設(shè)計(jì)一款基于觸摸按鍵的手寫板

　　此設(shè)計(jì)在PCB上利用焊盤制作的觸摸按鍵來構(gòu)成觸摸區(qū)域，實(shí)現(xiàn)觸摸手寫板的硬件設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)采用低功耗的MSP4302553作為手寫板觸摸檢測核心，通過實(shí)驗(yàn)研究的方法，分析了PCB板上觸摸按鍵尺寸和觸摸板分辨率，按鍵到控制器的布線方式和距離，以及按鍵相互之間距離對手寫檢測的影響。在單個觸摸按鍵準(zhǔn)確檢測的基礎(chǔ)上，選擇合適的參數(shù)完成了手寫板設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對用戶手寫輸入信息二值圖像的準(zhǔn)確獲取。在PCB上設(shè)計(jì)觸摸手寫板，具有設(shè)計(jì)簡單、造價低、耐磨損、不易損壞的特點(diǎn)。

　　傳統(tǒng)手寫板有電阻式、電容式、電磁壓感式3類。電阻與電容式手寫板分別通過阻值和容值的改變來判定用戶輸入;電磁壓感式通過手寫板上電后，表層電路在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生的磁場與手寫筆中產(chǎn)生的磁場形成互感完成對用戶輸入的檢測。3類手寫板都結(jié)合觸摸屏作輸入設(shè)備，難免有不能承受重壓、耐磨性差、成本高的缺點(diǎn)。而直接在PCB上利用焊盤設(shè)計(jì)觸摸按鍵構(gòu)成手寫板，實(shí)現(xiàn)電容式觸摸手寫輸入，彌補(bǔ)了觸摸屏輸入在一些簡單手寫輸入環(huán)境中的限制。

　　PCB板上手寫板觸摸按鍵區(qū)域的設(shè)計(jì)，借鑒矩陣鍵盤的結(jié)構(gòu)方式。主控制器使用較少的I/O資源就可以實(shí)現(xiàn)手寫板檢測?？刂破魍ㄟ^行列掃描手寫觸摸板上的觸摸按鍵，并記錄下各個觸摸點(diǎn)狀態(tài)，從而得到用戶輸入信息的二值圖像。

　　1 單觸摸點(diǎn)準(zhǔn)確檢測

　　1.1 觸摸按鍵電容分布

　　電容式觸摸按鍵的檢測是通過一個張弛振蕩器來完成的，當(dāng)有觸摸動作時按鍵電容值變大，張弛振蕩器的振蕩頻率減小。主控制器通過檢測張弛振蕩的頻率變化判定是否有觸摸動作發(fā)生。

　　觸摸按鍵電容分布如圖1所示，無觸摸時按鍵等效電容為C1=Cg∥Cp∥Ctr∥Ce;而有觸摸時按鍵等效電容為C2=C1∥Cto。所以有觸摸時按鍵的張弛振蕩電容相對于無按鍵時變大，按鍵的振蕩頻率 相對無觸摸時降低。

　　1.2 固定時間門變電極振蕩按鍵檢測

　　由于當(dāng)有觸摸動作發(fā)生時按鍵等效電容變大，所以在固定時間內(nèi)按鍵的脈沖個數(shù)變小。從而通過檢測兩種情況下脈沖個數(shù)可以判斷有無觸摸動作發(fā)生。固定時間門變電極振蕩的方式原理如圖2所示。

　　分別記錄等時間門Tgate內(nèi)有無觸摸時的張弛振蕩器脈沖個數(shù)，可以得到脈沖個數(shù)的相對變化率為：

　　將η與參考相對變化率η0作比較就可以判斷有無觸摸動作。當(dāng)η》η0時，說明電容明顯增加，有觸摸動作;當(dāng)η《η0時，說明電容變化不明顯，沒有觸摸動作。所以參考值η的值選取非常關(guān)鍵，直接決定了觸摸按鍵的靈敏度和準(zhǔn)確性。

　　1.3 單個按鍵檢測的自適應(yīng)算法

　　由于空氣濕度、密度以及PCB上電路環(huán)境等因素的不穩(wěn)定，沒有按鍵按下時C1并非固定不變的，而存在一定的波動。所以，若Key_LVL=N無按鍵 -N有按鍵值選取太小，即η0的選取太小，那么N無按鍵的變化就可能誤判成有觸摸動作;而Key_LVL的值選取過大，即η0大于有輕微觸摸動作時的相對變化率，那么可能使觸摸動作發(fā)生時不能被檢測到，影響按鍵的靈敏度。Tgate內(nèi)計(jì)數(shù)脈沖個數(shù)為N=Tgate/T，Tgate是給定的計(jì)數(shù)時間，T張弛振蕩周期，則Key_LVL的表達(dá)式如下：

　　如果觸摸按鍵所處的環(huán)境基本穩(wěn)定，那么C1與 ，在Tgate時間給定后都是定值。但是，實(shí)際環(huán)境并不是穩(wěn)定不變的，所以為了消除這些變化的因素對觸摸檢測的影響，基于自適應(yīng)的思想對Key_LVL修改為：

　　Key_LVLi=Key_LVLi-1+△M［i（i-1）］。 （3）

　　其中△M［i（i-1）］。是每次判斷參考的修正值，△M［i（i-1）］。

　　是前兩次得到的Key_LVL作差所得的△Mi（i-1）。然而這種較少的比較結(jié)果的修正效果并不理想，受環(huán)境變化影響較大。于是記錄前7次的Key_LVL值，并將相鄰兩次Key_LVL值做差，得到6次加權(quán)的差值，所以△M［i（i-1）］。的修正如下：

　　其中Ci-n是加權(quán)系數(shù)，表示各次比較的差值在△M［i（i-1）］。中所占權(quán)重。為了適應(yīng)環(huán)境的改變，Ci-1…Ci-6依次減小，通過多次實(shí)驗(yàn)測試，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選取Ci-1=0.4，Ci-2=0.2，Ci-3=0.1，Ci-4=0.1，Ci-5=0.1，Ci-6=0.1，可使參考η0自動調(diào)整，減小環(huán)境因素的影響。根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)測量設(shè)計(jì)中取η0=10%，可以較為準(zhǔn)確的檢測到觸摸動作。