电容式触摸屏应用技巧

投射电容式触摸屏技术的技术原理依旧还是以电容感应为主，基本上仍是表面电容式触摸屏的延伸。在技术上是利用经严谨设计一个或多个蚀刻后的铟锡氧化物模板，增加数组（组数愈多，检测精度与丰富度相对愈高）存在不同平面、同时又相互垂直的透明导线构成类似X、Y轴驱动线。

而这些导线都是由电容检测芯片控制，当电流经驱动线驱动其中的导线时，与检测电容值变化的导线相通，控制芯片依序轮流检测电容值变化数据输入至主控制器，确认触点位置后，由于透明导线在面板形成三维电场，因此触点的近测感应不需触按屏幕即可发生，甚至此技术可以做到Z轴检测分辨应用。

投射电容式触摸屏若用较简单的说法，可以说是根据屏幕表面的X、Y轴电极信号分布改变状态，进而计算出屏幕表面实际触摸点的交叉几何坐标，目前此技术已可在5mm厚的面板达到1024×1024触摸点检测分辨率。

在触摸屏中，ITO是以平面导体的形式存在，每一个方块区域对应着同样的阻抗。根据这一原则，推荐使用菱形的感应单元，因为连接这些菱形的导线可以用最少的方块区域（少于等于2个）拼接而成。

投射电容式触摸屏也是在玻璃表面用ITO制作横向电极与纵向电极，它与表面电容式触摸屏的区别在于：两组电极交叉的地方将会形成电容，也即这两组电极分别构成了电容的两极。当手指触摸到电容式触摸屏时，影响了触摸点附近两个电极之间的耦合，从而改变了这两个电极之间的电容量。检测互电容大小时，横向的电极依次发出激励信号，纵向的所有电极同时接收信号，这样可以得到所有横向和纵向电极交汇点的电容值大小，即整个触摸屏的二维平面电容大小。根据触摸屏二维电容变化量数据，可以计算出每一个触摸点的坐标。因此，触摸屏上即使有多个触摸点，也能计算出每个触摸点的真实坐标。

苹果公司的iPhone让触摸屏产业重新被重视，以往触摸屏技术多以4线电阻式触摸屏为主，而iPhone采用投射电容式触摸屏，让触摸行为检测更细致，由于具有近场检测与较高的灵敏度，亦可避免刮损及屏幕破裂问题。

投射电容式触摸屏拥有支持多点触摸优势，只需指腹轻触无需使用触摸笔，拥有更高屏幕透光率，整体功耗将更省电，增加使用寿命且无需校正等优点。

1.FocalTech投射电容解决方案

敦泰科技公司（Focal Tech）是较早开始投射电容式触摸屏技术研究和开发的公司之一，在互电容领域拥有数十项国内国际专利，包括投射电容式触摸屏屏体的设计，投射电容式触摸屏检测电路、触摸检测算法、环境自适应算法等技术。利用Focal Tech自有专利技术，可以大幅提升投射电容式触摸屏的以下性能：

（1）抗电磁干扰能力

抗电磁干扰能力是影响电容式触摸屏系统性能最关键的因素，从2007年起，即有公司开始提供自电容方案的电容式触摸屏技术，但由于抗电磁干扰设计较差，经常发生来电时无法接电话，或者通话结束时无法挂电话的情况。再加上环境变化时触摸屏失效频繁，造成了多个电容式触摸屏手机项目失败。Focal Tech借鉴了现代无线通信领域的跳频技术，同时提高了发送功率，在提高系统信噪比的同时有效抑制了电磁干扰。

（2）信噪比

信噪比（SNR）定义为接收到的信号功率和噪声功率的比值，SNR是触摸屏系统性能另一个关键因素，其高低直接决定了触摸屏的精度、线性度和分辨率等性能的好坏。Focal Tech主要通过3个途径提高SNR。首先是提高信号发送功率。提高了信号发送功率，相应地就提高了接收到信号的功率，从而增加了SNR。其次，降低噪声也是一个有效的方法，Focal Tech提供的触摸屏设计方案都做了非常好的屏蔽设计，例如，在触摸屏底部靠LCD一侧增加地平面，在屏体四周增加地线隔离等。这些措施可有效降低噪声的功率。还有一个办法就是提高触摸引起的电容变化量，触摸电容变化量正比于信号功率，即触摸变化量越大，则检测到的信号功率越大。Focal Tech独有的触摸屏专利技术，能大大提高触摸引起的电容变化率，通常能达到30％以上，远远高于iPhone所采用的触摸屏仅为18％的变化量。

（3）环境适应性

自动适应环境变化，对触摸屏系统亦十分重要。触摸屏直接暴露在空气中，空气的温度、湿度都会影响触摸屏电容的大小。而触摸屏表面的水滴，则有可能直接造成误触摸。一个良好的设计，必须能在非常大的范围适应环境温度湿度的变化，并且在有少量水的条件下，能正常进行触摸。Focal Tech专门开发了环境自适应算法，并配合相应的触摸屏设计，已经完全解决了环境变化对触摸屏影响的问题。

（4）功耗

对于便携式设备而言，功耗也非常关键。而互电容技术采用了二维检测而不是自电容的一维检测，大大增加了检测电路的功耗和后期处理数据的功耗。通常而言，相同规格的触摸屏，互电容技术功耗为自电容技术的2～3倍。因此，降低功耗变得十分关键。Focal Tech同时采用了多项技术来降低功耗。在IC设计时，把功耗列为约束第一位，如采用低功耗结构、低功耗工艺、增加硬件加速器等。在坐标计算中，Focal Tech开发出了快速坐标计算方案，可简化计算量，大大降低了数据后期处理的时间和功耗。此外，还设计了多个功耗模式，系统可以灵活使用这些模式，降低整体使用功耗。根据实测，Focal Tech的方案功耗仅为同类方案功耗的一半左右。

2.CypressTrueTouch电容触摸屏方案和用户模块

Cypress True Touch电容触摸屏方案包括单点触摸用户模块、多点触摸识别手势和多点触摸识别位置用户模块，分别支持相对应的芯片型号。多点触摸识别手势用户模块（对应CY8CTMG100/110/120）支持一个和两个手指的手势操作，可以实现平移、缩放和旋转手势，它也支持将采样获得的原始数据上传到主机，后者可以开发自定义的手势。多点触摸识别手势用户模块基于CSDADC技术（Cap Sense Sigma-Delta Plus ADC），它是一种PSoC内部的数字、模拟混合模块，在不进行系统重配置的前提下，允许独立地扫描Cap Sense感应单元和测量输入电压。通过对可变的IDAC进行校正，提供了比以前CSA/CSD技术更高的电容检测性能。多点触摸识别手势用户模块对投射电容式触摸屏的典型物理分辨率为0.2mm，可以很好地应用于逻辑分辨率为320×240或480×360的LCD屏。

（1）Cypress True Touch电容触摸屏方案

Cypress PSoC技术将可编程模拟、数字资源集成在单个芯片上，为投射电容式触摸屏提供了True Touch解决方案，它涵盖了从单点触摸、多点触摸识别手势到多点触摸识别位置的全部领域。配合高效灵活的PSoC Designer5.0开发环境，Cypress True Touch方案正在业界获得广泛的应用。

图2-53 轴坐标式感应单元矩阵的图形

图2-53所示为Cypress True Touch方案中经常使用的轴坐标式感应单元矩阵的图形，类似于触摸板，将独立的ITO感应单元串联在一起可以组成Y轴或X轴的一个感应单元，行感应单元组成Y轴，列感应单元组成X轴，行和列在分开的不同层上。多点触摸识别位置方法是基于互电容的触摸屏检测方法（行单元上加驱动激励信号，列单元上进行感应，有别于激励和感应的是同一感应单元的自电容方式），可以应用于任何触摸手势的检测，包括识别双手的10个手指同时触摸的位置，如图2-54所示。它通过互电容检测的方式可以完全消除“鬼点”，当有多个触摸点时，仅当某个触摸点所在的行感应单元被驱动，列感应单元被检测时，才会有电容变化检测值，这样就可以检测出多个行、列交叉处触摸点的绝对位置，方案同时显示了5个手指触摸点的位置。

图2-54 Cypress True Touch多点触摸识别位置

图2-55所示为Cypress True Touch方案的不同应用领域，包括触摸按键、图像的两手指手势操作，以及同时识别多点触摸位置和控制多个目标。

图2-55 Cypress True Touch电容式触摸屏方案

随着消费移动通信设备越来越多地采用数字方式和集成更多的功能，对于产品的设计来说，开发直观的创新型用户接口（UI）方案变得更为重要。作为用户接口设计的一部分，投射电容式触摸屏有助于应对这一挑战。

要设计一款成功的投射电容式触摸屏系统，需要仔细考虑产品的机械设计、基底选择和用户接口，另外，在设计过程的所有阶段都要在成本和技术之间进行折中。与电阻式触摸屏技术不同，投射电容式触摸屏更易于处理手指的动作，特别是多点触摸输入。

用投射电容式触摸屏实现的几种常见的多点触摸手势包括手指的张合、缩放、双指的滑动和旋转。它们可以快速方便地处理数据、内容和用户参数。便携游戏、文本、电子邮件应用也可以利用多点触摸屏技术，在一个多指触摸过程中，多触点APA（全点可寻址）模式可以精确地测定每个手指所触摸的坐标位置。

不用先按Shift键更换字符集然后再输入实际字符，多点触摸可以同时点击Shift键＋实际字符。多点触摸方式在GPS导航中也有广泛的应用。不用输入起始地和目的地，APA可在屏幕上实现目标位置的选择，让人们更快地到达目的地。

图2-56所示为多点触摸识别手势的系统应用框图，演示了多点触摸操作可能出现的一些情况。True Touch芯片CY8CTMG110/120使用自电容技术，同时检测行、列感应单元的电容变化，并将相应的触摸位置、手势标识等数据通过I²C/SPI/TX8等通信接口传送到主机端。P3.1的外部电阻是CSDADC的采样反馈电阻，它与电容检测的灵敏度成正比；P0.3的外部电容是采样调制电容，P0.3的外部电阻是分流电阻，可以适当地提高电容检测的信噪比。

图2-56 多点触摸识别手势的系统应用框图

图2-57所示为应用True Touch芯片时推荐的LCD电容式触摸屏结构，从上到下依次是：

1）保护性覆盖层（玻璃或PET，应使用薄的以及高介电常数的材料，提高对手指触摸的感应灵敏度）。

2）光学胶和偏光片（需要调整生产工艺，使得光学参数匹配以减少光损失，提高整体透明度）。

图2-57 典型的LCD电容式触摸屏结构

3）ITO行感应单元层。

4）绝缘层（为了减小行/列感应单元交叉部分产生的寄生电容，应适当提高此绝缘层的厚度，并选用介电常数低的材料）。

5）ITO列感应单元层。

6）绝缘层。

7）ITO屏蔽层（是一个整体的ITO层，它由转换频率时钟输出到一根选定的I/O直接驱动，可以有效地减小耦合电容的影响，屏蔽来自LCD屏的噪声干扰）。

8）空气间隙（位于触摸屏与LCD屏之间，利用空气的低介电常数减小来自LCD屏的辐射噪声和寄生电容，建议厚度大于或等于0.4mm）。

9）LCD显示屏表面。

（2）Cypress True Touch用户模块

图2-58所示为带自校正的多点触摸识别手势的电路框图。在图2-58中的点画线框部分由频率f_SW驱动，感应单元C可以等效为阻抗1/（Cf_SW）。电流平衡公式为

I_MOD＝I_SENSOR＋I_DAC－I_OFFSET （2-14）

图2-58 带自校正的多点触摸识别手势的电路框图

根据运算放大器的输入虚短原则，电路达到动态平衡时R_B上端的电压等于参考电压V_REF；DMOD是开关的控制信号，它正比于A-D转换器转换结果的占空比：(www.xing528.com)

duty＝ADC_Result/（2^N－1） （2-15）

式中，N是A-D转换器采样的位数，（2^N－1）对应A-D转换器采样结果的最大值。

因此

I_MOD＝V_REF·duty/R_B （2-16）

I_SENSOR＝CF_SW（V_DD－V_REF） （2-17）

I_OFFSET＝V_REF/R_O （2-18）

由此得到

ADC_Result＝（2^N－1）·（R_B/V_REF）·[CF_SW（V_DD－V_REF）＋I_DAC－（V_REF/R₀）] （2-19）

在图2-58中，自校正部分是引入的（I_DAC－I_OFFSET），通过调用用户模块函数：TRUE-TOUCH_GESTURE_AutoCalibration（）可以自动补偿部分来自感应单元的电流，使A-D转换器采样结果不超出最大值，而且由于自校正部分是与感应单元C无关的常量，不会影响到感应灵敏度。

图2-59列出了多点触摸识别手势用户模块的参数，其中在两种场合下有不同的滤波器：对于原始数据RawData可以选择Jitter、Median（中值）或IIR（infiniteimpulseresponse）滤波器；对于X、Y位置数据可以选择Jitter或IIR滤波器。

多点触摸识别手势用户模块支持的基本手势有：

1）单手指手势。单击，双击，旋转（向右、向左），平移（上、下、左、右）。

2）两手指手势。平移（上、下、左、右），缩放（放大、缩小）。

3）通过调用API-TRUETOUCH_GESTURE DetectGestures（），可以获得当前的手势标识（Gesture）和手势。参数（ParameterMSB/LSB）见表2-4。

图2-59 多点触摸识别手势用户模块的参数

表2-4 多点触摸识别手势的手势标识（Gesture）和手势参数（Parameter）

3.PSoC电容式触摸屏解决方案

不管是电容式还是电阻式触摸屏，都依赖于一种透明的导电体材料，即铟锡氧化物（ITO）。投射电容式触摸屏在玻璃或其他透明基底上用ITO做出X、Y矩阵图形，如图2-60所示，这些图形就是电容感应所需要的电极。利用ITO的导体特性产生原始的寄生电容，当手指接近某个感应电极时，相当于在原来的电容基础上并联了新的电容，从而使感应电极对地（扫描某个特定电极时，其他电极被接到地上）的电容发生变化。通过在PSoC内部搭建电路，并用内建8位处理器的程序来控制电路的工作，就可以把电容的变化转化成计数值的变化。PSoC根据每个感应电极上的电容变化量计算出X和Y方向的精确坐标，分辨率随着电极数和电极之间的中心距离而变化。

ITO的透光度与表面阻抗成正比，即透光度越高，表面阻抗越大，但在透光度一定的情况下，ITO的图形设计也对阻抗有影响。由于这个特性，基于ITO的电容式触摸屏感应设计要面对不小的挑战，因为阻抗的存在，增加了电容充放电的时间，从而使感应时间变长，信噪比（SNR）也会相应降低。尽量减少感应电极的固有阻抗，是设计投射电容式触摸屏的关键因素。

在触摸屏中，ITO是以平面导体的形式存在，每一个方块区域对应着同样的阻抗。根据这一原则，Gypress公司推荐使用菱形的感应单元，因为连接这些菱形的导线可以用最少的方块区域（少于等于2个）拼接而成，如图2-61所示。

图2-60 投射电容式触摸屏的ITO图形

图2-61 方块区域拼接图

图2-62 X-Y矩阵式设计可实现多点检测、无法实现多点解析

这种X-Y矩阵式的设计可以实现多点检测，但还无法实现多点解析。如图2-62所示，当两个点同时作用到屏上时，X和Y方向上检测到的信号体现为在两个不同位置上出现峰值，而这样的输出却对应两种不同的输入，即图2-62中的一对黑点和一对白点，控制器无法判断手指当前作用在哪一对点上。

当两个点同时作用到屏上时，在X和Y方向上检测到的信号体现为在两个不同位置上出现峰值，尽管如此，利用PSoC的后端处理能力依然可以实现丰富的两点手势输入，如抓取、拖曳、缩放、旋转等。从某种意义上讲，这种方案兼顾了可操作性和成本。Cypress公司也提供更多的拓展方案供用户选择，比如增加坐标轴的数目和分割屏，这些方案可在一定程度上增加解析点的数目，但成本和设计复杂度都相应增加。

由于PSoC的可配置、可编程的特点，Cypress公司的投射电容式触摸屏方案具有得天独厚的优势。首先，与ASIC和固定功能的解决方案不同，PSoC可以在单片上同时实现离散按键、滑动条、触摸屏甚至是接近式感应。很多用户在实现触摸屏的设计时，并不要求在屏上所有区域都输出X和Y坐标，在某些特定的区域（如屏幕底部）可能仅需要固定位置的按键功能。在另外一些应用中的触摸屏需要接近式感应功能，如当人体靠近到10cm之内时就打开屏幕背光。这些特殊需求都可以用单片PSoC实现，对于不同的感应方式设置不同的参数，通过PSoC来动态配置。其次，PSoC内置的8位处理器可以实现对多点手势操作的识别和提取，把精简的指令信息发送给主处理器，能在很大程度上减轻主处理器的运算压力。

此外，PSoC内部丰富的模拟和数字资源以及强大的运算能力为设计者提供了优化系统设计的可能。在一个实际的案例中，一只PSoC同时实现了触摸感应、周围光线强度感应和LCD背光控制。

投射电容式触摸屏可用玻璃作基底，透光率高，使用中没有机械变形，并支持多点触摸，因此投射电容式触摸屏被广泛地应用在各个领域中。比如，随着手机对多媒体功能的需求增大，以及3G应用的推广，用户迫切需要有更丰富的多点操作方式来简化手机的使用，比如对图片或视频的缩放和旋转，浏览网页时的快速导航。

另外，一些手持的游戏机往往要求多个键同时按下，以实现不同的操作，同时又要求减少机械键的数目，增加屏幕的尺寸，而这恰好是多点触摸屏的用武之地。在一些多媒体信息导航的设备或GPS中，对地图的截取和缩放也是多点触摸屏的典型应用模式。

总之，基于PSoC的投射电容式触摸屏方案增加了用户界面的可操作性，而PSoC所具有的很高的灵活性和可扩展性，也有助于新产品的开发和推广。

在目前的电容式触摸屏解决方案中，Cypress公司PSoC产品以可编程，设计灵活，一致性好，再加上高效的PSoC Express/PSoC Designer开发环境而处于领先地位。PSoC Cap Sense技术是根据电容感应的原理使用CSA或CSD模块来实现的。PCB或触摸屏上相邻的感应模块或导线之间会存在寄生电容，如图2-63中的C_p，当有手指接近或触摸两个相邻感应模块时，相当于附加了两个电容，它们相当于并联在C_p上的电容C_f。利用PSoC的CSA和CSD技术可以检测到这个电容上的变化，从而确定有没有手指触摸。

PSoC触摸屏解决方案的优点还体现在：

1）这是一种单芯片方案，与传统方案相比减少了外部器件，降低了系统总体BOM成本。

2）通过使用I²C-USBBridge和其他相关工具，结合PSoC Express/PSoC Designer开发环境，可以极大地节省开发时间和费用。

图2-63 PSoCCypress检测电容原理

3）PSoC内部的I/O和各种模拟、数字模块可以实现动态重配置，不需要修改原理图和PCB就可以更新设计以适应新的需求。它还支持多种通信接口I²C/UART/SPI/USB，可以和各种接口的主机方便连接，这些都会降低系统更新的成本。

4）PSoC可以针对外界环境变化、射频干扰、温度变化、电源波动等灵活设置参数，在LCD显示器、手机、数码相机和白色家电的触摸屏控制中得到了广泛的应用。

5）除了控制触摸屏以外，PSoC还可实现LED背光控制、电动机控制、电源管理、I/O扩展等增值功能。

PSoC已经应用在多种尺寸的触摸屏中，如果要实现表面电容式触摸屏的控制，可以由CY8C21×34或CY8C24×94系列通过CSD模块来实现。实现投射电容式触摸屏的控制，可以由CY8C20×34系列通过CSA模块，也可由CY8C21×34或CY8C24×94系列通过CSD模块来实现。

在触摸屏产品的设计中，需要对性能和成本进行权衡。电阻式触摸屏的成本较低，竞争就很激烈，而且在性能和应用场合上有一定局限。

1）电容式触摸屏只需要触摸，而不需要压力来产生信号。

2）电容式触摸屏在生产后只需要一次或者完全不需要校正，而电阻式触摸屏技术需要常规的校正。

3）电容方案的寿命长，因为电容式触摸屏中的部件不需任何移动。在电阻式触摸屏中，上层的ITO薄膜需要足够薄才能有弹性，以便向下弯曲接触到下面的ITO薄膜。

4）电容式触摸屏技术在光损失和系统功耗上优于电阻式触摸屏技术。

5）选择电容式触摸屏技术还是电阻式触摸屏技术主要取决于触摸屏幕的物体。如果是手指触摸，电容式触摸屏是比较好的选择。如果需要触摸笔，不管是塑料还是金属的，电阻式触摸屏可以胜任。电容式触摸屏也可以使用触摸笔，但是需要特制的触摸笔来配合。

6）表面电容式触摸屏可以用于大尺寸触摸屏，并且相对成本也较低，但目前无法支持手势识别；感应电容式触摸屏主要用于中小尺寸触摸屏，并且可以支持手势识别。

7）采用电容式触摸屏技术的触摸屏耐磨损、寿命长，用户使用时维护成本低，因此生产厂商的整体运营费用可被进一步降低。