瘦身计划:减少微控制器使用的电容式触摸屏控制器案例分析

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摘要：本文介绍如何利用新的传感器技术让电容式触摸屏控制器应用中更具成本效益，从而逐渐取代电阻式触摸屏。本文网络版地址：

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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

我们讨论了基于AFE设计的诸多好处，但请注意，这种构架并非为一种万用灵药。与其它构架一样，它也存在一些不足。经验证，它确实可以降低功耗和成本，但由于闪存集成于嵌入式/应用处理器中，因此系统更新稍微有些复杂。对系统进行较大改动时，需要更新驱动器，并且通常要修改系统代码。因此，如果您使状态机过载，则所有原始数据“杀手锏算法”都需要安全措施—如果您不希望它们开源的话。每一种情况均不同，每一个设计人员都有其自己想要实现的价值以及需要考虑的事项。诸如TSC3060等基于AFE的电容式触摸屏控制器，是降低成本和延长电池使用时间的低功耗型设计的一种可行方法。