對于各種消費、醫療、汽車和工業設備，增強的低成本觸控式用戶界面是一個極具價值的特性。在許多消費電子應用中，設計師偏向使用容性觸摸屏，而不愿使用阻性觸摸技術，原因是前者可以跟蹤手指，似乎能夠提供更友好的用戶交互體驗。目前，低成本阻性技術的應用市場包括：只需要單點觸控、至關重要的極其精確的空間分辨率、利用觸控筆來實現特定功能（如亞洲語言符號識別等），或者用戶必須戴手套的場合。 雖然阻性技術傳統上是用來檢測屏幕上“單點觸摸”的位置，但本文提出了一個創新的“兩點觸摸”概念，它利用阻性觸摸屏控制器 AD7879 在廉價的阻性觸摸屏上檢測最常見的雙指手勢（縮放、捏合和旋轉）。
雖然阻性技術傳統上是用來檢測屏幕上“單點觸摸”的位置，但本文提出了一個創新的“兩點觸摸”概念，它利用阻性觸摸屏控制器 AD7879 在廉價的阻性觸摸屏上檢測最常見的雙指手勢（縮放、捏合和旋轉）。
阻性觸摸屏的經典方法
典型的阻性觸摸屏包括兩個平行的氧化銦錫(ITO)導電層，中間的間隙將兩層分開（圖 1）。上層(Y)的邊緣電極相對于下層(X)的邊緣電極旋轉 90°。當對屏幕的一個小區域施加壓力，使這兩層發生電氣接觸時，就發生了“觸摸”現象。如果在上層的兩個電極之間施加一個直流電壓，而下層懸空，則觸摸將使下層獲得與觸摸點相同的電壓。判斷上層方向觸摸坐標的方法是測量下層的電壓，以便確定觸摸點處的電阻占總電阻的比值。然后交換兩層的電氣連接，獲得觸摸點在另一個軸上的坐標。
連接直流電壓的層稱為“有源”層，電流與其阻抗成反比。測量電壓的層稱為“無源”層，無相關電流流經該層。發生單點觸摸時，在有源層中形成一個分壓器，無源層電壓測量通過一個模數轉換器讀取與觸摸點和負電極之間的距離成比例的電壓1.
由于成本低廉，傳統的 4 線阻性觸摸屏深受單點觸控應用的歡迎。實現阻性多點觸控的技術有多種，其中總是會用到一個矩陣布局屏幕，但屏幕制造成本高得嚇人。此外，控制器需要許多輸入和輸出來測量和驅動各個屏幕帶，導致控制器成本和測量時間增加。
圖 1. (a) 阻性觸摸屏的結構；(b) 用戶觸摸屏幕時的電氣接觸
超越單點觸控
雖然如此，但通過理解并模擬該過程背后的物理原理，我們可以從阻性觸摸屏提取更多信息。當發生兩點觸摸時，無源屏幕中的一段電阻加上觸點的電阻與有源屏幕的導電段并聯，因此電源的負載阻抗減小，電流增大。阻性控制器的經典方法是假設有源層中的電流恒定不變，無源層為等電位。兩點觸摸時，這些假設不再成立，為了提取所需的信息，需要進行更多測量。
阻性屏幕中的兩點觸摸檢測模型如圖 2 所示。Rtouch為層間的接觸電阻；在現有的大多數屏幕中，其數量級一般與兩層的電阻相同。如果有一個恒定的電流I流經有源層的兩端，則有源層上的電壓為：
圖 2. 阻性屏幕兩點觸摸的基本模型
手勢識別
以“捏合”(pinch)作為范例可以更好地描述手勢識別的工作原理。捏合手勢從兩根分開較遠的手指觸摸開始，產生雙重接觸，使得屏幕的阻抗降低，有源層兩根電極之間的電壓差因此減小。隨著兩根手指越來越接近，并聯面積減小，因而屏幕的阻抗提高，有源層兩根電極之間的電壓差相應地增大。
緊密捏合后，并聯電阻趨于 0，Ru + Rd提高到總電阻，因此電壓增大到：
圖 3 顯示了一個沿著垂直(Y)軸捏合的例子。當手勢開始時，其中一層的兩根電極之間的電壓恒定不變，另一層則表現出階躍性降低，然后隨著手指相互靠近而提高。
圖 3. 垂直捏合時的電壓測量
圖 4 顯示傾斜捏合時的電壓測量結果。這種情況下，兩個電壓均表現出階躍性降低，然后緩慢恢復。兩個恢復速率（利用各層的電阻歸一化）的比值可以用來檢測手勢的角度。
圖 4. 傾斜捏合時的電壓測量
如果手勢為縮放（手指分開），其行為可以從上述討論推導出來。圖 5 顯示了沿各軸及沿傾斜方向縮放時測得的兩個有源層電壓趨勢。
圖 5. 沿不同方向縮放時的電壓趨勢
利用 AD7879檢測手勢
AD7879 觸摸屏控制器設計用于與 4 線式阻性觸摸屏接口。除了檢測觸摸動作外，它還能測量溫度和輔助輸入端的電壓。所有四種觸摸測量加上溫度、電池、輔助電壓測量，均可以通過編程寫入其片內序列器。
AD7879 結合一對低成本運算放大器，可以執行上述捏合和縮放手勢測量，如圖 6所示。
下面的步驟說明了手勢識別的過程：
- 在前半周期中，將一個直流電壓施加于上層（有源層），并測量X+引腳的電壓（對應于VY+ – VY–），以提供與Y方向上的運動（接近還是分開）相關的信息。
- 在后半周期中，將一個直流電壓施加于下層（有源層），并測量Y+引腳的電壓（對應于VX+ – VX–），以提供與X方向上的運動（接近還是分開）相關的信息。
圖 6 所示的電路需要為差分放大器提供保護，防止短接到 VDD。在前半周期中，下方放大器的輸出短接到VDD。在后半周期中，上方放大器的輸出短接到VDD。為避免這種現象， AD7879的GPIO可以控制兩個外部模擬開關，如圖 7所示。
圖 6. 基本手勢檢測應用圖
圖 7. 避免放大器輸出短接到VDD的應用圖
這種情況下，AD7879 設置為從機轉換模式，并且僅測量半個周期。當 AD7879 完成轉換時，產生一個中斷，主處理器重新設置 AD7879 以測量第二個半周期，并且改變 AD7879 GPIO 的值。第二轉換結束時，兩層的測量結果均存儲在器件中。
旋轉可以通過一個方向上的同時縮放和一個傾斜捏合來模擬，因此檢測旋轉并不困難。挑戰在于區別旋轉是順時針 (CW)還是逆時針(CCW)，這無法通過上述過程來實現。為了檢測旋轉及其方向，需要在兩層（有源層和無源層）上進行測量，如圖 8 所示。圖 7 中的電路無法滿足之一要求，圖 9 提出了一種新的拓撲結構。
圖 8. 順時針和逆時針旋轉時的電壓測量
圖 9所示的拓撲結構實現了如下功能：
- 半周期 1：電壓施加于Y層，同時測量(VY+ – VY–)、VX–和 VX+。每完成一個測量，AD7879 就會產生一個中斷，以便處理器改變GPIO配置。
- 半周期 2：電壓施加于X層，同時測量(VX+ – VX–)、VY–和VY+。
圖 9 中的電路可以測量所有需要的電壓來實現全部性能，包括：a)單點觸摸位置；b)縮放、捏合、旋轉手勢檢測和量化； c)區別順時針與逆時針旋轉。用兩點觸摸手勢來完成單點觸摸操作時，可以估計手勢的中心位置。
圖 9. 單點觸摸位置和手勢檢測的應用圖
實用提示
輕柔手勢產生的電壓變化相當微細。通過放大這種變化，可以提高系統的魯棒性。例如，可以在屏幕的電極與 AD7879 的引腳之間增加一個小電阻，這將能提高有源層的壓降，但單點觸摸定位精度會有所下降。
另一種方法是僅在低端連接上增加一個電阻，當 X 層或 Y 層為有源層時，僅檢測 X–或 Y–電極。這樣就可以應用一定的增益，因為直流值相當低。
ADI公司有許多放大器和多路復用器可以滿足圖 6、圖 7 和圖 9 所示應用的需求。測試電路使用AD8506 雙通道運算放大器和ADG16xx 系列模擬多路復用器；多路復用器的導通電阻很低，采用 3.3 V單電源供電。
結束語
利用 AD7879 控制器和極少的輔助電路，可以檢測縮放、捏合和旋轉。只需在有源層上進行測量，就能識別這些手勢。在主處理器的控制下，利用兩個 GPIO 測量無源層的電壓，可以區別旋轉方向。在該處理器中執行相當簡單的算法，就能識別縮放、捏合和旋轉，估計其范圍、角度和方向。
感謝
本文獲得了西班牙瓦倫西亞中小企業協會(IMPIVA)通過項目 IMIDTF/2009/15 和西班牙教育與科學部通過項目 Consolider/CSD2007-00018提供的部分資助。
本文作者感謝 Colin Lyden、John Cleary和 Susan Pratt在討論中提供的有益建議。
參考文獻
(Information on all ADI components can be found at www.analog.com.)
1 Finn, Gareth. “New Touch-Screen Controllers Offer Robust Sensing for Portable Displays.” Analog Dialogue, Vol. 44, No. 2. February 2010. (return to text)