全面认识触摸屏（图）

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触摸屏因其坚固耐用、反应速度快、节省空间易于交流等诸多优点，在手机电脑、多媒体播放器等产品中得到了广泛应用，并且日益普及，尤其是在苹果公司iPhone产品的带动下，触摸屏的出货量强劲增长。下面就触摸屏的组成及工作原理作一介绍，希望对大家全面认识这一新技术有所帮助。
一、触摸屏的分类
         触摸屏主要有以下8种不同的方式:电阻式表面电容式、投射电容式、表面声波式、红外式、弯曲波式、有源数字转换器式和光学成像式。它们又可以分为两类，一类需要ITO，比如前三种触摸屏，另一类的结构中不需要ITO，比如后几种屏。目前，市场上使用ITO材料的电阻式触摸屏和电容式触摸屏应用最为广泛。
        ITO是铟锡氧化物的英文缩写，它是一种透明的导电体，可通过调整铟和锡的比例，选择沉积方法、氧化程度以及晶粒的大小来调整这种物质的性能。薄的ITO材料透明性好，但是阻抗高;厚的ITO材料阻抗低，但透明性会变差。在PET聚脂薄膜上沉积时，反应温度会降到150°C以下，这就导致了ITO氧化不完全。在之后的应用中，ITO暴露在空气或空气隔层里，其单位面积阻抗因为自然氧化而随时间变化，这就是电阻式触摸屏需要经常校正的原因。

              1.电阻式触摸屏
               电阻触摸屏的一个侧面剖视图如图1所示。手指触摸的表面是-一个硬涂层，用以保护下面的PET层。PET层是很薄的有弹性的PET薄膜，当表面被触摸时它会向下弯曲，并使得下面的两层ITO涂层能够相互接触并在该点连通电路。两个ITO层之间是一些约2.5nm厚的隔离支点，最下面是一个透明的硬底层，用来支撑上面的结构，通常是玻璃或者塑料。
       电阻触摸屏的多层结构会导致很大的光损失，对于手持设备通常需要加大背光源来弥补透光性不好的问题，因此会增加电池的消耗。电阻式触摸屏的优点是它的屏和控制系统都比较便宜，反应灵敏度也很好。
2.电容式触摸屏
      电容式触摸屏也需要使用ITO材料，而且它的功耗低、寿命长，但是较高的成本使它在前些年不太受关注。自从Apple推出的iPhone后，该机不仅提供了友好的人机界面，而且操作流畅，这使电容式触摸屏受到了市场的追捧，各种电容式触摸屏产品纷纷面世。而且随着工艺进步和批量化，它的成本不断下降，开始显现逐步取代电阻式触摸屏的趋势。

               (1)表面电容触摸屏
               表面电容触摸屏只采用单层的ITO，当手指触摸屏表面时，就会有一定量的电荷转移到人体。为了恢复这些电荷损失，电荷从屏幕的四角补充进来，如图2所示。由于各方向补充的电荷量和触摸点的距离成比例，所以可以凭此推算出触摸点的位置。
       表面电容ITO涂层通常需要在屏幕的周边加上线性化的金属电极，来减小角落/边缘效应对电场的影响。有时ITO涂层下面还会有一-个ITO屏蔽层，用来阻隔噪音。表面电容触摸屏至少需要校正-次才能使用。

                (2)感应电容式触摸屏
                感应电容触摸屏与表面电容触摸屏相比，可以穿透较厚的覆盖层，且不需要校正。感应电容式触摸屏在两层ITO涂层.上蚀刻出不同的ITO模块，如图3所示，由于考虑模块的总阻抗及模块之间的连接线的阻抗，两层ITO模块交叉处产生的寄生电容等因素，并且为了能检测到手指触摸，ITO模块的面积应比手指面积小，当采用菱形图案时，对角线长通常控制在4mm~6mm。
        在图3中，绿色和蓝色的ITO模块位于两层ITO涂层上，可以把它们看作是X和Y方向的连续变化的滑条，对X和Y方向，上不同的ITO模块分别进行扫描，以获得触摸点的位置和触摸的轨迹。两层ITO涂层之间是PET或玻璃隔离层，后者透光性更好，可以承受更大的压力，并且可通过特殊工艺直接镀在LCD表面。
       感应电容式触摸屏检测到的触摸位置对应于感应到最大电容变化值的交叉点，对于X轴或Y轴来说，则是对不同ITO模块的信号量取加权平均得到的位置量，系统然后在触摸屏下面的LCD上显示出触摸点或轨迹。

                另外，触摸屏的下面是LCD显示屏，它的表面会和靠近的ITO涂层的ITO模块产生寄生电容。因此，安装时通常在两层之间保留-定的空气，以降低寄生电容的影响。
                目前，在电容式触摸屏解决方案中，Cypress PSoC产品已可编程，设计灵活，致性好，再加上高效的PSoC Express / PSoC designer开发环境而处于领先地位。PCB板或触摸屏上相邻的感应模块或导线之间会存在寄生电容Cp，如图4所示。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Cp上的电容Cf.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。
        表面电容式可以用于大尺寸触摸屏，并且其成本也较低，但目前无法支持手势识别;感应电容式主要用于中小寸触摸屏，并且可以支持手势识别。
3.电容式触摸屏的优点
        在触摸屏产品的设计中，需要对性能和成本进行权衡。电阻触摸屏的成本较低，竞争就很激烈，而且在性能和应用场合上有一定局限，与电阻式触摸屏相比，电容式触摸屏具有以下优点:(1)电容触摸屏只需要触摸，而不需要，压力来产生信号。(2)电容触摸屏在生产后只需要一次或者完全不需要校正，而电阻式需要常规的校正。
        (3)电容触摸屏的寿命会长些，因为电容触摸屏中的部件不需任何移动。电阻触摸屏中，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IO薄膜。
        (4)电容技术在光损失和系统功耗上优于电阻技术。
        (5)电容式技术耐磨损、寿命长，用户使用时维护成本低，因此生产厂家的整体运营费用可进一步降低。
        另外，选择电容技术还是电阻技术主要取决于触碰屏幕的物体。如果是手指触碰，电容触摸屏是比较好的选择。如果需要触笔，不管是塑料还是金属的，电阻触摸屏可以胜任。电容触摸屏也可以使用触笔，但是需要特制的触笔来配合。
        4.电容式触摸屏的发展趋势

                电容触摸屏已经应用在了iPhone及其他手持设备上，定位单点轨迹/模拟鼠标双击是它的基本功能，而对多手指手势操作的识别和应用成为当前市场的热点。在便携式应用中，用户一- 手拿着设备，只能用另一只手操作，因此识别多手指的抓取、平移、伸展、压缩、旋转、翻页等手势操作就显得尤为重要，如图5所示。
                 PSoC感应电容触摸屏已经可以实现多点检测，从而支持两手指的手势识别。可以预见，支持手势识别的电容式触摸屏将在市场上大放光彩。
二、电阻式触摸屏的组成和控制原理
        很多LCD模块都采用了电阻式触摸屏，这些触摸屏等效于将物理位置转换为代表XY坐标的电压值的传感器，通常有四线、五线、七线和八线之分，下面分别对该类触摸屏的组成结构、实现原理以及检测触摸的方法进行介绍。
         过去，为了将电阻式触摸屏上的触摸点坐标读人微控制器，需要使用一个专用的触摸屏控制器芯片，或者利用一个复杂的外部开关网络来连接微控制器中的模数转换器(ADC)。夏普公司的LH75400/01/10/11系列和LH7A404等微控制器都带有一个内含触摸屏偏置电路的ADC，该ADC采了一种逐次逼近寄存器(SAR)类型的转换器。采用这些控制器可以实现在触摸屏传感器和微控制器之间进行直接接口，无需CPU介入的情况下控制所有的触摸屏偏置电压，并记录全部测量结果。
          提示：电阻式触摸屏是一种传感器，它将矩形区域中触摸点(X，Y)的物理位置转换为代表X坐标和Y坐标的电压。很多LCD模块都采用了电阻式触摸屏，这种屏幕可以用四线、五线、七线或八线来产生屏幕偏置电压，同时读回触摸点的电压。

                 1.寄存器(SAR)结构
                 SAR的实现方法很多，但它的基本结构很简单，如图6所示。该结构将模拟输人电压(VIN)保存在一个跟踪/保持器中，N位寄存器被设置为中间值(即10...0，其中最高位被设置为1)，执行二进制查找算法。因此，数模转换器(DAC)的输出(VDAC)为VREF的二分之一，这里VREF为ADC的参考电压。之后，再执行一个比较操作，以决定VIN小于还是大于VDAC。如果VIN小于VDAC，比较器输出低电平，N位寄存器的最高位为0。如果VIN大于VDAC，比较器输出逻辑高电平，N位寄存器的最高位保持为1。其后，SAR的控制逻辑移动到下一位，将该位置为1，再执行下一次比较。SAR控制逻辑将重复上述顺序操作，直到最后一位。当转换完成时，寄存器中就得到了一个N位数据字。
         2.电阻触摸屏的输入

                 电阻触摸屏包含上下叠合的两个透明层，四线和八线触摸屏由两层具有相同表面电阻的透明阻性材料组成，五线和七线触摸屏则由一个阻性层和-一个导电层组成，通常还要用一种弹性材料来将两层隔开。当触摸屏表面受到的压力(如通过笔尖或手指进行按压)足够大时，顶层与底层之间会产生接触。
                所有的电阻式触摸屏都采用分压器原理来产生代表X坐标和Y坐标的电压。如图7所示，分压器是通过将两个电阻进行串联来实现的。上面的电阻(R1 )连接正参考电压(VREF)，下面的电阻(R2)接地。两个电阻连接点处的电压值与R2的阻值成正比。
        为了在电阻式触摸屏上的特定方向测量-一个坐标，需要对一个阻性层进行偏置:将它的一边接VREF，另一边接地。同时，将未偏置的那一层连接到一个ADC的高阻抗输人端。当触摸屏上的压力足够大，使两层之间发生接触时，电阻性表面破分隔为两个电阻。它们的阻值与触摸点到偏置边缘的距离成正比。触摸点与接地边之间的电阻相当于分压器中下面的那个电阻。因此，在末偏置层上测得的电压与触摸点到接地边之间的距离成正比。

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