投射電容式觸摸屏自適應檢測系統的設計

童華梁，林志賢，郭太良

（福州大學 物理與信息工程學院，福建 福州350002）

1 引 言

在信息技術時代，觸摸屏由于能夠直接集成到顯示屏幕上，使產品更加輕便智能，從而為消費者提供更加舒適、直觀的用戶界面，變得越來越受歡迎。在眾多種類的觸摸屏當中，投射電容式觸摸屏由于其線性度，耐用性、靈敏度等都比較好，而且能夠支持多點觸控，正受到越來越多的關注［1－3］。

投射電容式觸摸屏的感應區域上布置有多個按X、Y 方向排列的電極，通過檢測這些電極之間的互電容變化可以知道多個手指的觸摸位置或動作［4－6］。傳統上采用交叉點逐行掃描的方法檢測電容觸摸屏的互電容［7］。然而，隨著消費類電子產品的發展，觸摸屏的尺寸不斷增加，其感應電極的密度越來越大，數量越來越多，如果依然采用傳統的交叉點逐行掃描方法檢測，則導致觸摸屏每一幀所需的檢測時間增多，降低了觸摸屏的靈敏度［8］。針對該情況，本文提出一種自適應的檢測方法，可以在保證檢測精度的條件下提高檢測速度。

2 投射電容式觸摸屏檢測原理

圖1 觸摸時的感應電壓圖Fig.1 Induced voltage when touch the screen

投射電容式觸摸屏的電極分為驅動電極與感應電極，驅動電極與感應電極之間存在交互電容。當手指觸摸電容屏表面時，人的手指與觸摸屏之間會形成耦合電容，導致觸摸點的電容值發生變化，相應的感應電極接收到的電荷減少，感應電壓下降，猶如一塊平原處產生低谷，如圖1所示。通過檢測電壓的變化可以判定觸摸動作的發生。

為了定位觸摸動作發生的位置，需在驅動電極依次發射方波信號，在感應電極依次接收信號，它掃描的次數為NR×NC（NR為R 方向的電極數，NC為C 方向的電極數）。由于發射和接收分時進行，故它可以消除“鬼點”，實現2點以上同時觸摸［9］。

3 自適應檢測算法設計與分析

3.1 算法設計

由于在操控觸摸屏時手指與觸摸屏的接觸面積之和遠小于觸摸屏的面積（尤其是在大尺寸觸摸屏情況下），即觸摸屏大部分的區域都是平原區，只有少數的點處于低谷區。因此在逐行掃描的過程中，大部分的時間都不會檢測到電容的變化，只有少數區域才能檢測到電容的變化。如果可以先粗略確定產生低谷的區域，排除掉平原區，然后在低谷區仔細搜索，確定接觸點的輪廓，則可以大大加快搜索速度。

根據這種思想，本文提出一種自適應的檢測算法，這種自適應算法先在平原區快速搜索，確定出低谷區后再仔細搜索低谷區，達到快速和精細的目的。這種檢測算法的基本原理如下：

（1）將整個觸摸屏抽象成一個網格，網格的交叉部分為需要檢測的互電容。

（2）從原點位置（C1，R1）開始，先選取一個較大的歩長L（該歩長為約為手指的寬度），沿著C方向進行搜索，如果檢測到某點超出閾值則記錄該點的位置和值，未超出則繼續向前搜索。

（3）變 更 起 點，L 恢 復 原 值，從 位 置（C1，R1＋N＊L）（N 為整數）開始，檢測的方式如同步驟（2），直到C 和R 方向都檢測完。

（4）對于由（2）、（3）步確定的超出閾值的點，逐次將其取出，以當次取出的點為原點，將歩長L 減為原來的一半，沿著軸的R＋，R－，C＋，C－的方向分別進行檢測，檢測到有接觸則可認為這L／2長度的點都有接觸，以新的點為起點繼續搜索，否則將L 繼續減半進行搜索，依次類推，直到L＝1。

3.2 算法分析

假設有一個15×15的投射電容式觸摸屏，將其抽象成一個縱橫交錯的網格，如圖2所示。

圖2 投射電容式觸摸屏電極Fig.2 Electrode of projected capacitive touch screen

整個搜索過程如下：

先進行初步的定位搜索：

（1）以（C1，R1）為搜索起點，搜索歩長L＝4，搜索方向沿C 軸方向，依次檢測點（C5，R1）（C9，R1）（C13，R1），在檢測完點（C13，R1）時加上歩長L，發現超出C 方向電極的范圍，將歩長減半后與之前的位置相加，檢測點為（C15，R1），這些點均沒有發生接觸，故無需記錄，總共檢測5次；

（2）分別以（C1，R5）（C1，R9）（C1，R13）（C1，R15）為搜索起點，搜索歩長L＝4，搜索方向沿C軸正方向，依次檢測點（C5，R5）（C9，R5）（C13，R5）（C15，R5），（C5，R9）（C9，R9）（C13，R9）（C15，R9），（C5，R13）（C9，R13）（C13，R13）（C15，R13），C5，R15）（C9，R15）（C13，R15）（C15，R15），這些點中有接觸的為（C5，R5），（C5，R9），（C13，R9），（C13，R13），總共檢測20次；

所以在以歩長L＝4 的掃描中，總共的檢測次數為25次。

然后搜索其橫向邊緣點：

（1）以（C5，R5）為搜索起點，搜索歩長L＝2，沿C－方向搜索，搜索到（C3，R5）（C1，R5），其中（C1，R5）由于已檢測過不再進行檢測，在（C3，R5）上發現有接觸；將L 減為L＝1繼續以（C3，R5）為起點搜索，檢測到（C4，R5）沒有接觸，記錄橫向邊緣點（C3，R5），總共檢測2次；

（2）以（C5，R5）為搜索起點，搜索歩長L＝2，沿C＋方向搜索，搜索到（C7，R5），檢測到該點沒有接觸，將歩長減為L＝1，以（C5，R5）為搜索起點繼續搜索，檢測到（C6，R5）有接觸，記錄橫向邊緣點（C6，R5），總共檢測2次；

（3）檢測（C5，R4），該點沒有接觸，則記錄邊緣點（C5，R5），檢測的次數為1；

（4）檢測（C5，R6），該點有接觸，繼續第1 步和第2步方法搜索和檢測，檢測點的順序為（C3，R6）（C1，R6）（C2，R6）（C7，R6）（C9，R6）（C8，R6），記錄 橫 向 邊 緣 點（C3，R6）（C7，R6），總 共 檢 測7次；

（5）檢測（C5，R7），該點有接觸，繼續第1 步和第2步方法搜索和檢測，檢測點的順序依次為（C3，R7）（C1，R7）（C2，R7）（C7，R7）（C9，R7）（C8，R7），記錄橫向邊緣點（C3，R7）（C7，R7），總共檢測7次數；

（6）檢測（C5，R8），該點有接觸，繼續第1 步和第2 步方法搜索和檢測，檢測的順序依次為（C3，R8）（C1，R8）（C2，R8）（C7，R8）（C9，R8）（C11，R8）（C10，R8），記錄橫向邊緣點（C3，R8）（C9，R8），總共檢測的次數為8；

（7）檢測（C5，R9），該點有接觸，繼續第1 步和第2 步方法搜索和檢測，檢測的順序依次為（C3，R9）（C1，R9）（C2，R9）（C7，R9）（C9，R9）（C11，R9）（C10，R9），記錄橫向邊緣點（C3，R9）（C9，R9），總共檢測的次數為8；

（8）檢測（C5，R10），該點有接觸，繼續第1步和第2步方法檢測，檢測的順序依次為（C3，R10）（C2，R10）（C7，R10）（C6，R10），記 錄 橫 向 邊 緣 點（C2，R10）（C6，R10），總共檢測的次數為5；

（9）檢測（C5，R11），該點沒有接觸，記錄邊緣點（C5，R10），檢測的次數為1；

在第一次的橫向搜索中總共的檢測次數為2＋2＋1＋7＋7＋8＋8＋5＋1＝41次；

依次取出橫向邊緣點，由于這些點的橫向已經確認為邊緣點，即這些點的左邊或者右邊至少且只有一邊沒有觸摸，為確定觸摸輪廓，再對這些橫向邊緣點進行縱向檢測。

（1）以（C3，R5）為搜索起點，搜索歩長L＝2，沿R－方向進行搜索，檢測到（C3，R3）為不接觸點，將歩長改為L＝1繼續以（C3，R5）為搜索起點搜索，得到（C3，R4）為縱向邊緣點，記錄該縱向邊緣點（C3，R4），由于沿R＋方向的（C3，R5）已檢測過，故無需檢測總共搜索2次；

（2）由 于 除 了（C3，R9）（C4，R10）（C6，R10）（C9，R8）（C9，R9）這些橫向邊緣點外，其余在橫向搜索時已經進行縱向搜索，所以分別以這些點為起點進行縱向搜索，對這些點進行縱向檢測共需要14次，并且得到新的縱向邊緣點（C9，R10）；

（3）對得到的縱向搜索點（C3，R4）（C9，R10）再進行橫向搜索，共需要檢測4次，又得到新的橫向搜索點（C4，R4）（C8，R10）；

（4）對得到的橫向搜索點（C4，R4）（C8，R10）再進行縱向搜索，共需要檢測8次，沒有得到新的橫向搜索點，搜索完畢；

總共需檢測2＋14＋4＋8＝28次。

如果采用逐行掃描的方式，該觸摸屏總共需要的檢測次數為15×15＝225次，而采用自適應檢測方法則只需要25＋41＋28＝94次，提高近一倍多。通過以上分析可知，屏幕越大，觸點越少，所提高的掃描速度越多。

4 實驗設計與驗證

4.1 程序設計

系統軟件主要包括定位搜索，橫向搜索和縱向搜索3部分。定位搜索使用橫向搜索與縱向搜索，目的在于取得有觸摸位置的點，縮小下一步要檢測的范圍；橫向搜索確定X 軸方向的邊緣；縱向搜索確定Y 軸方向的邊緣；橫向和縱向搜索共同確定觸摸點的輪廓。程序流程如圖3所示。

在定位搜索中，橫向搜索的最后一步若超出電極范圍，則將歩長減半再相加，如若依舊超出，則橫向搜索回到原點，歩長加倍，縱向搜索的距離加一個歩長，繼續搜索。如果縱向搜索最后一步超出電極范圍，歩長減半，如若依舊超出，則定位搜索結束。在定位搜索后，根據所記錄的點，首先進行橫向搜索，對于已經搜索過的點自動跳過，超出范圍則自動將歩長減半直至減為1。然后進行縱向搜索，搜索方向在縱軸，搜索原則和橫向搜索一樣。在橫向和縱向搜索后均要判斷是否有新的點需要進行另一方向的搜索，若任何一步搜索后沒有發現新的點，則搜索完畢。

4.2 硬件設計

本系統采用Altera公司的DE2開發板作為核心控制板，其中的FPGA 型號為EP2C35F672，對于大的觸摸屏，由于存儲的數據量比較大，需要外接一片RAM 存儲數據。硬件系統圖如圖4所示。

圖3 程序流程圖Fig.3 Program flowchart

圖4 硬件系統圖Fig.4 Diagram of hardware system

硬件系統工作流程：FPGA 根據情況將需驅動的電極信息發給數字控制邏輯電路，驅動單元在數字控制邏輯單元的的控制下，選擇驅動第i個驅動電極，FPGA 控制MUX 選擇需要讀取的感應電極，感應電極的電壓與參考電壓比較后輸出，經過模數轉換器ADC 轉換后被FPGA 讀取，如果該值超出閾值，則將該點的行列信息存儲。投射電容式觸摸屏自適應檢測系統如圖5所示。

圖5 自適應檢測系統Fig.5 Adaptive detection system

4.3 實驗結果

實驗采用8.89cm（3.5in）投射電容式觸摸屏，電極間距為1 mm，驅動區為71×54，初始歩長設為8，逐次將1～3個小方塊放在觸摸屏上，采用該自適應檢測系統進行檢測，并對檢測次數進行統計，檢測次數通過DE2板上的LCD 顯示出來，所測數據如表1所示。

表1 檢測結果Tab.1 Test results

通過表1可以得知，自適應算法可以有效提高檢測效率，并且隨著觸摸點數的減少以及接觸面積之和的減少，自適應算法的檢測效率逐漸提高。

5 結 論

設計了自適應檢測系統對投射電容式觸摸屏的互電容進行檢測，實驗結果表明，對電極間距為1mm、驅動區為71×54的投射電容式觸摸屏，在識別點數分別為3、2、1個時，與采用傳統的逐行掃描法相比，檢測時間相應地分別減少為1／5.0、1／6.5、1／10.4，提高了檢測效率。隨著觸摸屏技術的提高，觸摸屏的電極密度和尺寸逐步增大［10］，這將對觸摸屏的檢測提出更高的要求，自適應檢測方法對于大屏幕的投射電容式觸摸屏的發展具有積極的意義。

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