在觸摸式用戶界面中實(shí)現(xiàn)觸覺技術(shù)

　　電容式觸摸界面正在逐步取代消費(fèi)、汽車、工業(yè)與醫(yī)療應(yīng)用中的機(jī)械開關(guān)、旋鈕與調(diào)諧鈕。電容式觸摸傳感器由于其美觀、更高可靠性和更低生產(chǎn)/加工成本而大受歡迎。另外，由于不存在容易發(fā)生故障的機(jī)械組件，因此基于電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)的用戶界面能夠改善用戶體驗(yàn)和延長產(chǎn)品使用壽命。

　　但是，由于電容式觸摸傳感器不具備機(jī)械按鈕與開關(guān)那樣的觸覺反饋，因此，從機(jī)械按鈕、旋鈕與調(diào)諧鈕轉(zhuǎn)變到電容式觸摸界面會(huì)給設(shè)計(jì)人員帶來挑戰(zhàn)。以在鍵盤上打字的體驗(yàn)為例。在按下和釋放某個(gè)鍵后，由于彈簧的作用它可以彈起。我們可以通過手指感受到鍵彈回的力量，從而確認(rèn)已完成按鍵操作。而采用電容式觸摸界面無法提供內(nèi)在的機(jī)械反饋，所以用戶無法獲得與機(jī)械鍵相同的感受。由于主要目的是改善用戶體驗(yàn)，因此缺乏觸覺反饋會(huì)給設(shè)計(jì)人員帶來挑戰(zhàn)。開發(fā)人員可以借助觸覺技術(shù)提供觸覺反饋、改善用戶體驗(yàn)和增加產(chǎn)品價(jià)值。

　　圖1：在手機(jī)中實(shí)現(xiàn)的、用于提供觸覺反饋的觸覺技術(shù)示例。

　　觸覺技術(shù)是利用人的觸覺提供反饋、通過向用戶提供壓力、振動(dòng)或運(yùn)動(dòng)感受的觸覺反饋技術(shù)。觸覺技術(shù)的一個(gè)簡(jiǎn)單例子就是手機(jī)和平板電腦中采用的振動(dòng)提醒。當(dāng)手機(jī)進(jìn)入振動(dòng)模式后，在有來電或消息時(shí)手機(jī)會(huì)采用促動(dòng)器振動(dòng)提醒用戶，用戶甚至無需查看屏幕。

　　圖2舉例說明了在電容式觸摸系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的觸覺技術(shù)。其中，當(dāng)用戶觸摸電容式觸摸界面時(shí)就會(huì)啟動(dòng)促動(dòng)器產(chǎn)生振動(dòng)。用戶的手指感覺到振動(dòng)后可確認(rèn)觸摸操作。通過控制施加到促動(dòng)器的電壓與頻率可以產(chǎn)生不同的觸摸反饋效果，如：?jiǎn)螕襞c雙擊。

　　圖2：觸覺技術(shù)的工作原理

　　在觸摸式用戶界面中實(shí)現(xiàn)觸覺技術(shù)：

　　圖3舉例說明了在觸摸式用戶界面中實(shí)現(xiàn)的觸覺反饋。此系統(tǒng)由以下組件構(gòu)成：觸摸界面　　觸摸感應(yīng)控制器　　觸覺處理器　　促動(dòng)器　　促動(dòng)器驅(qū)動(dòng)器

　　圖3：觸覺系統(tǒng)方框圖

　　觸摸界面：觸摸界面是用戶與系統(tǒng)進(jìn)行互動(dòng)的區(qū)域。它由觸摸敏感型傳感器組成。觸摸界面可以是觸摸屏、觸摸按鍵或者兼而有之。例如，在手機(jī)應(yīng)用中，觸摸界面是LCD顯示屏上面的透明觸摸屏。在家用電器應(yīng)用中，觸摸界面則采用FR4/FPC PCB上的銅覆層。

　　觸摸感應(yīng)控制器：觸摸感應(yīng)控制器可以探測(cè)手指觸摸動(dòng)作或者手指在觸摸表面上的觸摸位置。對(duì)于觸摸屏而言，觸摸控制器可以把觸摸坐標(biāo)發(fā)送到應(yīng)用處理器進(jìn)行處理。對(duì)于觸摸按鍵而言，觸摸控制器則向應(yīng)用處理器發(fā)送開/關(guān)狀態(tài)信息。觸摸控制器的實(shí)例包括賽普拉斯的TrueTouch？與CapSense？控制器。

　　觸覺處理器：觸覺處理器由控制軟件以及可生成觸覺波形驅(qū)動(dòng)促動(dòng)器的算法構(gòu)成。觸覺處理器可以采用以下方式實(shí)現(xiàn)：

　　● 與應(yīng)用處理器/MCU集成

　　● 采用獨(dú)立處理器

　　● 與觸摸控制器集成

　　● 與促動(dòng)器驅(qū)動(dòng)IC集成

　?。?與應(yīng)用處理器/MCU集成的觸覺處理器：在應(yīng)用處理器/MCU具有適當(dāng)處理帶寬和硬件資源的應(yīng)用中，觸覺處理器可以按圖3所示方法進(jìn)行集成。此方法無需專用的觸覺處理器，因此能夠降低BOM成本和節(jié)省板級(jí)空間。

　　為了產(chǎn)生不同的觸覺效果，設(shè)計(jì)人員可以開發(fā)定制軟件，也可以獲得觸覺軟件供應(yīng)商的軟件許可。開發(fā)定制觸覺軟件需要大量設(shè)計(jì)工作、時(shí)間和附加成本。但是，定制觸覺軟件的優(yōu)勢(shì)在于設(shè)計(jì)人員能夠按照其最終應(yīng)用需求優(yōu)化觸覺效果。

　　為了減少設(shè)計(jì)工作和時(shí)間，設(shè)計(jì)人員可以獲取供應(yīng)商的觸覺軟件許可，也可以采用支持觸覺軟件的控制器。一個(gè)采用內(nèi)置觸覺軟件庫的MCU實(shí)例就是賽普拉斯的PSoC1控制器。

　?。?與獨(dú)立處理器集成的觸覺處理器：在應(yīng)用處理器/MCU不具備集成觸覺處理功能所需的帶寬或資源的應(yīng)用中，可以采用獨(dú)立處理器/MCU作為觸覺處理器。在大多數(shù)情況下都不會(huì)采用這種方法，因?yàn)槠洳坏黾映杀?，而且?huì)占用更多板級(jí)空間。

　　＊ 與觸摸控制器集成的觸覺處理器：此外，有些觸摸感應(yīng)控制器也會(huì)集成觸覺處理器。例如，賽普拉斯的CapSense控制器具有可靠的電容式觸摸感應(yīng)硬件，而且采用Immersion的TouchSense觸覺庫提供觸覺反饋。設(shè)計(jì)人員可以采用觸覺庫在其觸摸界面中快速實(shí)現(xiàn)觸覺反饋。在觸摸控制器中集成觸覺處理器能夠降低應(yīng)用處理器/MCU的負(fù)載，同時(shí)提供低成本實(shí)現(xiàn)方案。

　　＊ 與促動(dòng)器驅(qū)動(dòng)器集成的觸覺處理器：有少數(shù)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)IC提供集成型觸覺處理器。此方法適用于需要在現(xiàn)有觸摸用戶界面中實(shí)現(xiàn)觸覺反饋的情況。采用在現(xiàn)有觸摸界面中具備集成觸覺處理器的促動(dòng)器驅(qū)動(dòng)IC可以最大限度地減少應(yīng)用處理器/MCU固件和電路板設(shè)計(jì)所需的修改工作。應(yīng)用處理器能夠向促動(dòng)器驅(qū)動(dòng)IC發(fā)送相應(yīng)的觸覺波形生成指令。

　　促動(dòng)器：促動(dòng)器是用于產(chǎn)生振動(dòng)并且向用戶提供觸摸反饋的機(jī)電組件。促動(dòng)器的輸入由觸覺處理器提供。促動(dòng)器與觸摸式用戶界面集成在一起，以便在促動(dòng)器獲得輸入時(shí)使設(shè)備產(chǎn)生振動(dòng)。

　　觸覺系統(tǒng)可以采用各種促動(dòng)器。最常用的包括：

　　偏心旋轉(zhuǎn)質(zhì)量（ERM）促動(dòng)器 - ERM促動(dòng)器是一種電機(jī)軸附帶偏移質(zhì)量塊的直流電機(jī)，如圖4所示。由于電機(jī)軸附帶偏移質(zhì)量塊，因此在電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)偏移質(zhì)量塊具有不均勻的向心力，從而產(chǎn)生一個(gè)凈離心力。該離心力會(huì)造成電機(jī)的位移。由于電機(jī)與設(shè)備連接，因此電機(jī)位移會(huì)造成整個(gè)設(shè)備振動(dòng)。ERM電機(jī)的輸入是DC電壓。ERM電機(jī)的輸入電壓范圍為1~10V，而工作電流范圍是130~160mA.工作頻率范圍是90~200Hz.ERM電機(jī)成本低，但是能夠提供強(qiáng)勁振動(dòng)。不過，其響應(yīng)時(shí)間非常長（40~80ms），因此不適合高質(zhì)量觸覺反饋。ERM電機(jī)可在手機(jī)中用于提供簡(jiǎn)單的觸覺效果，如：振動(dòng)提醒。

　　圖4:ERM制動(dòng)器結(jié)構(gòu)

　　線性諧振促動(dòng)器（LRA）- LRA由可動(dòng)質(zhì)量塊、永磁體、音圈和振動(dòng)彈簧組成，如圖5所示。在音圈獲得正弦輸入時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生與永磁體相互作用的磁場(chǎng)，從而造成其線性運(yùn)動(dòng)。永磁體推動(dòng)可動(dòng)質(zhì)量塊上下運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生振動(dòng)。可動(dòng)質(zhì)量塊連接的彈簧使其返還初始位置。LRA的輸入是正弦波。LRA的工作電壓范圍是2.5~10V，工作電流范圍是65~70mA.LRA電機(jī)的典型工作頻率（諧振頻率）是175Hz.與ERM相比，LRA響應(yīng)時(shí)間更短（20~30ms），而且能夠提供更精確、更溫柔的振動(dòng)。LRA常用于在手機(jī)中提供虛擬鍵盤按鍵操作時(shí)的觸摸反饋。

　　圖5:LRA促動(dòng)器結(jié)構(gòu)

　　壓電促動(dòng)器：壓電促動(dòng)器采用逆壓電效應(yīng)工作原理 - 向壓電晶體施加電壓時(shí)會(huì)導(dǎo)致晶體產(chǎn)生物理變形。這種物理變形能夠用于產(chǎn)生振動(dòng)，以提供觸摸反饋。壓電促動(dòng)器由陶瓷材料制成。壓電促動(dòng)器的輸入電壓是正弦波。壓電促動(dòng)器的工作電壓范圍是50~200 Vpp，其瞬時(shí)電流可達(dá)到300mA.壓電促動(dòng)器的工作頻率范圍是150~300Hz.此類促動(dòng)器重量輕，尺寸小，而且能夠提供快速響應(yīng)時(shí)間（《1ms），因此適合在手機(jī)和平板電腦中提供高質(zhì)量的觸覺效果。

　　圖6：壓電促動(dòng)器結(jié)構(gòu)

　　促動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電路/IC：應(yīng)用處理器/MCU提供的輸出電壓/電流通常不足以驅(qū)動(dòng)促動(dòng)器。例如，典型的ERM電機(jī)需要130~160mA的電流。驅(qū)動(dòng)此電流的促動(dòng)器需要外部驅(qū)動(dòng)電路。

　　驅(qū)動(dòng)電路可以采用以下方式進(jìn)行設(shè)計(jì)：

　　分立組件 - 驅(qū)動(dòng)電路可以采用BJT或MOSFET等分立組件構(gòu)成。許多應(yīng)用采用MOSFET，因?yàn)槠湫矢哂贐JT.圖7所示為一種簡(jiǎn)單的高側(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。在此電路中，MOSFET在飽和區(qū)運(yùn)行，提供開關(guān)功能。通過向MOSFET輸入端發(fā)送PWM信號(hào)來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。采用分立組件設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)勢(shì)在于具有更高的靈活性和更好的設(shè)計(jì)控制。劣勢(shì)則是設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，而且需要占用更多的板級(jí)空間。

　　圖7：采用分立組件的ERM電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

　　專用促動(dòng)器驅(qū)動(dòng)IC/放大器IC：驅(qū)動(dòng)觸覺系統(tǒng)中促動(dòng)器的最常用方法是采用專用促動(dòng)器驅(qū)動(dòng)器或放大器IC.音頻放大器IC可用于采用簡(jiǎn)單觸覺效果的應(yīng)用，如：振動(dòng)提醒、單擊/雙擊等。而提供高級(jí)觸覺反饋效果可以采用專用的促動(dòng)器驅(qū)動(dòng)IC.設(shè)計(jì)此類促動(dòng)器旨在通過控制促動(dòng)器的輸入電壓/電流來優(yōu)化觸覺反饋效果。另外，如前所述，有少數(shù)促動(dòng)器驅(qū)動(dòng)器采用內(nèi)置的觸覺軟件庫。在應(yīng)用處理器中無法實(shí)現(xiàn)觸覺處理的設(shè)計(jì)可以采用專用的觸覺驅(qū)動(dòng)IC。

　　圖8：采用促動(dòng)器驅(qū)動(dòng)IC的ERM電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路