了解触摸屏技术和设计

在手机、办公设备、扬声器、数码相框、电视控制按钮、遥控器、GPS系统、汽车遥控器、医疗监控设备中，触摸屏无处不在。作为一个组件，它们已经渗透到每一个行业、每种产品类型、每种尺寸和每种应用程序的每一个价位。触摸屏无处不在。事实上，如果一个产品有LCD或按钮，那么某个地方的设计师可能正在评估它们如何实现触摸屏技术。与任何技术一样，在设计触摸屏时有许多不同的实现方法、性能承诺和许多不同的技术考虑。

触摸屏剖析

了解自己需要什么是设计触摸屏产品的重要第一步。触摸屏供应链中的供应商经常提供不同的拼图块，经常将几个拼图组合在一起，为最终客户创建一个价值链。图1显示了触摸屏生态系统的放大图。无论是最新的笔记本电脑还是最新的触控手机，这种生态系统都是一样的。

图1 触摸屏控制器

#1前面板或挡板

前面板或挡板是最终产品的最外层皮肤。在某些产品中，此挡板将包含一个保护性的透明覆盖层，以防止天气和湿气进入系统，并防止刮伤和破坏底层传感器技术（见下文#3）。其他时候，最外面的挡板只是覆盖底层触摸传感器的边缘；在这种情况下，它纯粹是装饰性的。

#2触摸控制器

触摸控制器通常是一个基于微控制器的小型芯片，位于触摸传感器和嵌入式系统控制器之间。该芯片可以位于系统内部的控制板上，也可以位于粘贴在玻璃触摸传感器上的柔性印刷电路（FPC）上。该触摸控制器从触摸传感器获取信息，并将其转换为PC或嵌入式系统控制器可以理解的信息。

#3触摸传感器

触摸屏“传感器”是一个透明的玻璃面板，具有触控响应表面。该传感器放置在LCD上，这样面板的触摸区域覆盖了视频屏幕的可视区域。目前市场上有许多不同的触摸传感器技术，每种技术都使用不同的方法来检测触摸输入。基本上，这些技术都使用流经面板的电流，当触摸时，会引起电压或信号的变化。该电压变化由触摸控制器感测，以确定触摸在屏幕上的位置。

#4液晶显示器

大多数触摸屏系统在传统液晶显示器上工作。触摸式产品的液晶显示器的选择应与传统系统中的相同：分辨率、清晰度、刷新速度和成本。然而，触摸屏的一个主要考虑因素是电子发射的水平。因为触摸传感器的技术是基于触摸面板时的微小电气变化，所以发出大量电噪声的液晶显示器很难设计。在为触摸屏系统选择LCD之前，应咨询触摸传感器供应商。

#5系统软件

触摸屏驱动程序软件可以从工厂发货（在手机的嵌入式操作系统中），也可以作为附加软件提供（比如在传统PC上添加触摸屏）。该软件允许触摸屏和系统控制器协同工作，并告诉产品的操作系统如何解释从控制器发送的触摸事件信息。在PC风格的应用程序中，大多数触摸屏驱动程序都像PC鼠标一样工作。这使得触摸屏幕类似于在屏幕上的同一位置单击鼠标。在嵌入式系统中，嵌入式控制器驱动程序必须将屏幕上显示的信息与接收到的触摸位置进行比较。

触摸屏技术的三大巨头

电阻式触摸屏是最常见的触摸屏技术。它们用于高流量应用，对屏幕上的水或其他碎片不起作用。电阻式触摸屏通常是成本最低的触摸屏实现。因为它们对压力有反应，它们可以被手指、戴手套的手、手写笔或其他像信用卡一样的物体激活。

表面电容式触摸屏比电阻式触摸屏通常使用的塑料盖显示更清晰。在表面电容式显示器中，显示器四个角上的传感器检测由于触摸而引起的电容变化。这些触摸屏只能由手指或其他导电物体激活。

投影电容式触摸屏是最新进入市场的产品。这项技术也提供了优越的光学清晰度，但与表面电容屏幕相比，它有着显著的优势。投影电容式传感器无需位置校准，可提供更高的定位精度。投影电容式触摸屏也非常令人兴奋，因为它们可以同时检测多个触摸。

触摸屏的工作原理

我们来看看这两种最常见的触摸屏技术。最广泛使用的触摸屏技术是电阻式的。大多数人以前在银行的自动取款机、大多数商店的信用卡结账，甚至在餐馆输入订单时，都使用过这种电阻式触摸屏。另一方面，投射式电容触摸屏还没有普及，但市场势头正在增强。许多手机和便携式音乐播放器开始在市场上推出投影电容接口。电阻和电容技术都有很强的电气元件，都使用ITO（铟锡氧化物，一种透明导体），而且这两种技术都将在未来很长一段时间内出现。

电阻式触摸屏由柔性顶层、ITO（铟锡氧化物）、气隙和另一层ITO组成。该面板有4根导线连接到ITO层：一根在“X”层的左侧和右侧，另一根位于“Y”层的顶部和底部。

图2 “电阻”（左）和“电容”（右）屏幕的堆叠层

当柔性顶层被按下以接触下层时，检测到触摸。触摸位置的测量分两步进行：首先，“X右”被驱动到一个已知的电压，“X左”被驱动到接地，并从Y传感器读取电压。这将提供X坐标。对另一个轴重复此过程，以确定手指的准确位置。

电阻式触摸屏也有5线和8线版本。5线制版本用低电阻的“导电层”取代了ITO的顶层，从而提供了更好的耐用性。开发8线面板是为了通过更好地校准面板特性来实现更高的分辨率。

电阻技术有几个缺点。柔性顶层的清晰度只有75%-80%，电阻式触摸屏测量过程有几个误差源。如果ITO层不均匀，整个传感器的电阻不会线性变化。测量电压的精度要求达到10或12位，这在许多环境中很困难。许多现有的电阻式触摸屏也需要定期校准，以使触摸点与底层LCD图像重新对齐。

相反，投影电容式触摸屏没有活动部件。液晶显示器和用户之间唯一的东西就是ITO和玻璃，它们具有接近100%的光学清晰度。投影电容传感硬件包括一个玻璃顶层（见图2），接着是一个X传感器阵列，一个绝缘层，然后是一个玻璃基板上的Y传感器阵列。面板将为每个X和Y传感器配备一条导线，因此5 X 6面板将有11个连接（如下面的图3所示），而10 x 14面板将有24个传感器连接。

图3 行和列的信号强度表示触摸的位置

当手指或其他导电物体接近屏幕时，它会在传感器和手指之间产生一个电容器。这个电容器相对于系统中的其他电容器来说是小的（20pF中的0.5pF），但它很容易测量。使用∑-Δ调制器（CSD）的电容传感是一种常见的测量技术，它包括对电容器进行快速充电，并通过放气电阻器测量放电时间。

设计了一个投影电容式传感器阵列，使手指一次可以与多个X传感器和多个Y传感器交互（见图3）。这使得软件能够通过插值精确地确定手指的位置。例如，如果传感器1、2和3看到3、10和7的信号，则手指的中心位于（1*3+2*10+7*3）/（3+10+7）=2.2。

由于投影电容面板有多个传感器，它们可以同时检测多个手指，这在其他技术中是不可能的。事实上，投射电容已经被证明可以同时检测多达十个手指。这使得基于多个手指按压的令人兴奋的新应用成为可能，包括手持电子设备的多人游戏或触摸屏钢琴演奏。

毫无疑问，触摸屏非常好看。他们已经开始定义一个新的用户界面和工业设计标准，这个标准正在全世界被采用。从心率监视器到最新的一体式打印机，触摸屏正迅速成为技术设计的标准。然而，除了外观之外，触摸屏还提供了无与伦比的防篡改、防风雨、耐磨损的安全性，甚至还通过多点触控触摸屏等独特功能开创了全新的市场。随着触摸屏在众多产品中的应用，设计工程师必须了解技术生态系统和技术可用性。