AD7879控制器支持電阻式觸摸屏上的手勢(shì)識(shí)別

作者：Javier Calpe, Italo Medina, Alberto Carbajo, and Maria Jose Martinez

使用觸摸的增強(qiáng)型低成本用戶界面是各種消費(fèi)、醫(yī)療、汽車和工業(yè)設(shè)備的寶貴功能。在許多消費(fèi)類應(yīng)用中，設(shè)計(jì)人員更喜歡昂貴的電容式觸摸屏而不是電阻式技術(shù)，因?yàn)樗鼈兛梢愿櫞罅渴种?，并且似乎可以與用戶進(jìn)行更友好的交互。目前，低成本電阻技術(shù)填補(bǔ)了只需要一次觸摸的市場(chǎng)利基市場(chǎng)，極其精確的空間分辨率至關(guān)重要，手寫(xiě)筆有助于特定功能，例如亞洲語(yǔ)言字符識(shí)別，或在用戶必須戴手套的環(huán)境中。

雖然電阻技術(shù)傳統(tǒng)上用于檢測(cè)屏幕上單點(diǎn)觸摸的位置，但本文提供了一種新的雙點(diǎn)觸控概念，它使用AD7879電阻式觸摸屏控制器檢測(cè)最常見(jiàn)的雙指手勢(shì)（縮放、捏合和旋轉(zhuǎn)），使用廉價(jià)的電阻式觸摸屏。

電阻式觸摸屏的經(jīng)典方法

典型的電阻屏具有兩個(gè)平行的氧化銦錫 （ITO） 導(dǎo)電層，由間隙隔開(kāi)（圖 1）。上層（Y）的邊緣電極相對(duì)于下層（X）的邊緣電極旋轉(zhuǎn)90°。當(dāng)兩層通過(guò)施加在屏幕小區(qū)域的壓力使兩層電接觸時(shí)，就會(huì)發(fā)生“觸摸”。如果在頂層的兩個(gè)電極之間施加直流電壓，而下層浮動(dòng)，則觸摸會(huì)使下層達(dá)到與觸摸點(diǎn)相同的電壓。通過(guò)測(cè)量底層的電壓來(lái)確定觸摸點(diǎn)的電阻與總電阻的比值，從而識(shí)別頂層方向的觸摸坐標(biāo)。然后，交換各層的電氣連接，并獲得另一軸上觸摸點(diǎn)的坐標(biāo)。

直流電壓提供的層，其承載的電流與其阻抗成反比，稱為“有源”層。測(cè)量電壓的層稱為“無(wú)源”層，因?yàn)闆](méi)有相關(guān)電流流過(guò)它。當(dāng)發(fā)生單次觸摸時(shí)，在有源層形成分壓器，無(wú)源層電壓測(cè)量允許模數(shù)轉(zhuǎn)換器讀取與觸摸點(diǎn)與負(fù)極距離成比例的電壓1.

經(jīng)典的 4 線電阻式觸摸屏因其低成本而在單點(diǎn)觸控應(yīng)用中很受歡迎。用于多點(diǎn)觸控的電阻式方法采用了各種技術(shù)，這些技術(shù)始終包括矩陣布局屏幕，但屏幕制造成本卻大大增加。此外，控制器需要許多輸入和輸出來(lái)測(cè)量和驅(qū)動(dòng)各種篩條，從而增加了控制器成本和測(cè)量時(shí)間。

圖1.（a）電阻式觸摸屏的結(jié)構(gòu)，

（b）用戶觸摸屏幕時(shí)的電接觸。

超越單點(diǎn)觸控

然而，通過(guò)理解和建模過(guò)程背后的物理場(chǎng)，可以從電阻式觸摸屏中提取更多信息。當(dāng)發(fā)生兩次觸摸時(shí)，來(lái)自無(wú)源屏幕的一段電阻加上觸摸觸點(diǎn)的電阻與有源屏幕的導(dǎo)電段并聯(lián)，因此電源看到的阻抗減小，電流增加。電阻控制器的經(jīng)典方法假設(shè)通過(guò)有源層的電流是恒定的，而無(wú)源層是等電位的。只需輕輕一按，這些假設(shè)就不再成立，因此需要進(jìn)行額外的測(cè)量來(lái)提取所需的信息。

電阻屏中的雙觸摸傳感模型如圖2所示。R觸摸是層之間的接觸電阻;在目前可用的大多數(shù)屏幕中，它通常與兩層的電阻具有相同的順序。如果恒定電流I流過(guò)有源層的端子，則有源層兩端的電壓如下：

圖2.電阻屏雙觸的基本型號(hào)。

手勢(shì)識(shí)別

手勢(shì)識(shí)別背后的想法可以用捏合作為一個(gè)例子來(lái)更好地描述。捏合手勢(shì)從兩個(gè)分開(kāi)的手指觸摸開(kāi)始。這會(huì)產(chǎn)生雙觸點(diǎn)，從而降低屏幕的阻抗，從而降低有源層板之間的電壓差。隨著手指靠攏，平行區(qū)域減小，因此屏幕的阻抗增加，有源層板之間的電壓差也增加。

當(dāng)緊緊夾緊時(shí)，并聯(lián)電阻接近零并且Ru + Rd增加到總電阻，因此電壓增加到

圖 3 顯示了沿垂直 （Y） 軸執(zhí)行捏合的示例。其中一層的電極之間的電壓是恒定的，而另一層在手勢(shì)開(kāi)始時(shí)顯示階躍降低，然后隨著手指靠近而增加。

圖3.執(zhí)行垂直捏合時(shí)的電壓測(cè)量。

圖4顯示了在傾斜處執(zhí)行捏合時(shí)的電壓測(cè)量值。在這種情況下，兩個(gè)電壓都顯示出階躍降低和緩慢恢復(fù)。兩個(gè)恢復(fù)率之間的比率，由每層的電阻歸一化，可用于檢測(cè)手勢(shì)的角度。

圖4.執(zhí)行對(duì)角線捏合時(shí)的電壓測(cè)量。

如果手勢(shì)是縮放（手指分開(kāi)），則可以從前面的討論中推斷出行為。圖5顯示了沿每個(gè)軸和傾斜方向執(zhí)行縮放手勢(shì)時(shí)在兩個(gè)有源層中測(cè)量的電壓趨勢(shì)。

圖5.在不同方向上執(zhí)行變焦時(shí)的電壓趨勢(shì)。

使用AD7879檢測(cè)手勢(shì)

AD7879觸摸屏控制器設(shè)計(jì)用于與4線電阻式觸摸屏接口。除了感應(yīng)觸摸外，它還測(cè)量輔助輸入端的溫度和電壓。所有四個(gè)觸摸測(cè)量以及溫度、電池和輔助電壓測(cè)量都可以編程到其片內(nèi)定序器中。

AD7879配有一對(duì)低成本運(yùn)算放大器，可以執(zhí)行上述捏合和變焦手勢(shì)測(cè)量，如圖6所示。

以下步驟描述了識(shí)別手勢(shì)的過(guò)程：

在第一個(gè)半周期中，向頂層（有源）施加直流電壓，X+引腳上的電壓（對(duì)應(yīng)于VY+– VY–） 進(jìn)行測(cè)量。這提供了與 Y 方向上的運(yùn)動(dòng)（一起或分開(kāi)）相關(guān)的信息。

在第二個(gè)半周期中，向底部（有源）層施加直流電壓，Y+引腳上的電壓（對(duì)應(yīng)于VX+– VX–） 進(jìn)行測(cè)量。這提供了與 X 方向上的運(yùn)動(dòng)（一起或分開(kāi)）相關(guān)的信息。

圖6中的電路要求差分放大器具有短路至V保護(hù)DD.在第一個(gè)半周期期間，下部放大器的輸出短路至VDD.在第二個(gè)半周期期間，上部放大器的輸出短路至VDD.為避免這種情況，AD7879的GPIO可以控制兩個(gè)外部模擬開(kāi)關(guān)，如圖7所示。

圖6.基本手勢(shì)檢測(cè)的應(yīng)用圖。

圖7.避免放大器輸出短路至VDD的應(yīng)用圖。

在這種情況下，AD7879編程為從機(jī)轉(zhuǎn)換模式，僅測(cè)量一個(gè)半周期。當(dāng)AD7879完成轉(zhuǎn)換時(shí)，會(huì)產(chǎn)生中斷。主機(jī)處理器對(duì)AD7879進(jìn)行重新編程以測(cè)量第二個(gè)半周期，并更改AD7879 GPIO的值。在第二次轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，兩個(gè)圖層的結(jié)果都存儲(chǔ)在設(shè)備中。

旋轉(zhuǎn)可以建模為一個(gè)方向上的同時(shí)縮放和正交捏合，因此檢測(cè)一個(gè)并不困難。挑戰(zhàn)在于區(qū)分順時(shí)針 （CW） 和逆時(shí)針 （CCW） 手勢(shì);這無(wú)法通過(guò)上述過(guò)程實(shí)現(xiàn)。檢測(cè)旋轉(zhuǎn)及其方向需要對(duì)主動(dòng)和被動(dòng)兩層進(jìn)行測(cè)量，如圖8所示。由于圖7中的電路無(wú)法滿足這一要求，因此圖9提出了一種新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖8.執(zhí)行 CW 和 CCW 旋轉(zhuǎn)時(shí)的電壓測(cè)量。

圖 9 中提出的拓?fù)湓试S執(zhí)行以下操作：

半周期 1：電壓施加到 Y 層，同時(shí) （VY+– VY–）、VX–和 VX+被測(cè)量。AD7879在每次測(cè)量完成后都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷，允許處理器更改GPIO配置。

半周期 2：電壓施加到 X 層，同時(shí) （VX+– VX–）、VY–和 VY+被測(cè)量。

圖9所示電路允許測(cè)量實(shí)現(xiàn)完整性能所需的所有電壓，即a）單點(diǎn)觸摸位置，b）縮放、捏合和旋轉(zhuǎn)手勢(shì)檢測(cè)和量化，以及c）CW與CCW旋轉(zhuǎn)判別。執(zhí)行雙點(diǎn)觸控手勢(shì)時(shí)的單點(diǎn)觸控操作可提供手勢(shì)質(zhì)心的估計(jì)值。

圖9.單點(diǎn)觸摸定位和手勢(shì)檢測(cè)的應(yīng)用圖。

實(shí)用提示

與柔和手勢(shì)相關(guān)的電壓變化非常微妙。通過(guò)增加這些變化可以提高系統(tǒng)的魯棒性，例如在屏幕電極和AD7879引腳之間增加一個(gè)小電阻;這將增加有源層中的壓降，并在一定程度上降低單點(diǎn)觸摸定位的精度。

另一種方法是僅在低側(cè)連接上添加一個(gè)電阻，當(dāng)X和Y電極是有源層時(shí)，僅感測(cè)它們。通過(guò)這樣做，可以施加一些增益，因?yàn)橹绷髦捣浅５汀?/p>

ADI公司提供各種放大器和多路復(fù)用器，可滿足圖6、圖7和圖9所示應(yīng)用的需求。電路測(cè)試電路時(shí)采用雙通道運(yùn)算放大器AD8506和ADG16xx系列模擬多路復(fù)用器，采用3.3 V單電源供電，具有低導(dǎo)通電阻。

結(jié)論

變焦、收縮和旋轉(zhuǎn)可以使用AD7879控制器檢測(cè)，輔助電路最少。這些手勢(shì)只能通過(guò)活動(dòng)層中的測(cè)量來(lái)識(shí)別。旋轉(zhuǎn)方向判別可以通過(guò)測(cè)量無(wú)源層中的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)，這可以通過(guò)使用主機(jī)處理器的兩個(gè)GPIO來(lái)實(shí)現(xiàn)。在該處理器中執(zhí)行的相當(dāng)簡(jiǎn)單的算法可以識(shí)別縮放、捏合和旋轉(zhuǎn)，估計(jì)它們的范圍、角度和方向。

審核編輯：郭婷