如何解决大型电容式触摸屏输入问题？无源手写笔带来自然操控体验

　　作者：赛普拉斯半导体公司Todd Severson

　　移动设备生产商希望为消费者提供自然易用的用户界面，就好像使用纸和笔一样方便自如，同时还要具备电脑的高度灵活性，这样的高级特性可帮助生产商实现产品差异化。带手掌误动作排除功能的小型尖头无源手写笔让制造商能够提供支持手写、编辑、签名捕获、精确导航等各种新应用功能的低成本解决方案。然而，上述功能的实现也面临一些挑战，无源手写笔的开发人员必须满足更大型触摸屏上电容式感应技术的一系列性能要求。具体来说，需要采用高级算法和感应方法来检测手写笔发出的很小的信号，同时还要排除用户手掌造成的较大的无用信号。此外，设备还必须能够动态地在手写笔和多点触摸输入之间来回切换，同时保持一定的速度、精确度和响应性，从而确保理想的用户体验。

　　随着电容式触摸屏的尺寸越来越大，类似于纸和笔一样的使用写入设备变得更加直观方便。制造商支持手写笔功能的最常见方法就是采用有源手写笔或无源手写笔。有源手写笔采用电子组件，需要一个电源，并向主机设备发射信号。采用有源手写笔能支持显示屏上悬停、压力感应、按键支持、擦写等高级特性。无源手写笔则采用导电性材料，相当于用户身体的延伸。用户手部的电容耦合支持无源手写笔触碰屏幕时发送信号，手写笔和主机平台之间不存在有源通信，因此如何区分手指和无源手写笔是一个难题。

　　在许多情况下，如果说有源手写笔和无源手写笔都能实现相同的特性，则无需为系统增加额外的成本。有源手写笔额外的组件和电源要求使它很难打开销路，而无源手写笔的性能较差以及/或头大笨重则会带来不自然的手写体验。因此，如果无源手写笔的笔头为1到2毫米，用户手写时手掌能搁在屏幕上，同时保持足够的速度和准确度，并确保接触点刚好就是“墨水”的“着墨之处”，则可提高无源手写笔的用户体验。

　　为了创建一款切实可行的实现方案，其可同时支持手指和无源手写笔操作，必须考虑多种不同的使用情况。例如，开发人员应考虑系统要在检测手指和手写笔输入之间的切换速度。同样，他们还要定义手写笔在手指/手掌之前、之后或者同时触摸屏幕时系统的反应情况。其它重要因素还包括配置手写笔距离手多近时就不再检测到手写笔信号。图1给出了手写笔用例下的状态机进程实例。

　　

　　图1 无源手写笔用例下的状态机使用实例

　　手写笔的悖论

　　无源手写笔检测对于触摸操控工程师而言是一个复杂的问题。问题的根源在于“手写笔悖论”。所谓“手写笔悖论”，是指无源手写笔的信号比正常手指触摸输入要小得多，而用户则认为手写笔的笔尖这么细，应该比手指更加精确。

　　精确度和线性度与系统的信噪比成正比。由于噪声底限不会随输入而改变，因此信号减弱会对信噪比造成较大影响。电容式触摸屏的信号电平基本取决于触摸输入的覆盖面积。这就是说，2毫米无源手写笔的信号强度比典型的10毫米手指触摸时的信号强度小25倍。这种信号强度的差距给触控工程师造成了许多问题。即使在有较大触摸信号的情况下，固件也必须能检测到较小的手写笔信号，这往往需要采用不同的传感器扫描模式，而抗噪性和刷新率都要受到影响。此外，无源手写笔最适合搭配较大的触摸板使用，但大型触摸板本来就刷新率低，或是要采用较大的间距传感器，这二者都会影响系统的性能指标。

　　从根本上说，应对信号强度差距需要解决两个问题。第一，尽管信号强度极低，也必须首先检测到手写笔。第二，一旦检测到手写笔，就必须进行准确报告。这两大问题各有难点。从概念上讲，最合理的手写笔检测方法是最大限度地提高传感器信号。一般通过最大限度地减少传感器到信号电平（非常接近预期信号电平）的动态范围，或者甚至通过采用软件乘法和滤波等方法，来解决有关问题。但是，高增益系统通过正常手指触摸等较大输入很容易达到饱和，所以必须认真处理正常触摸和较小的手写笔信号。一个常见的方法就是在每个预期的信号电平进行两次独立的扫描，从而从手写笔输入中区分出正常触摸。

　　

　　图2 触摸及手写笔简介

　　这种模式切换容易受到错误检测的影响，因此必须过滤掉错误检测的情况。手指靠近或离开触摸屏就是一个典型的例子。当手指靠近时，其信号电平很低（在无源手写笔区），而离开时信号电平同样也很低，所以必须采用其它判断器来确认任何已检测到的手写笔输入。