要點(diǎn)

1.現(xiàn)在，除了高端智能手機(jī)和平板電腦以外，用戶還期望在其它應(yīng)用中使用觸摸屏，它們正逐步現(xiàn)身于汽車和儀器中。

2.在電容式觸摸屏與較廉價(jià)但響應(yīng)不快的電阻觸摸技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)中，成本是應(yīng)用的一個(gè)約束因素。

3.觸覺(jué)技術(shù)試圖模擬真實(shí)世界的感受環(huán)境，其價(jià)格正在下降，可能在游戲市場(chǎng)上獲得第一個(gè)進(jìn)展。

自上次EDN研究觸摸屏后(參考文獻(xiàn)1)，觸摸屏已經(jīng)在智能手機(jī)中確立了自己的地位， 并正在尋機(jī)進(jìn)入更低價(jià)的“功能手機(jī)”，因?yàn)槭謾C(jī)商期望從高端手機(jī)市場(chǎng)攫取一些份額。像iPad這類平板電腦，以及最新的Kindle Fire也助長(zhǎng)了觸摸屏的普及。由于用戶越來(lái)越熟悉消費(fèi)電子中的交互式且變化多端的觸摸屏，因此他們希望在其它非傳統(tǒng)觸摸屏領(lǐng)域也有相同水平的互操作性，如汽車、醫(yī)療電子和工業(yè)設(shè)備等。

觸摸屏面世已有幾十年時(shí)間，它們通常采用的是電阻式觸摸技術(shù)。使用電阻觸摸屏?xí)r，用戶手指的按壓使屏幕外層發(fā)生物理形變，使電阻傳感器接觸到手指底面。電阻傳感器排成一個(gè)X乘Y的陣列，并由一個(gè)薄而透明的絕緣體隔開(kāi)。

注意這里用了一個(gè)詞“按壓”。按壓是不同于觸摸或掃過(guò)的一個(gè)動(dòng)作。電阻觸摸屏對(duì)于多點(diǎn)觸摸手勢(shì)的響應(yīng)能力有限，如捏、縮放、掃和滾動(dòng)等。用戶一旦習(xí)慣于用這些手勢(shì)操作自己的智能手機(jī)和平板電腦，就再也用不慣缺乏這些特性的簡(jiǎn)單觸摸屏了。能夠響應(yīng)復(fù)雜手勢(shì)的觸摸屏通常都采用電容式檢測(cè)技術(shù)。

電容檢測(cè)觸摸技術(shù)一般可采用自電容和互電容方式，不過(guò)也存在一些其它類型，如投射電容。自電容傳感器由一系列氧化銦錫細(xì)線組成，它是一種排成XY網(wǎng)格的透明導(dǎo)電材料，X線與Y線之間有一個(gè)絕緣層。觸摸網(wǎng)格上的某個(gè)區(qū)域會(huì)改變傳感器對(duì)地的寄生電容。但是，這種方法不能處理多手指的觸摸，因?yàn)閭鞲衅鳠o(wú)法區(qū)分沿同一網(wǎng)格線上的多個(gè)手指?；ル娙菘梢蕴綔y(cè)到X線和Y線小交疊處的電容變化。由于交疊面積很小，因此電容也很小，但這種方法很精密，可以測(cè)出多個(gè)手指的位置。

每種方案都各有利弊。雖然自電容傳感器通常無(wú)法區(qū)分出多個(gè)手指的同時(shí)動(dòng)作，但它們可以產(chǎn)生出用于探測(cè)物體的較強(qiáng)電磁場(chǎng)，哪怕該物體并沒(méi)有實(shí)際接觸屏幕?；ル娙萦|摸屏則可以探測(cè)和跟蹤多個(gè)手指，但手指必須接觸屏幕，因?yàn)閮蓚€(gè)交疊傳感器形成的電容非常小，其電磁場(chǎng)極其微弱。

當(dāng)用戶戴著手套時(shí)，手指與觸摸屏之間閉合接觸的需求就可能成為一個(gè)問(wèn)題。電容觸摸屏有這種限制，從而使人們傾向于電阻觸摸屏。電阻技術(shù)在液體應(yīng)用或潮濕氣候下也有自己的優(yōu)勢(shì)，此時(shí)潮氣會(huì)影響到電磁場(chǎng)的性能。Cypress公司的TrueTouch控制器技術(shù)嘗試將自電容和互電容技術(shù)結(jié)合起來(lái)，以克服這些障礙(參考文獻(xiàn)2)。

自電容和互電容都需要相同的XY傳感器網(wǎng)格。在自電容情況下，控制器必須同時(shí)驅(qū)動(dòng)X線和Y線。在互電容情況下，控制器發(fā)射X線，而從Y線接收。由于TrueTouch控制器IC采用了Cypress公司的PSoC(可編程系統(tǒng)單芯片)核心，因此控制器可以動(dòng)態(tài)地配置其I/O腳，即時(shí)地將發(fā)射器轉(zhuǎn)換為接收器。于是，無(wú)論控制器何時(shí)掃描傳感器的網(wǎng)格板，它都可以同時(shí)在兩種模式做探測(cè)(自電容和互電容)。自電容與互電容相結(jié)合，使人們即使戴著厚滑雪手套，也可以完成多觸功能。這種能力產(chǎn)生了一個(gè)在汽車中的觸摸屏安全問(wèn)題(見(jiàn)附文“JD Power有關(guān)汽車安全與觸摸屏的問(wèn)答”)。

汽車中的觸摸屏為10英寸或更大，通常大于智能手機(jī)的屏幕，后者典型尺寸約為4英寸。Atmel公司的MaxTouch系列觸摸屏控制器包括通過(guò)汽車認(rèn)證的mXT768E和mXT540E控制器，可用于中控臺(tái)顯示屏、導(dǎo)航系統(tǒng)，以及后座娛樂(lè)系統(tǒng)的5英寸~10英寸觸摸屏。傳統(tǒng)用于電容觸摸屏的控制器都要求在多個(gè)觸摸屏之間有一個(gè)屏蔽層，以防止耦合來(lái)自LCD的噪聲。Atmel稱MaxTouch器件提供80:1的信噪比，無(wú)需屏蔽層，能夠?qū)崿F(xiàn)單層傳感器設(shè)計(jì)，從而降低成本和減小厚度(圖1)。高SNR亦能夠探測(cè)出一只戴薄手套的手指。一般來(lái)說(shuō)，該技術(shù)可以探測(cè)厚度為1.5mm的手套，如皮、毛或棉手套。

圖1，觸摸屏疊層中有一個(gè)ITO屏蔽(a)。去掉這樣一個(gè)屏蔽層意味著減小厚度，增加顯示亮度，但可能產(chǎn)生LCD噪聲問(wèn)題(b)。

外觀優(yōu)雅的觸摸屏設(shè)計(jì)會(huì)有一種很酷的感覺(jué)，對(duì)消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，這和觸摸屏的性能同等重要。對(duì)于智能手機(jī)，工業(yè)設(shè)計(jì)決定了總是越薄越好。Cypress公司的SLIM(單層獨(dú)立多點(diǎn)觸摸)技術(shù)可做出更薄的屏幕，因?yàn)閭鞲衅魇且粚樱皇莾蓪?。?duì)于傳統(tǒng)的雙層結(jié)構(gòu)，制造商要在兩個(gè)層面上制作傳感器：即在各自的層上制作出X線和Y線，兩層之間有一個(gè)絕緣層。鑒于ITO的成本，這種XY網(wǎng)格成本較高，ITO實(shí)際上是一個(gè)透明的金屬層，成本大約每英寸屏幕(對(duì)角)1美元。

Cypress建立了一種專利圖樣，能夠在一層的同一表面，同時(shí)布放X與Y傳感器，而無(wú)需跳線或過(guò)孔(圖2)。Cypress公司TrueTouch控制器營(yíng)銷總監(jiān)John Carey稱，SLIM可做出最薄和最低成本的觸摸屏傳感器，可用于最大4.5英寸的屏幕。該公司并沒(méi)有公開(kāi)這種圖樣，客戶是與Cypress授權(quán)伙伴觸摸屏供應(yīng)商合作。

圖2，Cypress公司的SLIM技術(shù)采用了一種專利圖樣，設(shè)計(jì)者能夠在一層的相同表面同時(shí)布放X和Y傳感器網(wǎng)格線，而不用跳線或過(guò)孔。

雖然多點(diǎn)觸摸屏的價(jià)格在下降， 但它們?nèi)员入娮杵临F大概10倍，后者有更廣泛的用戶群。對(duì)于受成本支配但仍需要某種形式多點(diǎn)觸摸的應(yīng)用，飛思卡爾公司提供了Xtrinsic CRTouch，它能夠?qū)?biāo)準(zhǔn)的電阻觸摸屏改造為能夠識(shí)別滑動(dòng)、雙指擠捏的放大和縮小，以及多手指旋轉(zhuǎn)。該芯片采用專利的算法和專門的模擬硬件，以及片上的狀態(tài)機(jī)?？刂破餍酒€可管理最多四個(gè)電容觸摸板，從而可實(shí)現(xiàn)小鍵盤、旋轉(zhuǎn)鈕，以及線性滑動(dòng)棒。CRTouch芯片是飛思卡爾Ready Play產(chǎn)品中的一個(gè)成員，提供與Android和Linux操作系統(tǒng)的交鑰匙式軟件集成。芯片亦提供可配置的屏幕分辨率，以及可選用于電阻觸摸屏手寫筆輸入的校準(zhǔn)與壓力探測(cè)。

Amazon公司在Kindle Touch上使用的是紅外觸摸傳感器，部分原因是為了降低成本。Touch閱讀器采用了一塊黑白電子墨水屏，在屏幕和讀者之間沒(méi)有ITO層。屏幕是采用位于邊框中的紅外傳感器，探測(cè)到手指截?cái)嗟腎R光束。該顯示屏可以響應(yīng)多點(diǎn)觸摸的擠捏動(dòng)作，用于PDF閱讀時(shí)的縮放，但它不能接受像智能手機(jī)上那么多種多點(diǎn)觸摸手勢(shì)(參考文獻(xiàn)3)。

隨著觸摸屏進(jìn)入汽車、儀表和醫(yī)療設(shè)備等應(yīng)用，這些設(shè)備的用戶界面可以無(wú)限制地調(diào)整和更新。對(duì)于測(cè)試與測(cè)量設(shè)備的設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，物理控制旋鈕和表盤的位置總是很重要的，他們會(huì)花大量時(shí)間，決定哪個(gè)按鈕應(yīng)放在何處。

過(guò)去，一個(gè)頻譜分析儀設(shè)計(jì)者的口號(hào)就是：“tune, boom, zoom”，其中，tune是中心頻率，boom是基準(zhǔn)電平或波幅，而zoom則是待測(cè)信號(hào)的量程。設(shè)備設(shè)計(jì)者的目標(biāo)是讓tune、boom和zoom盡量快而易用。例如，將中心頻率、基準(zhǔn)電平和量程鍵埋入一些菜單結(jié)構(gòu)中就不是個(gè)好主意。這三個(gè)鍵通常要占據(jù)一個(gè)頻譜分析儀前面板的相當(dāng)大一部分。忠實(shí)的客戶通常懶于接受對(duì)前面板的修改。現(xiàn)在，設(shè)備設(shè)計(jì)者可以讓客戶自己定制控制面板，以適合自己的喜好。

觸覺(jué)技術(shù)試圖模仿真實(shí)世界的感知環(huán)境，它的價(jià)格也正在下降，可能通過(guò)游戲市場(chǎng)而找到第一個(gè)進(jìn)展。來(lái)自觸摸屏的感知反饋可以在游戲、汽車或儀表觸摸屏上做出更豐富的體驗(yàn)，操作者可以不用看系統(tǒng)在觸摸屏上給出的可視提示，就對(duì)一個(gè)動(dòng)作做出反應(yīng)(見(jiàn)附文“觸感101”)。

展望未來(lái)， 除觸摸屏以外，還有更多的控制界面會(huì)很快進(jìn)入市場(chǎng)。當(dāng)屏幕大于10英寸時(shí)，自電容和互電容檢測(cè)都變得不再實(shí)用，并且有些設(shè)備需要較大面積的物理接觸。例如，SmithsonMartin公司的Emulator DJ System就是一個(gè)透明的混音臺(tái)，它能讓觀眾通過(guò)混音板看到DJ(圖3)。透明屏幕下面有一個(gè)投影儀，它將DJ在屏幕上看到的按鍵、旋鈕與滑桿顯示出來(lái)。觀眾也可以通過(guò)透明屏幕看到DJ，角落的攝像頭可以通過(guò)追蹤DJ手指的運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)觸摸屏。

圖3，SmithsonMartin公司的Emulator DVS DJ System是一個(gè)透明的混音臺(tái)，觀眾可以通過(guò)混音板看到DJ。角落的攝像頭追蹤手指的運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)觸摸顯示。

附文1：JD Power有關(guān)汽車安全與觸摸屏的問(wèn)答

最近博客上有一些針對(duì)觸摸屏控制器新產(chǎn)品的問(wèn)題，涉及觸摸屏在汽車中的安全性，因?yàn)轳{駛者應(yīng)把目光放在道路上(參考文獻(xiàn)1)。JD Power and Associates的全球汽車市場(chǎng)研究執(zhí)行總監(jiān)MikeVanNieuwkuyk最近為EDN雜志回答了下列問(wèn)題。

EDN：觸摸屏似乎要求駕駛員在使用時(shí)觀看屏幕，因?yàn)橛|摸屏沒(méi)有旋鈕和按鍵的“手感”。它們會(huì)比專用硬件界面更加危險(xiǎn)嗎?

答：當(dāng)然，任何會(huì)使駕駛員注意力離開(kāi)道路的技術(shù)都會(huì)導(dǎo)致某種程度的分神。屏幕的位置、尺寸、圖標(biāo)/屏幕上的按鍵、文字大小，等等，都影響一個(gè)觸摸屏的效果。不過(guò)，觸摸屏使用中還可以集成一些為駕駛員提供反饋的特性，從而確保一個(gè)操控得到正確/肯定的執(zhí)行。反饋可以采取聲音響應(yīng)方式，如一個(gè)音調(diào)、卡嗒聲，或確認(rèn)聲;也可以是視覺(jué)響應(yīng)，如一個(gè)指示有效/打開(kāi)的光;或一種通過(guò)振動(dòng)器提供振動(dòng)或撞擊的觸感響應(yīng)。這些特性都可以與觸摸屏的使用相結(jié)合，確認(rèn)消費(fèi)者使用了預(yù)期的控制功能，并且得到了所要的結(jié)果。

EDN：觸摸屏是無(wú)限可變的;界面設(shè)計(jì)者對(duì)于屏幕功能的大小、數(shù)量和性能幾乎沒(méi)有限制。駕駛員對(duì)觸摸屏的使用是否有一種緩慢的學(xué)習(xí)曲線，如對(duì)MyFord Touch那樣(參考文獻(xiàn)2)?

答：任何新的技術(shù)都有一個(gè)學(xué)習(xí)曲線。觸摸屏確實(shí)提供了極大的靈活性和創(chuàng)造性。在消費(fèi)者熟悉界面以前，確實(shí)存在著觸摸屏使用困難的可能性。很多消費(fèi)者在汽車以外已經(jīng)用過(guò)觸摸屏，這創(chuàng)造出了很強(qiáng)的可接受性和高度的預(yù)期。不過(guò)，汽車以外的觸摸屏使用有很高的交互性;而在汽車內(nèi)，達(dá)不到相同的交互水平。

EDN：戴手套的手指能否可靠地使用觸摸屏?

答： 戴手套用觸摸屏可能會(huì)有激勵(lì)和確定響應(yīng)的問(wèn)題。傳統(tǒng)觸摸屏不能探測(cè)手套，需要與皮膚接觸。消費(fèi)者可以戴特殊手套，但要求消費(fèi)者去購(gòu)買和佩戴這種手套是不現(xiàn)實(shí)的。有些新型觸摸屏采用了一種表面的電場(chǎng)，當(dāng)電場(chǎng)被破壞時(shí)，該區(qū)域便激活要操控的功能。這種屏幕就可以用手套。不過(guò)，戴手套使用還有其它問(wèn)題，如手套增加了手指的大小，如果觸摸屏的控制面過(guò)小，則可能導(dǎo)致意外觸摸。

EDN：您認(rèn)為觸摸屏在汽車市場(chǎng)的用途何在?今后五年內(nèi)，它們會(huì)成為一種必不可少的功能，還是一種小眾的功能?另外，是否會(huì)出現(xiàn)某種觸摸屏與專用屏的混合模式?

答： 在汽車的很多領(lǐng)域，采用觸摸屏都有吸引人的原因，其靈活性和個(gè)性化的機(jī)會(huì)都吸引著汽車消費(fèi)者。既然要在汽車上花費(fèi)時(shí)間，消費(fèi)者就希望這個(gè)時(shí)間花得有用、舒適、愉悅。屏幕在車?yán)锏奈恢每偸谴嬖谥魬?zhàn)，無(wú)論是專用屏還是觸摸屏。交互性、視覺(jué)線、操控區(qū)以及眩光等都將決定觸摸屏與專用屏的優(yōu)劣選擇。可能的結(jié)果是，我們會(huì)看到一種混合型的屏幕，它有傳統(tǒng)的按鍵和旋鈕，用于熟悉的功能，盡量減少注意力的分散。另外，將增強(qiáng)的語(yǔ)音識(shí)別集成為整體操控的一部分，肯定會(huì)影響屏幕的使用方式及其位置。

讓我們面對(duì)現(xiàn)實(shí)： 我們處于一個(gè)喜好窺視的社會(huì)，屏幕無(wú)處不在。隨著對(duì)越來(lái)越多功能需求的增長(zhǎng)，我們通常用來(lái)觀看的屏幕成為了交互的門戶，現(xiàn)在還配上了觸摸探測(cè)功能。盡管觸摸功能有多種形式，包括電阻、電容和光學(xué)，下一個(gè)進(jìn)展正在讓這些觸摸屏具有觸及的感覺(jué)，這就是觸感要做的事。觸感是通過(guò)某個(gè)設(shè)備為屏幕提供振動(dòng)(或感知)反饋的能力(圖1)。

圖1，觸感顯示器用傳動(dòng)器使觸摸屏具有了觸及的能力。觸感中主要采用三種傳動(dòng)器：偏心旋轉(zhuǎn)質(zhì)量 (a)、線性諧振傳動(dòng)器 (b)，以及壓電傳動(dòng)器 (c)。

觸感反饋也有多種形式，主要有三種實(shí)現(xiàn)：ERM(偏心旋轉(zhuǎn)質(zhì)量)、LRA(線性諧振傳動(dòng)器)，以及壓電傳動(dòng)器。ERM與LRA是基于慣性的傳動(dòng)器，包括一個(gè)線性運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量體，從而創(chuàng)造出可探測(cè)的振動(dòng)力。ERM采用偏心重量，而LRA使用的是彈簧振蕩的質(zhì)量。ERM提供了基本觸感效果，是一種高性價(jià)比的方案，但耗能大，要50ms~80ms才有效果，慢于LRA方式(參考文獻(xiàn)1)。

LRA是以諧振頻率工作，節(jié)能效果好。但由于它們是彈簧組件，經(jīng)過(guò)一系列內(nèi)外振動(dòng)后，彈性系數(shù)會(huì)發(fā)生改變。這個(gè)問(wèn)題似乎不嚴(yán)重。但是，如果系統(tǒng)沒(méi)有以諧振頻率工作，就不能獲得最大的功率效率和最大的加速度。

壓電傳動(dòng)是一種相對(duì)較新的觸感反饋法。它利用了陶瓷材料中的壓電原理，即物體內(nèi)的電壓與其當(dāng)前形狀有關(guān)系。但這里并不是通過(guò)彎曲一個(gè)器件尋找電壓的變化，而是相反。施加一個(gè)電壓，使傳動(dòng)器的自然狀態(tài)發(fā)生改變。

壓電傳動(dòng)的性能要強(qiáng)于其它兩種技術(shù)。它是唯一一種能夠初始化為局部觸感的技術(shù)，即，只有設(shè)備中的一塊區(qū)域能感覺(jué)到觸感的效果。而在整體觸感時(shí)，整個(gè)設(shè)備都會(huì)感到效果。對(duì)照一下單只手指的感覺(jué)，以及整部設(shè)備在衣兜里振動(dòng)的感覺(jué)，就可以了解這點(diǎn)。壓電觸感就可以實(shí)現(xiàn)這種效果。它還有更多的效果選項(xiàng)，響應(yīng)時(shí)間不到1ms，這意味著在ERM執(zhí)行一次動(dòng)作，壓電傳動(dòng)器可以執(zhí)行30到80次。壓電傳動(dòng)的帶寬也好于另外兩種，因此，它可以無(wú)縫地重新創(chuàng)造出按壓一只機(jī)械按鍵的感覺(jué)。

觸感效果為設(shè)備增加了價(jià)值，與它們給系統(tǒng)增加的少許成本相比，還是很值的，尤其是很多重要的目標(biāo)市場(chǎng)都已采用了這些元件。觸感是一種增強(qiáng)用戶滿意度的很好方法，它能體現(xiàn)出產(chǎn)品的差異性，并進(jìn)一步架起人類與機(jī)器之間互動(dòng)的橋梁。