阻性觸摸屏的經(jīng)典方法

典型的阻性觸摸屏包括兩個(gè)平行的氧化銦錫(ITO)導(dǎo)電層,，中間的間隙將兩層分開(kāi)(圖1)。上層(Y)的邊緣電極相對(duì)于下層(X)的邊緣電極旋轉(zhuǎn)90°,。當(dāng)對(duì)屏幕的一個(gè)小區(qū)域施加壓力,，使這兩層發(fā)生電氣接觸時(shí)，就發(fā)生了“觸摸”現(xiàn)象,。如果在上層的兩個(gè)電極之間施加一個(gè)直流電壓,，而下層懸空，則觸摸將使下層獲得與觸摸點(diǎn)相同的電壓,。判斷上層方向觸摸坐標(biāo)的方法是測(cè)量下層的電壓,，以便確定觸摸點(diǎn)處的電阻占總電阻的比值。然后交換兩層的電氣連接,，獲得觸摸點(diǎn)在另一個(gè)軸上的坐標(biāo),。

連接直流電壓的層稱為“有源”層，電流與其阻抗成反比。測(cè)量電壓的層稱為“無(wú)源”層,，無(wú)相關(guān)電流流經(jīng)該層,。發(fā)生單點(diǎn)觸摸時(shí)，在有源層中形成一個(gè)分壓器,，無(wú)源層電壓測(cè)量通過(guò)一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器讀取與觸摸點(diǎn)和負(fù)電極之間的距離成比例的電壓1,。

由于成本低廉，傳統(tǒng)的4線阻性觸摸屏深受單點(diǎn)觸控應(yīng)用的歡迎,。實(shí)現(xiàn)阻性多點(diǎn)觸控的技術(shù)有多種,，其中總是會(huì)用到一個(gè)矩陣布局屏幕，但屏幕制造成本高得嚇人,。此外,，控制器需要許多輸入和輸出來(lái)測(cè)量和驅(qū)動(dòng)各個(gè)屏幕帶，導(dǎo)致控制器成本和測(cè)量時(shí)間增加,。

手勢(shì)識(shí)別實(shí)現(xiàn)" src="http://files.chinaaet.com/images/20110809/087a169f-6375-43eb-8211-5ddf980c3e87.jpg" />
圖1 (a) 阻性觸摸屏的結(jié)構(gòu),；(b) 用戶觸摸屏幕時(shí)的電氣接觸

超越單點(diǎn)觸控

雖然如此，但通過(guò)理解并模擬該過(guò)程背后的物理原理,，我們可以從阻性觸摸屏提取更多信息,。當(dāng)發(fā)生兩點(diǎn)觸摸時(shí)，無(wú)源屏幕中的一段電阻加上觸點(diǎn)的電阻與有源屏幕的導(dǎo)電段并聯(lián),，因此電源的負(fù)載阻抗減小,，電流增大。阻性控制器的經(jīng)典方法是假設(shè)有源層中的電流恒定不變,，無(wú)源層為等電位,。兩點(diǎn)觸摸時(shí)，這些假設(shè)不再成立,，為了提取所需的信息,，需要進(jìn)行更多測(cè)量。

阻性屏幕中的兩點(diǎn)觸摸檢測(cè)模型如圖2所示,。Rtouch為層間的接觸電阻,；在現(xiàn)有的大多數(shù)屏幕中，其數(shù)量級(jí)一般與兩層的電阻相同,。如果有一個(gè)恒定的電流I流經(jīng)有源層的兩端,，則有源層上的電壓為：

圖2 阻性屏幕兩點(diǎn)觸摸的基本模型

手勢(shì)識(shí)別

以“捏合”(pinch)作為范例可以更好地描述手勢(shì)識(shí)別的工作原理。捏合手勢(shì)從兩根分開(kāi)較遠(yuǎn)的手指觸摸開(kāi)始,，產(chǎn)生雙重接觸,，使得屏幕的阻抗降低,，有源層兩根電極之間的電壓差因此減小,。隨著兩根手指越來(lái)越接近，并聯(lián)面積減小，因而屏幕的阻抗提高,，有源層兩根電極之間的電壓差相應(yīng)地增大,。

緊密捏合后，并聯(lián)電阻趨于0,，Ru+Rd提高到總電阻,，因此電壓增大到：

圖3顯示了一個(gè)沿著垂直(Y)軸捏合的例子。當(dāng)手勢(shì)開(kāi)始時(shí),，其中一層的兩根電極之間的電壓恒定不變,，另一層則表現(xiàn)出階躍性降低，然后隨著手指相互靠近而提高,。

圖3 垂直捏合時(shí)的電壓測(cè)量

圖4顯示傾斜捏合時(shí)的電壓測(cè)量結(jié)果,。這種情況下，兩個(gè)電壓均表現(xiàn)出階躍性降低,，然后緩慢恢復(fù),。兩個(gè)恢復(fù)速率(利用各層的電阻歸一化)的比值可以用來(lái)檢測(cè)手勢(shì)的角度。

圖4 傾斜捏合時(shí)的電壓測(cè)量

如果手勢(shì)為縮放(手指分開(kāi)),，其行為可以從上述討論推導(dǎo)出來(lái),。圖5顯示了沿各軸及沿傾斜方向縮放時(shí)測(cè)得的兩個(gè)有源層電壓趨勢(shì)。

圖5 沿不同方向縮放時(shí)的電壓趨勢(shì)

利用AD7879檢測(cè)手勢(shì)

AD7879觸摸屏控制器設(shè)計(jì)用于與4線式阻性觸摸屏接口,。除了檢測(cè)觸摸動(dòng)作外,，它還能測(cè)量溫度和輔助輸入端的電壓。所有四種觸摸測(cè)量加上溫度,、電池,、輔助電壓測(cè)量，均可以通過(guò)編程寫(xiě)入其片內(nèi)序列器,。

AD7879結(jié)合一對(duì)低成本運(yùn)算放大器,，可以執(zhí)行上述捏合和縮放手勢(shì)測(cè)量，如圖6所示,。

下面的步驟說(shuō)明了手勢(shì)識(shí)別的過(guò)程：

在前半周期中,，將一個(gè)直流電壓施加于上層(有源 層)，并測(cè)量X+引腳的電壓(對(duì)應(yīng)于VY+ – VY–),，以提供與Y方向上的運(yùn)動(dòng)(接近還是分開(kāi))相關(guān)的信息,。

在后半周期中，將一個(gè)直流電壓施加于下層(有源 層),，并測(cè)量Y+引腳的電壓(對(duì)應(yīng)于VX+ – VX–),，以提供與X方向上的運(yùn)動(dòng)(接近還是分開(kāi))相關(guān)的信息。

圖6所示的電路需要為差分放大器提供保護(hù),，防止短接到VDD,。在前半周期中,，下方放大器的輸出短接到VDD。在后半周期中,，上方放大器的輸出短接到VDD,。為避免這種現(xiàn)象，AD7879的GPIO可以控制兩個(gè)外部模擬開(kāi)關(guān),，如圖7所示,。

圖6 基本手勢(shì)檢測(cè)應(yīng)用圖

圖7 避免放大器輸出短接到VDD的應(yīng)用圖

這種情況下，AD7879設(shè)置為從機(jī)轉(zhuǎn)換模式,，并且僅測(cè)量半個(gè)周期,。當(dāng)AD7879完成轉(zhuǎn)換時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)中斷,，主處理器重新設(shè)置AD7879以測(cè)量第二個(gè)半周期,，并且改變AD7879 GPIO的值。第二轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí),，兩層的測(cè)量結(jié)果均存儲(chǔ)在器件中,。

旋轉(zhuǎn)可以通過(guò)一個(gè)方向上的同時(shí)縮放和一個(gè)傾斜捏合來(lái)模擬，因此檢測(cè)旋轉(zhuǎn)并不困難,。挑戰(zhàn)在于區(qū)別旋轉(zhuǎn)是順時(shí)針(CW)還是逆時(shí)針(CCW),，這無(wú)法通過(guò)上述過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了檢測(cè)旋轉(zhuǎn)及其方向,，需要在兩層(有源層和無(wú)源層)上進(jìn)行測(cè)量,，如圖8所示。圖7中的電路無(wú)法滿足之一要求,，圖9提出了一種新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),。

圖8 順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)的電壓測(cè)量

圖9所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了如下功能：

半周期1：電壓施加于Y層，同時(shí)測(cè)量(VY+ – VY–),、VX–和VX+,。每完成一個(gè)測(cè)量，AD7879就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷,，以便處理器改變GPIO配置,。

半周期2：電壓施加于X層，同時(shí)測(cè)量(VX+ – VX–),、VY–和VY+,。

圖9中的電路可以測(cè)量所有需要的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)全部性能，包括：a)單點(diǎn)觸摸位置,；b)縮放,、捏合、旋轉(zhuǎn)手勢(shì)檢測(cè)和量化,；c)區(qū)別順時(shí)針與逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),。用兩點(diǎn)觸摸手勢(shì)來(lái)完成單點(diǎn)觸摸操作時(shí),，可以估計(jì)手勢(shì)的中心位置。

圖9 單點(diǎn)觸摸位置和手勢(shì)檢測(cè)的應(yīng)用圖

實(shí)用提示

輕柔手勢(shì)產(chǎn)生的電壓變化相當(dāng)微細(xì),。通過(guò)放大這種變化,，可以提高系統(tǒng)的魯棒性,。例如,，可以在屏幕的電極與AD7879的引腳之間增加一個(gè)小電阻，這將能提高有源層的壓降,，但單點(diǎn)觸摸定位精度會(huì)有所下降,。

另一種方法是僅在低端連接上增加一個(gè)電阻，當(dāng)X層或Y層為有源層時(shí),，僅檢測(cè)X–或Y–電極,。這樣就可以應(yīng)用一定的增益，因?yàn)橹绷髦迪喈?dāng)?shù)汀?/p>

ADI公司有許多放大器和多路復(fù)用器可以滿足圖6,、圖7和圖9所示應(yīng)用的需求,。測(cè)試電路使用AD8506雙通道運(yùn)算放大器和ADG16xx系列模擬多路復(fù)用器；多路復(fù)用器的導(dǎo)通電阻很低,，采用3.3V單電源供電,。

結(jié)束語(yǔ)

利用AD7879控制器和極少的輔助電路，可以檢測(cè)縮放,、捏合和旋轉(zhuǎn),。只需在有源層上進(jìn)行測(cè)量，就能識(shí)別這些手勢(shì),。在主處理器的控制下,，利用兩個(gè)GPIO測(cè)量無(wú)源層的電壓，可以區(qū)別旋轉(zhuǎn)方向,。在該處理器中執(zhí)行相當(dāng)簡(jiǎn)單的算法,，就能識(shí)別縮放、捏合和旋轉(zhuǎn),，估計(jì)其范圍,、角度和方向。

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