電容屏在軍事需求與國內外的研制狀況

高麗雯 俞紅偉 王春鋒

摘要：文章通過對電容式觸摸屏研究目標、內容和技術指標的描述，說明了其在軍事指控系統中的優勢，重點從工藝、結構及特性指標變化等多方面，以詳盡的方案和原理予以研制指導，充分表明了電容觸摸屏在軍事運用上的研究方向和實用意義。

關鍵詞：電容觸摸屏；投射式電容屏；高透過率；寬濕環境；抗沖擊性能；抗電磁干擾

中圖分類號：TM451 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）04-0041-03

現代的軍事作戰方式，需要的電子設備越來越多，環境也多在非常規情況，甚至極端惡劣，因此提高軍用電容式觸摸屏實用性、高穩定性及安全性至關重要。研發高透過率、寬溫工作、抗沖擊性能、抗電磁干擾性能以及安全保密性能優越的電容式觸摸屏產品，使之滿足軍工裝備的要求是本文介紹的重點，以下是針對軍事上這些使用需求展開的具體研究方案。

一、高透過率研究

高透過率是電容觸摸屏主要特征之一，采用光學薄膜干涉原理，同時在玻璃基板上鍍制一定膜系結構的納米光學多層膜，將玻璃可見光透過率由89%提高到96%以上，表面反射光由8%下降到2%以下，如雙面鍍制四層AR膜系，透光率可高達98%以上，反射率下降到1%以下，外強光下高透無反射，防眩光，有高清潤眼功能，同時也能改善觸摸屏蝕刻色差現象，這為緩解士兵視覺疲勞，提高作戰能力提供幫助。

高透過率研究方案：AR+ITO觸摸屏玻璃可以大幅度提高平板顯示器在強光環境中的對比度和清晰度，雙面AR鍍膜達到更高透過率。因此高透過率主要從工藝制程上分析：

雙面鍍AR膜流程圖：

制程過程中影響透過率的參數很多，面阻值=電阻比/膜厚，低面阻值ITO玻璃鍍膜，電阻比越低越好，ITO薄膜的導電性要好(面電阻低)，膜厚要增大，因此薄膜的穿透度會降低，考慮高穿透率，膜厚的設計必須避免建設性的干涉，所以nd=(2m+1)λ/4，m=1，2，3，4…。另外基板溫度以及鍍膜中氧分壓的大小等各種參數相互影響相互制約，預研工作中將對其進行仔細分類，并逐一實驗研究。

二、寬溫環境下應用研究

在高溫環境下，一方面要選擇耐溫材料，另一方面需要針對自身熱源的散熱系統研究。電容觸摸屏的發熱部分在芯片以及身后液晶模塊組件，sensor本身沒有多少熱量，對于sensor來說，更多的需要去隔熱。關于散熱在設計時需要注意給其留一定的空間，利于

熱量的散發，最后有必要的話可以用單面銅膜覆蓋散熱。空氣有著非常好的隔熱性能，這樣需要在電容觸摸屏底部四周加隔熱橡膠，使其與下面的顯示屏或主機隔開，能有效阻止顯示屏或主機的熱量傳遞。另外，國外已經開發出一種新型半導體器件，能在加電的情況下產生制冷效果，目前還未普及，價格也非常昂貴。但是可以借鑒其理論自主

研發，將其運用在電容觸摸屏的抗高溫上。

在低溫下需要考慮的是加熱，加熱的途徑很多，電阻加熱、加熱板等，相對于抗高溫還是比較容易實現的。

寬溫應用研究方案：電容式觸摸屏在高低溫下應用，除了耐溫材料的選擇外，其中對FPC上散熱和加熱也是主要研究方向。散熱的實現主要是將熱量迅速傳導到大面積板上，擴大發熱面積。簡單地可以在芯片上覆蓋銅膜，擴大散熱面積。為更進一步適應軍事上的要求，可以采用半導體溫差電片給芯片散熱以及加熱。

半導體制冷片原理如圖2，在原理上，半導體的制冷片只能算是一個熱傳遞的工具，雖然制冷片會主動為芯片散熱，但依然要將熱端的高于芯片的發熱量散發掉。在制冷片工作期間，只要冷熱端出現溫差，熱量便不斷地通過晶格的傳遞，將熱量移動到熱端并通過散熱設備散發出去。因此，制冷片對于芯片來說是主動制冷的裝置，而對于整個系統來說只能算是主動的導熱裝置。所以需要將散熱端與外殼連接，利于散熱，使芯片脫離高溫環境。

半導體溫差電片件應用范圍有：制冷、加熱、發電，制冷和加熱應用比較普遍，在軍用其它方面：如導彈、雷達、潛艇等方面的紅外線探測、導行系統，將都會有一定的借鑒作用。

三、抗沖擊性能研究

電容觸摸屏表面貼合的Cover Lens采用高強度鋼化玻璃材料，提高抵抗撞擊能力，同時結合抗振動性能，可以緩沖表面撞擊，從而實現抗沖擊性能。

抗振動沖擊可以從硬性抗震動和柔性抗振動方面著手。所謂硬性抗振動，就是在電容觸摸屏與顯示屏或主機貼合時使用強力的粘合膠，使兩者牢牢地合在一起，當然也可以用其它包括螺絲等手段，目的是使電容觸摸屏與整機牢牢地結合在一起。優點是電容觸摸屏安裝簡易方便，缺點是整機在振動時，電容觸摸屏也隨之一起振動，不能對振動起到緩沖作用，在受到表面撞擊時也易損。所謂柔性抗振動，就是電容觸摸屏與整機之間有彈性的連接，在振動時兩者之間存在彈性形變，在停止振動后即無形變，這個彈性的形變可以忽略，不會對準確度產生影響。柔性抗振主要采用橡膠或者彈簧等材料實現。其優點是振動幅度比客戶端小，能緩沖振動，缺點是安裝比較繁瑣。

硬性抗振動和柔性抗振動各有其優點，各有其缺點，重點將兩者結合起來以實現各自優點，高強度鋼花玻璃材料和兩種抗振方式的結合是研究的重點。

抗沖擊性研究方案：從材料方面：高強度Cover Glass種類不同，效果不同。鋼化玻璃又稱強化玻璃。它是用物理的或化學的方法，在玻璃表面上形成一個壓應力層，玻璃本身具有較高的抗壓強度，不會造成破壞。當玻璃受到外力作用時，這個壓力層可將部分拉應力抵消，避免玻璃的碎裂，雖然鋼化玻璃內部處于較大的拉應力狀態，但玻璃的內部無缺陷存在，不會造在成破壞，從而達到提高玻璃強度的目的。

鋼化玻璃的抗彎強度比普通玻璃提高3倍，抗沖擊強度比普通玻璃提高4～6倍，熱穩定性比普通玻璃提高3倍多，因此，它在遭受外力時，不易破壞，即使被破壞時，它的碎片呈花生米似的小顆粒狀，沒有刃口，不會傷人，能達到安全的效果。當鋼化玻璃在Sensor上使用時，其抗風壓系數比普通玻璃大得多。

在層與層之間貼合是使用透明光學膠。貼合過程對環境要求很高，如果在貼合過程中有塵埃落入，那么就不能返修，整個屏就會報廢。我們對光學膠的貼合積累了豐富的經驗，能有效地解決此問題。

從結構方面，采用橡膠等軟性材料在產品周圍或其它部位做加固，同時利用外部整機結構做調整，提高產品抗振動性能。對整機產品的了解也是需要我們做的研究工作之一。

四、抗電磁干擾研究

電磁干擾對電容觸摸屏的影響主要有兩部分，分別是對Touch Sensor的干擾使得觸摸偏移和對電容觸摸IC的干擾使得芯片無法正常工作。

對Touch Sensor的電磁干擾，要求IC具有強有力的甄別信號能力，準確判斷是否受到電磁干擾，IC中倍壓電路設計尤為重要，在電流增加的情況下提高信號輸入可以有效降低Touch Sensor受到的電磁干擾。但同時功耗增加，這對于手持式等設備又是不利

因素。

對IC的電磁干擾，一方面要求自身的抗干擾能力，另一方面可以從結構上進行屏蔽設計研究。

抗干擾研究方案：在軍事作戰的惡劣氣候與復雜電磁環境下，為了提高產品的抗干擾性能，一方面在完成PCB印制電路板的過程中，要考慮到數字地與模擬地之間的干擾，以及對于芯片本身封裝的情況，要避免PCB板中走線之間的電磁干擾。在多層板中，模擬地和數字地應各占一層，同時對有可能造成相互干擾的信號線要采取走不同層的排版方法，這樣可以減少信號線之間的電磁干擾。對于一些硬件連接，走線間隔、走線角度都應注意，間隔不宜過窄，角度應避免直角和銳角；在芯片與芯片之間聯結時，還應注意輸出信號的電壓閥值和信號時序是否與另一芯片輸入信號相匹配。在很多情況下，為了濾除信號的噪音、高頻分量等干擾，還必須引入RC濾波電路，該電路中電容的選取也至關重要。

軟件設計采用以PSoC混合信號陣列架構為基礎，CSA（CapSense Successive Approximation）逐次逼近電容的感應式。CSA感應方式具有好的抗干擾能力，高的探測靈敏度，同時可以調節分辨率。

五、設備安全性研究

軍事上對數據準確度及使用保密性的要求不同于民品，必須保證每次數據是正確的，并保證信息不外泄。基于此理念，正在積極研究軍用電容觸摸屏使用時具備應答校正功能，每次整機從芯片讀回數據，下一步整機再將讀回的數據再傳給電容觸摸芯片，電容觸摸芯片去校驗是否和剛才發送的數據一樣，并將是否一樣的結果再發送終端處理，這樣就完成了一個數據的讀取。同樣，每次整機往電容觸摸芯片發送數據，電容觸摸芯片隨之將收到的數據返回整機，并等待整機發來的校正結果，這樣就完成了一個數據的發送。這樣校正既可以確保數據的準確性，同時也實施了認證加密過程，雖然會損失一些時間，但在目前飛速發展的單片機環境下可以忽略。

設備安全加密方案：在電容觸摸屏芯片中，接口方式有I2C、SPI、USB等。以I2C為例來闡述加密

方案。

I2C接口返回的數值一般沒有同時發送校驗碼，這會造成客戶端讀取的數據無法校正正確性。故需要在芯片端增加校驗措施，能接受數據并進行校正，并能發送數據并發送校驗碼。

I2C總線一個完整的數據傳輸過程，包括：起始信號、尋址字節、應答、數據字節、應答、數據字節、應答直到停止信號。其中，尋址字節高7位為地址，最低位為讀寫控制(1表示讀，0表示寫)。總線發送順序是由高到低，即首先發送高位，再發送低位。鑒于數據安全性考慮，需要在電容觸摸芯片中增加數據校驗的功能，可以采用CRC或奇偶等校驗法。使電容觸摸芯片能在接受數據后按校驗算法進行校驗，緊接著核對接收到的校驗碼，核對后將結果發送給客戶端，客戶端根據結果進行下一個指令的發送或者重新發送本次指令。同樣的，在電容觸摸芯片向客戶端發送數據后能發送校驗結果，用于客戶端的數據校驗。

客戶端向電容觸摸芯片發送指令的原理步驟：

第1步。客戶端通過I2C發送數據，并按一定策略獲得校驗碼，并保存結果。

第2步。客戶端通過I2C總線將校驗碼傳給電容觸摸芯片，同時電容芯片用相同校驗算法進行校驗。

第3步。電容觸摸芯片將計算出的校驗碼和接收到的校驗碼核對，并將結果發送給客戶端。

第4步。客戶端對比兩端的校驗結果，判斷校驗是否通過。流程圖如圖3所示：

客戶端從電容觸摸芯片讀取數據是以上流程的逆向思維，原理類似，通過引入I2C的校驗措施，有效增強了系統安全性，杜絕了傳輸數據出錯。

六、結語

電容式觸摸屏高穩定性能的研究方案，主要通過材料結構工藝以及軟件設計方面，制定多項材料搭配與工藝流程方案，并制作多組與之對應的樣品，通過實驗室模擬作戰中面對的各種復雜惡劣環境，測試多組產品在不同惡劣環境下的性能表現，統計分析技術參數的變化，進行優化產品。

參考文獻

[1]PSoC 體系結構與編程: 戴國駿 張翔 曾虹 ITO導電玻璃及相關透明導電膜之原理及應用[M]．中國科學技術出版社， 2005.

[2]PSoC 體系結構與編程：戴國駿 張翔 曾虹 CSA（CapSense Successive Approximation）逐次逼近電容的感應式[M]．中國科學技術出版社， 2005.

作者簡介：高麗雯（1982-），女，湖北黃石人，供職于南京中電熊貓信息產業集團南京華睿川電子科技有限公司技術研發部，研究方向：觸摸屏研制開發。

（責任編輯：周加轉）