對觸控式螢幕效能影響最為深遠的技術改變要算是從電阻式轉移至電容式觸控式螢幕技術。電容式觸控式螢幕技術帶來的各種效益,將促使市場快速成長。
傳統的電阻式觸控面板在感測到手指或觸控筆時,頂層柔性透明材料被下壓,接觸到下方的導電材料層;而投射式電容屏沒有可移動部件。事實上,投射式電容感測硬體包含玻璃材質的頂層,之後是X與Y軸的元件,以及覆蓋在玻璃基板上的氧化銦錫(ITO)絕緣層。部分感測器供貨商會做一顆單層感測器,內嵌X與Y軸感測器和小型橋接元件於一單層ITO之中,當手指或其它導電物體靠近螢幕時,就會在感測器與手指之間產生一個電容。相對於系統而言,此電容相當小,但可利用多種技術測出此電容。
其中一種技術是採用TrueTouch元件,包括快速改變電容,並利用一個洩放電阻來測量放電時間。這種全玻璃的觸控表面帶給使用者光滑流暢的觸感。終端產品製造商也偏愛玻璃屏,因為玻璃材質會讓終端產品擁有線條美觀的工業設計感,並能為測量觸控提供優質的電容訊號。最後,不僅要考慮觸控面板的外觀,瞭解其運作模式也相當重要。為設計出效能優良的觸控式螢幕產品,必須注意以下引數。
精確度:精確度可定義為,在一個預先定義的觸控式螢幕區域中最大的定位誤差,以手指的實際位置與測量位置之間的直線距離為單位。在測量精確度時,使用的是一隻模擬或機械手指。手指置於面板上的一個準確位置,再把手指實際位置與測量位置進行比較。精確度非常重要,使用者希望系統能準確地找到手指位置。電阻式觸控式螢幕最令人詬病的一項缺點,就是低準確度,而且準確度會隨時間逐漸減弱。電容式觸控式螢幕的精確度創造出許多新應用,例如虛擬鍵盤,以及不用觸控筆的手寫辨識。圖1顯示一個結構不完整的觸控面板資料,顯示手指位置有遊移現象,而實際上模擬手指是進行直線移動。
圖1 範例顯示在觸控面板追蹤中的不準確度或誤差
手指間距:手指間距定義為,當觸控式螢幕控制器測量兩隻手指的位置時,兩隻手指中心點之間在螢幕上的最短距離。手指間距測量方法(圖2),是將兩個模擬或機械手指置於面板上,然後逐漸拉近兩隻手指的距離,直到系統測到兩隻手指為一隻手指為止。有些觸控式螢幕供貨商的手指間距是指邊緣至邊緣的距離,有些則是中心點之間的距離。10毫米機械手指的10毫米手指間距,表明有多隻手指觸碰到螢幕,或是手指之間的距離為10毫米,實際狀況取決於觸控控制器的規格定義。如果沒有良好的手指間距,就無法設計出多點觸控解決方案。對於模擬鍵盤而言,手指間距尤其重要,因為一般在使用模擬鍵盤時,手指在螢幕上的間距通常很短。
圖2 測量手指間距
響應時間:響應時間定義為,觸控式螢幕上手指觸碰事件與觸控式螢幕控制器產生中斷訊號之間的時間。測量方法是以電子觸動模擬手指觸控式螢幕的環境,或在面板上移動一隻模擬手指。響應時間尤其重要,因為它直接影響使用者在螢幕上移動手指的速度;進行平移或輕彈的操作;用手指或筆在螢幕上書寫。響應時間緩慢的觸控面板,會有短暫停頓和偵測不到移動動作的情況。觸控式螢幕的響應時間是系統響應時間的一部分,其中包括:
·X/Y軸向掃描:觸控控制器掃描與測量感測器上電容變化所耗費的時間。
·手指偵測:比較面板電容變化與預先定義的手指預設值。若變化幅度超越手指預設值,就會偵測到手指的觸碰。
·手指位置:根據多個感測器得到的結果資料進行推算,判斷手指的實際位置。
·手指追蹤:當感測器上置有多隻手指,每隻手指必須正確辨識,並指派一個獨特的辨識符號。
·中斷延遲:是指主控端上岔斷指示和服務之間的延遲,在大多數的系統中,這種延遲不會超過100微秒。
·通訊:一般系統在400kHz時使用I2C,或在1MHZ時使用SPI來與主控端進行通訊。
市面上有許多工具能用來縮短響應時間,關鍵在於觸控晶片的智慧,比如較有創意的方法僅需掃描部分螢幕,即可偵測到手指位置,當偵測到手指後,就能快速掃描,計算出手指實際的定位,藉此節省耗電與時間。另一個重要工具是並行處理,使用不同的硬體元件進行掃描、手指處理及通訊,使這些工作同步進行。採用高度優化的演算法進行手指偵測、手指定位及手指識別碼(ID),能夠縮短處理與響應時間。
畫面更新率:當手指出現在觸控式螢幕上時,一個數據緩衝器內觸控式螢幕資料的兩個相鄰幀之間的時間。低畫面更新率會導致系統偵測動作有停頓現象,偵測到的移動路線也會變成不連續的線段,而不是流暢的曲線。換言之,若觸控面板擁有高畫面更新率,就能提供更多的資料點,可轉譯成流暢或完整的形狀或動作軌跡,此外,高畫面更新率還能改進手勢的解譯功能。諸如TrueTouch這類智慧觸控式螢幕控制器能夠調整其畫面更新率來配合系統需求。手繪或手寫應用需要相當高的畫面更新率,但手機撥號鍵盤僅需在使用者按下或放開按鈕時,截斷主控端即可。
平均功耗:是指觸控系統的平均功耗,包括控制器IC工作時的時間掃描、處理、通訊、休眠等,以及主處理器接收與解譯觸控資料的時間。
功耗是很常見的效能引數:測量裝置消耗的電流乘以電壓,就能推算出功耗。在觸控面板的功耗方面,需要更精密的計算公式,因為不同使用模式會產生不同功耗。手機的待機時間取決於觸控式螢幕的待機或休眠模式消耗的電流。
觸控式螢幕在工作時,還分成許多種模式,例如觸碰喚醒(WOT)、面頰偵測(CheekDetect),比如接聽一通5分鐘來電,正在檢視或輸入電話號碼時,手機可能切換至觸控模式達10秒,之後再切換至提醒通話時的WOT或面頰偵測模式。即使在傳送文字資訊(SMS)時,仍是混合WOT模式與實際手指接觸,在按鍵輸入或思考時,控制器IC會在各種睡眠模式之間進行切換。
若不考慮這些功耗模式,就會很容易被系統耗電量所誤導,在大多數的情況中,觸控式螢幕90~99%的時間都是切換至面頰偵測模式及觸碰喚醒模式。有些系統允許使用者自行設定處理時間與休眠模式的比例,甚至手指仍置於面板的時候。若系統僅偵測到手指置於相同位置,就不需要200MHz的畫面更新率。想要開發一個高效能觸控式螢幕,必須運用休眠模式的低功耗系統,並搭配創新的休眠與喚醒模式來工作。
系統研發人員在設計一個電容式觸控式螢幕系統時,還要考慮許多其它重要因素:
手指電容:是指手指與單一感測器元件之間測量到的電容。測量手指電容時,是使用一隻真實手指,而不是金屬的機械手指,以確保測得符合實際狀況的資料。影響回授電容(CF)的因素包括覆蓋上層的鏡片厚度及覆蓋外層材料的介電常數。
系統本底噪聲:系統本底噪聲是指電容至數字轉換器輸出端所測量到的噪聲,是資料轉換器的輸入(電容)值。
信噪比:信噪比(SNR)是感測器測得的手指訊號與測量噪聲之比。這是個重要引數,設計人員必須深入瞭解它,才能開發出高效率的觸控面板。系統必須能調節、適應並濾除移動系統中的寄生噪聲。為獲得高訊號數以及極少的噪聲數,可考慮針對觸控功能採用精確的模擬前端元件。
諸如TrueTouch系列可程式設計解決方案這類產品,可在濾除噪聲方面提供許多絕佳的機制。PSoC可程式設計模擬元件能重新組態,以整合持續一段時間的訊號,藉此濾除噪聲。不同的訊號頻率,包括擴頻與虛擬隨機頻率,亦可用來避免電磁干擾。標準的數字濾波器能移除1~2位的訊號抖動或提供類似IIR的低通濾波器。智慧數字濾波器能比對附近區域偵測到的樣本,濾除不正常的樣本,智慧濾波器僅受限於系統設計人員的創意。圖3顯示一個元件的噪聲水平範例,及偵測到的觸控行為。在這個例子中,擷取到的SNR為5。
圖3 信噪比(SNR)範例
瞭解與掌握重要的觸控式螢幕效能引數,就能大幅改進觸控式螢幕設計。瞭解這些標準,也有助於選擇理想的設計夥伴,這些業者擁有適合的技術,能妥善應對移動消費產品的噪聲與電氣問題。
觸控式螢幕吸引人的優點,就在於其外表看似簡單的設計。在取代笨重的按鈕、軌跡球或傳統屏幕後,觸控式螢幕帶來一種全新的操作模式,創造出令人喜愛的使用體驗。觸控式螢幕設計的難點在於,想要提供美觀簡潔的設計,必須採用精密複雜的硬體、韌體體以及製造技術。掌握觸控式螢幕的設計要點、關鍵效能引數,以及觸控式螢幕設計的權衡考慮要素,是開發出一流觸控式螢幕產品的第一步。