觸摸屏當道時(shí)期如何保持用戶(hù)體驗

觸屏消費類(lèi)電子設備的屏幕尺寸逐年增大。觸摸屏通過(guò)智能手機開(kāi)始盛行，并已迅速占領(lǐng)平板電腦領(lǐng)域。隨著(zhù)Windows 8的發(fā)布，觸摸屏正向超極本、筆記本電腦以及一體機（all-in-one PC）領(lǐng)域發(fā)展。隨著(zhù)屏幕尺寸不斷增大，電容式觸摸面臨的主要挑戰是如何滿(mǎn)足用戶(hù)的期望，讓較大尺寸屏幕擁有與手機屏幕相同的高性能。這就意味著(zhù)需要在相同的時(shí)間內掃描更大表面上的更多結點(diǎn)。另外，為了獲得理想的用戶(hù)界面體驗，處理器必須能在信號更少、噪點(diǎn)更多的條件下工作，同時(shí)還要努力保持其速度、精確度以及響應能力。

2007年，Apple公司推出iPhone，讓電容式觸摸屏在消費類(lèi)電子產(chǎn)品上的應用一飛沖天。這款配有3.5英寸屏幕的設備引入了多點(diǎn)觸控用戶(hù)體驗，從而改變了用戶(hù)與電子設備的互動(dòng)方式?，F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）等消費類(lèi)電子產(chǎn)品的標準配置。正如我們看到的，這些設備發(fā)展的一個(gè)主要趨勢就是向更大的屏幕尺寸發(fā)起挑戰。電容式觸摸屏在進(jìn)軍超極本或筆記本電腦等新型細分市場(chǎng)的同時(shí)更在不斷發(fā)展其現有市場(chǎng)領(lǐng)域。頂級智能手機的OEM制造商紛紛從智能手機轉戰超級手機，通過(guò)向客戶(hù)提供更大的屏幕尺寸來(lái)實(shí)現其產(chǎn)品的差異化。

當前消費類(lèi)電子產(chǎn)品的主要產(chǎn)品細分類(lèi)型如下：配有3-5英寸屏幕的智能手機；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。在其5年的產(chǎn)品歷史中，平板電腦被認為是升溫最快的移動(dòng)設備，根據預測，到2015年其銷(xiāo)量有望趕超個(gè)人電腦。因此，PC供應商開(kāi)始將重心轉移至用戶(hù)界面友好的觸摸設計上，比如具有與筆記本電腦或平板電腦相同功能的可翻轉筆記本電腦。

用戶(hù)期望大屏幕設備能夠具備與智能手機類(lèi)似的性能和觸摸體驗。大屏幕設備需要處理的使用案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更常插入電源使用，它們的界面面積更大，因此在打字輸入時(shí)可將手掌或其它大型物體放置其上，此外，用戶(hù)通常會(huì )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。所有這些行為都會(huì )改變設備的電氣性能。性能穩健且響應速度快的用戶(hù)體驗主要包括：靈敏度高、能跟蹤多個(gè)移動(dòng)碰觸物、在各種噪聲環(huán)境下識別并跟蹤手指、在各種環(huán)境條件下識別和跟蹤手指，并能保持可接受的功耗以實(shí)現理想的電池使用壽命。換言之，用戶(hù)體驗的本質(zhì)是指在各種條件下觸摸屏幕時(shí)系統所做出的響應。

電容式觸摸屏的運行原理是通過(guò)將電壓發(fā)射至設備上的傳感器面板，從而產(chǎn)生信號電荷。然后由觸摸屏控制器接收信號，其會(huì )通過(guò)測量傳感器電荷的變化來(lái)確定傳感器電容。芯片接收到的電流等于面板電容與發(fā)射驅動(dòng)器的電壓的乘積（Q1 = C * VTX）?；A電路能移除額定的非觸摸傳感器電荷，從而可使系統專(zhuān)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(jìn)觸摸的測量、分辨率以及靈敏度。

隨著(zhù)電容式觸摸屏的發(fā)展，我們面臨著(zhù)越來(lái)越多的技術(shù)挑戰。較大型屏幕面臨的主要問(wèn)題是發(fā)射電壓需要覆蓋更大的表面面積，以及傳感器的電阻和電容的增大。觸摸面板受更高寄生電容和電阻的限制，會(huì )影響電阻電容（RC）的時(shí)間常數，從而導致發(fā)射頻率變慢。發(fā)射工作頻率會(huì )影響信號建立、刷新率以及功耗。我們的目的是要確定在將掃描時(shí)間和功率消耗最小化的同時(shí)在各個(gè)面板上實(shí)現一致觸摸響應所需的最高發(fā)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(huì )在越短的時(shí)間內收集越多的x/y數據坐標，從而提供響應快速的用戶(hù)體驗。大多數的消費類(lèi)電子產(chǎn)品都要求觸摸控制器的刷新率大于100Hz或約10ms。諸如數字繪圖板或銷(xiāo)售點(diǎn)（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(guò)的筆畫(huà)。

對于大型屏幕來(lái)說(shuō)，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，從所有結點(diǎn)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。在相同的傳感器特性下（3108對275），17英寸屏幕的結點(diǎn)數超出5英寸屏幕11倍。為了保持5英寸屏幕的用戶(hù)體驗，17英寸的屏幕就需要更強大的掃描與處理能力。

有一種方法可以解決掃描問(wèn)題，那就是確保觸摸控制器具有足夠的接收通道，從而一次性?huà)呙枵麄€(gè)屏幕。大多數觸摸屏堆疊都是由位于護罩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(fā)射，y方向用于接收，或反之亦然。接收通道會(huì )收集數據并使用模數轉換器（ADC）將每個(gè)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(diǎn)的坐標。如果接收信道或ADC的數量不足，則需要多次掃描以及更長(cháng)的時(shí)間來(lái)掃描整個(gè)面板。這會(huì )導致在既定的時(shí)間內只能獲取更少的樣本，從而帶來(lái)不良的用戶(hù)體驗。

有一種方法有助于解決處理問(wèn)題，即為觸摸控制器配備一個(gè)更大的處理器，也可將部分運算任務(wù)卸載到系統的主處理單元。也就是說(shuō)將電容數據發(fā)送到主機端，并在應用或圖形處理器上運行算法。其中一項實(shí)施措施就是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。之后，該主機會(huì )處理整個(gè)陣列、過(guò)濾噪聲、查找觸摸坐標，并跟蹤手指ID。采用并行處理允許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。

信噪比（SNR）

SNR是指信號功率與噪聲功率之比，換句話(huà)說(shuō)，即有用信息與錯誤或不相關(guān)數據之比。觸摸屏面板上的傳感器相當于一根大型天線(xiàn)，可接收熒光燈、液晶顯示屏或充電器等系統和環(huán)境噪聲。

屏幕越大，天線(xiàn)接收范圍就越大，便越容易接收噪聲并使接收信道達到飽和。這會(huì )大大影響觸摸性能，造成假觸摸、觸摸中斷或觸摸屏“鎖死”以致完全無(wú)法報告數據。為了排除這些干擾，要求觸摸屏控制器能夠增強信號或降低噪聲。提高信噪比的一些主要方式包括提高發(fā)射電壓以增強信號；使用硬件及數字濾波法減少噪聲，或利用跳頻遠離噪聲頻率。

信噪比的提高與發(fā)射電壓成正比。發(fā)射電壓可通過(guò)電荷泵或VDDA驅動(dòng)來(lái)提供。在大多數消費類(lèi)電子設備中，電荷泵一般可帶有2.7-3V電源，且能進(jìn)一步將這一電源電壓提升到高電壓。大屏幕的問(wèn)題在于電荷泵對高電容面板的驅動(dòng)能力有限。也就是說(shuō)必須增加外部泵或電源，而這會(huì )增加成本和功耗。

在沒(méi)有足夠信號的情況下，另一個(gè)方法也可以使噪聲最小化。第一道防線(xiàn)就是用濾波器創(chuàng )造更加潔凈的電容環(huán)境。如果這種方法無(wú)效，第二道防線(xiàn)一般是用跳頻去搜索干擾較少的頻率。正如前面所說(shuō)，大尺寸面板的寄生電容和電阻更高，會(huì )影響電阻電容（RC）時(shí)間常數，從而導致發(fā)射頻率變慢。頻率變慢意味著(zhù)它很難在噪聲范圍以外掃描整個(gè)面板。較高的發(fā)射頻率會(huì )給觸摸控制器提供更大的空間使其遠離噪聲源。理想的最大發(fā)射頻率為350kHz或者更高，但需要根據客戶(hù)的具體目標，不斷地在信噪比、刷新率以及功耗之間進(jìn)行權衡，以?xún)?yōu)化每臺設備。臺式機上的單機游戲更注重響應速度而非功耗，然而便攜式設備則需要考慮功耗以延長(cháng)電池使用壽命。

功耗

隨著(zhù)移動(dòng)性在我們生活中占據著(zhù)越來(lái)越重要的位置，功耗成為了消費者在選擇便攜式電子設備時(shí)的一項重要考慮因素。市場(chǎng)調查顯示，多數用戶(hù)認為電池使用壽命是購買(mǎi)新型便攜式設備時(shí)需要考慮的最重要的特性之一。

由于液晶顯示屏尺寸的加大，功耗通常與屏幕尺寸成正比。液晶顯示屏的功耗在整個(gè)系統功耗中占相當大的比例。要想延長(cháng)電池使用壽命，一種方法就是在系統中使用更大的電池組。但這會(huì )增加系統的重量，從而影響用戶(hù)的便攜性體驗。另一種方法是通過(guò)降低刷新率、降低發(fā)射電壓、禁用多種數字濾波器或使用盡可能低的模擬/數字電源，但這種方法會(huì )降低設備性能。同樣，這些解決方案都會(huì )給用戶(hù)體驗帶來(lái)負面影響，因此都不是理想的方案。

對于好的設備而言，重量與性能都是關(guān)鍵因素，延長(cháng)電池使用壽命的最佳解決方案就是優(yōu)化系統中單個(gè)組件的功耗。對于觸摸屏控制器來(lái)說(shuō)，這就意味著(zhù)為設備制定靈活的功耗管理方案。

總功耗耗取決于設備的狀態(tài)或使用情況。一款智能高能效觸摸屏控制器應具備多態(tài)功耗管理，如活動(dòng)狀態(tài)、低功耗狀態(tài)和深度睡眠狀態(tài)，其中每種狀態(tài)都有其獨特的降耗方案。這些都是通過(guò)觸摸控制器的配置參數來(lái)管理的。

●活躍狀態(tài)下，觸摸屏具有最快的觸摸響應時(shí)間，因為設備會(huì )積極地掃描觸摸屏以確定觸摸的存在并識別觸摸坐標。

●在活動(dòng)狀態(tài)下，如在一定時(shí)間內未檢測到觸摸事件，設備就會(huì )進(jìn)入低功耗狀態(tài)。這會(huì )進(jìn)一步降低功耗并相應地延長(cháng)響應時(shí)間。如設備檢測到任何觸摸事件，則會(huì )自動(dòng)從低功耗狀態(tài)切換到活動(dòng)狀態(tài)。

●深度睡眠狀態(tài)下的功耗最低。這種狀態(tài)下設備不進(jìn)行任何掃描且不報告任何觸摸。這時(shí)需要中斷，才能喚醒觸摸屏控制器，并將其切換到活動(dòng)狀態(tài)。

不同功耗狀態(tài)是由系統環(huán)境決定的。比如，如果一段時(shí)間內屏幕未被觸摸，系統就會(huì )讓用戶(hù)界面停止活動(dòng)以延長(cháng)電池使用壽命。而這是通過(guò)主機管理設備上的各個(gè)組件來(lái)完成的，比如關(guān)閉液晶顯示屏以及將觸摸控制器置于低功耗狀態(tài)等。在低功耗狀態(tài)下，一旦檢測到觸摸事件，觸摸屏控制器就會(huì )切換到活動(dòng)模式，并繼續掃描，以確定面板上的觸摸坐標。如果在低功耗狀態(tài)下未檢測到觸摸事件，主機就會(huì )驅動(dòng)觸摸控制器進(jìn)入深度睡眠狀態(tài)以節約電量。這些動(dòng)態(tài)功耗管理狀態(tài)讓消費者在使用便攜式移動(dòng)設備時(shí)能靈活地管理觸摸性能和功耗。

隨著(zhù)觸摸屏的發(fā)展，為了保證用戶(hù)體驗，應采用系統級方法。觸摸屏受物理現象限制，要想讓電容式觸摸技術(shù)繼續成為移動(dòng)消費類(lèi)電子產(chǎn)品的選擇，那么獨創(chuàng )性和集成度是關(guān)鍵。人們正在開(kāi)發(fā)新的觸摸屏材料以提高面板速度，同時(shí)也在定義主機處理架構以卸載部分繁重的數字運算。硬件和軟件也在不斷改進(jìn)，濾除噪聲的同時(shí)提高信號強度，同時(shí)，人們正在采用系統級功耗方式來(lái)延長(cháng)電池使用壽命。設計人員面臨的下一個(gè)重大挑戰就是如何讓這一切更具有成本效益。