导电织物电学性能的分析 - 柔性导电织物键盘设计

　　作为织物键盘的核心部件，导电织物表面电阻值的均匀性与一致性是织物键盘实现的基础。导电织物一般采用镀银工艺或是高分子导电布料形成具有一定表面电阻的织物面料，用于抗静电及抑制电磁辐射等场合。由于纺织及织造工艺的限制，其织物不同区域表面电阻的差异非常大，均匀性较差，必须在使用前进行电学性能分析。

　　为保证键盘定位精度及线性度，对导电织物表面电阻值进行测试。使用4探针科技公司的RTS-2型薄层电阻测试仪对图2所示a，b，c，d四种织物样品进行面电阻测试。尺寸分别为10 cm x 8 cm，9 cm×6 cm，17 cm×10 cm，25 cm×7 cm。测试时，将织物区域按3×3比例划分为9个区域，测量每个区域中心点的面电阻值3次取平均值作为每个区域面电阻值，所有区域面电阻值平均值作为织物的面电阻值，如表1所示。

　　4种织物面电阻值如表1，由于导电织物的表面电阻均值从347 Ω到3 872 Ω差异较大，无法从方差比较出不同试样表面电阻值的一致性，因此采用标准差率来定义样品表面电阻的一致性差异。从表1中试样4的表面电阻标准差率为0.40%，因此其均匀一致性较好。因此，选取试样4织物作为操控器的传感器材料。

　　3 织物键盘结构设计与功能实现

　　织物键盘通过导电织物层、功能定义层、隔离层、保护层的设计，实现按压位置到电压信号的变换，提供按键区域的定义划分及对键盘进行保护。计算机应用程序获取传感器采集数据，进行电压数据到位置数据的转换，并根据按键区域的功能定义实现操作控制功能。

　　3.1 织物键盘结构设计

　　织物键盘主体结构如图3共分为5层。根据每层的功能设计选用不同特性的织物组成织物键盘。

　　键盘顶层为符号定义层，用于划分触摸区域，采用印染或针织等方式定义键盘功能如字符、功能键、计算机控制等，同时为键盘提供保护。第2层为上导电织物层，作为检测电极在按压状态下与下导电织物层接通，获得按压位置的横向和纵向电压值。上导电织物层通过外接导线与触屏控制器的wiper管脚相连，实现检测信号输入。第3层为隔离层，用于分隔上、下导电织物层，系统采用网状多孔轻薄多孔织物组成，两层在不受外力时不接触。按压操控状态下，上、下导电织物层受外力在按压点通过隔离层的细孑L接通两织物层，将电压信号输出。第4层为下导电织物层，该层织物的4个顶角通过金属线对应连接触屏控制器的UR，LR，UL，LL四个管脚，控制电路提供标准电压，在织物层表面形成电压梯度，通过位置电压表示其在织物层上的相对位置。最底层为保护层，为导电织物层提供绝缘保护并加固键盘。

　　隔离层织物的选型决定键盘的实用性能。由于导电织物层比较柔软，过薄的厚度和过大的网孔很容易接通上、下导电层，在未按键时出现错误按键指示。如果隔离层过后，织物网孔过小，则要求按压力度比较大，影响操控的手感。实际设计中选用厚度0.3 mm孔径为2.0 mm的多孔织物，实现较好的按压手感和接通效果。

　　3.2 软件功能设计

　　触屏控制电路采用TopTouch公司的控制模块M5UG，板载触屏控制芯片AD7845、USB接口控制芯片CY7C63723C及配置寄存器93LC46，实现触屏的逻辑控制、标准比较电压的生成、按压点电压数据的采集、转换及传输。

　　计算机端程序采用VS2005开发，键盘驱动采用Cypress公司的CYUSB开发包设计，实现计算机对键盘资源的访问，进行查询、设置、读取等操作。

　　软件运行界面如图4所示，首先查找USB设备，通过设备描述字符获取织物键盘设备，建立设备连接后就可以读取设备操控产生的数据。其中，STATUS表明本次读取数据是否正确，在数据传输正常时，AD0，AD1是按压点横向、纵向电压AD转换值，通过坐标转换公式即可得到二维坐标值。

　　式中：Px，Py是按压点横向及纵向位置。Vs是全幅面电压差的A/D转换值，系统中为12位A/D转换满刻度值2 048;Vx，Vy是按压点横向、纵向测得的电压转换值，如图4中AD0，AD1所取值。Lx，Ly是织物长度及宽度，可取1则实现两者的归一化处理，适应不同的键盘尺寸。