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触摸屏原理第1页，本讲稿共30页触摸屏的应用n n触摸屏作为一种最新的电脑输入设备，它是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式。n n触摸屏的应用范围非常广阔：触摸屏的应用范围非常广阔：1）公共信息的查询：如电信局、税务局、银行、电力等部门的业务查询，城市街头的信息查询。2）领导办公、工业控制、军事指挥、电子游戏、点歌点菜、多媒体教学、房地产预售等。3）消费电子：如手机。第2页，本讲稿共30页n n电阻式触摸屏电阻式触摸屏 1 1）四线电阻式触摸屏）四线电阻式触摸屏 2 2）五线电阻式触摸屏）五线电阻式触摸屏 3 3）六线电阻式触摸屏）六线电阻式触摸屏 4 4）七线电阻式触摸屏）七线电阻式触摸屏n n电容式触摸屏电容式触摸屏 1 1）单点触摸屏）单点触摸屏 2 2）多点触摸屏（）多点触摸屏（IPhoneIPhone）n n红外线触摸屏红外线触摸屏n n外表声波触摸屏外表声波触摸屏触摸屏的分类第3页，本讲稿共30页透明导电材料n nITOITO：ITO ITO 是是Indium Tin OxidesIndium Tin Oxides的缩写。的缩写。n nITO ITO 是一种是一种N N型氧化物半导体型氧化物半导体-氧化铟锡氧化铟锡,ITO,ITO薄膜即铟锡氧化物半导体透明导薄膜即铟锡氧化物半导体透明导电膜电膜,通常有两个性能指标通常有两个性能指标:电阻率和透光率。特性是当厚度降到电阻率和透光率。特性是当厚度降到18001800个埃个埃（埃（埃10-1010-10米）以下时会突然变得透明，透光率为米）以下时会突然变得透明，透光率为8080，再薄下去透光率反，再薄下去透光率反而下降，到而下降，到300300埃厚度时又上升到埃厚度时又上升到8080。n n一般是通过真空离子溅射工艺将一般是通过真空离子溅射工艺将ITOITO薄膜镀到塑料或者玻璃上。薄膜镀到塑料或者玻璃上。n n在氧化物导电膜中，以掺在氧化物导电膜中，以掺SnSn的的In2O3(ITO)In2O3(ITO)膜的透过率最高和导电性能最好膜的透过率最高和导电性能最好,而且容而且容易在酸液中蚀刻出细微的图形易在酸液中蚀刻出细微的图形.其中透过率以达其中透过率以达90%90%以上以上,ITO,ITO中其透过率和阻值中其透过率和阻值分别由分别由In2O3In2O3与与Sn2O3Sn2O3之比例来控制之比例来控制,通常通常Sn2O3:In2O3=1:9.Sn2O3:In2O3=1:9.n n电阻式触摸屏和电容式触摸屏都用到电阻式触摸屏和电容式触摸屏都用到ITOITO材料。材料。第4页，本讲稿共30页电阻式触摸屏四线制电阻触摸屏：四线制电阻触摸屏：第5页，本讲稿共30页四线制电阻触摸屏测量测量X X坐标时：坐标时：1 1）在）在X+X+，X-X-两电极加上一个电压两电极加上一个电压VrefVref，Y+Y+接一个高阻抗的接一个高阻抗的ADCADC。2 2）两电极间的电场呈均匀分布，方向为）两电极间的电场呈均匀分布，方向为X+X+到到X-X-。3 3）手触摸时，两个导电层在触摸点接触，触摸点）手触摸时，两个导电层在触摸点接触，触摸点X X层的电位被导至层的电位被导至 Y Y层所接的层所接的ADCADC，得到电压，得到电压VxVx。4 4）通过）通过Lx/L=Vx/VrefLx/L=Vx/Vref，即可得到，即可得到x x点的坐标。点的坐标。Y Y轴的坐标可同理将轴的坐标可同理将Y+Y+，Y-Y-接上电压接上电压VrefVref，然后，然后X+X+电极接高阻抗电极接高阻抗ADCADC得到。得到。第6页，本讲稿共30页四线制电阻触摸屏四线电阻式触摸屏除了可以得到触点的四线电阻式触摸屏除了可以得到触点的X/YX/Y坐标，还可以测得触点的压力，这是因为坐标，还可以测得触点的压力，这是因为top layertop layer施压施压后，上下层后，上下层ITOITO发生接触，在触点上实际是有电阻存在的，如下图的发生接触，在触点上实际是有电阻存在的，如下图的RtouchRtouch。压力越大，接触。压力越大，接触越充分，电阻越小，通过测量这个电阻的大小可以量化压力大小。越充分，电阻越小，通过测量这个电阻的大小可以量化压力大小。第7页，本讲稿共30页四线制电阻触摸屏1.X-1.X-接地，接地，X+X+接电源，接电源，Y+Y+接接ADCADC得到触点的得到触点的X X点电压。点电压。2.X-2.X-接地，接地，Y+Y+接电源，接电源，X+X+接接ADCADC得到得到Z1Z1点的电压。点的电压。3.X-3.X-接地，接地，Y+Y+接电源，接电源，X+X+接接ADCADC得到得到Z2Z2点的电压。点的电压。现在可以算出现在可以算出X X坐标，电压坐标，电压z1z1，z2z2，还要知道，还要知道X-line Y-lineX-line Y-line的总电阻值就可以计算的总电阻值就可以计算了。了。第8页，本讲稿共30页四线制电阻触摸 四线电阻式触摸屏的缺点是耐用性不够，长时间的触按施压会使器件损坏。因为每次触按，四线电阻式触摸屏的缺点是耐用性不够，长时间的触按施压会使器件损坏。因为每次触按，上层的上层的PETPET和和ITOITO都会发生形变，而都会发生形变，而ITOITO材质较材质较 脆，在形变经常发生时容易损坏。一旦脆，在形变经常发生时容易损坏。一旦ITOITO层断裂，导电的均匀性也就被破坏，上面推导坐标时的比例等效性也就不再存在，层断裂，导电的均匀性也就被破坏，上面推导坐标时的比例等效性也就不再存在，因此四线电阻触摸屏的寿命不长。因此四线电阻触摸屏的寿命不长。第9页，本讲稿共30页五线制电阻触摸屏五线电阻式触摸屏：五线触摸屏的结构与四线电阻式类似，也有下线路（玻璃或薄膜材料）导电五线电阻式触摸屏：五线触摸屏的结构与四线电阻式类似，也有下线路（玻璃或薄膜材料）导电ITOITO层和上线路（薄膜材料）导电层和上线路（薄膜材料）导电ITOITO层。层。第10页，本讲稿共30页五线制电阻触摸屏五线电阻式触摸屏工作时，五线电阻式触摸屏工作时，ULUL施加驱动施加驱动电压电压VdriveVdrive，LRLR接地，测量触点接地，测量触点X,YX,Y坐坐标分为如下两步：标分为如下两步：1 1 计算计算Y Y坐标，在坐标，在URUR电极施加驱动电电极施加驱动电压压VdriveVdrive，LLLL电极接地，电极接地，活动电极做活动电极做为引出端测量得到接触点的电压。为引出端测量得到接触点的电压。2 2 计算计算X X坐标，在坐标，在LLLL电极施加驱动电压电极施加驱动电压VdriveVdrive，URUR电极接地，电极接地，活动电极做为活动电极做为引出端测量得到接触点的电压。引出端测量得到接触点的电压。第11页，本讲稿共30页五线制电阻触摸屏五线触摸屏的工作原理与四线电阻式不同的是：五线式的五线触摸屏的工作原理与四线电阻式不同的是：五线式的X X和和Y Y方向上的驱动电压均由方向上的驱动电压均由下线路的下线路的ITOITO层产生，而上线路层仅仅扮演侦测电压探针的作用。即便上线路薄膜层被层产生，而上线路层仅仅扮演侦测电压探针的作用。即便上线路薄膜层被刮伤或损坏，触摸屏也能正常工作，所以五线电阻式的使用寿命远比四线式的长。刮伤或损坏，触摸屏也能正常工作，所以五线电阻式的使用寿命远比四线式的长。第12页，本讲稿共30页其他类型电阻触摸屏六线电阻式触摸屏六线电阻式触摸屏 ：在五线电阻式触摸屏的基础上，六线电阻式触摸屏是在玻璃基板的背面增加了一个接地的导电在五线电阻式触摸屏的基础上，六线电阻式触摸屏是在玻璃基板的背面增加了一个接地的导电层，用来隔绝来自玻璃基板背面的信号串扰。层，用来隔绝来自玻璃基板背面的信号串扰。七线电阻式触摸屏七线电阻式触摸屏 ：同四线电阻式触摸屏一样，五线电阻式触摸屏也没有考虑电极抽头引线和驱动电同四线电阻式触摸屏一样，五线电阻式触摸屏也没有考虑电极抽头引线和驱动电极的电路的寄生电阻，这部分电阻并不包含在极的电路的寄生电阻，这部分电阻并不包含在ITOITO电阻之内，很可能影响电阻之内，很可能影响 计算的正确计算的正确性，因此七线电阻式触摸屏在五线电阻式触摸屏的基础上，从性，因此七线电阻式触摸屏在五线电阻式触摸屏的基础上，从UL,LRUL,LR两端各引出一条线用两端各引出一条线用来感应实际触摸屏末端电压，分别记为来感应实际触摸屏末端电压，分别记为Vmax,VminVmax,Vmin，工作原理与五线电阻式触摸屏，工作原理与五线电阻式触摸屏相同。相同。第13页，本讲稿共30页其他类型电阻触摸屏八线电阻式触摸屏八线电阻式触摸屏 ：八线电阻式触摸屏的结构与四线类似，所区别的是除了引出八线电阻式触摸屏的结构与四线类似，所区别的是除了引出X-driveX-drive，X+driveX+drive，Y-driveY-drive，Y+driveY+drive四个电极，还在每个导电条末端引出一条线：四个电极，还在每个导电条末端引出一条线：X-senseX-sense，X+X+sensesense，Y-senseY-sense，Y+senseY+sense，这样一共八条线。，这样一共八条线。第14页，本讲稿共30页其他类型电阻触摸屏 在在Y+Y+电极施加驱动电压电极施加驱动电压VdriveVdrive，Y-Y-电极接地，分别测出电极接地，分别测出Y+senseY+sense和和Y-sense Y-sense 的电压，的电压，分别记为分别记为VYMAXVYMAX和和VYMINVYMIN，在在X+X+电极施加驱动电压电极施加驱动电压VdriveVdrive，X-X-电极接地，分别测出电极接地，分别测出X+senseX+sense和和X-sense X-sense 的电压，的电压，分别记为分别记为VXMAXVXMAX和和VXMIN VXMIN。五线触摸屏主要是考虑电极抽头引线和驱动电极的电路的寄生电阻，这部分电五线触摸屏主要是考虑电极抽头引线和驱动电极的电路的寄生电阻，这部分电阻并不包含在阻并不包含在ITOITO电阻之内，而且受环境温度影响阻值波动，很可能影响计算的正确性。电阻之内，而且受环境温度影响阻值波动，很可能影响计算的正确性。第15页，本讲稿共30页电容式触摸屏电容式触摸屏是利用人体的电流感应进行工作的电容式触摸屏是利用人体的电流感应进行工作的 。老式电容触摸屏老式电容触摸屏第16页，本讲稿共30页电容式触摸屏 当用户触摸电容屏时，由于人体电场，用户手指头和工作面形成一个耦合电容，因为当用户触摸电容屏时，由于人体电场，用户手指头和工作面形成一个耦合电容，因为工作面上接有高频信号，于是手指头吸收走一个很小的电流。这个电流分从触摸屏四个角工作面上接有高频信号，于是手指头吸收走一个很小的电流。这个电流分从触摸屏四个角上的电极中流出，并且理论上流经这四个电极的电流与手指到四角的距离成比例，控制器上的电极中流出，并且理论上流经这四个电极的电流与手指到四角的距离成比例，控制器通过对这四个电流比例的精密计算，得出触摸点的位置。通过对这四个电流比例的精密计算，得出触摸点的位置。在电容式触摸屏问世后多年，触摸屏都只能每次响应一个触点。一旦我们操控超在电容式触摸屏问世后多年，触摸屏都只能每次响应一个触点。一旦我们操控超过一个触点，电容式触摸屏就会因为无法定位而让光标错乱。过一个触点，电容式触摸屏就会因为无法定位而让光标错乱。第17页，本讲稿共30页电容式触摸屏新式电容触摸屏：新式电容触摸屏：新式电容触摸屏是从电容式触摸按键经过插值新式电容触摸屏是从电容式触摸按键经过插值算法引申出来的一种触摸屏检测方法，可以支持多算法引申出来的一种触摸屏检测方法，可以支持多点触摸。如点触摸。如IphoneIphone使用的就是典型的电容触摸感应使用的就是典型的电容触摸感应实现多点触摸。实现多点触摸。第18页，本讲稿共30页电容式触摸按键原理当人手碰到感应电极时，电极和地之间的电容由原来的当人手碰到感应电极时，电极和地之间的电容由原来的CpCp变为变为Cp+2CfCp+2Cf，显然，显然增大了。增大了。第19页，本讲稿共30页电容式触摸按键原理1 1）CxCx为所测电容。为所测电容。2 2）1212为一对反相脉冲，控制两个开关断开为一对反相脉冲，控制两个开关断开/闭合。开关电容电路等效可看成一个电阻，闭合。开关电容电路等效可看成一个电阻，电阻的大小与电阻的大小与CxCx，以及，以及1212的占空比、频率相关。的占空比、频率相关。Rcx=1/fCxRcx=1/fCx3 3）CmodCmod为一储电电容，大小可随实际情况调整。为一储电电容，大小可随实际情况调整。第20页，本讲稿共30页电容式触摸按键原理VddVdd向向CmodCmod充电，当充电，当CmodCmod电压超过参考电压超过参考电压电压VrefVref时，比较器输出高。锁存器也时，比较器输出高。锁存器也输出高，打开放电开关，输出高，打开放电开关，CmodCmod上的电上的电量通过量通过RbRb被释放掉，降到被释放掉，降到VrefVref以下，比以下，比较器输出低，锁存器也输出低，放电较器输出低，锁存器也输出低，放电开关又断开。如此反复，形成了一个开关又断开。如此反复，形成了一个震荡频率与震荡频率与CxCx密切相关的波形。密切相关的波形。第21页，本讲稿共30页电容式触摸滑条原理滑条算法的实现：通过对有限的电容触摸按键的检测结果，加上插值算法，滑条算法的实现：通过对有限的电容触摸按键的检测结果，加上插值算法，实现大分辨率的位置感应。实现大分辨率的位置感应。如果在一块玻璃的两面均镀上滑条，切方向相反，就成了一块简单的触摸屏了。也可以实如果在一块玻璃的两面均镀上滑条，切方向相反，就成了一块简单的触摸屏了。也可以实现多点的检测，但是因为所有的触摸键电容均是相对于地的电容，效果不好。现多点的检测，但是因为所有的触摸键电容均是相对于地的电容，效果不好。第22页，本讲稿共30页电容式触摸屏原理Multi-Touch All-Point Multi-Touch All-Point：多点触摸识别位置可以应用于任何触摸手势的检测，多点触摸识别位置可以应用于任何触摸手势的检测，可以检测到双手十个手指的同时触摸，也允许其他非手指触摸形式，比如可以检测到双手十个手指的同时触摸，也允许其他非手指触摸形式，比如手掌、脸、拳头等，甚至戴手套也可以手掌、脸、拳头等，甚至戴手套也可以 。Multi-Touch All-PointMulti-Touch All-Point基于互电容的检测方式，而不是自电容，互电容是基于互电容的检测方式，而不是自电容，互电容是检测行列交叉处的互电容（也就是耦合电容检测行列交叉处的互电容（也就是耦合电容CmCm）的变化，当行列交叉通）的变化，当行列交叉通过时，行列之间会产生互电容（包括：行列感应单元之间的边缘电容，行列交叉过时，行列之间会产生互电容（包括：行列感应单元之间的边缘电容，行列交叉重叠处产生的耦合电容），有手指存在时互电容会减小，就可以判断触摸存在，重叠处产生的耦合电容），有手指存在时互电容会减小，就可以判断触摸存在，并且准确判断每一个触摸点位置。并且准确判断每一个触摸点位置。第23页，本讲稿共30页IPone电容式触摸屏原理Multi-Touch All-PointMulti-Touch All-Point触摸屏包括了一排的驱触摸屏包括了一排的驱动线和一排的检测线。动线和一排的检测线。IphoneIphone的触摸屏采用的是的触摸屏采用的是Multi-Touch All-PointMulti-Touch All-Point的的检测方式。检测方式。第24页，本讲稿共30页iPhoneiPhone的处理器和软件将准确地分析并执行从触摸屏传来的信息。电容发往的处理器和软件将准确地分析并执行从触摸屏传来的信息。电容发往iPhoneiPhone处理器的是关于最原始的触摸位置的数据。处理器通过指令使存储在处理器的是关于最原始的触摸位置的数据。处理器通过指令使存储在iPhoneiPhone中的软中的软件去解析这些原始数据。件去解析这些原始数据。IPone电容式触摸屏原理第25页，本讲稿共30页IPone电容式触摸屏原理1.1.电信号从触摸屏幕传输到处理器。电信号从触摸屏幕传输到处理器。2.2.处理器利用软件分析数据并判断每次触摸的特征。包括处理器利用软件分析数据并判断每次触摸的特征。包括在屏幕上的大小、形状、受影响区域的位置。如果有需要在屏幕上的大小、形状、受影响区域的位置。如果有需要的话，处理器会将触摸特征近似的放到同一个组里。如果的话，处理器会将触摸特征近似的放到同一个组里。如果你你移动你的手指，处理器将会计算出你触摸的起点和终你你移动你的手指，处理器将会计算出你触摸的起点和终点之间的差异。点之间的差异。3.3.处理处理器利用姿势特征翻译软件判断出你使用了什么样的动作姿器利用姿势特征翻译软件判断出你使用了什么样的动作姿势去触摸屏幕。当你触摸屏幕时处理器会结合你的物理动势去触摸屏幕。当你触摸屏幕时处理器会结合你的物理动作与你当时运行的作与你当时运行的iPhoneiPhone软件做出综合的判断。软件做出综合的判断。4.4.此时处理器就会执行你正在实用的程序。如果有此时处理器就会执行你正在实用的程序。如果有需要的话，处理器也会发送指令到需要的话，处理器也会发送指令到iPhoneiPhone的屏幕和的屏幕和其他硬件。如果和演示数据没有任何可以匹配的动作或指其他硬件。如果和演示数据没有任何可以匹配的动作或指令，令，iPhoneiPhone将认为这是一个无关紧要触摸动作。将认为这是一个无关紧要触摸动作。第26页，本讲稿共30页红外线触摸屏 红外触摸屏是在紧贴屏幕前密布红外触摸屏是在紧贴屏幕前密布X X、Y Y方向上的红外线矩阵，通过不停的扫描是否有红外线被物方向上的红外线矩阵，通过不停的扫描是否有红外线被物体阻挡检测并定位用户的触摸。体阻挡检测并定位用户的触摸。可见红外线触摸屏可以实现多点触摸检测。可见红外线触摸屏可以实现多点触摸检测。第27页，本讲稿共30页表面声波触摸屏表面声波触摸屏的触摸屏部分可以是一块平面、球面或是柱面的玻璃平表面声波触摸屏的触摸屏部分可以是一块平面、球面或是柱面的玻璃平板，安装在板，安装在CRTCRT、LEDLED、LCDLCD或是等离子显示器屏幕的前面。玻璃屏的左或是等离子显示器屏幕的前面。玻璃屏的左上角和右下角各固定了竖直和水平方向的超声波发射换能器，右上角则上角和右下角各固定了竖直和水平方向的超声波发射换能器，右上角则固定了两个相应的超声波接收换能器。玻璃屏的四个周边则刻有固定了两个相应的超声波接收换能器。玻璃屏的四个周边则刻有4545角由角由疏到密间隔非常精密的反射条纹。疏到密间隔非常精密的反射条纹。第28页，本讲稿共30页表面声波触摸屏原理以右下角的以右下角的X-X-轴发射换能器为例：发射换能器把控制器通过触摸屏电缆送来的电信号转化为声波轴发射换能器为例：发射换能器把控制器通过触摸屏电缆送来的电信号转化为声波能量向左方表面传递，然后由玻璃板下边的一组精密反射条纹把声波能量反射成向上的均匀面传递，能量向左方表面传递，然后由玻璃板下边的一组精密反射条纹把声波能量反射成向上的均匀面传递，声波能量经过屏体表面，再由上边的反射条纹聚成向右的线传播给声波能量经过屏体表面，再由上边的反射条纹聚成向右的线传播给X-X-轴的接收换能器，接收换能轴的接收换能器，接收换能器将返回的表面声波能量变为电信号。当发射换能器发射一个窄脉冲后，声波能量历经不同器将返回的表面声波能量变为电信号。当发射换能器发射一个窄脉冲后，声波能量历经不同途径到达接收换能器，走最右边的最早到达，走最左边的最晚到达，早到达的和晚到达的这途径到达接收换能器，走最右边的最早到达，走最左边的最晚到达，早到达的和晚到达的这些声波能量叠加成一个较宽的波形信号些声波能量叠加成一个较宽的波形信号 。发射信号与接收信号波形在没有触摸的时候，接收信号的波形与参照波形完全一样。当手指发射信号与接收信号波形在没有触摸的时候，接收信号的波形与参照波形完全一样。当手指或其它能够吸收或阻挡声波能量的物体触摸屏幕时，或其它能够吸收或阻挡声波能量的物体触摸屏幕时，X X轴途经手指部位向上走的声波能轴途经手指部位向上走的声波能量被部分吸收，反应在接收波形上即某一时刻位置上波形有一个衰减缺口。量被部分吸收，反应在接收波形上即某一时刻位置上波形有一个衰减缺口。第29页，本讲稿共30页谢谢！节日快乐！第30页，本讲稿共30页