雖然阻性技術傳統上是用來檢測屏幕上單點觸摸的位置，但本文提出了一個創新的兩點觸摸概念，它利用阻性觸摸屏控製器AD7879在廉價的阻性觸摸屏上檢測最常見的雙指手勢（縮放、捏合和旋轉）。

 

阻性觸摸屏的經典方法

 

典型的阻性觸摸屏包括兩個平行的氧化銦錫 (ITO)導電層
，中間的間隙將兩層分開（圖1）。上層(Y)的邊緣電極相對於下層(X)的邊緣電極旋轉90°。當對屏幕的一個小區域施加壓力，使這兩層發生電氣接觸時，就發生了"觸摸"現xian象xiang。如ru果guo在zai上shang層ceng的de兩liang個ge電dian極ji之zhi間jian施shi加jia一yi個ge直zhi流liu電dian壓ya
，而er下xia層ceng懸xuan空kong，則ze觸chu摸mo將jiang使shi下xia層ceng獲huo得de與yu觸chu摸mo點dian相xiang同tong的de電dian壓ya。判pan斷duan上shang層ceng方fang向xiang觸chu摸mo坐zuo標biao的de方fang法fa是shi測ce量liang下xia層ceng的de電dian壓ya，以yi便bian確que定ding觸chu摸mo點dian處chu的de電dian阻zu占zhan總zong電dian阻zu的de比bi值zhi。然ran後hou交jiao換huan兩liang層ceng的de電dian氣qi連lian接jie
，獲huo得de觸chu摸mo點dian在zai另ling一yi個ge軸zhou上shang的de坐zuo標biao。

 

連接直流電壓的層稱為''有源''層ceng，電dian流liu與yu其qi阻zu抗kang成cheng反fan比bi。測ce量liang電dian壓ya的de層ceng稱cheng為wei無wu源yuan層ceng
，無wu相xiang關guan電dian流liu流liu經jing該gai層ceng。發fa生sheng單dan點dian觸chu摸mo時shi
，在zai有you源yuan層ceng中zhong形xing成cheng一yi個ge分fen壓ya器qi，無wu源yuan層ceng電dian壓ya測ce量liang通tong過guo一yi個ge模mo數shu轉zhuan換huan器qi讀du取qu與yu觸chu摸mo點dian和he負fu電dian極ji之zhi間jian的de距ju離li成cheng比bi例li的de電dian壓ya¹.

 

由於成本低廉，傳統的4線阻性觸摸屏深受單點觸控應用的歡迎。實現阻性多點觸控 的de技ji術shu有you多duo種zhong，其qi中zhong總zong是shi會hui用yong到dao一yi個ge矩ju陣zhen布bu局ju屏ping幕mu
，但dan屏ping幕mu製zhi造zao成cheng本ben高gao得de嚇xia人ren。此ci外wai，控kong製zhi器qi需xu要yao許xu多duo輸shu入ru和he輸shu出chu來lai測ce量liang和he驅qu動dong各ge個ge屏ping幕mu帶dai
，導dao致zhi控kong製zhi器qi成cheng本ben和he測ce量liang時shi間jian增zeng加jia。

 

圖1. (a) 阻性觸摸屏的結構 

(b)用戶觸摸屏幕時的電氣接觸

 

超越單點觸控

 

雖(sui)然(ran)如(ru)此(ci)，但(dan)通(tong)過(guo)理(li)解(jie)並(bing)模(mo)擬(ni)該(gai)過(guo)程(cheng)背(bei)後(hou)的(de)物(wu)理(li)原(yuan)理(li)，我(wo)們(men)可(ke)以(yi)從(cong)阻(zu)性(xing)觸(chu)摸(mo)屏(ping)提(ti)取(qu)更(geng)多(duo)信(xin)息(xi)。當(dang)發(fa)生(sheng)兩(liang)點(dian)觸(chu)摸(mo)時(shi)，無(wu)源(yuan)屏(ping)幕(mu)中(zhong)的(de)一(yi)段(duan)電(dian)阻(zu)加(jia)上(shang)觸(chu)點(dian)的(de)電(dian)阻(zu)與(yu)有(you)源(yuan)屏(ping)幕(mu)的(de)導(dao)電(dian)段(duan)並(bing)聯(lian)
，因(yin)此(ci)電(dian)源(yuan)的(de)負(fu)載(zai)阻(zu)抗(kang)減(jian)小(xiao)，電(dian)流(liu)增(zeng)大(da)。阻(zu)性(xing)控(kong)製(zhi)器(qi)的(de)經(jing)典(dian)方(fang)法(fa)是(shi)假(jia)設(she)有(you)源(yuan)層(ceng)中(zhong)的(de)電(dian)流(liu)恒(heng)定(ding)不(bu)變(bian)，無(wu)源(yuan)層(ceng)為(wei)等(deng)電(dian)位(wei)。兩(liang)點(dian)觸(chu)摸(mo)時(shi)，這(zhe)些(xie)假(jia)設(she)不(bu)再(zai)成(cheng)立(li)，為(wei)了(le)提(ti)取(qu)所(suo)需(xu)的(de)信(xin)息(xi)，需(xu)要(yao)進(jin)行(xing)更(geng)多(duo)測(ce)量(liang)。

 

阻性屏幕中的兩點觸摸檢測模型如圖2所示。R_touch為層間的接觸電阻；在現有的大多數屏幕中，其數量級一般與兩層的電阻相同。如果有一個恒定的電流I流經有源層的兩端，則有源層上的電壓為：

 

圖2. 阻性屏幕兩點觸摸的基本模型

 

手勢識別

 

以捏合(pinch)作zuo為wei範fan例li可ke以yi更geng好hao地di描miao述shu手shou勢shi識shi別bie的de工gong作zuo原yuan理li。捏nie合he手shou勢shi從cong兩liang根gen分fen開kai較jiao遠yuan的de手shou指zhi觸chu摸mo開kai始shi，產chan生sheng雙shuang重zhong接jie觸chu，使shi得de屏ping幕mu的de阻zu抗kang降jiang低di，有you源yuan層ceng兩liang根gen電dian極ji之zhi間jian的de電dian壓ya差cha因yin此ci減jian小xiao。隨sui著zhe兩liang根gen手shou指zhi越yue來lai越yue接jie近jin，並bing聯lian麵mian積ji減jian小xiao
，因yin而er屏ping幕mu的de阻zu抗kang提ti高gao

，有you源yuan層ceng兩liang根gen電dian極ji之zhi間jian的de電dian壓ya差cha相xiang應ying地di增zeng大da。

 

緊密捏合後
，並聯電阻趨於0，R_u + R_d 提高到總電阻，因此電壓增大到：

 

 

圖3顯示了一個沿著垂直(Y)軸捏合的例子。當手勢開始時
，其中一層的兩根電極之間的電壓恒定不變，另一層則表現出階躍性降低，然後隨著手指相互靠近而提高

 

圖3. 垂直捏合時的電壓測量

 

圖4顯示傾斜捏合時的電壓測量結果。這種情況下，兩個電壓均表現出階躍性降低，然後緩慢恢複。兩個恢複速率（利用各層的電阻歸一化）的比值可以用來檢測手勢的角度

 

圖4. 傾斜捏合時的電壓測量

 

如果手勢為縮放（手指分開），其行為可以從上述討論推導出來。圖5顯示了沿各軸及沿傾斜方向縮放時測得的兩個有源層電壓趨勢。

 

圖5. 沿不同方向縮放時的電壓趨勢

 

利用AD7879檢測手勢

 

AD7879觸摸屏控製器設計用於與4線式阻性觸摸屏接口。除了檢測觸摸動作外
，它還能測量溫度和輔助輸入端的電壓。所有四種觸摸測量加上溫度、電池

、輔助電壓測量，均可以通過編程寫入其片內序列器。

 

AD7879結合一對低成本運算放大器
，可以執行上述捏合和縮放手勢測量，如圖6所示。

 

下麵的步驟說明了手勢識別的過程

 

1. 在前半周期中

，將一個直流電壓施加於上層（有源層），並測量X+引腳的電壓（對應於V_Y+ – V_Y–)，以提供與Y方向上的運動（接近還是分開）相關的信息。

2. 在後半周期中，將一個直流電壓施加於下層（有源層），並測量Y+引腳的電壓（對應於V_X+ – V_X–)
，以提供與X方向上的運動（接近還是分開）相關的信息。

 

圖6所示的電路需要為差分放大器提供保護
，防止短接到VDD。在前半周期中，下方放大器的輸出短接到VDD。在後半周期中，上方放大器的輸出短接到VDD。為避免這種現象
，AD7879的GPIO可以控製兩個外部模擬開關，如圖7所示。

 

圖6. 基本手勢檢測應用圖

 

圖7. 避免放大器輸出短接到VDD的應用圖

 

這種情況下，AD7879設置為從機轉換模式，並且僅測量半個周期。當AD7879完成轉換時，產生一個中斷，主處理器重新設置AD7879以測量第二個半周期，並且改變AD7879 GPIO的值。第二轉換結束時
，兩層的測量結果均存儲在器件中

 

旋轉可以通過一個方向上的同時縮放和一個傾斜捏合來模擬，因此檢測旋轉並不困難。挑戰在於區別旋轉是順時針(CW)還是逆時針(CCW)，這無法通過上述過程來實現。為了檢測旋轉及其方向，需要在兩層（有源層和無源層）上進行測量，如圖8所示。圖7中的電路無法滿足之一要求，圖9提出了一種新的拓撲結構。

 

圖8. 順時針和逆時針旋轉時的電壓測量

 

圖9所示的拓撲結構實現了如下功能：

 

● 半周期1：電壓施加於Y層，同時測量(V_Y+ – _VY–), V_X–和 V_X+每完成一個測量，AD7879就會產生一個中斷，以便處理器改變GPIO配置。

● 半周期2：電壓施加於X層
，同時測量(V_X+ – V_X–), V_Y–, and V_Y+.

 

圖9中的電路可以測量所有需要的電壓來實現全部性能
，包括：a)單點觸摸位置；b)縮放、捏合、旋轉手勢檢測和量化；c)區別順時針與逆時針旋轉。用兩點觸摸手勢來完成單點觸摸操作時，可以估計手勢的中心位置。

 

圖9. 單點觸摸位置和手勢檢測的應用圖

 

實用提示

 

輕柔手勢產生的電壓變化相當微細。通過放大這種變化，可以提高係統的魯棒性。例如，可以在屏幕的電極與AD7879的引腳之間增加一個小電阻，這將能提高有源層的壓降，但單點觸摸定位精度會有所下降。

 

另一種方法是僅在低端連接上增加一個電阻，當X層或Y層為有源層時，僅檢測X–或Y–電極。這樣就可以應用一定的增益，因為直流值相當低。

 

ADI公司有許多放大器和多路複用器可以滿足圖6
、圖7和圖9所示應用的需求。測試電路使用AD8506雙通道運算放大器和ADG16xx係列模擬多路複用器；多路複用器的導通電阻很低，采用3.3 V單電源供電。

 

結束語

 

利用AD7879控製器和極少的輔助電路，可以檢測縮放、捏合和旋轉。隻需在有源層上進行測量，就能識別這些手勢。在主處理器的控製下，利用兩個GPIO測量無源層的電壓，可以區別旋轉方向。在該處理器中執行相當簡單的算法，就能識別縮放、捏合和旋轉
，估計其範圍、角度和方向。

 

參考電路

 

(Information on all ADI components can be found at www.analog.com.)

 

¹ Finn, Gareth. “New Touch-Screen Controllers Offer Robust Sensing for Portable Displays.” Analog Dialogue, Vol. 44, No. 2. February 2010.

 

致謝

 

本文獲得了西班牙瓦倫西亞中小企業協會(IMPIVA)通過項目IMIDTF/2009/15和西班牙教育與科學部通過項目Consolider/CSD2007-00018提供的部分資助。

 

本文作者感謝Colin Lyden
、John Cleary和Susan Pratt在討論中提供的有益建議。

 

 

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