將電容式觸摸屏設計到產(chǎn)品并不是一項簡(jiǎn)單的任務(wù)。這個(gè)復雜的機電系統面臨著(zhù)許多集成方面的嚴峻挑戰。終端用戶(hù)希望他們的產(chǎn)品輕薄，市場(chǎng)需要長(cháng)電池壽命。對觸摸性能的預期相當驚人：4mm手指，防手掌誤觸，1毫米觸控筆以及懸停。系統需要與低成本的通用USB電池充電器配合工作，抑制來(lái)自不斷增長(cháng)的大量無(wú)線(xiàn)噪聲源的噪聲，以及忽視水的影響。還需注意，其價(jià)格必須便宜。解決這些問(wèn)題并不容易。幸運的是，賽普拉斯(Cypress)公司推出了Gen4(圖1)。 

速度 

從設計之初，Gen4旨在逐一解決這些設計問(wèn)題。第一個(gè)挑戰是性能。雖然市場(chǎng)上一些觸摸屏聲稱(chēng)高達250Hz，但在存在噪聲的現實(shí)應用中卻不可能達到。這是由于這些器件中的8位MCU核能力不足，不具備實(shí)現滿(mǎn)足現今環(huán)境要求的先進(jìn)濾波算法所需的數學(xué)計算能力。一旦濾波完成，就需要像DSP一樣執行8位數學(xué)計算，實(shí)現精確的位置測量，而又不降低系統性能。實(shí)測結果表明，在真實(shí)世界環(huán)境下，觸摸屏控制器的速度將減少到60Hz。這將導致在快速輕擊，尤其是觸筆跟蹤時(shí)，性能表現不佳。Gen4旨在解決這些問(wèn)題。 

圖1：Gen4觸摸屏系統原理。

Gen4平臺具備片上ARM M0核，從尺寸、速度和功耗而言，它都是世界上最好的處理器。完全流水線(xiàn)掃描引擎和真正的32位處理能力，使得Gen4可以克服最苛刻的環(huán)境。它內置DSP功能和觸摸屏子系統，能夠以1kHz頻率掃描面板，此外，它還能使下一次面板掃描與CPU處理之前的數據集相獨立。所有這些能力加起來(lái)，在手機應用中可以達到高達400Hz的刷新率。這意味著(zhù)，高性能觸摸可以應付各種噪聲環(huán)境，并跟上未來(lái)的操作系統。 

功耗 

快速運行的另一項優(yōu)勢是能夠節省功耗。通過(guò)快速掃描和處理，Gen4可以在掃描之間進(jìn)入睡眠。在移動(dòng)設備應用中，節省電池壽命至關(guān)重要。有功功耗非常重要，它可以低至1.9mW。比有功功耗更重要的是待機功耗，因為顯示器會(huì )消耗掉更多功耗。Gen4有一個(gè)獨特的能力，那就是進(jìn)入睡眠模式只消耗1.8uW。極為獨特的是，在這種模式下，它可以通過(guò)IIC或SPI端口的地址匹配來(lái)喚醒。這很關(guān)鍵，因為Gen4可以比其它設備更快喚醒(其他設備需要一個(gè)引腳變化中斷，且必須啟動(dòng)到準備好狀態(tài)來(lái)處理觸摸數據)。這能幫助設計人員為用戶(hù)提供最靈敏的用戶(hù)體驗。 

解決充電器噪聲問(wèn)題 

充電器噪聲是電容式觸摸屏設計中談?wù)撟疃嗟脑肼曉粗�一。當觸摸發(fā)生時(shí)，這種噪聲通過(guò)電池充電器物理耦合至傳感器。它可以表現為觸摸的精度或線(xiàn)性度下降，錯誤或幻覺(jué)觸摸，甚至是觸摸屏變得無(wú)效或者不正確。罪魁禍首一般是配件市場(chǎng)的低成本充電器(圖2)。 

圖2：低成本充電器的架構及其缺陷。

一些振蕩線(xiàn)圈變換器充電器可以被認為是寬帶噪聲發(fā)生器，因為它們產(chǎn)生了范圍從1kHz到近100kHz的多達40Vpp的噪聲。大多數最終還具有伴隨許多諧波的更多周期噪聲的傾向。 

設計用于配合特定電話(huà)工作的OEM廠(chǎng)商的充電器具有較嚴格的噪聲規格，同時(shí)，在充電電路中廣泛采用USB連接器為配件市場(chǎng)創(chuàng )造了巨大的機會(huì )。為了在其中進(jìn)行競爭，配件廠(chǎng)商充分地降低充電器成本。采用低成本電子器件的充電器給手機充電將注入很多噪聲到觸摸屏，而導致其很可能無(wú)法使用。

因此，OEM廠(chǎng)商要求觸摸屏IC具有更高水平的噪聲處理能力。許多規范要求從1kHz到400kHz要有40Vpp，并在50~60Hz范圍要有95Vpp的抑制能力。幸運的是，市場(chǎng)上已有專(zhuān)門(mén)的算法和方法(例如：Cypress的Charger Armor)可以滿(mǎn)足嚴格的要求，并具備400Vpp以上的電池充電器抗噪聲能力。這種水平是通過(guò)各種手段來(lái)實(shí)現的，無(wú)論是經(jīng)過(guò)非線(xiàn)性濾波，跳頻，還是其它的硬件方法。Gen4可以實(shí)現這一切。 

實(shí)現滿(mǎn)足當今移動(dòng)行業(yè)要求規格的抗噪聲能力并非瑣事。觸摸屏通常采用處理器濾波解決這個(gè)問(wèn)題。俗話(huà)說(shuō)的“根不正，苗必歪，染坊拿不出白布來(lái)”也并不是百分百準確，但一開(kāi)始就采用干凈的信號卻仍很關(guān)鍵�？朔�充電器噪聲的一個(gè)最好方法，特別是那些輸出寬帶噪聲，是使用純凈的信號來(lái)予以克服。因為從觸摸控制器模擬端產(chǎn)生的未經(jīng)處理的信噪比和設備驅動(dòng)面板的電壓成正比(SNR∝VTx)，所以期望采用高電壓的Tx。 

典型的觸摸屏控制器一般以連接到面板的2.7V電壓軌來(lái)驅動(dòng)它，而Gen4系列則有一些區別。它同樣采用2.7V的模擬電源，但實(shí)際上卻以10V驅動(dòng)面板。電荷泵和10V晶體管集成到Gen4器件系列，這使得它們能夠實(shí)現較其他任何芯片近4倍的未經(jīng)處理的信噪比。 

一旦信號獲取后，就可以采用中值濾波或是其他更先進(jìn)的非線(xiàn)性濾波等典型技術(shù)來(lái)進(jìn)一步提高信噪比，但這將以犧牲刷新率為代價(jià)。10V Tx已顯示出能夠處理充電器輸出高達31Vpp的帶內噪聲，而并不需要采用這種先進(jìn)的濾波類(lèi)型。 

但是當帶內噪聲太高時(shí)又將怎樣？這就是其他先進(jìn)技術(shù)的重要性所在。如果設備需處理的帶內噪聲變得很大，則Gen4具有的獨特處理能力便可派上用場(chǎng)：通過(guò)動(dòng)態(tài)調整其發(fā)射頻率并轉換信道來(lái)避免噪聲。自適應跳頻技術(shù)是觸摸屏中解決充電器噪聲問(wèn)題的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。 

解決顯示器噪聲問(wèn)題 

顯示器給投射式電容觸摸屏系統帶來(lái)了許多挑戰。這是因為它們產(chǎn)生了相當大的噪聲，這些噪聲可以直接傳導到電容觸摸屏傳感器。還有一件更難的事情是，OEM廠(chǎng)商要求手機模型更薄，這意味著(zhù)要使實(shí)際的觸摸屏傳感器更加接近顯示器，甚至就在里面。 

多年來(lái)，業(yè)內已使用屏蔽層來(lái)保護傳感器免受顯示器噪聲的影響。這會(huì )增加任何手機的成本與厚度，但卻十分有效。業(yè)內還在顯示屏和傳感器之間使用了一個(gè)通常約為0.3毫米厚度的小氣隙，利用自然空氣消除來(lái)自顯示器的傳導噪聲。然而，隨著(zhù)手機變得越來(lái)越薄，對于當今的設計來(lái)說(shuō)，這兩種選擇都不是很理想。 

在傳統的TFT液晶顯示器中，公共電極(VCOM)由直流或交流電壓驅動(dòng)。ACVCOM層通常用來(lái)降低顯示器驅動(dòng)的工作電壓，同時(shí)保持液晶電壓恒定。這是一個(gè)相對低成本的顯示器，相對與DCVCOM來(lái)說(shuō)，這種類(lèi)型的顯示器功耗更高，噪聲也更大。我們簡(jiǎn)單看看ACVCOM顯示器的典型波形(圖3)。 

圖3：ACVCOM顯示器典型噪聲波形。

典型ACVCOM類(lèi)型的顯示器會(huì )有集中在10~30kHz的500mVpp~3mVpp任何幅度的噪聲(如圖3所示)，而DCVCOM噪聲則會(huì )較小。要測量顯示器的噪聲非常簡(jiǎn)單，可以在顯示器的頂部加一個(gè)小銅帶，將示波器連接到該小銅帶，并將示波器的地連接到顯示器的電路地，然后運行顯示器捕獲波形。這種程度的噪聲對于電容觸摸屏控制器來(lái)說(shuō)是災難性的，但是可以通過(guò)氣隙或者屏蔽來(lái)改進(jìn)。氣隙會(huì )使手機變厚，且會(huì )帶來(lái)機械設計問(wèn)題。屏蔽層也會(huì )增加厚度，并帶來(lái)成本問(wèn)題。 

幸運的是，顯示器噪聲可以采用Gen4輕松減弱。Cypress的Display Armor技術(shù)是業(yè)內采用的最先進(jìn)的對抗顯示器噪聲的方法。通過(guò)在觸摸屏設備中集成內置的監聽(tīng)通道，Gen4可以用兩種不同的方式來(lái)消除顯示器噪聲。一種方法是使用先進(jìn)的算法來(lái)區分噪聲和數據；另一種是檢測噪聲源并獲取波形，以致在沒(méi)有噪聲時(shí)進(jìn)行電容測量。這兩種方法都由硬件完成，不會(huì )影響到CPU或觸摸屏子系統通常的執行。其結果是可以實(shí)現低成本的輕薄、先進(jìn)的電容觸摸屏層疊結構(stackup)。

觸摸屏控制器必須提供精確的用戶(hù)體驗，精度和線(xiàn)性度都是關(guān)鍵。精度定義為觸摸屏控制器報告的位置與實(shí)際目標中心有多接近；線(xiàn)性度則度量的是報告位置與目標經(jīng)過(guò)屏幕運動(dòng)線(xiàn)路的接近程度。兩者都是關(guān)鍵參數，且在邊緣周?chē)�非常重要。Gen4可以幫助設計人員把精度和線(xiàn)性度提高到0.2mm以下。它還能支持較大范圍的手指尺寸：從小到4mm的較小手指到大到30mm的較大手指，都可以精確識別。 

節約成本 

Gen4系列產(chǎn)品的抗噪聲能力使設計人員不僅能夠抵御苛刻的環(huán)境要求，而且還能節約成本。如何實(shí)現呢？使用Gen4時(shí)，廠(chǎng)商可以使用低成本的電池充電器和低成本的顯示器。在傳感器設計時(shí)可以不必使用屏蔽層，也無(wú)需采用保護觸摸屏IC不受噪聲源影響的其他的昂貴元器件。Gen4甚至可以在FPC上節省成本，因為它可以使用單層布線(xiàn)。這要感謝其靈活的IO設計以及無(wú)需外部元器件。典型的設計可以設置Tx引腳在器件的任何一側，而所有的Rx引腳則均位于頂部，如FPC示意圖所示(圖4)。 

圖4：Gen4的單層布線(xiàn)FPC。

易于使用 

設計師面臨的另一個(gè)挑戰就是要不斷的學(xué)習新的工具和芯片。這是因為對于不同的項目有不同的控制器。無(wú)論是針對功能手機的這一項目，針對智能手機的另一項目，還是針對它們的手寫(xiě)板設計的下一項目，試圖在一個(gè)時(shí)間表內完成所有這些項目并學(xué)習很多的新知識，將帶來(lái)極大的挑戰性。Gen4可以解決這個(gè)問(wèn)題，因為它是一個(gè)單芯片解決方案的平臺，可以支持所有這些市場(chǎng)的需求。具有31、35、36、40、56、60個(gè)傳感器IO可選(屏幕尺寸從1.5”至12”)，設計人員不再需要擔心針對新產(chǎn)品提出的新結構。此外，設計人員還可以在所有的項目中使用相同的開(kāi)發(fā)環(huán)境：TrueTouch Host Emulator(TTHE)。它無(wú)需任何編碼，只需簡(jiǎn)單點(diǎn)擊就能完全配置和調整觸摸設計，從而可以使設計人員節省設計時(shí)間。 

本文小結 

投射式電容觸摸屏控制器仍將繼續發(fā)展。性能將會(huì )增加，并且市場(chǎng)還將繼續對系統價(jià)格施壓。幸運的是，我們已經(jīng)找到解決途徑。Gen4為市場(chǎng)帶來(lái)了無(wú)與倫比的抗噪聲能力，并結合了革命性的刷新率以及功耗。由于它的集成水平，設計人員可以實(shí)現先進(jìn)的性能，并在同時(shí)降低系統設計的成本。采用Gen4平臺方法可以使設計人員節省設計的時(shí)間和成本，并為終端客戶(hù)帶來(lái)極好的用戶(hù)體驗。