平板电脑电容式触摸屏测试设计与实现

摘要：本文介绍了平板电脑电容式触摸屏的结构及其工作原理，重点设计了在平板电脑研发阶段电容式触摸屏的测试方案，针对实测过程中可能遇到的关键性问题进行了分析和讨论并提出了解决方案。

关键词：平板电脑；电容式触摸屏；电容笔

中图分类号：TP311.52 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 (2012) 11-0000-02

一、引言

平板电脑（Tablet PC）是一种小型、便携式的个人电脑，它以触摸屏作为最基本的输入设备。自苹果公司首款iPad以来，平板电脑迅速风靡全球。在大多数平板电脑中，都采用电容式触摸屏，它取代了传统的鼠标和键盘，成为了目前被广泛使用的简单方便的输入设备。电容屏的使用减少了很多外部连线，使得人机交互更加便捷，用户只需使用电容笔或直接用手就能对平板电脑进行操作。

电容屏的工作原理如图1所示[1]，它由一个模拟感应器和一个双向智能控制器组成。模拟感应器是一块四层复合玻璃屏，玻璃屏的内表面和夹层各有一层聚酯材料导电层，最外是纳米级别厚度的矽土玻璃，形成坚实耐用的保护层。夹层作为工作面，四个角上各引出一个电极内层作为屏蔽层用以保证良好的工作环境。触摸屏工作时，感应器边缘的电极产生分布的均匀电压场。由于人体存在电场，当人手触碰屏幕时，手指和触摸屏的工作面之间会形成一个耦合电容。因为工作面上接有高频信号，于是手指会吸走一个很小的电流，然后分别从触摸屏四个角上的电极中流出。通过对流经这四个电极的电流比例的精密计算，便可得出触摸点的位置。最后，控制器会将数字化的触摸位置数据传送给主机。

随着电容屏的不断发展和普及，人们对于电容屏的性能要求也越来越高，如灵敏度、亮度、耐压性等。因此，为了满足消费者的需求，对电容屏的各种性能参数的测试就变得相当重要。特别是在平板电脑的设计研发阶段，如何实现数据精确可靠且低成本的测试设计就变得极为重要。本文根据电容屏的结构和工作原理制定出一套完整的的测试规范和计划，全面测试了电容屏的各项性能和指标，检测了电容屏在不同工作特性和环境下的失效规律，分析其失效机理。设计的目标是在控制测试成本的同时，尽可能在开发阶段找出电容屏的问题并加以解决。本文针对用户使用平板电脑时的环境和工作模式不同设计了多套方案，保证测试质量及测试工作的顺利进行的同时，也使得产品的设计和质量能满足各种客户的要求。

二、实验设计

电容屏的设计和性能必须满足终端客户的需要。通过用户对电容屏的体验反馈，用户最关注的是触摸敏感性、屏幕亮度和可靠性。本文针对电容屏的所要实现的关键功能设计了功能性测试。而对于可靠性方面，我们也对电容屏可靠性影响最大的几个因素，包括表面硬度、反复点击的影响、耐冲击、耐跌落等，分别设计了测试方案。

（一）功能性测试

该项测试设计的目的是测试电容屏的基本功能，包括单点触摸测试，划线测试和亮度测试。用户有可能在电池或带外接电源模式下操控平板电脑，因此所有的功能性测试设计都会在电池和外接电源两个模式下完成。

1.单点触摸测试。为了防止误识别，要求电容笔所点击的位置和显示屏所显示的位置偏差要小于1mm。该测试需要使用电容手写笔和精度为0.01mm的游标卡尺。具体设计如下：

（1）开机进入系统后，首先使用校准软件对电容屏进行校准，校准的目的是为了保证单点触摸测试结果的可靠性，减小由于测试偏差引起的结果失败。

（2）结合电容屏的结构和用户的使用习惯，我们把整个电容屏分成如图2所示9个均等的区域。

（3）用电容笔点击的压力值要能够使电容屏工作，即为20±10gr。

2.划线测试。为了保证书写和其他使用的流畅，要求当用手指或电容笔在电容屏上面划线时，系统显示划出的线或圆的轨迹不能断开或发生偏移，且系统显示划出的线或圆的轨迹与手指或笔的偏差要小于1mm。该测试需要电容手写笔和精度为0.01mm的游标卡尺。具体设计如下：

（1）开机进入系统后，首先使用校准软件对电容屏进行校准.

（2）结合电容屏的结构和用户的使用习惯，把电容屏按图3所示先划出8条线，分成均等的8个三角形。其中第5，6，7，8这四条线是四周边沿的线，为了提高测试的准确性，这四条线要与边框距离2mm，以免测试中手或电容笔触碰到四周的边框而影响测试结果。

（3）在八个三角形区域内随意划出直径为1-5mm的圆。

（4）手指或电容笔的压力值要能够使电容屏工作(手指：0gr，电容笔：0±10gr)。

3.亮度测试。该测试是为了检测透过电容屏的最大亮度是否符合设计要求。业界通用的亮度测试点有5点，9点，11点，本文选用5点测试法。因为我们测试中使用的平板电脑尺寸较小，而且采用5点，9点，11点测试后的平均值都在误差范围内，为了提高工作效率且不影响测试的准确性，本文选用5点测试法。取5点测试结果的平均值大于200尼特即为通过。该测试需要使用亮度测试仪，我们的实测选用了Konica CA-210，该设备的优点是不需要在暗室中完成测试，使用方便。具体设计如下：

（1）在正式测试前，系统至少要开机30分钟。

（2）测试系统平放在测试台上，亮度测试仪垂直紧贴测试系统，不能有缝隙，否则会有光线透进。

（3）使用5中心点测试方法对如图4所示的触摸屏中的5个点进行亮度测试。

（4）计算该5中心点的最大亮度值的平均值，分析是否满足测试合格标准。

（二）可靠性测试

产品在设计、应用过程中，会不断经受自身机械环境及外界气候环境等的影响，要求其仍需能够正常工作，就需要对其进行可靠性验证。本文中所介绍的可靠性测试仅是针对研发阶段，包括打点试验、耐静压力测试、自由跌落试验、温湿度循环测试来仿真外界各种极端环境对电容屏性能的影响。

1.打点测试。此项测试主要是用来测试电容屏的耐用性。一般来说电子产品有3年的使用寿命，结合用户使用电容屏的力度和频率，可以计算出电容屏的点击寿命约为26万次。（使用寿命=3年*360天*8小时*30次）。我们的测试目的是要看电容屏在经过26万次的点击以后是否仍能正常工作。该测试需要的仪器包括最大承受力为10Kg且测试台的上下行程为120mm的打点寿命测试仪、打点专用笔R8.0mm、硅橡胶头30度（肖氏硬度）。为了模拟人在实际使用电容屏时的点击力度，设置打点测试仪的力度为250gf，频率为30次/分钟，敲击屏幕中心点26万次，要求LCD、电容屏及相关机构件没有损伤且仍能正常工作。