胡思捷;耿卫东;商广辉;金庆
【摘 要】介绍了电容式触摸屏的工作原理及其特点,研究了触摸屏的数据处理算法,提出了一种电容式触摸屏和LCD间像素映射的方法.通过映射时的坐标系修正,并引入补偿参数进行边缘补偿,有效解决了电容式触摸屏系统中的边缘误差问题,经过软件的测试,达到了很好的用户体验. 【期刊名称】《液晶与显示》
【年(卷),期】2010(025)006
【总页数】5页(P812-816)
【关键词】电容式触摸屏;像素映射;边缘误差
【作 者】胡思捷;耿卫东;商广辉;金庆
【作者单位】lncrna引物设计>异丙醇钛南开大学光电于所,天津300071;南开大学光电于所,天津300071;南开大学光电于所,天津300071;南开大学光电于所,天津300071
【正文语种】中 文
【中图分类】TN27
1 引 言
现在触摸屏已广泛应用于PDA和手机等手持设备中。触摸屏输入克服了键盘输入繁琐的缺点，逐渐成为手持设备的主流人机交互接口［1－5］。
长久以来触摸屏应用领域都是电阻式触摸屏的天下，直到iPhone手机的出现，其多点触摸技术将电容式触摸屏的使用提升到一个全新的高度［6］。随着触屏手机的不断升温，越来越多的手机厂商开始投入研发生产大尺寸触屏手机，屏幕尺寸一般在8.1cm（3.2in）以上，显示分辨率已经高达 WVGA（800×480）级别，而电容式触摸屏技术同时也受到了这些手机厂商的青睐。
为了达到用户在使用大尺寸、高分辨率、电容式触摸屏手机时良好的用户体验，本文在研究了电容式触摸屏的工作原理及数据处理算法的基础上，对参考文献［7］中提出的触摸屏和LCD间坐标变换的方法进行了改进，提出了一种适用于电容式触摸屏和LCD像素间映射的方法，通过映射时的坐标系修正，并引入补偿参数进行边缘补偿，有效解决了电容式触摸屏系统中的边缘误差问题，从而确保在触摸屏上感应到用户的触摸点就是用户所指的点，包括边缘和4个角落。 2 电容式触摸屏原理
目前电子设备常用的触摸屏技术共分5大类，即电阻式、表面电容式、投射电容式、表面声波式与红外线式等。前3种触摸屏技术因为装置体积较小，精密度相对可以做得更高，因此适用于体积小巧的便携式装置或者消费性电子产品；后两种技术做出的触摸屏不是太昂贵就是体积太大，因此不适合上述应用［8］。
电阻式技术必须依靠手指按压而使触控屏幕的机构层产生电气接触。这种方法对于不固定的手指滑动和手势识别存在许多不便。此外，电阻式触控屏幕的多层机械结构也很容易出现磨损现象。
表面电容式技术架构简单，只需一面ITO层即可实现，而且此ITO层不需特殊感测通道设计，周边只需接4条信号线和接地线即可，生产难度及成本都可降低。这种结构中，系统会在ITO层产生一个均匀电场，当手指接触面板会出现电容充电效应，面板上的透明电极与手指间形成电容耦合，进而产生电容变化，控制器只要测量4个角落的电流强度，就可依电流大小计算接触位置。表面电容式触摸屏虽然生产容易，但需进行校准工作，抗干扰性能差。由于无法实现多点触控功能且电极尺寸过大，并不适合小尺寸手持设备设计。 投射电容式触摸技术是实现多点触控的希望所在，它需要一个或多个精心设计的、被刻蚀的ITO层，这些ITO层通过刻蚀形成多个水平和垂直电极（图1）［9］，所有这些电极都由一个电容式感应芯片来驱动。该芯片既能将数据传送到一个主处理器，也能自己处理触摸点的XY轴位置。
图1 投射电容式触摸屏物理结构Fig.1 Physical structure of projected capacitive touchscreen
通常水平和垂直电极都通过单端感应方法来驱动，也就是说一行和一列的驱动电路没有什么区别，这被称为“单端”感应。在一些方法中，一根轴通过一套AC信号来驱动，而穿过触
摸屏的响应则通过其他轴上的电极感测出来，这被称为“横穿式”感应，因为电场是以横穿的方式通过上层面板的电介层从一个电极组（如行）传递到另一个电极组 （如列），其原理及电路如图2所示。该方案的优点是布线较少，而且能同时识别和区分多个触点之间的差异。单端电路也可感测多个触点，不过由于信号本身模糊，故不能区分。此外，“横穿式”感应方案还有速度快和功耗低的优势，因为其能同时测量一条驱动线路上的所有节点，所以可减少50%的采集周期数。这种双电极式结构具有自我屏蔽外部噪声的功能，在一定功率级上可提高信号稳定性。
图2 “横穿式”感应方式电路示意图Fig.2 Circuit diagram of“across－style”sensing
为了确定触摸点的XY坐标，首先测量X电极和Y电极之间信号的变化量，再经过实时数学运算处理这些改变后的实际信号电平。
3 电容式触摸屏和LCD之间的像素映射
3.1 概述
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激光发射器对于触摸屏来说，电容式触摸屏模块（CTPM）和液晶显示模块（LCM）间的坐标系必须
很好地统一起来，以达到良好的用户体验。CTPM和LCM间的坐标系是完全不同，LCM的像素坐标一般由它的分辨率决定，比如，一块WVGA屏的分辨率为800×480，也就是说有800行，每行480个RGB像素，一个具体位置可以由X和Y方向上像素点（x，y）来确定。而CTPM则是根据其X和Y的方向上的原始物理尺寸来确定坐标系的，两坐标系间的一个合理的映射方法可以保证输入和输出操作的正确性。
图3是一个以LCM作为显示单元，CTPM作为用户输入单元的便携式设备的结构。
图3 CTPM和LCM的像素映射关系Fig.3 Pixel mapping between the CTPM and LCM
CTPM位于LCM的正上方，用户用手指触摸CTPM的上表面，从LCM得到图像信息。因为CTPM和LCM存在不同的坐标系，这就需要一个CTPM和LCM间的像素映射方法来确保在CTPM上感应到用户的触摸点就是用户所指的点［10］。
3.2 CTPM的坐标系
全触屏设备的LCD一般有一个比较大的物理分辨率。LCD上的位置可以用其行列像素（x，y）来定位坐标。虽然CTPM没有那么多的像素点，但是仍旧可以通过计算“X－Y”坐标来对
触摸位置进行定位。
CTMP一般有M＋N（M列N 行）个物理电容触摸传感器。这M＋N个相互交错的传感器组成了M×N个电容感应点，当用户的手指接近触摸屏时，其电容会随之改变。传感器的间隔（也就是相邻行或列间的距离）通常在几个毫米左右，这个间隔距离决定了触摸屏的物理分辨率M×N。触摸点的精确位置计算是通过一个插值算法来实现的，设触摸点的精确位置为（XT，YT），则有：
式（1）可以实现一个更高的分辨率M×N×J2，J是插值系数。例如，一块9.4cm（3.7in）的触摸屏，有17行9列，如果J＝64，那么分辨率就等于17×9×642＝1 088×576。未载入sso登录模块
触摸屏的表面可以划分为两个区域，感应区和非感应区。M×N的物理像素位于感应区，就是图4中的网格部分；非感应区就是图3中网格外的灰区域。
对尺寸小于10.2cm（4in）的触控式屏幕而言，非感应区两侧边宽不应低于3mm，而尾端边宽不应低于10mm。预留这一边宽的目的是用来隐藏连接ITO结构与控制电路的不透明银导线以及控制电路本身。
感应区覆盖有传感器单元（ITO），非感应区没有覆盖ITO。所以，从（0，0）到（MJ－1，NJ－1）的所有坐标点都只在感应区域上，只有感应区以内的触摸点可以被感应，以外的就无法感应到。LCM的显示区不能大于CTPM的感应区，以保证用户可以通过CTPM看到所有可能的显示图像。
图4 感应区与非感应区Fig.4 Sensing area and the non－sensing area
3.3 像素映射
电容式触摸屏系统中，一个很严重的问题就是边缘误差的产生：其一是因为触摸感应位置在电容的几何中心，如图5所示，导致无法检测到虚线框以外的区域；其二是由于边界触摸区域不完整，角落更加严重，如图6所示。因此，就需要在映射时进行坐标系修正，并引入补偿参数进行边缘补偿。硬件工艺上的前提就是要使CTPM的尺寸大于LCM。
图5 电容的几何中心Fig.5 Center of the capacitance
图6 边界触摸区域不完整Fig.6 Incomplete touch border region
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设检测到CTPM上的一个触摸位置为（p，q）T，下标T代表触摸。用（x，y）L 代表LCM 上的点。映射的目的是为了确定两个坐标系间的对应关系。引入补偿系数之后，两个坐标系可以用以下的关系式来表示：通过式（2）可以看到，映射关系由比例系数Kx和Ky决定，同时与补偿系数a，b有关。
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