电容式感测技术在手机触摸屏中的应用考虑.doc

電容式感測技術在手機觸摸屏中的應用考慮 電容式感測用戶介面正作為手機中機械按鍵的一種實用的創新替代方案脫穎而出。雖然電容式感測器可被視作傳統按鍵的簡易替代方案，但該技術不僅僅是半球型開關的一種升級。當手機採用觸摸式感測器來實現時，手機製造商在設計中可獲得一種令人激動的嶄新的外觀感覺選擇。 利用電容式感測器，手機按鍵，即鍵墊(key mat)，無需移動式元件就可以實現，這樣會形成平順光滑的接觸表面。此外，設計人員還可在機械按鍵頂端選用電容式感測，輕按會觸發電容式感測器，重按則啟動機械開關。 整合了這種技術的手機不僅能感測手指的位置，還能感測到手指對按鍵施加壓力的輕重。輕按可能與電話號碼簿翻頁有關，重按則可能是往選定號碼撥打電話。 近年來手機設計中出現的最引人注目的趨勢之一是電容式感測器和透明導體的結合。這種透明鍵墊為設計人員提供了許多具創造性的選擇。 電容式感測的SNR基準推薦 在手機設計中實現一個穩健的電容式感測設計的關鍵在於獲得大的信噪比(SNR)。在電子通信和其他工程領域，SNR一般以分貝表示。但在手指感測應用中，不建議採用dB作為SNR的測量單位，因為對它的計算方法還不確定。基於功率的dB公式是10 ? log(P2/P1)，基於電壓幅度的公式是20 ? log(V2/V1)，但究竟哪一個公式更適合於觸摸應用尚不清楚。此外，在“觸摸的分貝數”的解釋方面也存在著混淆。為了避免這些問題，Cypress半導體公司採用一種簡單的比率作為電容式感測SNR的首選基準。Cypress給出的最佳實踐指南是信號比雜訊至少大5倍。按照工程術語，就是最小SNR為5:1。 如何測量SNR 觸摸感測器應用中的SNR根據感測器輸出端的計數值來測定。比如，感測器上沒有手指時峰峰雜訊為8。當手指放在感測器上時，獲得的信號是118，則SNR為118:8，約為15:1。 SNR的測量應該考慮到最好情況和最壞情況。最好情況是指較大的手指放在感測器墊片中心。最壞情況是較小的手指偏離中心放置。在手機系統的早期開發中，利用真實的手指來測試是一種可接受的方法。若開發人員希望測試更加與操作者無關，並且可重複，可以用金屬盤或棒來代替真實手指。 由於覆蓋膜(overlay)厚度會削弱信號強度，因此，較穩妥的辦法是系統開發時採用比預計稍厚的覆蓋膜。為避免較高級固件的遮罩效應，利用原始的未壓縮的感測器計數值來測量SNR。當沒有手指觸摸時，關斷任何讓感測器輸出歸零的自補償或自動校準功能。 圖1: 手指壓力決定信號和噪音的構成。 建立雜訊預算 管理電容式感測器性能的方法之一是建立雜訊預算，這包括列出可能降低系統SNR的噪音源。對於手機，這些噪音源有內部IC雜訊、RF雜訊和交流線路雜訊。估算每一個噪音源對感測器計數值的影響。把這些計算值加上額外施加的計數值的總和作為設計餘量，將會使SNR大於5:1。 手機本身就產生了一個RF能量很高的環境，這對系統的影響可能大於往系統裏增加少量雜訊計數。電容式感測器靠近RF發射器工作帶來的問題是，感測器的線跡相當於有效天線。大量RF能量與控制器IC的耦合可能在感測器系統中導致不良後果，造成觸摸感測的失敗。這種潛在問題的一個簡單解決方案是利用串聯電阻來抑制諧振。數百歐姆的電阻和感測器的輸入串聯，並盡可能靠近控制IC的引腳放置，足以防止這類問題的發生。 移動意味著低功率 對手機而言，電容式感測解決方案的功耗必需很低。對於電池供電的移動設備而言，低功率的目標要求控制器向主控器件報告的速度不應該過快，對感測器的掃描時間也不應該過長，若無其他事件待處理時應該進入睡眠狀態。 延長電池壽命的關鍵是把感測器有效掃描和處理資料時流經的平均電流降至最低。平均電流可以通過簡單的有功電流和睡眠電流的時間加權平均計算來求得，故掃描之間控制器的睡眠時間越長，電池壽命越長。 長睡眠時間間隔的一個實際限制是系統的延遲，亦即觸摸事件和系統對觸摸的回應之間的遲滯。在非技術性用戶看來，大的延遲表現為按鍵的反應遲緩。極端而言，極長的睡眠時間間隔會導致按鍵一段時間失效。 在手機設計中，解決上述問題在於在感測器快速回應和低功耗之間找到一個良好的平衡點。對於手機設計，30-50ms的延遲是個不錯的目標。要把功耗降到更低，如果很長時間都沒有用戶輸入，開發人員常常讓感測器進入更長延遲模式。這種較慢的掃描模式，被稱為待機模式，有100ms或更長的延遲。一旦出現用戶輸入，系統立即進入有效掃描模式，按鍵回應速度更快。 下面的實例計算顯示了在一個帶有12個感測器的手機設計中，如何在待機模式下實現低至33mA的平均電流。掃描時間設為每感測器0.5ms(t1 = 0.5×12= 6ms)。待機模式下的報告速率為100ms，故睡眠時間間隔設置為94ms (t2= 100