人机界面触摸屏技术要求

人机界面触摸屏技术要求
1.防水性
　　防水性经常被忽略，但对于实现稳定、可靠的用户界面来说非常重要。很多生产环境的湿度都很大，操作人员可能需要在手指或屏幕沾水的情况下进行操作。触摸屏必须工作顺畅且不会因此发生误触。
　　对于触摸屏的防水性，已有多项国际标准做出详细规定。比如，国际电工委员会（IEC）的IEC-60529标准就对防护等级(IP等级)进行了界定。其中，一件产品可达到的最高级别为IP-67，也就是说，它可以在存在大量灰尘（灰尘等级为6）的环境下工作，且可以浸入水中1米（防水等级为7）而不会发生损坏。在多数工业应用中，防水性都是必要条件。
　　从触摸屏控制器的角度来说，“防水性”（适用于屏幕上各种形式的液体或导电粒子）可进一步细分为两个要求：防水和湿手指追踪功能。
　　1)防水：
　　a.防止触摸屏对液体的存在做出意外反应。
　　b.将液体从屏幕擦除后可继续流畅操作。
　　2)湿手指追踪：
　　a.当屏幕上存在液体时也能准确感知手指的触控。适用于因潮湿造成的液膜、溅出的液体或多处液滴。
　　b.用汗湿或油腻的手指触碰屏幕。
　　投射电容会在导体从金属（通常为氧化铟锡（ITO））导线网格偷走电荷时感知电容的变化，这些网格相互独立，会在有电流通过时起到传感器的作用。这些金属线被排列为Tx（发射电流位置）和Rx（接收电流位置），Tx导线与Rx导线之间会形成电容。
　　投射电容存在两种形式。
　　（1）自电容感应：检测传感器网格行和列（X+Y）上的电荷变化。特定行的电荷变化可归因于多个列的电荷变化，自电容感应适用于单点触控式应用。
　　（2）互电容感应：检测网格每个交互点的电荷变化（X*Y）。因此，它可以精确感应多点触控。见图1

　　图1：自电容传感器网格如左图所示，互电容网格如右图所示。由于扫描方式的区别，自电容网格无法可靠追踪屏幕上的多个手指，而互电容网格可以。
　　手指触控动作在自电容和互电容感应模式下的表现形式截然不同。在自电容模式下，单次触控会在电荷转移到地面后表现为电流的增加；而互电容模式下，触控的检测结果是交叉点上两个传感器之间的整体互电容降低。
　　水作为导体会增强临近传感器之间的边际电场，并使电容增大。这可能会造成触摸屏将水识别为自电容模式下的轻手指触控。这可以通过感应临近传感器中的复制电场来解决，从而有效消除临近传感器之间产生的边际电场。然而，自电容不支持多点触控。
　　在互电容网格中，水的表现形式相同，但会被感知为电荷的增加，并与手指触碰效果的极性相反。这样，当擦拭屏幕上的水时可能会被传感器记录为一次手指误触。
　　自电容感应与互电容感应的结合（如赛普拉斯TrueTouch控制器中所实施的那样）可提供稳定可靠的防水解决方案。能够在Tx和Rx线之间进行切换以准确掌握水滴轮廓也非常重要。
　　当屏幕上覆盖一层水膜或大水滴时，其产生的效果可能与拇指或手掌等大物体（取决于水滴/薄膜的大小）类似。需要以特殊算法精准确定水体的位置并追踪手指的移动。
　　2.抗扰性
　　对于触摸屏来说，一般存在两种干扰源：
　　1)直接耦合干扰：这种干扰来自邻近的机器、高压交流电以及节能灯的电子镇流器。这些干扰都存在于制造工厂，可以耦合到人体中并通过手指触控注入到系统中。
　　2)共模干扰：这种干扰来自于触摸屏设备内部（如电源、质量不好的充电器）并通过手指释放到地面。
　　干扰包括宽带与窄带噪声，通常振幅较高。我们看到，共模干扰的频率最高可达500kHz，振幅可达40Vpp。见图2

　　图2：窄带和宽带充电器干扰图
　　在两种情况下，用户都会看到误触的情况；包括报告误触坐标或造成触摸传感器过载（触控会显示为沿Rx传感器伸展的长线条）。这会导致流水线收到错误指令并造成延迟。在很多情况下，干扰脉冲会充满接收电容器，从而遗漏本应记录在该交叉点上的触控信号并影响整体触控体验。良好的信噪比（SNR）是触摸屏控制器抵抗各种干扰的必要条件之一。
　　可通过多种方式抵抗干扰。
　　a)提高Tx电压：提高SNR的最有效方式之一就是增大信号电压。这是一种简单有效的SNR改善方式。有些赛普拉斯半导体触摸屏控制器会提供内置10VTx，用以提高SNR同时避免增加额外的物料成本。
　　b)跳频：Rx通道可动态改变频率以回避干扰波及其谐波。在干扰强烈的环境下，必须启用跳频，且触摸屏控制器必须内置特殊算法以便不断跳过干扰频率。
　　除上述方式外，还存在很多抑制干扰技术。其中有些新方法可以有效防止频道饱和，同时利用片上DSP实现的开窗法来有效恢复信号。
　　3.先进的触控技术：手套以及近接感应
　　对于手机来说，市场上已存在用于检测触控的传导手套。而在工厂中，这种解决方案并非有效，因为操作人员在操作其它机器时可能需要佩戴特殊手套。而要求操作人员脱掉手套再来操作触摸屏会很不方便。
　　对于主机CPU来说，佩戴手套触摸和用手指轻轻触摸并无分别。因此，可以提高触摸屏控制器的灵敏度，降低手指触摸的记录阀值。然而，这样可能会带来以下问题：
　　a)悬空的手指可能会被检测为一次触控，而这并非使用者的意图。
　　b)共模干扰可能会触发误触。
　　c)手套的厚度不同，其性能也会有所不同。
　　除手套触控外，触摸屏控制器可能需要在24-30毫米距离内感知正在接近的手指。这需要触发液晶显示屏（LCD）启动事件以获得最佳用户体验。
　　我们可以使用不同的感应方式、特殊算法、触摸屏微调或综合使用这几种方式来实现各种先进的触控功能。
　　随着触摸屏在人机界面中的广泛使用，对触摸屏控制器的要求也要具体针对该市场进行不断变化。工业用户希望他们的触摸屏能够在各种干扰条件以及水、手套等导电材料的情况下工作。能满足这些要求的触摸屏设计可以确保提供良好的用户体验，并提高工人的生产力，从而增加工厂的总体产量。