn)。把 ITO 分為 X 、 Y 軸，可以感應(yīng)到兩個(gè)觸摸操作，但是感應(yīng)到觸摸和探測到觸摸的具體位置是兩個(gè)概念。 XY 軸方式的 觸摸屏 可以探測到第 2 個(gè)觸摸，但是無法了解第二個(gè)觸摸的確切位置。單一觸摸在每個(gè)軸上產(chǎn)生一個(gè)單一的最大值，從而斷定觸摸的位置，如果有第二個(gè)手指 觸摸屏 面，在每個(gè)軸上就會(huì)有兩個(gè)最大值。這兩個(gè)最大值可以由兩組不同的觸摸來產(chǎn)生，于是系統(tǒng)就無法準(zhǔn)確判斷了。有的系統(tǒng)引入時(shí)序來進(jìn)行判斷，假設(shè)兩個(gè)手指不是同時(shí)放上去的，但是，總有同時(shí)觸碰的情況，這時(shí)，系統(tǒng)就無法猜測了。我們可以把并不是真正觸摸的點(diǎn)叫做 “ 鬼點(diǎn) ” ，如圖 1 所示。
圖 1 鬼點(diǎn)（無法分辨紅點(diǎn)還是藍(lán)點(diǎn)為真正的觸摸）
識(shí)別手指位置
Multi-Touch All-Point 是近期比較流行的話題。其可以識(shí)別到觸摸點(diǎn)的具體位置，即沒有 “ 鬼點(diǎn) ” 的現(xiàn)象。多點(diǎn)觸摸識(shí)別位置可以應(yīng)用于任何觸摸手勢的檢測，可以檢測到雙手十個(gè)手指的同時(shí)觸摸，也允許其他非手指觸摸形式，比如手掌、臉、拳頭等，甚至戴手套也可以，它是最人性化的人機(jī)接口方式，很適合多手同時(shí)操作的應(yīng)用，比如游戲控制。 Multi-Touch All-Point 的掃描方式是每行和每列交叉點(diǎn)都需單獨(dú)掃描檢測，掃描次數(shù)是行數(shù)和列數(shù)的乘積。例如，一個(gè) 10 根行線、 15 根列線所構(gòu)成的 觸摸屏 ，使用 Multi-Touch Gesture 的軸坐標(biāo)方式，需要掃描的次數(shù)為 25 次，而多點(diǎn)觸摸識(shí)別位置方式則需要 150 次。
Multi-Touch All-Point 基于互電容的檢測方式，而不是自電容，自電容檢測的是每個(gè)感應(yīng)單元的電容（也就是寄生電容 Cp ）的變化，有手指存在時(shí)寄生電容會(huì)增加，從而判斷有觸摸存在，而互電容是檢測行列交叉處的互電容（也就是耦合電容 Cm ）的變化，如圖 2 所示，當(dāng)行列交叉通過時(shí)，行列之間會(huì)產(chǎn)生互電容（包括：行列感應(yīng)單元之間的邊緣電容，行列交叉重疊處產(chǎn)生的耦合電容），有手指存在時(shí)互電容會(huì)減小，就可以判斷觸摸存在，并且準(zhǔn)確判斷每一個(gè)觸摸點(diǎn)位置。
圖 2 互電容檢測方式
觸摸屏 技術(shù)
下面介紹一下 觸摸屏 。 觸摸屏 ，簡單講就是輸入和輸出合二為一，不再需要機(jī)械的按鍵或滑條，顯示屏就是人機(jī)接口。
圖 3 所示為一個(gè) 觸摸屏 模組示意圖，整個(gè)模組由 LCD ， 觸摸屏 ， 觸摸屏 控制器，主 CPU ， LCD 控制器構(gòu)成。 觸摸屏 和 觸摸屏 控制器是整個(gè)模組的核心所在，所以我們會(huì)重點(diǎn)介紹這兩個(gè)部分。
圖 3 觸摸屏 模組示意圖
圖 4 感應(yīng)電容 觸 摸屏 結(jié)構(gòu)
圖 4 從上到下依次是： 1 表面護(hù)罩； 2 覆蓋層； 3 掩膜層 & 標(biāo)示層； 4 光學(xué)膠； 5 第一層感應(yīng)單元與襯底； 6 光學(xué)膠； 7 第二層感應(yīng)單元與襯底； 8 空氣層或光學(xué)膠； 9 LCD 顯示屏。
表面護(hù)罩通常小于 100um 厚度。所有塑料覆蓋層上面都需要硬護(hù)罩，這是因?yàn)槭种赣|摸會(huì)劃傷塑料表面，如果覆蓋層是玻璃 可以不需要表面護(hù)罩，但玻璃必須經(jīng)過化學(xué)加強(qiáng)或淬火處理，表面護(hù)罩需要與覆蓋層進(jìn)行光學(xué)匹配，以免光損失過多。
覆蓋層可以是 0~3 mm 厚，并不是所有的 觸摸 屏 都需要覆蓋層，覆蓋層越薄，越可以獲得更高的信噪比和更好的感應(yīng)靈敏度。常用材料有：聚碳酸脂、有機(jī)玻璃和玻璃。
第三層是掩膜層與標(biāo)示層，它的厚度大致是 100mm 。掩膜層位于覆蓋物的下面，可以隱藏布線和 LCD 的邊緣等。在設(shè)計(jì)中允許增加標(biāo)示性文字或圖標(biāo)，不過標(biāo)示物必須相當(dāng)平整的壓在 ITO 的襯底上，而且標(biāo)示物材料應(yīng)該是非導(dǎo)電的。
第四層是光學(xué)膠，厚度約為 25~200mm 。光學(xué)膠越薄，信噪比越好，高介電常數(shù) (er) 的光學(xué)膠可有更好的感應(yīng)手指電容，從而也能獲得更高的信噪比。通常應(yīng)用 PSA 壓敏膠。
第五層為感應(yīng)單元與襯底， ITO 涂層的厚度小于 100nm ， ITO 涂層襯底可以是 100 um ~1mm 的玻璃 (IR ~ 1.52) 或是 25mm ~ 300mm PET 薄膜 (IR ~ 1.65) 。越厚的 ITO ，單位面積電阻越低，信噪比越好；越薄的 ITO ，透光率越好。襯底可以是薄膜或玻璃。如果 ITO 做在玻璃襯底的下表面，玻璃襯底可以作為表面覆蓋物。
第六層又是一層光學(xué)膠，與前一層光學(xué)膠比較，這一層光學(xué)膠越厚信噪比越好，這一層光學(xué)膠通常與 ACA - 各向異性導(dǎo)電膠結(jié)合使用
第七層也是感應(yīng)單元與襯底，它與第一層襯底的材料相同。注意薄膜與玻璃不要混合使用。如果 ITO 在襯底上表面，厚的襯底 可以獲得更高的信噪比；如果 ITO 在襯底的下表面，薄的襯底使信噪比更高。同樣在邊緣區(qū)域要求采用異向?qū)щ娔z。現(xiàn)在已有單襯底工藝來簡化生產(chǎn)和降低成本。
第八層是空氣或光學(xué)膠層，我們知道，空氣的介電常數(shù)等于 1 ，這可以減小來自 LCD 上表面的寄生電容。假如使用光學(xué)膠，可以使安裝更堅(jiān)固。需要使光學(xué)參數(shù)匹配可以使得光損失更小，需要選擇盡可能最低介電常數(shù)的光學(xué)膠，還要保證 ITO 感應(yīng)單元與 LCD 上表面之間的距離最小 250mm 。
最后是 LCD 屏，對于 觸摸屏 設(shè)計(jì)來說，它是一個(gè)噪聲源，噪聲來自于背光， LCD 像素驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，通常不要采用被動(dòng)點(diǎn)陣屏，這會(huì)在 LCD 的正面產(chǎn)生高壓信號(hào)，盡量使用帶 Vcom 的有源點(diǎn)陣屏，這可構(gòu)成虛地或屏蔽功能；如果確實(shí)需要采用被動(dòng)點(diǎn)陣屏，需要在 觸摸屏 中再增加一個(gè) ITO 屏蔽層，屏蔽層必須接地 , 以去除寄生電容 CP 的影響。
多點(diǎn) 觸摸屏 控制器
多點(diǎn) 觸摸屏 控制器是 觸摸屏 模組的核心，本文以 Cypress 的 觸摸屏 控制器為例進(jìn)行介紹。 的 觸摸屏 控制器是 Truetouch 系列，它基于已經(jīng)被廣泛應(yīng)用的 PSoC （可編程系統(tǒng)芯片）技術(shù)。 PSoC 是集成了可編程模擬和數(shù)字外圍以及 MCU 核的混合信號(hào)陣列，所以 PSoC 的靈活性、可編程性、高集成度等特性同樣適用于 Truetouch 方案。
TrueTouch 方案是感應(yīng)電容 觸摸屏 方案。前面已介紹了這種 觸摸屏 的結(jié)構(gòu)。可以說 LCD 的廠家和種類有很多，感應(yīng)器件也很多，玻璃、薄膜、 ITO 等，甚至 ITO 的模型也有多種。 Truetouch 基于 PSoC 技術(shù)，所以 PSoC 的靈活性使得它和眾多的 LCD 和 ITO 都能很好配合。
為什么 Cypress 的 觸摸屏 控制器起名叫做 Truetouch 方案，或者是說這個(gè) “True” 是怎么來的？回顧一下 觸摸屏 的發(fā)展歷程，從最初 Single-touch— 只能有一個(gè)手指進(jìn)行觸摸或滑動(dòng)；后來 Multi-touch gesture 也產(chǎn)生了 — 可以識(shí)別到兩個(gè)手指的方向，但還不能判斷出他們的具體位置，可以進(jìn)行縮放、平移、旋轉(zhuǎn)等操作；發(fā)展到今天 —Cypress 的 True touch 可以做到 Multi-touch all-point ，可以識(shí)別到多個(gè)手指并判斷出準(zhǔn)確位置，是真正的多點(diǎn)觸摸，這也是 True 的由來。
Truetouch 的產(chǎn)品系列可以分成三類，單點(diǎn)觸摸 , 多點(diǎn)觸摸識(shí)別方向（ multi-touch gesture ）以及多點(diǎn)觸摸識(shí)別位置（ multi-touch all-point ）。每一類又有各種型號(hào)，在屏幕尺寸、掃描速度、通訊方式、存儲(chǔ)器大小、功耗等方面作了區(qū)別，可以滿足不同的應(yīng)用。 Truetouch 系列是基于 PSoC 技術(shù)的，所以這些器件可以使用簡單方便但功能強(qiáng)大的 PSoC designer 軟件環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)。
TrueTouch 方案的價(jià)值主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：保持了 觸摸屏 固有的美觀、輕、薄特點(diǎn)，可以使客戶的產(chǎn)品脫穎而出；采用感應(yīng)電容 觸摸屏 技術(shù)，不需機(jī)械器件，更耐用；擁有完整的系列，從單點(diǎn)觸摸，到多點(diǎn)觸摸識(shí)別方向，再到多點(diǎn)觸摸識(shí)別位置；基于 PSoC 技術(shù)，使用靈活，可以和眾多的 LCD 和 ITO 配合使用； PSoC 所有的價(jià)值在 Truetouch 里都能體現(xiàn)，例如靈活性，可編程性等等，可以縮短開發(fā)周期，使產(chǎn)品快速上市，還有集成度高，可以把很多外圍器件集成到 PSoC （即 Truetouch 產(chǎn)品），這樣不僅可以降低系統(tǒng)成本以外，還可以降低總體功耗，提高電源效率。
結(jié)語
本文介紹了多點(diǎn)觸摸技術(shù)以及 觸摸屏 和 觸摸屏 控制器。可以說， 觸摸屏 是人機(jī)接口的最終選擇。不管是單點(diǎn)觸摸，還是多點(diǎn)觸摸識(shí)別方向，抑或多點(diǎn)觸摸識(shí)別位置，它們在很多應(yīng)用中都優(yōu)勢明顯，例如手機(jī)、 Mp3 、 GPS 等等。這些產(chǎn)品本身就要求具有體積小便于攜帶的特點(diǎn)，如何能夠使小體積產(chǎn)品發(fā)揮更多的功能，這就依賴于 觸摸屏 的應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)： Compelling User Interfaces with Multi-Touch All-Point Touchscreen Technology, Cypress Semiconductor 王瑩，全球首臺(tái)觸摸式波輪洗衣機(jī)誕生的背后，電子產(chǎn)品世界， 2007.7 中星微電子公司編， 3G 時(shí)代，從 “ 芯 ” 看來，電子產(chǎn)品世界， 2008.9
