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電容式觸摸界面正在逐步取代消費、汽車(chē)、工業(yè)與醫療應用中的機械開(kāi)關(guān)、旋鈕與調諧鈕。電容式觸摸傳感器由于其美觀(guān)、更高可靠性和更低生產(chǎn)/加工成本而大受歡迎。另外，由于不存在容易發(fā)生故障的機械組件，因此基于電容式觸摸感應技術(shù)的用戶(hù)界面能夠改善用戶(hù)體驗和延長(cháng)產(chǎn)品使用壽命。 但是，由于電容式觸摸傳感器不具備機械按鈕與開(kāi)關(guān)那樣的觸覺(jué)反饋，因此，從機械按鈕、旋鈕與調諧鈕轉變到電容式觸摸界面會(huì )給設計人員帶來(lái)挑戰。以在鍵盤(pán)上打字的體驗為例。在按下和釋放某個(gè)鍵后，由于彈簧的作用它可以彈起。我們可以通過(guò)手指感受到鍵彈回的力量，從而確認已完成按鍵操作。而采用電容式觸摸界面無(wú)法提供內在的機械反饋，所以用戶(hù)無(wú)法獲得與機械鍵相同的感受。由于主要目的是改善用戶(hù)體驗，因此缺乏觸覺(jué)反饋會(huì )給設計人員帶來(lái)挑戰。開(kāi)發(fā)人員可以借助觸覺(jué)技術(shù)提供觸覺(jué)反饋、改善用戶(hù)體驗和增加產(chǎn)品價(jià)值。 圖1：在手機中實(shí)現的、用于提供觸覺(jué)反饋的觸覺(jué)技術(shù)示例。 觸覺(jué)技術(shù)是利用人的觸覺(jué)提供反饋、通過(guò)向用戶(hù)提供壓力、振動(dòng)或運動(dòng)感受的觸覺(jué)反饋技術(shù)。觸覺(jué)技術(shù)的一個(gè)簡(jiǎn)單例子就是手機和平板電腦中采用的振動(dòng)提醒。當手機進(jìn)入振動(dòng)模式后，在有來(lái)電或消息時(shí)手機會(huì )采用促動(dòng)器振動(dòng)提醒用戶(hù)，用戶(hù)甚至無(wú)需查看屏幕。 圖2舉例說(shuō)明了在電容式觸摸系統中實(shí)現的觸覺(jué)技術(shù)。其中，當用戶(hù)觸摸電容式觸摸界面時(shí)就會(huì )啟動(dòng)促動(dòng)器產(chǎn)生振動(dòng)。用戶(hù)的手指感覺(jué)到振動(dòng)后可確認觸摸操作。通過(guò)控制施加到促動(dòng)器的電壓與頻率可以產(chǎn)生不同的觸摸反饋效果，如：?jiǎn)螕襞c雙擊。 圖2：觸覺(jué)技術(shù)的工作原理 在觸摸式用戶(hù)界面中實(shí)現觸覺(jué)技術(shù)： 圖3舉例說(shuō)明了在觸摸式用戶(hù)界面中實(shí)現的觸覺(jué)反饋。此系統由以下組件構成： · 觸摸界面 · 觸摸感應控制器 · 觸覺(jué)處理器 · 促動(dòng)器 · 促動(dòng)器驅動(dòng)器 圖3：觸覺(jué)系統方框圖 觸摸界面：觸摸界面是用戶(hù)與系統進(jìn)行互動(dòng)的區域。它由觸摸敏感型傳感器組成。觸摸界面可以是觸摸屏、觸摸按鍵或者兼而有之。例如，在手機應用中，觸摸界面是LCD顯示屏上面的透明觸摸屏。在家用電器應用中，觸摸界面則采用FR4/FPC PCB上的銅覆層。 觸摸感應控制器：觸摸感應控制器可以探測手指觸摸動(dòng)作或者手指在觸摸表面上的觸摸位置。對于觸摸屏而言，觸摸控制器可以把觸摸坐標發(fā)送到應用處理器進(jìn)行處理。對于觸摸按鍵而言，觸摸控制器則向應用處理器發(fā)送開(kāi)/關(guān)狀態(tài)信息。觸摸控制器的實(shí)例包括賽普拉斯的TrueTouch?與CapSense?控制器。 觸覺(jué)處理器：觸覺(jué)處理器由控制軟件以及可生成觸覺(jué)波形驅動(dòng)促動(dòng)器的算法構成。觸覺(jué)處理器可以采用以下方式實(shí)現： · 與應用處理器/MCU集成 · 采用獨立處理器 · 與觸摸控制器集成 · 與促動(dòng)器驅動(dòng)IC集成 · 與應用處理器/MCU集成的觸覺(jué)處理器：在應用處理器/MCU具有適當處理帶寬和硬件資源的應用中，觸覺(jué)處理器可以按圖3所示方法進(jìn)行集成。此方法無(wú)需專(zhuān)用的觸覺(jué)處理器，因此能夠降低BOM成本和節省板級空間。 為了產(chǎn)生不同的觸覺(jué)效果，設計人員可以開(kāi)發(fā)定制軟件，也可以獲得觸覺(jué)軟件供應商的軟件許可。開(kāi)發(fā)定制觸覺(jué)軟件需要大量設計工作、時(shí)間和附加成本。但是，定制觸覺(jué)軟件的優(yōu)勢在于設計人員能夠按照其最終應用需求優(yōu)化觸覺(jué)效果。 為了減少設計工作和時(shí)間，設計人員可以獲取供應商的觸覺(jué)軟件許可，也可以采用支持觸覺(jué)軟件的控制器。一個(gè)采用內置觸覺(jué)軟件庫的MCU實(shí)例就是賽普拉斯的PSoC1控制器。 · 與獨立處理器集成的觸覺(jué)處理器：在應用處理器/MCU不具備集成觸覺(jué)處理功能所需的帶寬或資源的應用中，可以采用獨立處理器/MCU作為觸覺(jué)處理器。在大多數情況下都不會(huì )采用這種方法，因為其不但增加成本，而且會(huì )占用更多板級空間。 · 與觸摸控制器集成的觸覺(jué)處理器：此外，有些觸摸感應控制器也會(huì )集成觸覺(jué)處理器。例如，賽普拉斯的CapSense控制器具有可靠的電容式觸摸感應硬件，而且采用Immersion的TouchSense觸覺(jué)庫提供觸覺(jué)反饋。設計人員可以采用觸覺(jué)庫在其觸摸界面中快速實(shí)現觸覺(jué)反饋。在觸摸控制器中集成觸覺(jué)處理器能夠降低應用處理器/MCU的負載，同時(shí)提供低成本實(shí)現方案。 · 與促動(dòng)器驅動(dòng)器集成的觸覺(jué)處理器：有少數驅動(dòng)器驅動(dòng)IC提供集成型觸覺(jué)處理器。此方法適用于需要在現有觸摸用戶(hù)界面中實(shí)現觸覺(jué)反饋的情況。采用在現有觸摸界面中具備集成觸覺(jué)處理器的促動(dòng)器驅動(dòng)IC可以最大限度地減少應用處理器/MCU固件和電路板設計所需的修改工作。應用處理器能夠向促動(dòng)器驅動(dòng)IC發(fā)送相應的觸覺(jué)波形生成指令。 促動(dòng)器：促動(dòng)器是用于產(chǎn)生振動(dòng)并且向用戶(hù)提供觸摸反饋的機電組件。促動(dòng)器的輸入由觸覺(jué)處理器提供。促動(dòng)器與觸摸式用戶(hù)界面集成在一起，以便在促動(dòng)器獲得輸入時(shí)使設備產(chǎn)生振動(dòng)。 觸覺(jué)系統可以采用各種促動(dòng)器。最常用的包括： · 偏心旋轉質(zhì)量(ERM)促動(dòng)器 – ERM促動(dòng)器是一種電機軸附帶偏移質(zhì)量塊的直流電機，如圖4所示。由于電機軸附帶偏移質(zhì)量塊，因此在電機旋轉時(shí)偏移質(zhì)量塊具有不均勻的向心力，從而產(chǎn)生一個(gè)凈離心力。該離心力會(huì )造成電機的位移。由于電機與設備連接，因此電機位移會(huì )造成整個(gè)設備振動(dòng)。ERM電機的輸入是DC電壓。ERM電機的輸入電壓范圍為1~10V，而工作電流范圍是130~160mA。工作頻率范圍是90~200Hz。ERM電機成本低，但是能夠提供強勁振動(dòng)。不過(guò)，其響應時(shí)間非常長(cháng)(40~80ms)，因此不適合高質(zhì)量觸覺(jué)反饋。ERM電機可在手機中用于提供簡(jiǎn)單的觸覺(jué)效果，如：振動(dòng)提醒。 圖4：ERM制動(dòng)器結構 · 線(xiàn)性諧振促動(dòng)器(LRA)– LRA由可動(dòng)質(zhì)量塊、永磁體、音圈和振動(dòng)彈簧組成，如圖5所示。在音圈獲得正弦輸入時(shí)，它會(huì )產(chǎn)生與永磁體相互作用的磁場(chǎng)，從而造成其線(xiàn)性運動(dòng)。永磁體推動(dòng)可動(dòng)質(zhì)量塊上下運動(dòng)，從而產(chǎn)生振動(dòng)�？蓜�(dòng)質(zhì)量塊連接的彈簧使其返還初始位置。LRA的輸入是正弦波。LRA的工作電壓范圍是2.5~10V，工作電流范圍是65~70mA。LRA電機的典型工作頻率(諧振頻率)是175Hz。與ERM相比，LRA響應時(shí)間更短(20~30ms)，而且能夠提供更精確、更溫柔的振動(dòng)。LRA常用于在手機中提供虛擬鍵盤(pán)按鍵操作時(shí)的觸摸反饋。 圖5：LRA促動(dòng)器結構 · 壓電促動(dòng)器：壓電促動(dòng)器采用逆壓電效應工作原理 – 向壓電晶體施加電壓時(shí)會(huì )導致晶體產(chǎn)生物理變形。這種物理變形能夠用于產(chǎn)生振動(dòng)，以提供觸摸反饋。壓電促動(dòng)器由陶瓷材料制成。壓電促動(dòng)器的輸入電壓是正弦波。壓電促動(dòng)器的工作電壓范圍是50~200 Vpp，其瞬時(shí)電流可達到300mA。壓電促動(dòng)器的工作頻率范圍是150~300Hz。此類(lèi)促動(dòng)器重量輕，尺寸小，而且能夠提供快速響應時(shí)間(觸覺(jué)技術(shù)的賽普拉斯 CapSense控制器 - http://www.cypress.com/?id=3472 3. 賽普拉斯 TS2000觸覺(jué)技術(shù)用戶(hù)模塊數據表 - http://www.cypress.com/?rID=55635 |
