如何解決大型電容式觸摸屏輸入問題？無源手寫筆帶來自然操控體驗

　　作者：賽普拉斯半導(dǎo)體公司Todd Severson

　　移動設(shè)備生產(chǎn)商希望為消費(fèi)者提供自然易用的用戶界面，就好像使用紙和筆一樣方便自如，同時還要具備電腦的高度靈活性，這樣的高級特性可幫助生產(chǎn)商實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品差異化。帶手掌誤動作排除功能的小型尖頭無源手寫筆讓制造商能夠提供支持手寫、編輯、簽名捕獲、精確導(dǎo)航等各種新應(yīng)用功能的低成本解決方案。然而，上述功能的實(shí)現(xiàn)也面臨一些挑戰(zhàn)，無源手寫筆的開發(fā)人員必須滿足更大型觸摸屏上電容式感應(yīng)技術(shù)的一系列性能要求。具體來說，需要采用高級算法和感應(yīng)方法來檢測手寫筆發(fā)出的很小的信號，同時還要排除用戶手掌造成的較大的無用信號。此外，設(shè)備還必須能夠動態(tài)地在手寫筆和多點(diǎn)觸摸輸入之間來回切換，同時保持一定的速度、精確度和響應(yīng)性，從而確保理想的用戶體驗。

　　隨著電容式觸摸屏的尺寸越來越大，類似于紙和筆一樣的使用寫入設(shè)備變得更加直觀方便。制造商支持手寫筆功能的最常見方法就是采用有源手寫筆或無源手寫筆。有源手寫筆采用電子組件，需要一個電源，并向主機(jī)設(shè)備發(fā)射信號。采用有源手寫筆能支持顯示屏上懸停、壓力感應(yīng)、按鍵支持、擦寫等高級特性。無源手寫筆則采用導(dǎo)電性材料，相當(dāng)于用戶身體的延伸。用戶手部的電容耦合支持無源手寫筆觸碰屏幕時發(fā)送信號，手寫筆和主機(jī)平臺之間不存在有源通信，因此如何區(qū)分手指和無源手寫筆是一個難題。

　　在許多情況下，如果說有源手寫筆和無源手寫筆都能實(shí)現(xiàn)相同的特性，則無需為系統(tǒng)增加額外的成本。有源手寫筆額外的組件和電源要求使它很難打開銷路，而無源手寫筆的性能較差以及/或頭大笨重則會帶來不自然的手寫體驗。因此，如果無源手寫筆的筆頭為1到2毫米，用戶手寫時手掌能擱在屏幕上，同時保持足夠的速度和準(zhǔn)確度，并確保接觸點(diǎn)剛好就是“墨水”的“著墨之處”，則可提高無源手寫筆的用戶體驗。

　　為了創(chuàng)建一款切實(shí)可行的實(shí)現(xiàn)方案，其可同時支持手指和無源手寫筆操作，必須考慮多種不同的使用情況。例如，開發(fā)人員應(yīng)考慮系統(tǒng)要在檢測手指和手寫筆輸入之間的切換速度。同樣，他們還要定義手寫筆在手指/手掌之前、之后或者同時觸摸屏幕時系統(tǒng)的反應(yīng)情況。其它重要因素還包括配置手寫筆距離手多近時就不再檢測到手寫筆信號。圖1給出了手寫筆用例下的狀態(tài)機(jī)進(jìn)程實(shí)例。

　　圖1 無源手寫筆用例下的狀態(tài)機(jī)使用實(shí)例

　　手寫筆的悖論

　　無源手寫筆檢測對于觸摸操控工程師而言是一個復(fù)雜的問題。問題的根源在于“手寫筆悖論”。所謂“手寫筆悖論”，是指無源手寫筆的信號比正常手指觸摸輸入要小得多，而用戶則認(rèn)為手寫筆的筆尖這么細(xì)，應(yīng)該比手指更加精確。

　　精確度和線性度與系統(tǒng)的信噪比成正比。由于噪聲底限不會隨輸入而改變，因此信號減弱會對信噪比造成較大影響。電容式觸摸屏的信號電平基本取決于觸摸輸入的覆蓋面積。這就是說，2毫米無源手寫筆的信號強(qiáng)度比典型的10毫米手指觸摸時的信號強(qiáng)度小25倍。這種信號強(qiáng)度的差距給觸控工程師造成了許多問題。即使在有較大觸摸信號的情況下，固件也必須能檢測到較小的手寫筆信號，這往往需要采用不同的傳感器掃描模式，而抗噪性和刷新率都要受到影響。此外，無源手寫筆最適合搭配較大的觸摸板使用，但大型觸摸板本來就刷新率低，或是要采用較大的間距傳感器，這二者都會影響系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

　　從根本上說，應(yīng)對信號強(qiáng)度差距需要解決兩個問題。第一，盡管信號強(qiáng)度極低，也必須首先檢測到手寫筆。第二，一旦檢測到手寫筆，就必須進(jìn)行準(zhǔn)確報告。這兩大問題各有難點(diǎn)。從概念上講，最合理的手寫筆檢測方法是最大限度地提高傳感器信號。一般通過最大限度地減少傳感器到信號電平（非常接近預(yù)期信號電平）的動態(tài)范圍，或者甚至通過采用軟件乘法和濾波等方法，來解決有關(guān)問題。但是，高增益系統(tǒng)通過正常手指觸摸等較大輸入很容易達(dá)到飽和，所以必須認(rèn)真處理正常觸摸和較小的手寫筆信號。一個常見的方法就是在每個預(yù)期的信號電平進(jìn)行兩次獨(dú)立的掃描，從而從手寫筆輸入中區(qū)分出正常觸摸。

　　圖2 觸摸及手寫筆簡介

　　這種模式切換容易受到錯誤檢測的影響，因此必須過濾掉錯誤檢測的情況。手指靠近或離開觸摸屏就是一個典型的例子。當(dāng)手指靠近時，其信號電平很低（在無源手寫筆區(qū)），而離開時信號電平同樣也很低，所以必須采用其它判斷器來確認(rèn)任何已檢測到的手寫筆輸入。