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電容式觸摸感應用戶界面正逐步替代消費、醫療與工業領域產品的機械按鍵。不過，隨著觸摸感應用戶界面問世，最終用戶也需要高級功能，如：可模擬機械按鍵功能的觸覺支持與手套觸摸，還有手寫筆支持和接近感應。這些功能可以改善產品的整體用戶體驗，而且可以為制造商帶來脫穎而出的機遇。本文主要介紹上述功能之一——手套觸摸，其越來越多地應用于消費、工業及醫療領域。例如，即使在用戶由于天氣寒冷穿戴手套的情況下，可穿戴智能腕帶的觸摸界面也應當正常工作，而醫療實驗室設備在受到乳膠手套觸摸時也應當正常運行。 但是，在電容式觸摸界面實現手套觸摸并非易事，而且大多數實現方案往往只能提供不可靠、不一致的性能。本文專門探討在電容式觸摸按鍵上實現手套觸摸的挑戰以及如何解決相關挑戰，從而設計出具備手套觸摸功能的穩健、可靠觸摸感應界面。 實現可靠的手套觸摸存在兩大挑戰，即： - 檢測戴手套手部產生的弱信號 - 忽略懸停在傳感器上方的手指產生的誤判觸摸 了解手套觸摸為何產生弱信號 電容式觸摸感應的工作原理是手指觸摸傳感器的覆蓋層時會引起傳感器的電容變化。觸摸感應控制器可以測量此電容變化并將其轉換到數字域（模數轉換）。在測量值超過預定義閾值時則記錄觸摸操作。 手指觸摸引起的數字化電容變化被稱為信號，而并非由手指觸摸造成的數字化電容的意外變化被稱為噪聲。可靠的觸摸感應系統建議采用5:1的信噪比（SNR）。圖1說明了在觸摸感應系統中如何測量電容。 簡而言之，手指產生的電容可以視為平行板電容器，其中手指和傳感器是兩個導電板，而覆蓋層是平板之間的電介質。手指產生的電容變化與傳感器、手指（即：平板面積）的尺寸和覆蓋層材料的介電常數成正比；但是與傳感器上的覆蓋層厚度（即：平板之間的距離）成反比。覆蓋層越厚，則平板間距離越大，從而使電容變化越小。這會降低信噪比。 圖1 – 觸摸感應系統中的電容測量。 手指穿戴手套時會在現有覆蓋層之上增加一個與手套厚度成正比的新覆蓋層，從而提高覆蓋層總厚度。其會使信號強度降低到預定義閾值以下，因此一般無法檢測到戴手套手部的觸摸操作。這就是為什么大多數用戶脫去手套才能有效觸摸電容式觸摸感應界面的按鍵。 了解“意外懸停”如何造成誤判觸摸 通過提高靈敏度，觸摸傳感器經過調校之后可以支持更厚的覆蓋層。同樣，觸摸傳感器經過調校可以檢測戴手套手部的觸摸。提高傳感器的靈敏度意味著其只需要更小的電容變化就能夠檢測觸摸。 但是，此處的難題在于它會產生一種被稱為“意外懸停”的情況，其中接近傳感器的光手指（懸停在傳感器上方）會產生與手套觸摸等效的電容變化。錯誤觸摸會被記錄為手套觸摸，盡管手指未觸摸傳感器，也未穿戴手套。這種情況一般都不符合需要，而且會對產品的用戶體驗帶來不利影響。圖2顯示了手套觸摸、手指觸摸和懸停手指產生的信號。 圖2 – 手套觸摸、手指觸摸與懸停手指產生的信號 因此，設計人員面臨以下問題：針對正常觸摸感應進行調校的系統無法檢測戴手套手部的觸摸，而針對手套觸摸進行調校的系統會由于“意外懸停”產生誤判觸摸。 一種簡單而不精巧的解決方案是在設計中添加用戶觸發的中斷信號或物理開關，以指示他們是否穿戴手套。這會損害用戶體驗，尤其是需要“精簡操作”的消費類產品以及需要在各種情況下均同樣操作的醫療產品。 提高手套觸摸信號強度的主要設計參數 在提高手套觸摸信號強度時需要考慮三個重要設計參數： 靈敏度：靈敏度是電容式觸摸感應電路產生信號能力的測量指標 – 電路越敏感，則生成的信號越強。靈敏度一般按電容計數測量。對于電容式觸摸感應，一次觸摸產生的變化幅度在100飛法（fF）量級。戴手套手指觸摸一般產生100fF電容。靈敏度為500次/pF的電路可以針對100fF觸摸產生50個信號計數，而靈敏度為50次/pF的電路對于相同觸摸只能產生5個信號計數。因此，電路靈敏度越高，則手套觸摸檢測越可靠。 寄生電容：寄生電容是傳感器的固有電容，其源于傳感器與其它導電物體的接近。由于觸摸相互作用產生的電容變化（信號）可以視為與傳感器的寄生電容相關。電容變化與寄生電容之比越高，則傳感器可以調校的靈敏度越高。 例如，采用12位模數轉換器的電容式觸摸感應電路最高輸出是4096。寄生電容為16pF的傳感器經調校后可達到最高為256次/pF的靈敏度，超過此值時模數轉換器就會飽和。不過，如果把寄生電容降低到8pF，則傳感器可以調校到512次/pF的最高靈敏度。在第一種情況下觸摸產生的100fF電容變化會產生大約25個信號計數，而第二種情況下會產生50個信號計數。 傳感器的寄生電容取決于傳感器層疊與布局的設計規格，如：跡線厚度、跡線間距以及PCB層間的距離。保持低寄生電容需要細心的傳感器布局設計和傳感器層疊。 為了提高性能和為設計人員提供靈活性，某些觸摸感應控制器集成以下兩個功能，以降低過多寄生電容對靈敏度的影響： - 假差分測量功能。 - 對屏蔽電極的支持。 假差分測量功能：典型觸摸感應控制器可以測量從0到最大測量值的電容（如：0pF~8pF）。可實現假差分測量的觸摸感應控制器（即：假差分模數轉換）可設置成測量特定電容范圍（如：8pF~16pF），而且能夠達到更高靈敏度。通過這種方法，配備12位模數轉換器的電容觸摸感應電路可以調校達到512次/pF的靈敏度，即使是采用寄生電容為16pF的傳感器。 對屏蔽電極的支持：從周圍其它導電物體屏蔽傳感器可以盡可能降低額外電容，從而盡可能降低傳感器的寄生電容。 同時支持假差分測量功能和屏蔽電極的控制器一般能夠使靈敏度加倍，進而提高手套觸摸性能。 噪聲：只要有信號就會有噪聲。信號是造成有意義輸出變化的電容改變。另一方面，噪聲指不改變電容、但是卻改變輸出的一切干擾。超過閾值的噪聲有可能造成誤判觸摸。通常而言，可靠的觸摸感應系統需要5:1的信噪比。也就是說，除了具備高靈敏度之外，控制器還必須保持低噪聲。換句話說就是，調校到500次/pF靈敏度的控制器必須把噪聲限值到10次以下，從而對100fF的觸摸保持5:1的SNR。 噪聲經常是通過傳導效應（如：電源開關噪聲或電氣快速瞬態（EFT）電流）或者通過耦合效應（如：來自手機的輻射噪聲或者信號跡線之間的串擾）進入系統。 電容式傳感器和控制器一般必須從電源開關等噪聲源進行隔離。保持隔離和防止噪聲進入電容式感應系統的關鍵是精心的系統與PCB設計。 避免“意外懸停”和誤判觸摸 本節詳細介紹了相關設計方法，可降低支持手套觸摸的觸摸感應系統中的“意外懸停”。 采用專用閾值：手套觸摸信號的幅度遠遠低于正常手指觸摸幅度。采用專用閾值連同固件設計邏輯有助于檢測和區分手指觸摸與手套觸摸，從而提高懸停排除性能。 可以針對手指觸摸和手套觸摸信號設置兩個專用閾值（下圖3的F閾值與G閾值）。這些閾值一般設置為典型手指觸摸或手套觸摸信號的80%。 圖3 – 手套觸摸與手指觸摸信號的專用閾值 在用戶首次觸摸傳感器時，固件會識別相關信號是超過手指閾值還是手套閾值。如果信號超過手指閾值，則其假設用戶未戴手套，同時拋棄在從檢測到最后觸摸開始的預定義時間內（如：30秒）、低于手指閾值的所有信號。這樣可以確保不把懸停手指檢測成誤判的手套觸摸。圖4所示為固件決策樹。 合理的假設是用戶戴上手套再次觸摸傳感器至少需要30秒。但是，如果首次觸摸生成超過手套閾值但未超過手指閾值的信號，則系統假設用戶戴有手套，同時繼續檢測手套觸摸。在此模式下，如果用戶摘掉手套后觸摸傳感器，則信號會超過手指閾值，而系統會立即進入僅檢測手指觸摸的模式。 圖4 – 采用專用閾值進行手套觸摸檢測的固件決策邏輯。 典型觸摸感應用戶界面面板由多個傳感器組成。可以改善面板的固件決策邏輯，使其能夠檢測所有傳感器的信號；如果在任何傳感器上檢測到手指觸摸，則可以讓所有傳感器都在預定義時間段內排除手套觸摸。 這種方法的主要缺點是：如果首次檢測到的信號是懸停手指信號，則可能造成誤判觸摸。 采用觸摸屏輸入：手機、打印機或高端家用電器等產品具有獨立控制的觸摸屏以及用戶界面（UI）面板上的觸摸按鍵，如圖5所示。在此類系統中，相應控制器之間的通信有助于高效管理手套與手指觸摸。 圖5 – 配備觸摸屏控制器和電容式觸摸按鍵控制器的系統。 由于觸摸屏的傳感器結構特性，觸摸屏控制器能夠有效區分懸停手指與手套觸摸。戴手套手指的覆蓋面積大于光手指，其能夠在更多數量的相鄰感應節點上產生低幅度信號，而懸停手指僅在數量更少的相鄰感應節點上產生低幅度信號，如下圖6所示。觸摸屏控制器采用信號模式差異來區分用戶是否戴手套。 圖6 – 手套觸摸與懸停手指在觸摸屏上的熱點圖 如果觸摸屏檢測到手套觸摸，則信息傳輸到控制按鍵的電容式按鍵控制器。主機控制器一般具有上述兩種控制器之間的通信接口，而且能夠管理它們之間的信息交換，從而無需其它接口。 此方法顯然不適合未配備觸摸屏的系統。另外，此方法假設首次觸摸是在觸摸屏上而非按鍵上。否則會針對按鍵上的首次觸摸記錄為誤判觸摸，這類似于采用“專用閾值”方法時的誤判觸摸。 采用分離傳感器設計：電容式按鍵一般采用能夠檢測導電物體存在與否的單一傳感器。分離傳感器設計是一種創新專利解決方案，能夠克服前文所述方法的各種缺點。 圖7左圖所示為典型電容式傳感器布局，其中心配備用于LED背光的可選小孔。右圖所示為分離傳感器設計，其中按鍵觸摸區域分為兩個專用傳感器（內部和外部傳感器）。 圖7 – 典型傳感器與分離傳感器設計 此方法的基本原理是：不同觸摸會在內部和外部傳感器上產生獨特信號模式。這些獨特信號模式可以在固件中解讀，以區分手指與手套觸摸。圖8說明了兩種傳感器的典型信號特征。三個用例是： - 手套觸摸與內部及外部傳感器重疊，并且同時在內部與外部傳感器產生低幅度信號。 - 手指觸摸與內部及外部傳感器重疊，并且同時在內部與外部傳感器產生高幅度信號。 - 具有凸起形狀且小于手套的懸停手指會在內部傳感器產生較強信號，而在外部傳感器產生相對較弱信號。 圖8 – 分離傳感器設計的典型信號 圖9所示為分離傳感器設計的固件決策樹。 圖9 – 分離傳感器設計的固件決策邏輯 分離傳感器設計是在觸摸感應用戶界面實現手套觸摸的最可靠方法。 結論 隨著手套觸摸成為應用的常用功能，最終產品用戶希望獲得始終可靠的性能。本文介紹了需要考慮的主要設計問題以及可用于實現可靠手套觸摸的方法。確保用戶界面面板“正確運行”的最重要步驟是選擇正確的觸摸感應解決方案。您需要能夠提供始終保持高SNR與高靈敏度、可實現過度寄生電容補償（如：假差分測量功能和屏蔽電極）以及在設計與布局指導原則方面得到詳細文檔支持的可靠解決方案。 賽普拉斯的PSoC 4產品系列具有CapSense技術，可支持超過100:1的SNR、采用集成恒流源（IDAC）和屏蔽電極的假差分測量功能。它非常適合實現可靠手套觸摸檢測等高級功能。另外，《CapSense設計指南》能夠提供有關可靠觸摸感應解決方案設計與布局的指導原則。 |
