手写笔应用前景推动内容创建

摘要：本文介绍了多种手写笔方案，并认为有源手写笔方法最为理想，因为最接近钢笔或铅笔使用的用户体验，还可以通过各种先进的手势与屏幕互动，比如放大、滚动、擦除，以及翻页。

关键词：手写笔；电容式触摸；有源

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2013.4.002

还记得手写笔是早期PDA类型设备的常用文本输入和导航控制工具吗？在那时，电阻式触摸屏技术在大多数初始触摸屏设计中占据主导地位。随着感测层位于前面板后的光滑、闪亮的电容式触摸屏的出现，手写笔的使用减少了，但是为期不长。

现在消费者将其平板电脑和智能手机看作用于创建内容的设备，而不是仅仅用于访问或使用内容。手写笔是一个自然的选择，为输入文本、做笔记和画图等任务提供了令人熟悉的精确的笔一样的体验。

图1电阻式触摸传感器，比如在普通堆栈中的那些传感器，提供了实现笔和手写笔输入的成本较低的较简单方法。然而，它们没有其他替代技术的光学清晰度和可靠性。

屏幕之下

使用电阻式技术，机械传感器安装在显示屏和嵌入式控制器的顶部（图1），传感器包括一个柔性聚酯顶层和一个刚性玻璃底层，它们使用空气和/或绝缘点分隔开来。

两层各自的内表面涂有透明的金属氧化物涂层（铟锡氧化物或ITO），施加电压时有助于在每一层形成梯度。当手写笔压下柔性薄膜时会接触到下部的电阻层，从而激活信号。

各层之间的控制电子交替电压，经过后续的X和Y坐标到达触摸屏控制器。而后，触摸屏控制器数据传输到CPU用于处理。

在电阻式触摸系统中实施手写笔功能相对简单直接，电阻式触摸传感器经设计提供用于手写笔和手指的优化性能。而现在，电容式触摸是从蜂窝电话到电子阅读器、平板电脑以及笔记本电脑的大多数移动设备的首选技术。

电容式触摸技术提供了丰富的用户体验，由于具备出色的光学特性，以及电阻式触摸系统所不具备的坚如磐石的可靠性，因此带来了更清晰、更新颖的显示性能。不过，用于电容式触摸技术的手写笔实施方案并不简单，需要考虑诸多因素。

感应技术：良好的性能，更高的成本

评估现有的潜在手写笔技术，设计工程师有三种可能的选择：感应技术，无源电容式手写笔，以及有源电容式手写笔，多年以来，感应技术方法一直非常盛行，尤其是在图形输入板和平板电脑中。

感应技术包括一个印刷电路板（PCB）传感器，一个混合信号IC控制器、驱动器软件，以及一个手写笔。传感器位于LCD和背光装置的下部，传感器是由铜轨道构成的，在X和Y方向提供大量的重叠的天线线圈。这些线圈发射电磁信号，可以使用带有有源或无源电路的专用电磁笔检测信号。

磁场的能量维持电路运作，将能量从传感器处转移到电磁笔中，笔的自有电路接收能量，一个电感器/电容器与频率共振以确定其数值。然后，能量反射回到传感器，作为模拟信号被接收，并传输到控制器IC，从而提供位置坐标数据。

图2除了电容式触摸传感器，还需要一个附加的传感器用于感应式有源手写笔技术。这个附加的传感器增加了成本和设备的厚度，但是提供了最商胜能的触摸和手写笔解决方案。

感应方法具有良好的性能，但其实施方案往往比较昂贵（图2），感应手写笔运作所需的额外堆叠层增加了设备的厚度，需要附加的电路，并且增加了相关的成本。

无源电容式手写笔：中等性能、低成本

无源电容式手写笔基于投射电容式场电荷转移感测技术，提供了具有中等性能水平的低成本解决方案，广泛用于蜂窝电话和较新的平板电脑设备，在手指等物体接近或触摸屏幕的表面时，投射电容式触摸屏通过测量所引起的电容的微小变化来运作。

用于电荷收集的电容至数字转换（capacitive-to-digital conversion，CDC）技术和电极结构（通常是位于显示屏顶部的透明传感器薄膜）的空间排列的组合，对于整体性能产生了很大的影响。这种组合也有助于推动方案的实施。

业界有两种安排和测量电容变化的基础方法：自电容和互电容。使得电容式触摸屏能够可靠地报告和跟踪多个同时触摸点的唯一方法，是测量传输和接收电极安排为正交组合处的互电容。

采用自电容方案，测量整行或整列的电容变化，当用户触摸两个位置时会导致位置模糊。在实际中，自电容仅适用于单一触摸或非常有限的双触摸应用。

触摸屏中的传感器包括一个或多个位于透明基板材料上（通常为PET或玻璃）的图案化透明导体层，传感器位于显示屏上。为了构建一个能够通过玻璃或塑料前面板来解析一个或多个手指触摸的传感器产品，需要采用完全的正交网格电极。

图3使用maXTouch触摸控制器来同时支持触摸和电容式手写笔的各种电容式传感器堆叠之一，这项技术提供了高性能的有源手写笔解决方案，且不会增加成本或牺牲性能。

通常情况下，图案化导体（电极）是由蚀刻图案ITO制成的，这是一种高透明性材料，既具有良好的光学清晰度，同时可保持稍低的电阻系数。ITO可以用于制造真正的传感器矩阵，唯一的触摸敏感区域是行电极和列电极相互结合位置附近。

使用插补方法，在单一触摸的中心位置可以获得相当准确的分辨率。在需要唯一确定数个邻近触摸点的时候会出现困难，因为这需要高电极密度。

这意味着行和列的间距必需达到5mm左右或更小，而这是拇指和食指两指之间指尖距离所测量出，方法是两指合在一起，然后除二再分开。广泛的测试已经证实10～12 mm的分隔距离，可以在空间分辨率和增加传感器复杂性之间建立最佳的折衷权衡。

高电极密度实现了另一个重要的特性：使用无源导电的手写笔。只要使用正确的传感器设计和非常先进的触摸追踪算法，便有可能使用一个笔尖尺寸为3～5 mm的简单无源导电手写笔。

有源手写笔：出色的性能，较低的总体成本

第三种手写笔实施方案是有源手写笔，这项技术包括投射电容式场触摸屏的出色性能和特性，集成了一个能够检测场的存在并与触摸屏控制器通信的手写笔。

例如，爱特梅尔的maXStylusmXTS100有源手写笔支持其maXTouch触摸屏控制器，这些技术的组合简化了硬件，并且降低了总体解决方案的成本，因为仅仅需要与maXTouch控制器接口的单一ITO传感器，用于检测手指触摸和手写笔接近。

通过系统驱动程序和串行接口，系统主控制器与maXTouch芯片组接口，用于触摸和手写笔数据。这种同时触摸和手写笔能力称作多重感测（multiSense）功能性。

mXTS100器件采用电容式感测来检测有源maXTouch传感器的存在，并且响应其自有的信号以指示位置、压力、按钮点击定时，以及其它信息。maXTouch控制器通过传感器接收手写笔信息，同时检测手指触摸操作。

在maXTouch控制器检测到手写笔的存在之后，激活专用算法来处理手写笔数据，从而提供高线性度和高分辨率。更多的处理提供出色的手掌抑制特性，从而带来畅顺舒适的像笔一样的手写笔书写体验。

此外，使用1 mm笔尖直径和140Hz快速帧率，maXStylus有源手写笔能够提供快速、准确的手势捕获，比如在触摸屏上的轻击。

结论

为了提供最接近钢笔或铅笔使用的用户体验，有源手写笔方法最合适。在触摸屏上使用有源手写笔，用户能够自然地书写或画图，还可以通过各种先进的手势与屏幕互动，比如放大、滚动、擦除，以及翻页。

结合现有的有源手写笔技术，以及先进的电容式触摸屏解决方案，设计工程师可以比以往更简便地创建真正使其客户喻悦的触摸体验。