时间：2023-02-23 21:55:57
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。
关键词：触摸屏；投射电容式触摸屏；触摸屏控制器
触摸屏广泛应用于我们日常生活各个领域，如手机、媒体播放器、导航系统、数码相机、数码相框、PDA、游戏设备、显示器、电器控制、医疗设备等等。
通用的触摸屏包括适用于移动设备和消费电子产品的电阻式触摸屏和投射电容式(projected capacitive)触摸屏以及用于其他应用的表面电容式(surface capacitive)触摸屏、表面声波(SAW)触摸屏和红外线触摸屏。
电阻式触摸屏
应用比较多的电阻式触摸屏(图1)具有空气间隙和间隔层的两层ITO(Indium TinOxide，铟锡氧化物)。电阻式触摸屏是大量应用、经过验证、低成本的技术。其缺点是：薄弱的机械性能；堆叠厚，相对较为复杂；不能检测多个手指的动作；前面板实现方案易损坏；有限的工业设计选项；光学性能不良；需要用户校准。
投射电容式触摸屏
触摸屏的电容触摸控制采用一个用传导物质(如ITO)做涂层的表面来存储电荷。传导物质沿屏的X轴和Y轴传导电流。当传导(如手指)触摸时控制电场发生变化，而且可以确定沿水平轴和垂直轴触摸的位置。在带按键触摸位置的应用中，把分立的传感器放置在特定按键位置的下面，当传感器的电场扰时系统记录触摸和位置。投射电容式触摸屏示于图2。
投射电容式触摸屏比其他触摸屏技术的优势是：
・出色的信噪比；
・整个触摸屏表面具有高精度；
・能够支持多个触摸；
・通过“厚的”电介质材料进行感应；
・无需用户校准。
QTOUCh技术
QTouch技术是Atmel触摸技术部前身Quantum(量研科技)的专利。所开发的集成电路技术是基于电荷一传输电容式感测。QTouch IC检测用传感器芯片和简单按键电极之间单连接来检测触摸(图3)。QTouch器件对未知电容的感测电极充电到已知电位。电极通常是印刷电路板上的一块铜区域。在1个或多个电荷一传输周期后测量电荷，就可以确定感测板的电容。在触摸表面按手指，导致在该点影响电荷流的外部电容。这做为一个触摸记录。也可确定QTouch微控制器来检测手指的接近度，而不是绝对触摸。判断逻辑中的信号处理使QTouch健全和可靠。可以消除静电脉冲或瞬时无意识触摸或接近引起的假触发。
QTouch传感器可以驱动单按键或多按键。在用多按键时，可以为每个按键设置1个单独的灵敏电平。可以用不同大小和形状的按键来满足功能和审美要求。
QTouch技术可以采用两种模式：正常或“触摸”模式和高灵敏度或“接近”模式。用高灵敏电荷传输接近感测来检测末端用户接近的手指，用用户接口中断电子设备或电气装置来启动系统功能。
为了优异的电磁兼容，QTouch传感器采用扩频调制和稀疏、随机充电脉冲(脉冲之间具有长延迟)。单个脉冲可以比内部串脉冲间隔短5％以上。这种方法的优点是较低的交叉传感器干扰，降低了RF辐射和极化率，以及低功耗。
QTouch器件对于慢变化(由于老化或环境条件改变)具有自动漂移补偿。这些器件具有几十的动态范围，它们不需要线圈、振荡器、RF元件、专门缆线、RC网络或大量的分立元件。QTouch做为一个工程方案，它是简单、耐用、精巧的方案。
在几个触摸按键互相靠近时，接近的手指会导致多个按键的电容变化。Atmel专利的邻键抑制(AKS)采用迭代技术重复测量每个按键上的电容变化，比较结果和确定哪个按键是用户想要的。AKS抑制或忽略来自所有其他按键的信号，提供所选择按键的信号。这可防止对邻键的假触摸检测。
触摸屏系统设计
一个触摸屏系统包括：前面板、传感器薄膜、显示单元、控制器板和集成支持(图4)。
Atmel公司提供触摸控制器IC、控制电路板参考设计、传感器参考设计、集成支持和传感器测试设备设计，而合作伙伴提供传感器薄、传感器和前面板的集成和控制器电路板。
摘要：在苹果iPhone和LG普拉达手机触摸屏成功运用的激励下，投射电容式触摸屏可以很好地被各种应用所采用。下文是这项技术的概述以及在您的产品中如何决定用哪种类型的投射电容式触摸屏。
关键词：投射电容式触摸屏；电容式触摸屏；触摸屏
中图分类号：TN141文献标识码：A
Touch the Future: Projected-Capacitive Touch Screens Reach for New Markets
John Feland
（Synaptics, Inc.,Santa Clara,CA,U.S.A）
Abstract: Spurred by successful implementation in devices such as the Apple iPhone and the LG Prada phone, projective-capacitive touch screens seem poised for mass adoption in various applications.Here is an overview of the technology and how to decide which type of projective-capacitance touch screen to use in your product.
Keywords: projective-capacitance touch screen ；capacitive touch screen；touch screen
2007年3月LG普拉达手机(见图1(a))以及随后2007年6月的苹果iPhone、2007年9月的iPOD触摸屏、2007年10月的三星Yepp YP-P2等产品(见图2（b）)的发行向世界传递了一个信号，即透明投射电容式触摸屏已经做好被大量应用的准备。在2007年之前，透明投射电容式技术只是一项具有很小影响力的小生境技术。
据估计2006年投射电容式触摸屏在全世界的总销售额低于2,000万美元；但是随着此类触摸屏技术的发展，逐渐开辟出了通向各种平台的道路，消费类电子厂商通过多媒体市场采用这项技术，来改变终端用户的体验，使得2008年销售额增为原来的5倍。
在各公司探索这项日渐成熟的技术，并应用于他们产品的时候，一些问题也产生了，例如：哪种投射电容式传感器适合我的应用，什么是玻璃和塑料衬底之间的交替使用。以上这些问题，还有一些其它问题将在下文进行介绍。
图1 LG普拉达手机（a）和三星Yepp YP-P2媒体播放机（b）是采用投射电容式触摸屏的首批消费类电子产品中的两个
图2 自我电容触摸屏工作过程示意图
1电容触摸屏
主要有两种类型的触摸屏采用电容传感作为主要输入方法：表面式电容和投射式电容。表面电容触摸屏采用一层铟锡氧化物（ITO），至少有四个电极。当一个接地的物体靠近时，例如手指，这些电极能够感应表面电容的变化。3M微触公司（3M Micro-Touch）作为该技术的最主要供应商之一，这种方法很长一段时间被用在信息亭触摸屏上。
但是表面电容式触摸屏有一些局限性，它只能识别一个手指或者一次触摸。另外，考虑到电极的尺寸，对于小尺寸屏幕（如那些用在手持式平台上的屏幕）是不切实际的。
传感器利用触摸屏电极发射出的静电场线称为投射电容式触摸屏。一般用于投射电容传感技术的电容类型有两种：自我电容和交互电容。
自我电容又称绝对电容，是最广为采用的一种方法。它把被感觉的物体作为电容的另一个极板。该物体在传感电极和被传感电极之间感应出电荷，从而被感觉到。所测量的电荷存储在结果电容耦合中。图2表示了上述原则是如何工作的。
交互电容又叫做跨越电容，它是通过相邻电极的耦合产生的电容。当被感觉物体靠近从一个电极到另一个电极的电场线时，交互电容的改变被感觉到，从而报告出位置。在汽车应用中交互电容传感器作为传导性传感器被广泛用作汽油调节。
数百万种自我电容方法在人们日常生活的位置传感中被采用。例如当今的笔记本电脑上触摸输入板到处存在。最典型的笔记本电脑触摸输入板采用X×Y的传感电极阵列形成一个传感格子。当手指靠近触摸输入板时，在手指和传感电极之间产生一个小量电荷。采用特定的运算法则处理来自行、列传感器的信号来确定被传感物体(此处指的就是手指)的位置。
在上述两种类型的投射电容式传感器中，传感电容可以按照一定方法设计，以便在任何给定时间内都可以探测到触摸，该触摸不仅局限于一根手指，也可以是多根手指。
不透明投射电容式传感器可以用在很多设备上，如触摸输入板和投射电容式触摸屏，其操作的基本原理是一样的。其不同之处在于传感器电极的材料、传感器衬底、制造方法，以及方法堆栈中的很多问题。触摸输入板可以用不透明材料制造，如采用金属或者传感领域的碳基电极。投射电容式触摸屏必须是透明的，因此，经常用与基于电阻式触摸屏的透明导体相同的材料来制造，例如ITO。
但是，与电阻式触摸屏不同，投射电容式触摸屏不需要层与层之间的空气间隔，或者不需要令任何层变形，因此，传感器可以采用坚硬的玻璃或者塑料衬底。投射电容式和电阻式触摸屏构造的关键不同之处是有关ITO的要求，投射电容式触摸屏的ITO是作为后一层定型在前一层上，而不是像电阻式触摸屏一样采用连续的膜淀积。虽然增加了工艺复杂程度，但是考虑到采用投射电容式触摸屏的好处，还是非常值得的。
例如，Synaptics在媒体播放器的清除键传感器上采用新奇的金刚石模式。X轴方向的传感器形成一层，Y轴方向的传感器形成另外一层，然后加上接地层或者保护层来完成，如图3所示。
图3 Synaptics用于清除键传感器上的金刚石模式
在玻璃和塑料衬底的选择上并没有明显区别。都可以层积在塑料或者玻璃镜头（屏幕保护）上，这些取决于原始设备制造商的产品设计。玻璃相对厚点、重点、贵点，但是整体坚硬些，可以潜在地降低设备其余地方的成本。玻璃比塑料的透射系数高，尽管两种材料都比同尺寸的电阻式触摸屏高。塑料传感器相对薄些，并且比较容易层压在产品镜头上（因为把柔性材料层压在硬性材料层上比层压两层硬性材料容易些）。既然制造方法类似，玻璃和塑料衬底都可以用来制造自我电容触摸屏和交互电容触摸屏。
大部分传感器供应商采用连续同一批溅射工艺在衬底上刻蚀ITO图形。
3M微触摸公司于2007年宣布了卷对卷制造投射电容传感器的可能性。过去，虽然刻蚀这种图形的技术已非常成熟，但是会引起触摸屏表面的反射系数有所不同，当光线划过表面时会造成图形可见。最近获得的反射系数更加匹配，而且传感器图形几乎不可见。
表面电容式触摸屏在小尺寸生产时具有实际的局限性，而投射电容式触摸屏在大尺寸时具有局限性。
传感器电极必须离得足够近，这样手指可以影响至少两个电极的电场线从而确定手指的位置。同样地，伴随着屏幕尺寸的增大传感器电极的数目也需要按照相应的几何比增大。随着投射电容式触摸屏尺寸的增大，需要发送回控制器的传感器电极的数目会迅速增加，同样迫使传感器的非活动边框扩大。有一些窍门可以制造大尺寸投射电容式触摸屏，但是这些设计到目前为止并没有在真实产品中得到验证。
2控制器是关键
如果没有控制器，传感器只是一片没有作用的塑料或者玻璃。与每一个物品上的（从应用处理机到MP3解码芯片）的电阻式触摸屏控制器的增殖性和综合性相比，投射电容式触摸屏仍然需要专门的芯片来驱动传感器，以及解码一根手指或多根手指在触摸屏上的位置。
Synaptics在市场上接受清理键模块的途径是采用自我电容技术，该技术是从已经使用的数百万笔记本触摸输入板借鉴来的。Synaptics控制器使用的传感设计是这样的，先测验X轴上的每一个传感器轨迹，随后测验Y轴上的每一个感器轨迹，找出每一个轴上的最大电容点。这种技术可以屏蔽同度噪音，如湿度、温度的变化或者外界噪声源（比如60Hz的线性噪声）。
苹果公司在iPhone和iPod触摸屏中采用的是交互电容技术。Apple/Broadcom控制器使用的传感设计是刺激Y轴上的每一条线，一次刺激一条。对于每一条Y轴线，控制器测量该条线和每一条X轴线处的交点电容。结果就是无论什么映像都是正在触摸700X-Y交点处的表面。但是，这种技术相对于自我电容技术对环境噪声非常敏感。到目前为止，以上的控制器供应商名单中并没有用于已的产品，所以并不知道他们采用什么技术。
3丰富的手势调色板
一般来说，要是想推动投射电容式触摸屏被广泛采用，首先要使丰富的手势调色板成为可能。原始设备制造商产品发展组的用户体验和用户界面设计者们非常渴望这种新能力。直觉手势的运用为减少当今用户设备的复杂度提供了巨大希望。
人们常常会问这样一个问题，手势处理会在那里发生呢？手势可以在四个地方进行处理和解码：在触摸屏控制器中，在独立CPU或DPS中，在主机CPU触摸屏驱动器中或者在主机CPU正在运行的应用设备中。在玻璃衬底和塑料衬底的对比问题中，并没有绝对的答案，每一种结构都各有优劣。在苹果iPhone中，触摸屏芯片是由两块独立的芯片组成：一个Broadcom模拟处理器，用来处理从传感器传过来的原始模拟信号，将他们转变成由多个X、Y点坐标值组成的数据流；另一芯片是NXP(飞利浦)ARM-7 CPU用来将数据流解码为相应的手势指示。在苹果iPod触摸屏中，上述两块芯片联合成一片芯片，又叫做改进型Broadcom芯片，包括了模拟和数字内核。苹果公司选择独立CPU处理手势而非主机CPU的一个原因是这样可以确保快速的对手势作出反应。iPhone一共包括五、六个独立的ARM内核，所以很显然整个产品架构是分布式计算。
在三星Yepp YP-P2媒体播放机中Synaptics采用了一种不同的方法。媒体播放机的功能比智能电话简单很多，因此媒体播放机一般只有一个CPU，这样限制了可能的手势处理选择的范围。三星Yepp YP-P2媒体播放机采用Synaptics ChiralMotion手势作为仔细寻找各种应用的主要方法。（ChiralMotion是一种智能化虚拟滚动手势，允许用户通过改变手指运动弧线的速度和半径来控制滚动的方向和速度。）触摸屏控制器从触摸屏输出一种由单个X和Y点坐标值组成的数据流。ChiralGesture识别发生在主机CPU正在运行的触摸屏驱动器上。驱动器向用户界面通报用户意图，这样用户界面应用可以满足用户在播放机的其余应用上穿梭触摸，这样不仅美观而且使用简单。
结 论
对于未来的掌上设备而言，投射电容式触摸屏是最有前途的交互作用方法。更薄，更稳健，比电阻式更清晰，支持多手指手势应用，推动工业设计一体化，这样看来下一代触摸屏很可能会广泛应用。可利用选择自我电容、交互电容、底玻璃，底平板塑料、底曲面塑料等的多种组合为原始设备制造商在如何结合这项日渐成熟的技术方面提供了巨大的弹性。
我们已经看到很多掌上设备制造商关于投射电容式触摸屏的实验，不仅可以通过他们的设计来识别，还可以通过用户的体验来识别。我们期待市场上这类成功产品尽快上市。
（南开大学赵立晴
关键词：电容式触摸屏 参数测试 软件设计 激励信号 波形产生
中图分类号：TP334.2 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）06-0169-02
Abstract：The capacitive touch panel is one of main types of touch panels， it has been applied in intelligent terminals and mobile telephone. The testing of capacitive touch panel is a key process step in order to ensure the quality and performance. First of all， the structure of the test system for capacitive touch panel is given in the paper. Secondly， the software program design of excitation signal is investigated， the design methods and design steps are given. The many types of excitation signal waveforms are generated by the combination of the software program and hardware circuits.
Key Words：Capacitive touch panel；parameters testing； software design；excitation signal；waveform generation
1 引言
触摸屏作为一种人机交互的输入设备，是目前人与机器设备进行沟通的界面中最简单的一种。使用者可以不必再通过键盘和鼠标，而是利用触摸方式来进行输入。触摸屏的优点主要有坚固耐用、反应速度快、易于交互等[1-3]。对触摸屏的操作过程是：以手指直接接触面板，接触点经由内部机构计算出接触点位置或接触点所在的区域，之后把结果传送到信息处理设备，达到输入的目的。
目前，触摸屏已广泛应用于人们的日常生活的各个领域，例如，手机、数码相机、售票终端系统等。在手机方面，人们对手机的智能化和便捷程度的要求越来越高，使得触摸屏作为一种便捷的人机接口在手机上的应用越来越普及；在汽车电子领域，人们对汽车的娱乐信息系统的要求也不断增加，车载导航系统、车内影音娱乐系统等得到了普及，由于触摸屏是比较方便的人机交互界面，因此迅速占领了车内用人机交互设备的市场。
触摸屏的类型主要有如下五种：表面声波式、红外线式、电阻式、表面电容式、投射电容式等。前两种触摸屏的体积大而且价格较高，适合于在一些大型的设备上使用；后三种具有体积小价格低，适合于移动设备和消费电子产品，其中的电容触摸屏具有响应时间短和透过率高等特点，已成为市场的主流触摸屏[4，5]。
电容触摸屏的制造是一个复杂而又精细的过程，包括了许多生产工序，主要的有镀膜工艺、曝光显影工艺、蚀刻工艺等。为了确保触摸屏产品的质量，必需在生产过程中的多个工序进行测试。本文所针对的是对电容触摸屏的参数测试。
2 电容触摸屏测试系统的结构
对电容触摸屏进行测试的测试系统主要包含如下模块：激励信号模块、控制模块、检测模块、探针模块、存储电路、LCD显示、键盘输入模块、接口模块等，如图1所示。对激励信号模块，我们采用直接数字频率合成（DDS）来进行设计，使用专用的DDS芯片AD9954来产生多种频率的信号波形。对AD9954的数据传送与控制，使用Altera公司Cyclone系列FPGA芯片EP1C3T144C8。对控制模块，使用STC90单片机来进行设计，并用它来实现对整个硬件部分的控制。
主要的工作流程是：在控制模块的作用下，由激励信号模块产生激励信号波形，通过探针模块将激励信号施加到电容触摸屏的扫描线上，由检测模块对扫描线间的电容进行测试，之后把测得的电容值保存到存储电路模块，并在LCD显示屏上进行显示，通过接口模块传送到微型计算机。
控制模块是对各种测试过程进行控制、进行测试数据的处理；接口模块是实现USB接口、并口、RS232串口、GPIB接口和以太网接口等，并完成它们的集成。激励信号模块是根据需要产生多种频率的信号（方波、三角波、正弦波等），并施加到电容触摸屏的扫描线上，以完成对扫描线间的电容进行检测；该模块是整个测试系统的一个关键部分，本文下面给出对它的软件程序设计。
3 激励信号的软件程序设计
本文的激励信号发生器的软件系统是采用MFC（Microsoft Foundation Classes）和Visual C++进行设计的，图2是软件的主界面。
在主界面的菜单栏中有“文件”、“初始化”、“波形类型设置”、“波形参数设置”、“发送波形数据”、“帮助”等菜单项。
3.1 主界面的设计
在菜单项“文件”中有“新建”、“打开”、“保存”、“另存为”、“打印”、“退出”等菜单命令，它们是用于对信号波形的说明文件的创建、保存、修改、打印等。菜单项“初始化”的功能是实现对信号发生器的硬件电路中的DDS芯片、FPGA芯片、以及通信接口例如USB接口、并口、RS232串口、GPIB接口和以太网接口等的初始参数配置，以保证后续工作过程的正确性。菜单项“波形类型设置”的功能是选择所要生成的信号波形的类型，例如方波、三角波、正弦波等。菜单项“波形参数设置”是给信号波形的一些参数赋值，例如频率与幅度等。菜单项“发送波形数据”是把前面的“波形类型设置”和“波形参数设置”中所指定的相关数据发送给信号发生器的硬件电路部分，之后由硬件电路来产生对应的信号波形。
对主界面的设计，主要采用MFC，它是微软公司提供的类库，是以类的形式封装了API函数。利用MFC的类库可以完成对消息的自动化处理，同时通过控件与消息的对应关系，把消息映射到类的成员函数，从而完成对多种事件的处理。在进行MFC程序设计时编程者不需要详细了解每个API函数的实现与调用过程，只需要首先对这些类进行实例化，然后再调用其中的成员函数，就能获得相应的功能。
3.2 初始化即驱动程序的设计
激励信号发生器的软件系统的初始化，主要是对硬件电路中的DDS芯片、FPGA芯片、以及通信接口的参数配置与数据一致性等进行处理，这是通过编制如下的通信驱动程序、FPGA驱动程序和AD驱动程序等多个驱动程序来实现的。
通信驱动程序是用于微型计算机与信号发生器硬件电路的数据通信，它提供了在两者之间进行通信时的初始化功能和接口函数，主要的函数有：初始化函数void Initial（int brate），其中参数 brate为设置的波特率。数据发送函数：void Send（*datasend），其中参数datasend为发送的数据，它可以是字节数据或保存在一个缓冲区中的数据。数据接收函数：void Receive（*datarec），其中参数datarec为接收的数据，是把它存放在一个缓冲区中。
对USB接口、并口、RS232串口、GPIB接口和以太网接口等，由于它们是采用各自的数据通信协议，因此对它们中的每一种，这三个函数Initial（ ）， Send（ ） 和Receive（ ） 都有其对应的实现方式。
FPGA驱动程序的主要功能是通过单片机来对FPGA芯片进行控制，并实现对波形类型的选取、波形频率和波形幅度等的设置。主要的函数有：波形选择函数 void Selectwave（char wav），其中wav参数是代表波形的类型，以字符的方式来表达。设置波形频率的函数 void Freqset（int fre），其中fre参数是代表频率参数，以整型数的方式来表示。设置波形幅度的函数 void Amplset（float amp），其中amp参数是代表幅度参数，以浮点数的方式来表达。
AD驱动程序是实现对AD9954芯片输入数据、读写与更新它的寄存器等，以使得它在这些数据信息的作用下，产生相应的激励信号波形，并通过它的输出引脚传出。主要的函数有：读写寄存器函数 void Readwrite（unsigned char address， unsigned char *buff， unsigned char mb， unsigned char sel），其中 address为寄存器的地址，buff 为指向读回数据的指针，mb为读回的数据的字节长度，sel为读写选择，此时用1表示读，用0表示写。更新寄存器函数 void Update（void），它的功能是将寄存器的当前值清除，为后续的操作例如向寄存器中写入数据做准备。
3.3 发送波形数据的程序设计
波形数据是需要通过微型计算机与信号发生器的接口传送到DDS的存储器RAM中。在我们所设计的硬件电路中，波形RAM的存储深度为1024个单元，每个单元的字长是12比特，因此，对波形的一个周期的采样点数为1024个。由于所采用的数模转换芯片支持如下两种输入格式：直接二进制码和二进制补码，因此为方便就使用直接二进制码作为输入，此时把波形点的幅度值量化为0至4095之间的无符号整数。发送波形数据的函数为void Sendwd（ ），若是使用USB接口进行波形数据的传送，则该函数的主要代码为：
void Sendwd（ ）
{ int j， char sdata[2048]；
m_UsbPort.InitPort（ ）； // 对USB口进行初始化
m_UsbPort.StartControl（ ）； // 启动USB的监视线程
m_bUsb_Open = TRUE； // 打开USB口
for（j = 0； j
{ sdata[2*i]=（8*DATA[i]）%256； // 对波形数据的低8位进行发送
sdata[2*i+1]=（（8*DATA[i]）/256）%256； // 对波形数据的高8位进行发送 }
m_UsbPort.WriteToPort（sdata，2048）；
m_UsbPort.ClosePort（ ）； // 关闭USB口 }
4 激励信号波形的实验结果
使用所设计的激励信号发生器的软件系统，并在硬件电路的配合下，在设置了所需生成的信号波形的参数例如频率和幅度之后，就可以通过硬件电路中的DDS芯片AD9954来产生所需的波形。这里所产生的信号类型为方波、三角波、正弦波等，信号波形的频率为100Hz、1KHz、10KHz等。图3是使用所设计的硬件电路来产生的这几种信号波形，它们的频率都为10KHz。
5 结语
在对触摸屏进行测试的过程中，精确的激励信号的产生是一个关键的因素，它会对整个测试系统的测试精度产生影响。对激励信号的产生，主要涉及电路硬件和软件程序设计两个方面，本文对它的软件程序设计进行了讨论，给出了相关的设计方法与步骤，通过与硬件电路的结合，实现了对多种信号波形的产生，能较好地满足对电容触摸屏的参数进行测试的要求。
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关键词：传感器；电容式触摸屏；微控制器；电阻式触摸屏
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.10.003
触摸屏无处不在！尽管检测触摸动作的方法已经发展了数年时间，但直到最近它们才又恢复了生机，因为一些老技术得到重新开放和重生（我正在研究光学触摸）。触摸屏正不断进入到我们的家庭和日常消费类设备中。为什么这么说？看看运行安卓系统的最新、最伟大的数码相机吧。除玩“愤怒的小鸟”游戏以外，您还可以用它们照相。噢，您想要外出旅游吧！不管这些新应用是如何变得普遍流行的，当您拿出您的消费类显微镜观察牛排被油炸过后发出嘶嘶声的原因，并对其进行分析时，您就会明白新技术所带来的这些巨大进步。
凭借其巨大的出货量与其一年一次的变化，移动市场大大拓展和发展了触摸屏控制技术。毫无疑问，对于广大消费者而言，触摸屏技术迈出的第一步是电阻式触摸技术。它的手写功能为文字输入带来了一种全新的方法。在今天的社会中，手写输入已经和知道如何“正确”地在星巴克点单一样，成为您社会地位的无言象征。如果您不知道这种技术，那么您就过时了。电阻式触摸技术曾在移动市场占有“王座”的地位，直到最近才被其新出现的“篡位者”打败：电容式触摸 （cap touch） 屏控制。最初使用时，这种技术为一种专有技术，但之后越来越多的公司看到了它的好处，开始屈身致力于这种技术的开发工作。那么，它有什么特别之处呢？让我们来深入研究电容式触摸技术及其成熟过程和各种版本情况。
第一次实现的电容式触摸一次只能识别一个触摸动作。毕竟，这正是电阻式触摸屏所能实现的。那么，为什么我们需要同时多点触摸呢？这种单一固有电容仅监控一个检测通道的接地电容值。当人们渴望拥有多点触摸时，一种新的方法出现了。在这种情况下，表面电容或者仅固有电容形成幻影效应（请参见图1）
为了解决这个问题，我们使用互电容概念来监控每排和列之间组合的电容值。这种方法让系统拥有更高的精确度，但是搜索数从算数搜索变为几何搜索。现在比较排数*列数和排数+列数（参见图2）。
这些基本的触摸检测系统，演化出了手势识别、对象拒绝和其它功能。最初，这些功能要求更多的功耗，因此触摸设计人员使用现有微控制器，并对必要模拟工具进行一些改进，以应对开发工作。他们可能完成了工作，但这是最为有效的方法吗？未必。经常有人告诉我，您不必最优秀，只需比竞争者好便可。
谈及人生安全时，就会讲到从众心理。但在商界，随大流并不总是能让您获得成功。新技术和新方法总是层出不穷。就电容式触摸屏而言，使用集成微控制器可以实现您的目标，但付出的代价是什么呢？集成FLASH和RAM会推高功耗和资金成本。另外，使用触摸屏的系统通常都已经集成了某种嵌入式控制器，用于满足完成触摸计算或者复杂触摸识别的要求。实际上，研究今天的市场发展趋势就可以发现，应用处理器正在塑造其自有专用触摸引擎。为什么会出现这种情况呢？
原因是系统优化。为什么要使用冗余元件呢，因为这样可以：1）节省资金；2）减少对便携式设备充电的次数。换句话说，你可以与朋友拥有更长的通话时间，或者多看一部电影。因此，触摸屏控制器公司们开始纷纷跟进。它们研究特殊需求，开发出基于模拟前端（AFE）的投射电容式触摸屏控制器。
当开启使用嵌入式微控制器和使用数字状态机（或基于AFE的设计）的触摸IC时，会出现什么情况呢？
图3使用应用处理器（淡灰色）的平均功耗，对比使用嵌入式MCU（3a：深灰色）的触摸IC以及使用数字状态机（3b：红色）基于触摸IC的AFE工作模式的功耗
图3表明，应用处理器运行时两种方法都有噪声，但是，如果我们关闭应用处理器的结果如何呢？
这里是一个完全不同的情况。现在出现的是数量级的差异：
我们从功耗的角度，为您说明了只能使用基于AFE解决方案的合理性。您是否在想，如果没有MCU，你将更加依赖于应用处理器，这样会不会让其负担过大呢？下面让我们来看看，是否会出现这种情况。
总结
【关键词】智能终端 多点触屏 电容式触摸屏 投射式电容触摸屏 人机交互
1 引言
2007年苹果公司iPhone手机，开启了近年来智能终端的普及风潮，可以说是引爆了一场智能终端市场的革命。2011年全球移动终端销量约16亿部，超越了PC销量，而移动智能手机销量更是达到4.72亿部；近五年来全球智能手机出货量接近10亿部。2011年我国市场智能终端出货量达到11774万部，超过此前我国历年移动智能终端出货量的总和。再加上移动互联网和云计算的快速发展，智能终端正逐步影响和改变着人们的日常生活。
作为智能终端重要组成部分的显示屏，也进入了快速发展时期。从最初的单色LCD显示屏，到STN、CSTN显示屏，再到TFT显示屏及至触摸屏，显示屏的发展可谓日新月异。触摸屏技术包括电阻式触摸屏、红外线式触摸屏、表面声波式触摸屏，以及现在最火热的可以多点触摸的电容式触摸屏等。触摸屏的发展必将大大地推动智能终端的发展。
2 触摸屏的工作原理及出货量分析
根据其工作原理，触摸屏一般被分为四大类：电阻式触摸屏、电容式触摸屏、红外线式触摸屏和表面声波式触摸屏。在智能终端上，如今应用最为广泛的是电阻式触摸屏和电容式触摸屏。下面简单介绍一下这四种触摸屏的工作原理。
2.1 电阻式触摸屏
电阻式触摸屏的主要部分是一块与显示器表面非常吻合的薄膜屏，这是一种多层的复合薄膜，分为表层和基层。薄膜的表层是下表面涂有透明导电层的一层玻璃或硬塑料平板，表层上表面覆盖着一层防刮的塑料层。的基层是上表面涂有透明导电层的一层玻璃或硬塑料平板。在薄膜的表层和基层的导电层之间有许多细小的透明隔离点，把两层导电层隔开绝缘。当手指触摸屏幕时，两层导电层在触摸点位置就有了接触，电阻发生变化，在X和Y两个方向上产生信号，然后送至触摸屏控制器。控制器侦测到这一接触并计算出（X，Y）的位置，再根据模拟鼠标的方式运作。这就是电阻技术触摸屏的最基本的原理。其典型的结构如图1所示：
根据引出线数的多少，电阻式触摸屏又可以分为四线、五线、六线、八线等类型。不论是四线电阻式触摸屏还是五线电阻式触摸屏等，它们都有如下优点：分辨率高，价格便宜，易于生产，抗干扰能力强，能在恶劣环境下工作，不怕尘埃、水及污垢的影响。但是，由于复合薄膜的外层采用塑胶材料，触摸屏极易被划伤或因受力过大而损坏；电阻式触摸屏的抗刮伤能力差，很大程度地影响了其使用寿命。
2.2 电容式触摸屏
电容式触摸屏是现在最受关注的一种触摸屏类型。其构造主要是在玻璃屏幕上镀一层透明的薄膜导体层，再在导体层外加上一块保护玻璃，在触摸屏的四边均镀上狭长的电极，从而在导电体内形成一个低电压交流电场。当用户触摸玻璃屏时，触摸屏的表面与人体产生一个耦合电容，由于电容有隔直流通交流的作用，当触摸屏通上高频信号时，手指相当于直接导体，吸走一个很小的电流，而电流会流经触摸屏的四个角上的电极。触点的位置可以由控制器计算这四个电极流经的电流比例得出，因为触摸点到四个电极的距离与流经这四个电极电流的大小是成比例关系的。
电容触摸屏的双玻璃不但能保护导体及感应器，更能有效地防止外在环境因素对触摸屏造成影响；就算屏幕沾有污秽、尘埃或油渍，电容式触摸屏依然能准确算出触点位置。但由于电容随温度、湿度和接地情况的不同而变化，其稳定性较差，往往会产生漂移现象。
电容式触摸屏技术可以进一步细分为表面电容式触摸屏和投射式电容触摸屏。投射式电容触摸屏是支持多点触控功能的面板，基本上都是选择玻璃作为基板，可选择单片或双片组合并于基板上镀上ITO（铟锡氧化物）。目前常见的ITO形状有钻石结构与矩阵式结构两种（如图2），除了苹果iPhone是矩阵式结构之外，其它电容式感应组件一般都属于钻石结构。
2.3 红外线式触摸屏
红外线式触摸屏的四周都排满了红外线发射器与红外线接收器，它们一一对应从而构成红外线矩阵。其安装简单，只需要在显示屏的横向与纵向边框上分别装上红外线发射管和红外线接收管，通过电路驱动红外线发射管发出红外光，便能在屏幕表面形成一个红外线矩阵，位置相对的红外线接收管接收红外光信号。
当用户手指或其他不透明物体触摸显示屏的某一点时，接触物挡住了该点横向和纵向的红外线，红外线接收器会探测到变化的信号并转换成电压。该电压与接收到的红外线的强度成比例关系，通过对接收到的电压信号进行处理就可以确定触摸点的位置坐标。
红外触摸屏不受电流、电压和静电干扰，适宜于某些恶劣的环境。其主要优点是价格低廉、安装方便，可以用在各档次的智能终端上。此外，由于没有电容充放电过程，响应速度比电容式快，但分辨率较低。
2.4 表面声波式触摸屏
表面声波式触摸屏是利用声波在刚体（如玻璃或金属等）表面传播的特性设计而成的。玻璃平板是表面式触摸屏的触摸部分，它安装在CRT、LED、LCD或PDP显示器屏幕前，可以是平面、球面或柱面，没有任何贴膜和覆盖层，四角分别设有超声波发射换能器及接收换能器，能发出一种超声波并覆盖屏幕表面。
表面声波式触摸屏工作时，控制器产生的一定频率的电信号通过超声波发射换能器转换为超声波能量发出，均匀地在屏幕表面形成声波网面，然后传送到接收换能器并且被转换成电子信号，最后被传到控制器储存。当手指或其他能够吸走或阻挡声波能量的物体接触触摸屏时，一部分声波能量被吸走，导致接收信号产生衰减，通过分析信号的衰减就可以确定触点的位置。
关键词：手机触摸屏；电容器；感应电流
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.22.209
0 引言
科技日新月异的今天，手机早已成为人们日常生活中不可或缺的一部分，街头小巷到处可见低头族。而触摸屏作为手机的核心部分，又有多少人知道其工作原理呢？在强烈好奇心的驱动下，我查阅了一些相关文献资料，对其有了初步的了解，下面便为大家介绍一下。
原来，触屏式手机的屏幕经历了由电阻式触屏到电容式触摸屏的发展。1997年，摩托罗拉推出的PalmPilot掌上电脑，是最早采用电阻式触摸屏的，它利用压力感应进行工作，当手指或其他物体触压屏幕时，压力感应传感器可将位置信号传送至CPU，从而确定触点的位置[1]。它的性能稳定，工作环境与外界完全隔离，因此受外界灰尘、天气等不良因素影响较小，其缺点是在工作时每次只能响应一个触控点，当触控点在两个以上，就不能做出正确的判断了[2，3]。2007年3月，LG率先了Prada多点触摸手机，同年6月，苹果开始出售iPhone电容式全屏多点触摸手机，采用电容式触摸屏，一时惊艳四方，宣告手机进入从单点到多点触摸的新时代。顾名思义，电容式触摸屏主要结构就是电容器。我们知道电容器就是容纳电荷的器件，由两个电极以及它们之间的介电材料构成，其主要工作原理便是“充电”、“放电”。
电容式触摸屏是将人体或大地视为一个电极进行工作的（由于人体与大地相连，人体可以看做是一个电极）。根据其结构和工作原理不同，可将其分为表面式电容屏和投射式电容屏，投射式电容屏又分为自容式和互容式两种。
1 表面式电容屏
表面式电容屏的结构由外至里主要由四层组成：玻璃保护层、导电层（材料为ITO）、玻璃层、导电层（ITO）。ITO是铟锡氧化物的英文缩写，它是一种透明的导电体[4]。最内层导电层有着屏蔽的作用，确保良好稳定的工作环境，中间的导电层是整个触屏的工作面，充当一个电极。工作面上接有高频交流电场，当人的手指触摸到屏幕时，人体与导电层以及绝缘的玻璃层构成一个电容。由于电容可以导通高频电流阻挡低频电流，因此对于高频电流来说，可将电容视为导体。于是会有一部分电荷从手指转移到人体。流失走的电荷会从屏幕四个角的电极补充进来，形成电流，经过这四个电极的电流与手指到四角的距离成正比，控制器通过对这四个电流比例的精确计算，得出触摸点的位置[5]。表面式电容屏的缺点是每次只能对一个触点做出反应，如若同时进行两个及以上触点的操控，电容式触摸屏将不能确定触点的位置，从而无法正常工作。此外，环境温度、湿度、电场的改变都会引起电容屏的漂移，扰乱对触点位置的判断。
2 投射式电容屏
投射式电容屏又分为自容式和互容式两种。自容式电容是指电极与地构成的电容，称为自我电容。在玻璃表面的ITO经过化学方法蚀刻，制成横向与纵向的电极阵列，这些横纵交错的电极分别与大地构成电容，如图1（a）所示。当用手指触摸电容屏时，相当于并联一个电容到电路中去，从而导致在屏体电容量增加。在触摸屏幕前后，探测器探测到电容量的变化，以此确定触摸点的坐标位置。自电容式触摸屏需要校准，存在“鬼点”效应，无法实现真正的多点触摸。生活中最典型的实例便是笔记本电脑触摸输入板。
如图1（b）所示，当人手碰到触摸屏时，电极和地之间的电容由原来的Cp变为CP+2CF，显然增大了[6]。
交互式电容是用ITO制作横向与纵向电极，如图2所示，它不同于自容式屏的是在横向和纵向的ITO电极交叉处会形成电容，也就是说横向电极和纵向电极分别构成了电容的两级。当手指与电容屏接触时，将影响触点附近两个电极间的耦合，从而改变这两个电极之间的电容量。探测器探测到电容量在触摸前后的变化，会确定触摸点的位置。互电容式触摸屏无需校准，可以避免“鬼点”效应，实现真正的多点触摸，并且它的工作不受外界温度、湿度、手指湿润程度等影响，不会产生“漂移”现象。苹果公司的产品iPhone和iPod Touch的触摸屏便是采用了交互式电容技术[7]。
了解了电容式触摸屏的工作原理之后，我知道了电容式触摸屏是利用人体的感应电流进行工作的，根据此原理我用锡箔纸包裹棉签棒自制了一个电容笔，手握电容笔触压电容屏幕，可以很好的操作手机。
触摸屏技术方便了人们对计算机的操作使用，是一种极有发展前途的交互式输入技术[8]。如此将理论知识与实际应用结合起来，使得我对手机触摸屏的工作原理有了更加深刻的理解，同时，在这个过程当中我更感受到物理的神奇魔力。
参考文献：
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SamuelC.Hurst博士在1971年提出了电子触摸界面的设想，至1974开始出现最早的触摸屏。早期的相关专利几乎无一例外都着眼于检测压力的电阻式技术。渐渐地，诸如电容式、声表面波技术还有红外波束遮断等其它技术都在各自适合的应用中找到了一席之地。对于成本敏感的消费类应用，尤其是使用小型触摸屏的便携式设备，电阻式触摸屏仍占统治地位。声表面以及红外型触摸屏用于这些场合明显太过昂贵，而传统的电容式技术又备受长期稳定性不佳、易受潮湿侵蚀、不耐磨损以及由于EMC（电磁兼容）或其它外界因素导致的误动作等一系列缺点的困扰。但电阻式触摸屏也有其局限性，而且电容式技术也在不断进步，特别是那些以电荷转移感测方法为基础的技术，将会给电子及电气产品设计师实现触摸屏的方式带来巨大的变化。
二、触摸屏的分类
目前，根据触摸检测技术（即使用传感器原理）的不同，可将触摸屏分为四个基本种类：电阻技术触摸屏、电容技术触摸屏、红外线技术触摸屏、表面声波技术触摸屏。
1.电阻式触摸屏
电阻触摸屏的屏体部分是一块与显示器表面非常配合的多层复合薄膜，由一层玻璃或有机玻璃作为基层，表面涂有一层透明的导电层（OTI,氧化铟），上面再盖有一层外表面硬化处理、光滑防刮的塑料层，它的内表面也涂有一层OTI,在两层导电层之间有许多细小（小于千分之一英寸）的透明隔离点把它们隔开绝缘。当手指接触屏幕，两层OTI导电层出现一个接触点，因其中一面导电层接通Y轴方向的5V均匀电压场，使得侦测层的电压由零变为非零，控制器侦测到这个接通后，进行A/D转换，并将得到的电压值与5V相比，即可得触摸点的Y轴坐标，同理得出X轴的坐标，这就是电阻技术触摸屏共同的最基本原理。
2.电容式触摸屏
电容式触摸屏的构造主要是在玻璃屏幕上镀一层透明的薄膜体层，再在导体层外加上一块保护玻璃，双玻璃设计能彻底保护导体层及感应器。
电容式触摸屏在触摸屏四边均镀上狭长的电极，在导电体内形成一个低电压交流电场。用户触摸屏幕时，由于人体电场，手指与导体层间会形成一个耦合电容，四边电极发出的电流会流向触点，而电流强弱与手指到电极的距离成正比，位于触摸屏幕后的控制器便会计算电流的比例及强弱，准确算出触摸点的位置。电容触摸屏的双玻璃不但能保护导体及感应器，更有效地防止外在环境因素对触摸屏造成影响，就算屏幕沾有污秽、尘埃或油渍，电容式触摸屏依然能准确算出触摸位置。
3.红外技术触摸屏
外线触摸屏原理很简单，只是在显示器上加上光点距架框，无需在屏幕表面加上涂层或接驳控制器。光点距架框的四边排列了红外线发射管及接收管，在屏幕表面形成一个红外线网。用户以手指触摸屏幕某一点，便会挡住经过该位置的横竖两条红外线，计算机便可即时算出触摸点位置。
4.表面声波技术触摸屏
声波是一种沿介质表面传播的机械波。该种触摸屏由触摸屏、声波发生器、反射器和声波接受器组成，其中声波发生器能发送一种高频声波跨越屏幕表面，当手指触及屏幕时，触点上的声波即被阻止，由此确定坐标位置。
三、触摸屏发展的展望
在2009年9月23日的爱特梅尔公司（AtmelCorporation）maxTouch技术简报会上，爱特梅尔亚太区销售副总裁余养佳指出：“受苹果公司手机的强力影响，灵敏度更高和使用体验更好的电容性触摸屏将压倒今天主流的电阻性触摸屏成为未来手机和其它便携式设备市场的应用大趋势，尽管今天电阻性触摸屏解决方案比较便宜，但它无法像电容性触摸屏那样提供流畅的手指滑动响应性能。预计明年90%的智能手机将采用电容性触摸屏，强调低价格的多功能手机（FeaturePhone）。明年上半年预计也将有30%采用电容性触摸屏，这一市场份额有可能到明年下半年扩大到50%.”
SamuelC.Hurst博士在1971年提出了电子触摸界面的设想，至1974开始出现最早的触摸屏。早期的相关专利几乎无一例外都着眼于检测压力的电阻式技术。渐渐地，诸如电容式、声表面波技术还有红外波束遮断等其它技术都在各自适合的应用中找到了一席之地。对于成本敏感的消费类应用，尤其是使用小型触摸屏的便携式设备，电阻式触摸屏仍占统治地位。声表面以及红外型触摸屏用于这些场合明显太过昂贵，而传统的电容式技术又备受长期稳定性不佳、易受潮湿侵蚀、不耐磨损以及由于EMC（电磁兼容）或其它外界因素导致的误动作等一系列缺点的困扰。但电阻式触摸屏也有其局限性，而且电容式技术也在不断进步，特别是那些以电荷转移感测方法为基础的技术，将会给电子及电气产品设计师实现触摸屏的方式带来巨大的变化。
二、触摸屏的分类
目前，根据触摸检测技术（即使用传感器原理）的不同，可将触摸屏分为四个基本种类：电阻技术触摸屏、电容技术触摸屏、红外线技术触摸屏、表面声波技术触摸屏。
1.电阻式触摸屏
电阻触摸屏的屏体部分是一块与显示器表面非常配合的多层复合薄膜，由一层玻璃或有机玻璃作为基层，表面涂有一层透明的导电层（OTI,氧化铟），上面再盖有一层外表面硬化处理、光滑防刮的塑料层，它的内表面也涂有一层OTI,在两层导电层之间有许多细小（小于千分之一英寸）的透明隔离点把它们隔开绝缘。当手指接触屏幕，两层OTI导电层出现一个接触点，因其中一面导电层接通Y轴方向的5V均匀电压场，使得侦测层的电压由零变为非零，控制器侦测到这个接通后，进行A/D转换，并将得到的电压值与5V相比，即可得触摸点的Y轴坐标，同理得出X轴的坐标，这就是电阻技术触摸屏共同的最基本原理。
2.电容式触摸屏
电容式触摸屏的构造主要是在玻璃屏幕上镀一层透明的薄膜体层，再在导体层外加上一块保护玻璃，双玻璃设计能彻底保护导体层及感应器。
电容式触摸屏在触摸屏四边均镀上狭长的电极，在导电体内形成一个低电压交流电场。用户触摸屏幕时，由于人体电场，手指与导体层间会形成一个耦合电容，四边电极发出的电流会流向触点，而电流强弱与手指到电极的距离成正比，位于触摸屏幕后的控制器便会计算电流的比例及强弱，准确算出触摸点的位置。电容触摸屏的双玻璃不但能保护导体及感应器，更有效地防止外在环境因素对触摸屏造成影响，就算屏幕沾有污秽、尘埃或油渍，电容式触摸屏依然能准确算出触摸位置。
3.红外技术触摸屏
外线触摸屏原理很简单，只是在显示器上加上光点距架框，无需在屏幕表面加上涂层或接驳控制器。光点距架框的四边排列了红外线发射管及接收管，在屏幕表面形成一个红外线网。用户以手指触摸屏幕某一点，便会挡住经过该位置的横竖两条红外线，计算机便可即时算出触摸点位置。
4.表面声波技术触摸屏
声波是一种沿介质表面传播的机械波。该种触摸屏由触摸屏、声波发生器、反射器和声波接受器组成，其中声波发生器能发送一种高频声波跨越屏幕表面，当手指触及屏幕时，触点上的声波即被阻止，由此确定坐标位置。
三、触摸屏发展的展望
在2009年9月23日的爱特梅尔公司（AtmelCorporation）maxTouch技术简报会上，爱特梅尔亚太区销售副总裁余养佳指出：“受苹果公司手机的强力影响，灵敏度更高和使用体验更好的电容性触摸屏将压倒今天主流的电阻性触摸屏成为未来手机和其它便携式设备市场的应用大趋势，尽管今天电阻性触摸屏解决方案比较便宜，但它无法像电容性触摸屏那样提供流畅的手指滑动响应性能。预计明年90%的智能手机将采用电容性触摸屏，强调低价格的多功能手机（FeaturePhone）。明年上半年预计也将有30%采用电容性触摸屏，这一市场份额有可能到明年下半年扩大到50%.”
关键词： 投射式；电容式；触摸屏；电极；结构
中图分类号：TN949.199文献标识码：B
Simple Discussion on Projected Capacitive Touch Panel Design
YOU Rong-xin, WANG Yan-han
(Shantou Goworld Display Co., Ltd., Shantou Guangdong 515065, China)
Abstract: Projected capacitive touch panel has gradually become the mainstream for electronic product, such as cell-phone, by its excellent operability and reliability. This paper is to have a brief introduction of projected capacitive touch panel design features in terms of principles, mechanical, etc.
Keywords:projected; capacitive; touch panel; electrode; mechanical
1工作原理
投射式电容触摸屏是在玻璃表面用一层或多层ITO（Indium Tin Oxides，透明导电薄膜，纳米铟锡金属氧化物，具有良好的导电性和透明性）制作X轴和Y轴电极矩阵，当手指触摸时，手指和ITO表面形成一个耦合电容，引起电流的微弱变动，通过扫描X轴和Y轴电极矩阵，检测触摸点电容量的变化，计算出手指所在位置。
投射式电容触摸屏可分为自电容式触摸屏和互电容式触摸屏。
自电容式触摸屏的X轴和Y轴电极矩阵分别与地形成电容，当手指触摸电容屏，手指电容与电极电容叠加，使电极电容量增加。
检测时，自电容式触摸屏依次分别检测X轴和Y轴电极矩阵，根据触摸前后电容量的变化，分别确定X轴坐标和Y轴坐标，得出电容屏的触摸点坐标。
单个触摸点在X轴和Y轴方向的坐标都是唯一的。当有两个触摸点且这两个触摸点不在同一X轴或同一Y轴时，在X轴和Y轴形成4个坐标，但其中只有两个坐标是真实的，另外两个就是俗称的“鬼点”，因此自电容式触摸屏无法实现真正的多点触摸。
互电容式触摸屏的X轴和Y轴电极矩阵交叉处形成电容，即X轴和Y轴电极分别构成了电容的两极，当手指触摸电容屏，与触摸点附近的两个电极产生耦合电容，造成这两个电极之间电容量的变化。
检测时，Y轴电极矩阵分时依序发出信号，X轴电极矩阵同时接收信号，从而得到所有X轴和Y轴电极矩阵交叉点的电容值，根据电容量的变化，可计算出每一个触摸点坐标，目前可以支持到10个手指的触摸。
2结构设计
常见的投射式电容触摸屏结构有三种。
Glass+Glass结构（单面ITO），第一层Glass称为Lens（盖板），第二层Glass称为Sensor，两层玻璃通过OCA（Optical Clear Adhesive，光学透明胶，具有良好的粘合力和透过性）粘合在一起，ITO层镀在Sensor上表面，其中Y-Sensor通过金属桥连通。如图2所示。
Glass+Glass结构（双面ITO），与单面ITO唯一不同的地方是，ITO层分别镀在Sensor上/下表面。如图3所示。
Glass+Film结构，与其它两种结构不同的是，第二层采用了Film（薄膜），ITO层镀在Film上，根据IC的不同和电容屏厂制造工艺的不同，可采用一层膜或多层膜结构。如图4所示。
表1所示为三种结构在制程方面的对比。
3感应图形及走线设计
感应图形即Sensor层的ITO图形，通常采用菱形+菱形的设计，另外根据各家IC特性，还有六边形+菱形、雪花形等设计。常见的玻璃结构菱形+菱形设计如图5所示。
Sensor层的ITO走线主要有分屏走线和交叉走线两种（如图6所示）。Y-Sensor和图形之间需用地线隔开，X-Sensor线和Y-Sensor之间同样需用地线隔开。
4驱动电路设计
图7所示为最基本的投射式电容触摸屏驱动电路，采用IIC串行接口。
5FPC设计
5.1常规设计
（1） Sensor线线宽一般为0.075mm，Sensor线线隙一般为0.075mm，过孔外径/内径一般为0.4mm/0.2mm。
（2） X-Sensor线和Y-Sensor线不可重叠；如果平行，中间用GND线隔离，GND线线宽为Sensor线线宽的2倍；如无法避免交叉走线，则尽量垂直，减小交叉面积，降低寄生电容。
（3） IC的元器件尽量靠近IC放置。
（4） FPC正/反面铺网格状接地铜箔，减小GND线电阻，屏蔽外部干扰。
5.2抗ESD设计
（1） 在VDD引脚处增加压敏电阻，提高抗ESD电压。
（2） 连接IC和主机的数据线铺网格状接地铜箔，保护IIC 信号，防止ESD干扰串入主板。
5生产流程
生产流程如图10所示。
6结论
随着技术的演进，投射式电容触摸屏的应用已经愈来愈多元化，从手持装置到家电产品，触摸技术几乎无所不在，投射式电容触摸屏必然会将人机交互推向一个新的时代。
参考文献
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