觸屏消費類電子設備的螢幕尺寸逐年增大。觸控式螢幕通過智慧手機開始盛行，並已迅速佔領平板電腦領域。隨著Windows 8的發佈，觸控式螢幕正向超極本、筆記本電腦以及一體機（all-in-one PC）領域發展。隨著螢幕尺寸不斷增大，電容式觸摸面臨的主要挑戰是如何滿足使用者的期望，讓較大尺寸螢幕擁有與手機螢幕相同的高性能。這就意味著需要在相同的時間內掃描更大表面上的更多結點。另外，為了獲得理想的使用者介面體驗，處理器必須能在信號更少、噪點更多的條件下工作，同時還要努力保持其速度、精確度以及回應能力。

2007年，Apple公司推出iPhone，讓電容式觸控式螢幕在消費類電子產品上的應用一飛沖天。這款配有3.5英寸螢幕的設備引入了多點觸控使用者體驗，從而改變了使用者與電子設備的互動方式。現在，觸控式螢幕已成為數碼相機（DSC）、可擕式導航設備（PND）、電子閱讀器、平板電腦、超極本以及一體機（AIO）等消費類電子產品的標準配置。正如我們看到的，這些設備發展的一個主要趨勢就是向更大的螢幕尺寸發起挑戰。電容式觸控式螢幕在進軍超極本或筆記本電腦等新型市場區隔的同時更在不斷發展其現有市場領域。頂級智慧手機的OEM製造商紛紛從智慧手機轉戰超級手機，通過向客戶提供更大的螢幕尺寸來實現其產品的差異化。

當前消費類電子產品的主要產品細分類型如下：配有3-5英寸螢幕的智慧手機；5-8英寸的超級手機或平板手機；8-11.6英寸的平板電腦；11.6-15.6英寸的超極本；以及最大可達17英寸的筆記本電腦。在其5年的產品歷史中，平板電腦被認為是升溫最快的行動裝置，根據預測，到2015年其銷量有望趕超個人電腦。因此，PC供應商開始將重心轉移至使用者介面友好的觸摸設計上，比如具有與筆記本電腦或平板電腦相同功能的可翻轉筆記本電腦。

使用者期望大螢幕設備能夠具備與智慧手機類似的性能和觸摸體驗。大螢幕設備需要處理的使用案例通常與我們在較小型手機上看到的不同。筆記本電腦或PC更常插入電源使用，它們的介面面積更大，因此在打字輸入時可將手掌或其它大型物體放置其上，此外，使用者通常會將這些較大型的設備放在桌面或膝蓋上而非拿在手中使用。所有這些行為都會改變設備的電氣性能。性能穩健且回應速度快的使用者體驗主要包括：靈敏度高、能跟蹤多個移動碰觸物、在各種雜訊環境下識別並跟蹤手指、在各種環境條件下識別和跟蹤手指，並能保持可接受的功耗以實現理想的電池使用壽命。換言之，使用者體驗的本質是指在各種條件下觸控式螢幕幕時系統所做出的回應。

電容式觸控式螢幕的運行原理是通過將電壓發射至設備上的感應器面板，從而產生信號電荷。然後由觸控式螢幕控制器接收信號，其會通過測量感應器電荷的變化來確定感應器電容。晶片接收到的電流等於面板電容與發射磁碟機的電壓的乘積（Q1 = C * VTX）。基礎電路能移除額定的非觸摸感應器電荷，從而可使系統專注于測量因手指觸摸而引起的感應器電荷的變化。這有助於改進觸摸的測量、解析度以及靈敏度。

隨著電容式觸控式螢幕的發展，我們面臨著越來越多的技術挑戰。較大型螢幕面臨的主要問題是發射電壓需要覆蓋更大的表面面積，以及感應器的電阻和電容的增大。觸摸面板受更高寄生電容和電阻的限制，會影響電阻電容（RC）的時間常數，從而導致發射頻率變慢。發射工作頻率會影響信號建立、刷新率以及功耗。我們的目的是要確定在將掃描時間和功率消耗最小化的同時在各個面板上實現一致觸摸回應所需的最高發射工作頻率。

刷新率

刷新率是指觸控式螢幕控制器在一秒鐘內測量到的觸摸並將其報告回主機處理器的次數。刷新率越高，設備就會在越短的時間內收集越多的x/y資料座標，從而提供回應快速的使用者體驗。大多數的消費類電子產品都要求觸摸控制器的刷新率大於100Hz或約10ms。諸如數位平板或銷售點（POS）終端等特定應用甚至要求更高的刷新率才能捕獲和識別簽名以及快速滑過的筆劃。

對於大型螢幕來說，保持快速的刷新率極具挑戰性，因為觸摸控制器需要掃描更大的表面面積，從所有結點採集資料，然後再處理這些資料。刷新率主要受兩大因素影響：螢幕的掃描速度以及已掃描資料的處理速度。在相同的感應器特性下（3108對275），17英寸螢幕的結點數超出5英寸螢幕11倍。為了保持5英寸螢幕的使用者體驗，17英寸的螢幕就需要更強大的掃描與處理能力。

有一種方法可以解決掃描問題，那就是確保觸摸控制器具有足夠的接收通道，從而一次性掃描整個螢幕。大多數觸控式螢幕堆疊都是由位於護罩玻璃下的感應器模式組成，其中包含大量的「單位晶胞（unit cell）」，這些晶胞以x和y方向排列，其中x方向用於發射，y方向用於接收，或反之亦然。接收通道會收集資料並使用模數轉換器（ADC）將每個單位晶胞中的互電容變化轉換為數字資料，以供主機解析手指觸摸點的座標。如果接收通道或ADC的數量不足，則需要多次掃描以及更長的時間來掃描整個面板。這會導致在既定的時間內只能獲取更少的樣本，從而帶來不良的使用者體驗。

 

有一種方法有助於解決處理問題，即為觸摸控制器配備一個更大的處理器，也可將部分運算任務卸載到系統的主處理單元。也就是說將電容資料發送到主機端，並在應用或圖形處理器上運行演算法。其中一項實施措施就是用觸控式螢幕控制器掃描感應器，搜索第一次觸摸，然後將圖像傳輸至主機處理器。之後，該主機會處理整個陣列、過濾雜訊、查找觸摸座標，並跟蹤手指ID。採用並行處理允許在作為觸控式螢幕和顯示幕主機的數千兆赫多內核處理器上完成大量數位運算。

信噪比（SNR）

SNR是指信號功率與雜訊功率之比，換句話說，即有用資訊與錯誤或不相關資料之比。觸控式螢幕面板上的感應器相當於一根大型天線，可接收螢光燈、液晶顯示幕或充電器等系統和環境雜訊。

 

螢幕越大，天線接收範圍就越大，便越容易接收雜訊並使接收通道達到飽和。這會大大影響觸摸性能，造成假觸摸、觸摸中斷或觸控式螢幕「鎖死」以致完全無法報告資料。為了排除這些干擾，要求觸控式螢幕控制器能夠增強信號或降低雜訊。提高信噪比的一些主要方式包括提高發射電壓以增強信號；使用硬體及數位濾波法減少雜訊，或利用跳頻遠離雜訊頻率。

信噪比的提高與發射電壓成正比。發射電壓可通過電荷泵或VDDA驅動來提供。在大多數消費類電子設備中，電荷泵一般可帶有2.7-3V電源，且能進一步將這一電源電壓提升到高電壓。大螢幕的問題在於電荷泵對高電容面板的驅動能力有限。也就是說必須增加外部泵或電源，而這會增加成本和功耗。

在沒有足夠信號的情況下，另一個方法也可以使雜訊最小化。第一道防線就是用濾波器創造更加潔淨的電容環境。如果這種方法無效，第二道防線一般是用跳頻去搜索干擾較少的頻率。正如前面所說，大尺寸面板的寄生電容和電阻更高，會影響電阻電容（RC）時間常數，從而導致發射頻率變慢。頻率變慢意味著它很難在雜訊範圍以外掃描整個面板。較高的發射頻率會給觸摸控制器提供更大的空間使其遠離噪音源。理想的最大發射頻率為350kHz或者更高，但需要根據客戶的具體目標，不斷地在信噪比、刷新率以及功耗之間進行權衡，以優化每台設備。桌上型電腦上的單機遊戲更注重回應速度而非功耗，然而可擕式設備則需要考慮功耗以延長電池使用壽命。

功耗

隨著移動性在我們生活中佔據著越來越重要的位置，功耗成為了消費者在選擇可擕式電子設備時的一項重要考慮因素。市場調查顯示，多數使用者認為電池使用壽命是購買新型可擕式設備時需要考慮的最重要的特性之一。

由於液晶顯示幕尺寸的加大，功耗通常與螢幕尺寸成正比。液晶顯示幕的功耗在整個系統功耗中占相當大的比例。要想延長電池使用壽命，一種方法就是在系統中使用更大的電池組。但這會增加系統的重量，從而影響使用者的便攜性體驗。另一種方法是通過降低刷新率、降低發射電壓、禁用多種數位濾波器或使用盡可能低的類比/數位電源，但這種方法會降低設備性能。同樣，這些解決方案都會給使用者體驗帶來負面影響，因此都不是理想的方案。

對於好的設備而言，重量與性能都是關鍵因素，延長電池使用壽命的最佳解決方案就是優化系統中單個元件的功耗。對於觸控式螢幕控制器來說，這就意味著為設備制定靈活的功耗管理方案。

總功耗耗取決於設備的狀態或使用方式。一款智慧高能效觸控式螢幕控制器應具備多態功耗管理，如活動狀態、低功耗狀態和深度睡眠狀態，其中每種狀態都有其獨特的降耗方案。這些都是通過觸摸控制器的配置參數來管理的。

●活躍狀態下，觸控式螢幕具有最快的觸摸回應時間，因為設備會積極地掃描觸控式螢幕以確定觸摸的存在並識別觸摸座標。

●在活動狀態下，如在一定時間內未檢測到觸摸事件，設備就會進入低功耗狀態。這會進一步降低功耗並相應地延長回應時間。如設備檢測到任何觸摸事件，則會自動從低功耗狀態切換到活動狀態。

●深度睡眠狀態下的功耗最低。這種狀態下設備不進行任何掃描且不報告任何觸摸。這時需要中斷，才能喚醒觸控式螢幕控制器，並將其切換到活動狀態。

 

 

不同功耗狀態是由系統內容決定的。比如，如果一段時間內螢幕未被觸摸，系統就會讓使用者介面停止活動以延長電池使用壽命。而這是通過主機管理設備上的各個元件來完成的，比如關閉液晶顯示幕以及將觸摸控制器置於低功耗狀態等。在低功耗狀態下，一旦檢測到觸摸事件，觸控式螢幕控制器就會切換到活動模式，並繼續掃描，以確定面板上的觸摸座標。如果在低功耗狀態下未檢測到觸摸事件，主機就會驅動觸摸控制器進入深度睡眠狀態以節約電量。這些動態功耗管理狀態讓消費者在使用可擕式行動裝置時能靈活地管理觸摸性能和功耗。

隨著觸控式螢幕的發展，為了保證使用者體驗，應採用系統級方法。觸控式螢幕受物理現象限制，要想讓電容式觸摸技術繼續成為移動消費類電子產品的選擇，那麼獨創性和集成度是關鍵。人們正在開發新的觸控式螢幕材料以提高面板速度，同時也在定義主機處理架構以卸載部分繁重的數位運算。硬體和軟體也在不斷改進，濾除雜訊的同時提高信號強度，同時，人們正在採用系統級功耗方式來延長電池使用壽命。設計人員面臨的下一個重大挑戰就是如何讓這一切更具有成本效益。

作者：Todd Severson和Henry Wong

賽普拉斯半導體公司

 

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