第一部分 

2012年10月，全世界見(jiàn)證了迄今最大規模的產(chǎn)品發(fā)布活動(dòng)之一，即微軟發(fā)布采用其最新用戶(hù)界面（UI）和Windows風(fēng)格應用的Windows 8。盡管存在批評的聲音，但事實(shí)上這款最新操作系統針對客戶(hù)與PC的交互方式進(jìn)行了根本性的改變。 

Windows 8的現代UI經(jīng)過(guò)精心設計，可支持平板電腦、PC和膝上型電腦。為了使其更適用于平板電腦操作，這種Windows GUI進(jìn)行了以下幾項修改： 

● 取消了開(kāi)始按鈕（Start Button）和開(kāi)始菜單（Start Menu），取而代之的是功能完備的開(kāi)始屏幕（Start Screen），如圖1所示的針對應用、網(wǎng)站和文件夾等的拼貼圖選項區。

● 包含了用于啟動(dòng)常用功能的觸摸手勢操作：

― 包含搜索、設置等功能的Charms Bar：使用單個(gè)手指從右側邊緣向中心滑動(dòng)即可調出。

― 用于啟動(dòng)任何應用的命令菜單：使用單個(gè)手指從頂部邊緣向中心滑動(dòng)即可調出。

― 翻閱式瀏覽所有已打開(kāi)的應用：使用單個(gè)手指從左側邊緣向中心滑動(dòng)。 

圖1：Windows 8開(kāi)始屏幕。

由于包含了用于啟動(dòng)常用功能的觸摸手勢操作，因而必須針對Windows 8為硬件添加觸摸處理功能。 

HID的觸摸支持蓄勢待發(fā) 

雖然觸摸功能是平板電腦所固有的，但全世界的PC機和筆記本電腦也同樣需要部署Windows 8。這就意味著(zhù)鼠標和鍵盤(pán)等人機接口設備（HID）需要演進(jìn)發(fā)展并提供觸摸功能。隨著(zhù)羅技（Logitech）和微軟等主要OEM廠(chǎng)商推出無(wú)線(xiàn)觸控鼠標和觸控板（圖2、圖3），這種演變已經(jīng)展開(kāi)。 

圖2：微軟的Wedge觸摸式鼠標。

圖3：羅技T650無(wú)線(xiàn)觸控板。

隨著(zhù)Windows 8被更多客戶(hù)所采用，預計對于觸摸式HID的需求將隨之出現大幅增長(cháng)。為了跟上HID的最新潮流，大部分這些外設都將配備無(wú)線(xiàn)功能，從而推動(dòng)全世界的OEM廠(chǎng)商都在尋找可用于構建無(wú)線(xiàn)觸控HID的高效、高質(zhì)量且極富成本優(yōu)勢的元件。

無(wú)線(xiàn)觸控HID的基本構建模塊 

任何無(wú)線(xiàn)觸控HID都需要三大元件：微控制器（MCU）、射頻與電容式觸摸控制器，如圖4所示。 

假定MCU、電容式觸摸控制器和無(wú)線(xiàn)電元件之間的通信接口采用串行外設接口（SPI），而其他元件則通過(guò)通用輸入輸出（GPIO）引腳連接到其各自的控制器。HID能與插入到PC或筆記本電腦USB道爾芯片進(jìn)行通信。對于HID設計人員來(lái)說(shuō)，詳盡了解這三個(gè)基本構建模塊的功能至關(guān)重要。 

圖4：觸摸式無(wú)線(xiàn)HID的的基本構成模塊。
微控制器 機械按鈕 電容式觸摸控制器 觸摸式用戶(hù)接口元件 觸摸板 電容式感應按鍵/電容性觸摸滑條 射頻 天線(xiàn)

電容式觸摸控制器 

電容式觸摸控制器用于檢測觸摸板表面的電容變化，以確定手指的位置。觸摸板通常創(chuàng )建在印刷電路板（PCB）或撓性印制電路（FPC）上。分布在觸摸板上的傳感器使用銅等導電材料制作而成。觸摸板由行傳感器和列傳感器構成，并組成圖5所示的網(wǎng)格形狀。 

圖5：具有傳感器網(wǎng)格的觸摸板及電容式觸摸控制器。
觸摸板 電源電壓 電容式觸摸控制器

我們既可以將觸摸板和電容式觸摸控制器放置在同一塊電路板上，也可以放置在不同電路板上。對于觸摸板和電容式觸摸控制器位于不同電路板的這種情況，傳感器網(wǎng)格的金屬線(xiàn)跡（Metal Trace）通過(guò)端板送出并利用FPC線(xiàn)纜作為兩板之間的連接器。如果二者在同一電路板上，金屬線(xiàn)跡則可將傳感器網(wǎng)格連接至電容式觸摸控制器。 

電容式觸摸控制器的典型工作方式 

觸摸控制器定期掃描所有傳感器，并記錄每個(gè)傳感器的電容值。手指與觸摸板的接觸會(huì )改變接觸位置處的傳感器電容。觸摸控制器可感應電容的相對變化并計算出實(shí)際的手指位置（即X和Y軸的位置）。將當前的手指位置與此前記錄的位置進(jìn)行比較，以便對手勢進(jìn)行解碼。需要在芯片上進(jìn)行手勢計算，以避免在Windows操作系統上額外安裝驅動(dòng)器。一旦檢測到新的手勢，電容式觸摸控制器就會(huì )利用中斷將數據可用信息報告給MCU并等待MCU讀取數據（圖6）。 

圖6：電容式觸摸控制器——固件流程。
掃描傳感器 計算手指的位置 解碼手勢 是否檢測到新的手勢 通知MCU 等待MCU讀取數據 將數據發(fā)送至MCU

電容式觸摸——設計要領(lǐng) 

設計電容無(wú)線(xiàn)觸控HID時(shí)需要記住的關(guān)鍵設計要領(lǐng)包括： 

刷新時(shí)間：刷新時(shí)間是指電容式觸摸控制器兩次連續報告的時(shí)間間隔。隨著(zhù)所掃描電容傳感器的數量增加，掃描所有傳感器的總時(shí)間將會(huì )相應增加，從而延長(cháng)刷新時(shí)間。 

外覆層材料與厚度：手指觸發(fā)電容與外覆層材料的厚度成反比，與介電常數成正比。為了實(shí)現最佳手指響應，外覆層材料的介電常數應該較高而厚度則應較薄。 

傳感器間距：傳感器間距是指相鄰傳感器中心之間的距離。X和Y二維空間典型間距是5mm，如圖7所示。如果傳感器間距再大就會(huì )導致精確度和線(xiàn)性度降低。 

圖7：觸摸板的傳感器間距。

電容感應引腳：電容式觸摸板上的每個(gè)傳感器均需連接至一個(gè)電容感應引腳。如果觸摸控制器沒(méi)有足夠的電容感應引腳，則可增大傳感器間距以支持所需的觸摸板區域。但是這種方案會(huì )導致精確度和線(xiàn)性度的降低。因此，選擇具有足夠多電容感應引腳的電容式觸摸控制器非常重要。 

精確度和線(xiàn)性度：精確度是電容式觸摸控制器獲得的手指位置與實(shí)際手指位置的對比測量。線(xiàn)性誤差是指電容式觸摸控制器的報告坐標與手指沿直線(xiàn)運動(dòng)的預期坐標之間的差值。這些測量結果受以下因素影響： 

● 傳感器間距：傳感器間距越大，精確度和線(xiàn)性度就越差。

● 固件算法：精確度與線(xiàn)性度可能會(huì )因手指位置預測算法的精確性不同而發(fā)生相應變化。 

固件可配置性：觸摸控制器的固件經(jīng)配置后可將不同的操作映射于不同的手勢，甚至還可動(dòng)態(tài)開(kāi)發(fā)自定義手勢以提升最終用戶(hù)體驗。 

電容式觸摸控制器 

當今市場(chǎng)上的眾多電容式觸摸控制器都屬于模塊化元件�？赏ㄟ^(guò)模塊對電容式觸摸控制器進(jìn)行編程，以處理電容式觸摸檢測和手勢解碼，并將模塊作為I2C或SPI從器件連接到MCU。模塊化方案的主要局限性在于無(wú)法利用電容式觸摸控制器處理MCU活動(dòng)。 

IC供應商賽普拉斯擁有更穩定可靠的解決方案，即賽普拉斯最新推出的單芯片解決方案PRoC-UI（可編程片上射頻系統 – 用戶(hù)接口）（圖8）。該方案集成的控制器在與低功耗WirelessUSB-NL無(wú)線(xiàn)電元件配合工作時(shí)，既可以處理電容式觸摸功能也可以處理MCU功能。OEM廠(chǎng)商采用PRoC-UI就無(wú)需再使用MCU，避免了相關(guān)成本，進(jìn)而降低總體材料成本。 

圖8：PRoC-UI，用于觸摸式無(wú)線(xiàn)HID的賽普拉斯單芯片解決方案。
控制器 可處理電容式觸摸與MCU功能 專(zhuān)用2.4GHz射頻支持無(wú)線(xiàn)通信

本文的第二部分將針對無(wú)線(xiàn)觸控HID介紹MCU和無(wú)線(xiàn)電元件以及系統級考慮因素

第二部分 

在文章的第一部分，我們探討了Windows 8的普及將如何推動(dòng)無(wú)線(xiàn)HID演進(jìn)發(fā)展，以融入觸控功能；介紹了無(wú)線(xiàn)觸控人機界面的三個(gè)基本構建模塊（如圖4所示），即微控制器（MCU）、無(wú)線(xiàn)電元件和電容式觸摸控制器；另外，還對電容式觸摸控制器進(jìn)行了詳細探討。 

微控制器和無(wú)線(xiàn)電是無(wú)線(xiàn)觸控HID的另外兩個(gè)重要模塊。 

微控制器 － 功能與關(guān)鍵設計要領(lǐng) 

微控制器（MCU）負責協(xié)調所有子系統的活動(dòng)，其中包括從系統元件讀取數據，通過(guò)無(wú)線(xiàn)電元件向電子狗傳送信息，以及優(yōu)化系統功耗。系統組件通過(guò)串行外設接口（SPI）/集成電路間（I2C）或通用輸入輸出（GPIO）引腳連接至MCU（如圖4所示）。 

典型的MCU工作任務(wù)包括：在檢測到有效手勢時(shí)從電容式觸摸控制器向MCU發(fā)送中斷；隨后，MCU發(fā)啟一個(gè)讀取操作以便從電容式觸摸控制器獲取觸摸坐標和手勢信息；另外，MCU還可從其他系統元件獲取信息，如觸摸式鼠標的光傳感器；然后，將所有信息打包并發(fā)送給無(wú)線(xiàn)電元件進(jìn)行傳輸；此外，MCU還負責運行可控制無(wú)線(xiàn)電元件的協(xié)議。關(guān)鍵設計要領(lǐng)包括： 

● 接口支持 – MCU必須支持每個(gè)不同組件（無(wú)線(xiàn)電元件、光傳感器等）所需的接口。典型接口包括SPI和I2C等。

● GPIO – 觸摸式鼠標采用的光傳感器等組件通過(guò)GPIO連接到MCU。電池監控、綁定按鈕（binding button）、LED和其他類(lèi)似組件也需要GPIO。因此必須為MCU配置足夠數量的GPIO。

● 集成型組件 – 片上組件對于MCU來(lái)說(shuō)是一種附加優(yōu)勢，因為這樣無(wú)需使用外部組件，有助于降低總體材料（BOM）成本。例如，片上模數轉換器（ADC）可用于電池監控。

● 存儲器 – MCU必須具有足夠的閃存和足夠的RAM，才能運行無(wú)線(xiàn)電協(xié)議并通過(guò)SPI/GPIO來(lái)控制其他組件。

● CPU速度 – 通常情況下，工作頻率為20至24MHz的8位CPU就能滿(mǎn)足觸控式HID的系統要求

無(wú)線(xiàn)電 – 功能與關(guān)鍵設計要領(lǐng) 

大部分無(wú)線(xiàn)HID器件均采用專(zhuān)有的2.4GHz無(wú)線(xiàn)電IC。這些無(wú)線(xiàn)電元件通常采用高斯頻移鍵控（GFSK）進(jìn)行調制，并通過(guò)驅動(dòng)器和運行于MCU上的協(xié)議進(jìn)行控制。 

MCU通過(guò)SPI將數據傳送至無(wú)線(xiàn)電元件。無(wú)線(xiàn)電元件再將信息組成幀并傳輸至PC或筆記本電腦上的電子狗。典型的無(wú)線(xiàn)電數據包包括： 

● 前導碼 – 用于識別數據包開(kāi)端的比特序列

● 同步字 – 用于識別接收器與發(fā)送器的獨特比特序列

● 有效載荷 – 正被傳輸的信息

● CRC – 循環(huán)冗余校驗（CRC）通常針對有效載荷計算，以確保數據的完整性 

關(guān)鍵設計要領(lǐng) 

吞吐量：吞吐量是指通過(guò)系統傳送的數據總量，主要受以下因素影響：

空中數據速率：無(wú)線(xiàn)電空中數據速率是指無(wú)線(xiàn)電元件在空中傳輸數據經(jīng)的速度。數據速率越高吞吐量就越大，但也更易于受到干擾。

數據包大�。捍笮蛿祿�包能減少與有效載荷相關(guān)的前導碼等的數位開(kāi)銷(xiāo)，從而形成更大的吞吐量。但是，大型數據包也更容易受干擾影響，進(jìn)而導致傳輸失敗。

內部緩沖區：無(wú)線(xiàn)電的內部緩沖區被MCU用來(lái)發(fā)送或接收信息。緩沖區的大小決定了無(wú)線(xiàn)電元件一次能夠處理的數據字節數量。較大的緩沖區能減少MCU用于分解大型數據包和多次加載內部緩沖區所需的工作量。

范圍：無(wú)線(xiàn)HID需要采用具備10米通信距離的無(wú)線(xiàn)電元件。這取決于多方面因素，例如無(wú)線(xiàn)電元件的最大輸出功率、內置低噪聲放大器（LNA）的性能（該放大器使無(wú)線(xiàn)電元件能夠接收低功率信號）以及天線(xiàn)設計。

干擾處理：2.4GHz無(wú)線(xiàn)電需要面對同樣采用2.4GHz ISM傳輸頻帶的藍牙、WiFi等干擾源帶來(lái)的干擾問(wèn)題。無(wú)線(xiàn)電元件采用接收信號強度指示器（RSSI）等來(lái)檢測干擾。一旦檢測到干擾，就需要通過(guò)跳頻協(xié)議移動(dòng)到無(wú)干擾的信道。無(wú)線(xiàn)電IC供應商可提供能整合干擾處理方法的協(xié)議，如賽普拉斯的AgileHID協(xié)議等。

全面整合 

任何無(wú)線(xiàn)觸控HID都需要以上介紹的三個(gè)基本構成模塊。根據具體HID應用的要求，可能還需要其他元件，例如觸摸式鼠標的光傳感器。以下列出了在選擇組件與供應商時(shí)需要注意的幾個(gè)方面： 

● 選擇低功耗組件以最小化整體系統功耗 

● 無(wú)線(xiàn)HID采用電池供電，低功耗不僅能延長(cháng)電池使用壽命，而且還是這類(lèi)系統的重要特性 

● 甄選一家能縮短設計周期和上市時(shí)間的解決方案供應商 

由不同廠(chǎng)商提供組件并將其組裝到一起，會(huì )使設計周期更長(cháng)、更復雜。而賽普拉斯作為IC 供應商不僅可提供包含集成型電容式觸摸控制器、MCU和無(wú)線(xiàn)電元件的完整解決方案，而且還能提供實(shí)例原理圖、材料清單、板面布局指南和實(shí)例固件等參考資料支持，從而大幅縮短設計周期、加速上市進(jìn)程。 

成本考慮 – 面向大眾的觸摸式產(chǎn)品 

成本是無(wú)線(xiàn)觸控HID制造商面臨的最大障礙。針對MCU、電容式觸摸控制器和無(wú)線(xiàn)電元件使用分立式IC會(huì )提高總體材料成本。無(wú)線(xiàn)HID市場(chǎng)對價(jià)格比較敏感，因此盡可能降低無(wú)線(xiàn)觸控HID的材料成本是實(shí)現大規模普及的關(guān)鍵。而減少所需IC數量則是降低材料成本的最佳途徑。 

賽普拉斯PRoC-UI是一套針對無(wú)線(xiàn)HID的單芯片方案，其可將無(wú)線(xiàn)電波與可處理電容式觸摸感應和MCU功能的微控制器進(jìn)行集成。圖9對采用PRoC-UI和不采用PRoC-UI實(shí)施的觸摸式鼠標架構進(jìn)行了比較。 

圖9：基于PRoC-UI的觸摸式鼠標對比于典型的3芯片觸摸式鼠標解決方案。
基于PROC-UI的無(wú)線(xiàn)觸控鼠標 機械按鈕 觸摸板 天線(xiàn) 電池監控電路 升壓轉換器 1.5V電池 穩壓電源 無(wú)線(xiàn)觸控鼠標的3芯片解決方案 無(wú)線(xiàn)電 天線(xiàn) 機械按鈕 觸摸板 電池監控線(xiàn)路 微控制器 電容觸摸控制器 1.5V電池 升壓轉換器 穩壓電源

如圖所示，PRoC-UI以單顆芯片替代了傳統的三顆IC（MCU、電容式觸摸控制器和無(wú)線(xiàn)電元件）方案，從而可顯著(zhù)節約總體材料成本。此外，由于PRoC-UI解決方案無(wú)需采用獨立的MCU，因而功耗比典型的三芯片方案要低。憑借如此高效率、低成本的解決方案，推出低價(jià)格的無(wú)線(xiàn)觸控HID已成為現實(shí)。