作者：賽普拉斯半導體公司Todd Severson、Henry Wong

　　支持觸摸功能的消費類電子設備每一年都在不斷增大屏幕尺寸。觸摸屏在智能手機中得到廣泛應用，并已迅速發展到平板電腦。隨著Windows 8的發布，觸摸功能正在向超極本、筆記本電腦以及一體機電腦（all-in-one PC）發展。隨著屏幕尺寸不斷增大，電容式觸摸面臨的主要挑戰是在較大尺寸的屏幕上同樣保持用戶所期望的較高手機性能。這就意味著需要在相同的時間內掃描更大表面面積上的更多交叉點。此外，處理器必須能在信號更少、噪聲更大的條件下工作，同時還要努力保持其速度、精確度以及響應能力，從而實現理想的用戶界面體驗。

　　2007年，Apple公司推出iPhone開啟了電容式觸摸屏在消費類電子產品上的應用。這款3.5英寸屏幕大小的設備引入了多點觸摸用戶體驗，從而改變了用戶與電子設備的互動方式。現在，觸摸屏已成為數碼相機（DSC）、便攜式導航設備（PND）、電子閱讀器、平板電腦、超極本以及一體機（AIO）電腦等消費類電子產品的標準配置。正如我們看到的，所有這些設備的一大主要趨勢就是發展轉向更大的屏幕尺寸。電容式觸摸屏在進軍超極本或筆記本電腦等新型細分市場的同時更在不斷發展其現有產品細分類型。頂級智能手機的OEM廠商紛紛從智能手機轉戰超級手機，通過向客戶提供更大的屏幕尺寸來實現其產品的差異化。

　　當今消費類電子產品的主要產品細分類型如下：3-5英寸屏幕大小的智能手機；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。在僅僅5年的產品歷史中，平板電腦被認為是發展最快速的移動設備之一，其銷量預計將在2015年趕超個人電腦。因此，PC供應商開始將重心轉移至采用觸摸友好型設計上，比如可用作筆記本電腦或平板電腦的可翻轉筆記本電腦。

　　圖1 全球平板電腦和PC的預測

　　用戶期望大屏幕設備能夠實現與智能手機相類似的性能和觸摸體驗。大屏幕設備需要處理的用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更常是在插入電源時使用，它們的表面面積更大，因此在打字輸入時可將手掌或其它大型物體放置在屏幕上，并且用戶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。所有這些動作都會改變設備的電氣性能。性能穩健且響應速度快的用戶體驗主要包括：靈敏度高、能跟蹤多個移動碰觸對象、在各種噪聲環境下能夠識別并跟蹤手指、在各種環境條件下能夠識別和跟蹤手指，并且保持可接受的功耗以實現理想的電池使用壽命。換言之，用戶體驗的本質是指在各種條件下當您觸摸屏幕時系統所做出的響應。

　　電容式觸摸屏的工作原理是通過將發射電壓驅動至設備上的傳感器面板，從而產生信號電荷。然后觸摸屏控制器接收到信號，它能夠通過測量傳感器電荷的變化來確定傳感器電容。芯片接收到的電流等于面板電容與發射驅動器的電壓的乘積（Q1 = C * VTX）。基線電路能夠移除額定的非觸摸傳感器電荷，從而讓系統專注于測量因手指觸摸而引起的傳感器電荷的變化。這有助于改進觸摸的測量、分辨率以及靈敏度。

　　隨著電容式觸摸屏的發展，我們面臨著越來越多的技術挑戰。較大型屏幕面臨的主要問題是發射電壓需要覆蓋更大的表面面積，而且傳感器的電阻和電容也有所增加。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。發射工作頻率則會影響信號建立、刷新率以及功耗。我們的目的是要確定能夠在整個面板實現一致觸摸響應并最大限度地降低掃描時間和功率所需的最高發射工作頻率。

　　刷新率

　　刷新率是指觸摸屏控制器在一秒鐘內測量到的屏上觸摸并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數據坐標，從而實現響應快速的用戶體驗。大多數消費類電子產品都要求觸摸控制器的刷新率大于100Hz或約為10ms。諸如數字繪圖板或銷售點（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畫。

　　對于大型屏幕而言，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，從所有交叉點采集數據，然后再處理這些數據。刷新率主要受兩大因素影響：屏幕的掃描速度以及已掃描數據的處理速度。在具有相同的傳感器特性下（3108對比275），17英寸屏幕的交叉點數超出5英寸屏幕11倍。為了保持5英寸屏幕的用戶體驗，17英寸的屏幕就需要更強大的掃描與處理功能。

　　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，從而在單個周期內掃描整個屏幕。大多數觸摸屏疊層都是由位于外殼玻璃下的傳感器模式組成，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方向用于發射，y方向用于接收，或反之亦然。接收通道會收集數據并使用模數轉換器（ADC）將每個單位晶胞中的互電容變化轉換為數字數據，以供主機解析手指觸摸點的坐標。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。這會導致在給定的時間周期內只能獲取更少的樣本，從而帶來不良的用戶體驗。

　　有一種方法可幫助解決處理問題，即為觸摸控制器添加一個更大的處理器，或者將部分計算卸載到系統的主處理單元。這意味著將電容數據發送到主機端，并在應用或圖形處理器上運行算法。其中一個實現方案就是使用觸摸屏控制器掃描傳感器，搜索第一次觸摸，然后將圖像傳輸至主機處理器。然后，主機會處理整個陣列、過濾噪聲、查找觸摸坐標，并跟蹤手指ID。采用并行處理支持在作為觸摸屏和顯示屏主機的數千兆赫多內核處理器上完成大量數字運算。