介面/功耗/精準度有優勢　CPLD推升多點觸控商機

與特定應用標準產品(ASSP)或其他技術不同，CPLD的輸入輸出介面(I/O)非常多，使用方便、功率消耗低，能夠靈活的突出產品優勢。這些優點大大簡化並加速了個性化手機、可攜式媒體播放器和顯示器的開發過程，適用於醫療、汽車和工業等應用領域。在此類元件上實現多點觸控螢幕參考設計，將有助於設計人員迅速將構思變為實際產品。

高規格感測器左右觸控螢幕勝負　精準/耐用度更上層樓  

任何觸控螢幕方案都包括兩部分：二維(2D)觸控感測器和電腦應用程式，它可將感測器資料轉換為使用者的意圖。參考設計是完整的感測器和資料獲取系統，可以進行訂製，也可以原樣使用，它提供氧化銦錫(ITO)螢幕及簡單的雙面印刷電路板(PCB)，用做多點觸控觸控板。二維多點觸控參考設計如圖1。

圖1　二維多觸點參考設計

該參考設計有一個簡單的資料解譯程式，演示並測試多點觸控感測器的工作。圖1左上角的整合電容數位轉換器(CDC)用於監測電容變化，只有十四個電容感測器通道。在這個參考設計中，CPLD擴展了CDC的功能，使其能夠處理二維ITO薄膜和PCB觸控感測器。應用處理器透過串列周邊設備介面(SPI)或者I²C匯流排存取CDC暫存器檔案，將CPLD的SRC訊號控制設置在合適的軸上。長時間暫停後，觸控螢幕監測到一次觸摸時，CPLD會產生一個中斷訊號。  

走線分布提升觸控效能  

任何觸控螢幕設計都從實際的觸控感測器開始，雖然圖1的參考設計主要是針對電容ITO觸控螢幕，但也適用於一面為水平走線，另一面是垂直走線的雙面PCB。ITO觸控螢幕有兩個被絕緣體分開的透明層，十四條y走線連接至CDC輸入，十六條x走線連接至CPLD。較佳的CPLD能夠增加更多的I/O，進一步提高解析度，支援更大的觸控螢幕。如14×16設計就展示了16公分×14公分觸控螢幕的工作。  

圖2　ITO觸控螢幕或者PCB觸摸板交叉部分(左側)以及觸控螢幕(右側)

ITO觸控感測器有兩個被絕緣體分開的互相垂直的層，上面分別是x和y走線。理想情況下，x走線在下、y走線在上，並連接至CDC輸入。之所以這樣布置，是因為CDC在監視靠近手指的走線時更為敏感。走線陣列較寬，間距為5～10毫米。圖2中左側為觸控螢幕交叉部分，右側則是觸控螢幕。在實際的顯示觸控螢幕中，走線是透明的。  

圖3　手指控制無按鍵觸控板

圖2中的感測器可實現電腦觸控板，避免了使用普通觸控板所需要的選擇按鈕。如圖3所示，中指移動游標，食指和無名指觸摸螢幕，指示滑鼠左鍵或者右鍵點選。去掉移動部分後，電容觸控螢幕感測器比按鍵和按鍵開關更耐用。  

CDC最佳化觸控精準度  

CDC並不是設計用做觸控螢幕解碼器，而是用於測量電容以及PCB上感測器線性陣列的電容變化。較佳的CDC電子特性比較完備，能夠校準特定的PCB布局，然後針對十四個感測器輸入的每一個輸入進行電容測量，精度為12位元。每一個測量週期後，透過I²C或者SPI匯流排來存取這些數值。CDC在SRC訊號上發送一個250kHz方波，驅動靠近感測器板上的走線，然後測量接收到的SRC訊號強度。由於觸控螢幕電容和SRC訊號接收強度成正比，因此CDC可探測並量化使用者手指接觸到觸控螢幕時電容的變化。  

CDC會連續進行十四次可定址電容測量。圖4上圖顯示當沒有手指接觸時基線條件下的暫存器數值，而下圖則顯示手指觸控感測器9的暫存器數值。由於CDC非常靈敏，因此應用處理器利用此一詳細的電容向量值，可確定手指位於9.3，即在感測器9和10間，進而完成更多觸控應用。精度達到12位元的CDC，只需要十四個感測器就可以精確測量手指的位置。

圖4　線性CDC採樣示意圖

線性感測器化身2D感測器  

相對於一條SRC走線的電容，CDC本身可測量十四個感測器。加入CPLD後，在序列介面的控制下，獲得CDC的SRC方波訊號可選擇驅動觸控螢幕的某一條垂直x走線，從而支援多條SRC走線。然後，CDC可進行相對於垂直走線軸或者本地的電容測量。CPLD中大量的I/O結合CDC的高解析度電容數位測量能力，使得此解決方案能夠適用於面積較大的觸控螢幕和觸控板。  

圖5所示為CDC結合CPLD的二維電容測量結果，顯示了十六條走線，即對x軸進行了十六次畫分。左側是基線電容測量，而右側是兩個手指觸控感測器後的結果。圖中不同深淺的顏色表示哪個SRC走線被啟動。

圖5　電容數位採樣二維陣列示意圖，左側是基線電容量測；右為觸摸後的結果。

在使用序列介面時，應用處理器設置CPLD驅動感測器S1列和SRC訊號，讀取來自CDC的十四個電容值。然後，應用處理器告訴CPLD將SRC移至下一條垂直走線，進行另一次十四個電容測量，如此不斷重複，直至應用處理器獲得觸控感測器二維區域內所有二百四十四(14×16)個電容測量值。使用I²C匯流排，採集所有資料的時間大約為375毫秒，而使用SPI匯流排的時間則為300毫秒。降低CDC採樣解析度可以減少採樣週期。然後，應用處理器處理原始資料，確定使用者的意圖。  

電源效率倍增　觸控螢幕成新寵  

CPLD和CDC觸控螢幕解碼參考設計的電源效率非常高，全速工作和正常解析度下僅需要1.5毫安培的電流，並支援三種其他的電源效率等級。在第一個低功率消耗等級中，應用處理器降低採樣率，只採集一部分水平和垂直走線，或者使用精確的CDC來確定走線之間的觸控點。下一個低功率消耗等級中，須要使用者觸摸螢幕中心來喚醒元件。這要求應用處理器只採樣一條水平走線和一條垂直 走線。  

最低功率消耗等級可以將應用處理器和CDC置於斷電模式。採用外部32kHz時脈及每秒一次的採樣率，典型的CPLD待機電流只有50微安培。當CPLD的電容探測系統監測到螢幕被觸摸時，它透過中斷訊號喚醒處理器，而被喚醒後，系統以更高的精度來讀取觸摸位置。  

單點觸控螢幕和觸控板不再是實現電子系統介面的創新手段，使用者已經開始認為這是必備的功能。單點觸控螢幕方案已經廣泛被應用，因此，產品要想得到消費者的青睞，勢必須採用兩點或者多點觸控螢幕。  

(本文作者分別為Altera低成本產品組非揮發性產品線經理、消費性電子和汽車業務部資深技術市場經理)  

參考資料

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