基于觸摸按鍵的手寫板設計

龍小翠，余小平，陳起傳

（成都理工大學 信息科學與技術學院，四川 成都 610059）

傳統手寫板[1]有電阻式、電容式、電磁壓感式3類。電阻與電容式手寫板分別通過阻值和容值的改變來判定用戶輸入；電磁壓感式通過手寫板上電后，表層電路在一定范圍內產生的磁場與手寫筆中產生的磁場形成互感完成對用戶輸入的檢測[2]。3類手寫板都結合觸摸屏作輸入設備，難免有不能承受重壓、耐磨性差、成本高的缺點。而直接在PCB上利用焊盤設計觸摸按鍵構成手寫板，實現電容式觸摸手寫輸入[3]，彌補了觸摸屏輸入在一些簡單手寫輸入環境中的限制。

PCB板上手寫板觸摸按鍵區域的設計，借鑒矩陣鍵盤的結構方式[4]。主控制器使用較少的I/O資源就可以實現手寫板檢測[5]。控制器通過行列掃描手寫觸摸板上的觸摸按鍵，并記錄下各個觸摸點狀態，從而得到用戶輸入信息的二值圖像。

1 單觸摸點準確檢測

1.1 觸摸按鍵電容分布

電容式觸摸按鍵的檢測是通過一個張弛振蕩器來完成的，當有觸摸動作時按鍵電容值變大，張弛振蕩器的振蕩頻率減小。主控制器通過檢測張弛振蕩的頻率變化判定是否有觸摸動作發生。

圖1 觸摸按鍵電容分布圖Fig.1 Capacitances of touch key

觸摸按鍵電容分布如圖1所示，無觸摸時按鍵等效電容為C1=Cg//Cp//Ctr//Ce；而有觸摸時按鍵等效電容為C2=C1//Cto。所以有觸摸時按鍵的張弛振蕩電容相對于無按鍵時變大，按

1.2 固定時間門變電極振蕩按鍵檢測

由于當有觸摸動作發生時按鍵等效電容變大，所以在固定時間內按鍵的脈沖個數變小。從而通過檢測兩種情況下脈沖個數可以判斷有無觸摸動作發生。固定時間門變電極振蕩的方式[6]原理如圖2所示。

圖2 固定時間門變電極振蕩Fig.2 RO measurement timing diagram

分別記錄等時間門Tgate內有無觸摸時的張弛振蕩器脈沖個數，可以得到脈沖個數的相對變化率為：

將η與參考相對變化率η0作比較就可以判斷有無觸摸動作。 當 η＞η0時，說明電容明顯增加，有觸摸動作；當 η＜η0時，說明電容變化不明顯，沒有觸摸動作。所以參考值η的值選取非常關鍵，直接決定了觸摸按鍵的靈敏度和準確性。

1.3 單個按鍵檢測的自適應算法

由于空氣濕度、密度以及PCB上電路環境等因素的不穩定，沒有按鍵按下時C1并非固定不變的，而存在一定的波動。 所以，若 Key_LVL=N無按鍵－N有按鍵值選取太小，即 η0的選取太小，那么N無按鍵的變化就可能誤判成有觸摸動作；而Key_LVL的值選取過大，即η0大于有輕微觸摸動作時的相對變化率，那么可能使觸摸動作發生時不能被檢測到，影響按數時間，T張弛振蕩周期，則Key_LVL的表達式如下：

其中 ΔM[i（i－1）]o是每次判斷參考的修正值，ΔM[i（i－1）]o是前兩次得到的 Key_LVL 作差所得的 ΔMi（i－1）。 然而這種較少的比較結果的修正效果并不理想，受環境變化影響較大。于是記錄前7次的Key_LVL值，并將相鄰兩次Key_LVL值做差，得到 6 次加權的差值，所以 ΔM[i（i－1）]o的修正如下：

其中 Ci－n是加權系數，表示各次比較的差值在 ΔM[i（i－1）]o中所占權重。 為了適應環境的改變，Ci－1…Ci－6依次減小，通過多次實驗測試， 系統設計中選取 Ci－1=0.4，Ci－2=0.2，Ci－3=0.1，Ci－4=0.1，Ci－5=0.1，Ci－6=0.1，可使參考 η0自動調整，減小環境因素的影響。根據大量實驗測量設計中取η0=10%，可以較為準確的檢測到觸摸動作。

2 PCB上的手寫板設計分析

在固定大小的PCB板上設計實現電容式手寫板時，基本單元觸摸按鍵是由兩個分開的焊盤通過行列導線連接到控制器的兩個I/O口上構成。手寫板設計時主要考慮按鍵分辨率、觸摸按鍵的尺寸、按鍵與按鍵之間的距離、按鍵與控制器之間導線的長度和布線等因素。這些參數的選取都會影響到手寫板上用戶輸入信息檢測的準確性。下面就分析每個因數對手寫板的輸入檢測的影響程度，從而在PCB手寫板設計選擇合適的參數實現手寫板的硬件設計。

2.1 按鍵分辨率與按鍵大小分析

手寫板上按鍵的分辨率直接影響手寫板對用戶輸入信息的檢測，分辨率越大手寫板對用戶信息的獲得的數字圖像越準確，反之準確性越差。而手寫板大小確定后，手寫板上按鍵的分辨率與單個按鍵的面積呈反比的關系。而人體的觸摸電隨著按鍵面積的減小而減小[8]。如果按鍵面積太小，觸摸電容很小，觸摸時的脈沖個數相對變化率小于η0，導致觸摸板不能檢測到按鍵的觸摸動作；反之，觸摸按鍵的面積過大，不僅會使手寫板的分辨率減小，影響到手寫板對用戶輸入信息檢測的準確性，而且還可能使手寫板出現觸摸盲區，遺漏用戶手寫輸入的信息。

在面積大小為10 cm×10 cm的PCB板上，利用焊盤制作尺寸不同的矩形觸摸按鍵時，實驗測得按鍵在有無按鍵時的張弛振蕩脈沖數，如圖3所示。

圖3 按鍵分辨率和按鍵尺寸關系圖Fig.3 The relationships key resolution and size

從圖3中可以看出隨著按鍵面積的變化，用戶觸摸時產生的觸摸電容基本不變，但是電容C1和單個按鍵檢測的脈沖相對變化率減小。所以觸摸板的分辨率不能一直提高，當分辨率提高到某個點時，觸摸動作產生時檢測到的計數脈沖個數相對變化率η＜η0，從而無法判斷此時的觸摸動作。因此，為了選擇一個相對較高的分辨率，并且保證η＞η0。此設計中手寫板中單個觸摸按鍵的尺寸選擇為8 mm×8 mm，此時的脈沖相對變化率為12.3%＞η0，可以檢測到觸摸動作。所以在10 cm×10 cm的手寫板上按鍵分辨率選取8×8比較合適。

2.2 按鍵焊盤傳輸導線長度分析

傳輸導線給觸摸按鍵帶來寄生電容隨著傳輸線的距離的變化關系如下式：

其中D為導線到地線的距離，d為導線的直徑，L為導線的長度，ε0為真空介電常數。可以看出隨著PCB板上制作的觸摸按鍵到控制器的導線越長，則傳輸線電容越大。如圖4所示，為兩個面積大小為8 mm×8 mm觸摸按鍵0和1，在有無觸摸動作發生時，所測得的脈沖個數和有無觸摸動作時的脈沖個數差值隨導線長度變化的曲線。

圖4 按鍵焊盤導線長度與觸摸電容的關系Fig.4 The wire length of pad and touch capacitances relationship

從圖4可以看出觸摸按鍵0和1的脈沖個數隨著導線長度的增加基本上成線性減小的關系，這也滿足式（5）的關系。而觸摸動作發生時，變化的脈沖個數隨導線據長度的增加基本保持在一個水平，所以隨著導線長度的增加脈沖個數的相對變化率η也增加，但是不論導線的長度是多少都滿足η＞η0的觸摸動作判決條件。

所以，PCB手寫板的焊盤的導線長度對于人體接觸的觸摸電容檢測并不會產生明顯的影響。因此在大小為10 cm×10 cm左右的PCB板上設計電容式手寫板，焊盤導線長度對于手寫板的觸摸檢測不會產生明顯的影響。

2.3 手寫板上按鍵自由空間耦合電容分析

在觸摸板上觸摸按鍵和矩陣鍵盤的排列方式一樣，行列導向成垂直走向。觸摸按鍵之間的距離會引起橫向和縱向按鍵的耦合電容產生明顯的變化。PCB手寫板設計需要找出橫向和縱向按鍵之間的距離對按鍵電容量影響的變化規律。從而設計觸摸按鍵時，確定按鍵之間應該預留的距離，使得一個按鍵觸摸動作發生時，對周圍按鍵的影響最小，從而提高手寫板對手寫輸入信息檢測的準確性。

如圖5所示為手寫板中4個不同位置的觸摸按鍵發生觸摸動作時，對x方向和y方向的觸摸按鍵的影響測量數據曲線圖。從圖中曲線可以看出手寫板上觸摸點在x和y方向上，0到10 mm內成二次曲線快速的衰減，而在距離大于10 mm之后平緩的減小。說明在這種按行列式排列的觸摸按鍵組成的手寫板，要減小有觸摸動作的按鍵對周圍按鍵的影響，在橫向和縱向按鍵之間的距離盡量的要保持在10 mm以上。從而在進行手寫動作時，使被觸摸點對周圍按鍵的影響較小，盡可能的降低手相互影響產生不準確。

圖5 觸摸點在x和y方向的觸摸影響Fig.5 The effect by touch on direction of x and y

2.4 手寫輸入實驗測試結果

通過實驗研究分析在PCB板上利用焊盤制作的觸摸按鍵構成的手寫板的主要影響因素。確定在10 cm×10 cm的PCB板上制作分辨率為8×8的觸摸手寫板，每個觸摸按鍵制作成大小為8 mm×8 mm，行列之間的相互距離為2 mm的合適的參數后。在PCB上制作實現手寫觸摸板，控制器通過掃描橫向和縱向的I/O口觸摸電容對應的張弛振蕩脈沖數，計算出每個按鍵的脈沖數相對變化率，并與選取的相對變化率進行比較，確定每個觸摸按鍵的狀態組成一幅數字圖像。如圖6所示，是PCB上手寫板采集到的手寫輸入‘8’和‘S’時的二值數據圖像。

從圖6可得，PCB制作完成的觸摸手寫板可以較為準確的得到用戶的手寫輸入數據的二值圖像。進而，通過圖像識別算法對二值圖像進行處理實現手寫字符識別，判斷出手寫板用戶輸入的字符信息，實現用戶的手寫輸入。

圖6 用戶輸入信息二值圖像Fig.6 The binary image of touch input

3 結 論

觸摸按鍵手寫板設計采用電容觸摸的原理，在PCB上利用焊盤制作觸摸按鍵來設計手寫板輸入設備。在實現了單個觸摸按鍵準確檢測的基礎上，分析了在PCB上制作手寫板制作時，單個觸摸按鍵尺寸、按鍵到控制器的距離對手寫檢測的影響，以及在PCB上按鍵垂直布線時，按鍵橫向和縱向距離對檢測效果的影響。最后通過分析選取合適的參數，在10 cm×10 cm的PCB上實現手寫板制作，并得到較為準確的手寫輸入字符的數字二值圖像，完成了在PCB板上手寫板的硬件設計。但是獲得二值圖像并沒有完成手寫板設計的全部任務，二值圖像的識別還需要借鑒圖像識別算法完成。

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