摘要：針對便攜式電子設(shè)備及可穿戴計算機系統(tǒng)對柔性、可折疊、多功能輸入設(shè)備的需求，采用導電織物結(jié)合觸摸屏控制器開發(fā)一種織物鍵盤，對設(shè)備組成原理、傳感器材料選取、鍵盤結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制程序編寫等3個關(guān)鍵問題進行探討。測試了4種導電織物的面電阻值，根據(jù)標準差率最小原則，選取面電阻值為2 646 Ω，標準差為114 Ω的織物作為傳感器材料；根據(jù)五線式觸摸屏控制電路的功能要求設(shè)計了全織物的5層鍵盤結(jié)構(gòu)，其中2層為導電織物層，實現(xiàn)按壓點位置與電壓信號的轉(zhuǎn)換。采用Cypress公司的軟件開發(fā)包，USB接口協(xié)議，在Microsoft VS20 05開發(fā)環(huán)境下設(shè)計了計算機采集程序。經(jīng)測試，織物鍵盤定位值的線性擬合R2值為0．999 5，提供了一種完全基于織物的高精度、柔性鍵盤解決方案。
關(guān)鍵詞：導電織物；柔性；輸入設(shè)備；表面電阻；觸摸屏

0 引言
    隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，電子設(shè)備逐漸小型化、低功耗化、模塊化，各種類型的便攜設(shè)備如手機、MP3、PDA乃至超便攜計算機不斷涌現(xiàn)，并逐步融入大眾的生活，成為人們獲取、傳輸信息的主要手段。使用方捷、易于攜帶的輸入設(shè)備成為提高信息輸入效率、增強用戶體驗的關(guān)鍵，微型鍵盤、觸摸屏、語音控制等技術(shù)的應用不斷提高電子設(shè)備的人機交互性能。基于織物的輸入設(shè)備由于采用織物作為主體，具有輕薄、柔軟可折疊，便于與服裝進行集成的優(yōu)點而成為便攜式輸入設(shè)備的理想選擇。
    基于導電織物的柔性鍵盤一般分為開關(guān)原理的掃描式鍵盤及觸摸屏原理的電阻式鍵盤2種。開關(guān)鍵盤采用導體或是銀漿作為導電通路嵌入織物面料中，通過輪詢掃描按壓點的通斷信息，判斷按鍵位置，其結(jié)構(gòu)和控制電路比較簡單，功能也較為單一。同時，由于導體材料與織物面料力學特性存在差異，在折疊及受力情況下容易發(fā)生導體斷裂、移位等現(xiàn)象，導致按鍵功能失效。采用電阻式觸摸屏原理的織物輸入設(shè)備用具有均勻表面電阻的導電織物代替通常觸摸屏的透明氧化金屬導電層作為傳感器，對導電織物表面電阻值的一致性要求較高，必須選用表面電阻均勻的織物作為基材。同時，設(shè)備基于電阻分壓原理設(shè)計，電壓測量控制與位置計算也相對復雜，一般采用專用的芯片實現(xiàn)電路功能。與開關(guān)式鍵盤不同，觸摸鍵盤屬于連續(xù)型電壓模擬量測量，原理上可以細分到控制芯片DA分辨率相同數(shù)量的按鍵數(shù)目，還可通過軟件配合完成鍵盤、鼠標等多種自定義功能，具有更為廣泛的用途。
    信息化服裝及可穿戴計算機是將信息處理設(shè)備穿戴在于人體身上，與人所穿的衣物相結(jié)合實現(xiàn)人與計算機之間自然、方便和有效的信息交互，因此需要將鍵盤、鼠標進行柔性化、織物化后與服裝進行有效集成。針對信息化服裝及可穿戴計算機要求輸入方式靈活，特別是對鼠標控制功能的需求，傳統(tǒng)掃描式按鍵已無法滿足需求。設(shè)計基于導電織物的柔性輸入鍵盤，對輸入設(shè)備原理、導電織物面電阻分布規(guī)律、織物鍵盤結(jié)構(gòu)、接口電路及程序設(shè)計等關(guān)鍵問題進行了探討。

1 柔性輸入設(shè)備的原理
    基于電子織物的柔性輸入設(shè)備組成如圖1所示，主要由織物傳感器、觸屏控制電路、USB接口電路組成。其中，織物傳感器采用具有一定表面電阻的導電織物材料作為核心，結(jié)合多層結(jié)構(gòu)設(shè)計，將按壓位置信號線性轉(zhuǎn)換為對應電壓信號；觸屏控制電路包括標準電壓生成、模／數(shù)轉(zhuǎn)換、邏輯控制3大功能，基于電阻分壓原理在導電織物表面形成標準的電壓梯度，測量按壓點的電壓后進行模／數(shù)轉(zhuǎn)換，生成數(shù)字信號向外輸出；接口電路采用USB接口芯片，寫入觸屏控制電路參數(shù)，實時獲取傳感器輸出數(shù)據(jù)，向主控設(shè)備傳輸；上位計算機接收數(shù)據(jù)后完成電壓與按鍵位置的線性轉(zhuǎn)換。

    為簡化系統(tǒng)設(shè)計，提高設(shè)備運行的可靠性，選用高度集成的5線制觸摸屏控制芯片ADS7845實現(xiàn)標準電壓的生成、數(shù)據(jù)采集處理及邏輯控制。芯片采用5 VUSB電源供電，生成的5 V參考電壓輸出管腳UR，LR，UL，LL與具有一定面電阻的織物材料的4角分別相連，織物表面形成橫向及縱向的梯度電壓。在按壓狀態(tài)下，位置點P處橫向及縱向的電壓通過wiper引腳分時刻進入芯片內(nèi)部12位ADC，將模擬電壓量化為數(shù)字信號。芯片接口電路將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過USB接口向計算機輸出。計算機程序獲取按壓點電壓值，與5 V參考比較，確定按壓點在傳感器中的相對坐標，從而確定其所在的具體位置及對應的控制符號，進而實現(xiàn)相應的控制操作。

2 導電織物電學性能的分析
    作為織物鍵盤的核心部件，導電織物表面電阻值的均勻性與一致性是織物鍵盤實現(xiàn)的基礎(chǔ)。導電織物一般采用鍍銀工藝或是高分子導電布料形成具有一定表面電阻的織物面料，用于抗靜電及抑制電磁輻射等場合。由于紡織及織造工藝的限制，其織物不同區(qū)域表面電阻的差異非常大，均勻性較差，必須在使用前進行電學性能分析。
    為保證鍵盤定位精度及線性度，對導電織物表面電阻值進行測試。使用4探針科技公司的RTS-2型薄層電阻測試儀對圖2所示a，b，c，d四種織物樣品進行面電阻測試。尺寸分別為10 cm x 8 cm，9 cm×6 cm，17 cm×10 cm，25 cm×7 cm。測試時，將織物區(qū)域按3×3比例劃分為9個區(qū)域，測量每個區(qū)域中心點的面電阻值3次取平均值作為每個區(qū)域面電阻值，所有區(qū)域面電阻值平均值作為織物的面電阻值，如表1所示。

    4種織物面電阻值如表1，由于導電織物的表面電阻均值從347 Ω到3 872 Ω差異較大，無法從方差比較出不同試樣表面電阻值的一致性，因此采用標準差率來定義樣品表面電阻的一致性差異。從表1中試樣4的表面電阻標準差率為0．40％，因此其均勻一致性較好。因此，選取試樣4織物作為操控器的傳感器材料。

3 織物鍵盤結(jié)構(gòu)設(shè)計與功能實現(xiàn)
    織物鍵盤通過導電織物層、功能定義層、隔離層、保護層的設(shè)計，實現(xiàn)按壓位置到電壓信號的變換，提供按鍵區(qū)域的定義劃分及對鍵盤進行保護。計算機應用程序獲取傳感器采集數(shù)據(jù)，進行電壓數(shù)據(jù)到位置數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，并根據(jù)按鍵區(qū)域的功能定義實現(xiàn)操作控制功能。
3．1 織物鍵盤結(jié)構(gòu)設(shè)計
    織物鍵盤主體結(jié)構(gòu)如圖3共分為5層。根據(jù)每層的功能設(shè)計選用不同特性的織物組成織物鍵盤。

    鍵盤頂層為符號定義層，用于劃分觸摸區(qū)域，采用印染或針織等方式定義鍵盤功能如字符、功能鍵、計算機控制等，同時為鍵盤提供保護。第2層為上導電織物層，作為檢測電極在按壓狀態(tài)下與下導電織物層接通，獲得按壓位置的橫向和縱向電壓值。上導電織物層通過外接導線與觸屏控制器的wiper管腳相連，實現(xiàn)檢測信號輸入。第3層為隔離層，用于分隔上、下導電織物層，系統(tǒng)采用網(wǎng)狀多孔輕薄多孔織物組成，兩層在不受外力時不接觸。按壓操控狀態(tài)下，上、下導電織物層受外力在按壓點通過隔離層的細孑L接通兩織物層，將電壓信號輸出。第4層為下導電織物層，該層織物的4個頂角通過金屬線對應連接觸屏控制器的UR，LR，UL，LL四個管腳，控制電路提供標準電壓，在織物層表面形成電壓梯度，通過位置電壓表示其在織物層上的相對位置。最底層為保護層，為導電織物層提供絕緣保護并加固鍵盤。
    隔離層織物的選型決定鍵盤的實用性能。由于導電織物層比較柔軟，過薄的厚度和過大的網(wǎng)孔很容易接通上、下導電層，在未按鍵時出現(xiàn)錯誤按鍵指示。如果隔離層過后，織物網(wǎng)孔過小，則要求按壓力度比較大，影響操控的手感。實際設(shè)計中選用厚度0．3 mm孔徑為2．0 mm的多孔織物，實現(xiàn)較好的按壓手感和接通效果。
3．2 軟件功能設(shè)計
    觸屏控制電路采用TopTouch公司的控制模塊M5UG，板載觸屏控制芯片AD7845、USB接口控制芯片CY7C63723C及配置寄存器93LC46，實現(xiàn)觸屏的邏輯控制、標準比較電壓的生成、按壓點電壓數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換及傳輸。
    計算機端程序采用VS2005開發(fā)，鍵盤驅(qū)動采用Cypress公司的CYUSB開發(fā)包設(shè)計，實現(xiàn)計算機對鍵盤資源的訪問，進行查詢、設(shè)置、讀取等操作。
    軟件運行界面如圖4所示，首先查找USB設(shè)備，通過設(shè)備描述字符獲取織物鍵盤設(shè)備，建立設(shè)備連接后就可以讀取設(shè)備操控產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。其中，STATUS表明本次讀取數(shù)據(jù)是否正確，在數(shù)據(jù)傳輸正常時，AD0，AD1是按壓點橫向、縱向電壓AD轉(zhuǎn)換值，通過坐標轉(zhuǎn)換公式即可得到二維坐標值。
   
    式中：Px，Py是按壓點橫向及縱向位置。Vs是全幅面電壓差的A／D轉(zhuǎn)換值，系統(tǒng)中為12位A／D轉(zhuǎn)換滿刻度值2 048；Vx，Vy是按壓點橫向、縱向測得的電壓轉(zhuǎn)換值，如圖4中AD0，AD1所取值。Lx，Ly是織物長度及寬度，可取1則實現(xiàn)兩者的歸一化處理，適應不同的鍵盤尺寸。

3．3 線性度測試實驗
    在織物鍵盤對角線上以0．5 cm的距離進行按壓位置線性度測試。兩組對角線數(shù)據(jù)每組60個點，數(shù)據(jù)分布如圖5(a)，按壓點分布均勻?qū)ΨQ。圖5(b)為一對角線的線性擬合結(jié)果圖，采用直線方程進行擬合，R2值達0．999 5，說明織物鍵盤的線性度非常好，完全滿足實際應用的需求。

4 結(jié)語
    采用表面電阻值分布均勻的導電織物作為觸摸操控設(shè)備的傳感器，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計可實現(xiàn)鍵盤鼠標等輸入設(shè)備，滿足人們對輕便、柔性輸入設(shè)備的需求?，F(xiàn)有導電織物面料表面電阻值范圍從幾十歐到幾千歐，差異較大，需選取標準差率小于0．5％的織物以獲得較好的一致性。采用觸摸屏技術(shù)與導電織物相結(jié)合可實現(xiàn)鍵盤、鼠標等功能，相較基于開關(guān)信號輸入的掃描式鍵盤，具有更緊湊的結(jié)構(gòu)，更豐富的功能，可更好滿足實用需求。