PCB上的手写板设计分析 - 设计一款基于触摸按键的手写板

　　2 PCB上的手写板设计分析

　　在固定大小的PCB板上设计实现电容式手写板时，基本单元触摸按键是由两个分开的焊盘通过行列导线连接到控制器的两个I/O口上构成。手写板设计时主要考虑按键分辨率、触摸按键的尺寸、按键与按键之间的距离、按键与控制器之间导线的长度和布线等因素。这些参数的选取都会影响到手写板上用户输入信息检测的准确性。下面就分析每个因数对手写板的输入检测的影响程度，从而在PCB手写板设计选择合适的参数实现手写板的硬件设计。
 

　　2.1 按键分辨率与按键大小分析

　　手写板上按键的分辨率直接影响手写板对用户输入信息的检测，分辨率越大手写板对用户信息的获得的数字图像越准确，反之准确性越差。而手写板大小确定后，手写板上按键的分辨率与单个按键的面积呈反比的关系。而人体的触摸电容C=ε0εrs/d，随着按键面积的减小而减小。如果按键面积太小，触摸电容很小，触摸时的脉冲个数相对变化率小于η0，导致触摸板不能检测到按键的触摸动作;反之，触摸按键的面积过大，不仅会使手写板的分辨率减小，影响到手写板对用户输入信息检测的准确性，而且还可能使手写板出现触摸盲区，遗漏用户手写输入的信息。

　　在面积大小为10 cmx10 cm的PCB板上，利用焊盘制作尺寸不同的矩形触摸按键时，实验测得按键在有无按键时的张弛振荡脉冲数，如图3所示。

　　

　　从图3中可以看出随着按键面积的变化，用户触摸时产生的触摸电容基本不变，但是电容C1和单个按键检测的脉冲相对变化率减小。所以触摸板的分辨率不能一直提高，当分辨率提高到某个点时，触摸动作产生时检测到的计数脉冲个数相对变化率η《η0，从而无法判断此时的触摸动作。因此，为了选择一个相对较高的分辨率，并且保证η》η0。此设计中手写板中单个触摸按键的尺寸选择为8 mmX8 mm，此时的脉冲相对变化率为12.3%》η0，可以检测到触摸动作。所以在10 cmx10 cm的手写板上按键分辨率选取8x8比较合适。

　　2.2 按键焊盘传输导线长度分析

　　传输导线给触摸按键带来寄生电容随着传输线的距离的变化关系如下式：

　　

　　其中D为导线到地线的距离，d为导线的直径，L为导线的长度，ε0为真空介电常数。可以看出随着PCB板上制作的触摸按键到控制器的导线越长，则传输线电容越大。如图4所

　　示，为两个面积大小为8 mmx8 mm触摸按键0和1，在有无触摸动作发生时，所测得的脉冲个数和有无触摸动作时的脉冲个数差值随导线长度变化的曲线。

　　

　　从图4可以看出触摸按键0和1的脉冲个数随着导线长度的增加基本上成线性减小的关系，这也满足式（5）的关系。而触摸动作发生时，变化的脉冲个数随导线据长度的增加基本保持在一个水平，所以随着导线长度的增加脉冲个数的相对变化率η也增加，但是不论导线的长度是多少都满足η》η0的触摸动作判决条件。

　　所以，PCB手写板的焊盘的导线长度对于人体接触的触摸电容检测并不会产生明显的影响。因此在大小为10 cmx10 cm左右的PCB板上设计电容式手写板，焊盘导线长度对于手写板的触摸检测不会产生明显的影响。

　　2.3 手写板上按键自由空间耦合电容分析

　　在触摸板上触摸按键和矩阵键盘的排列方式一样，行列导向成垂直走向。触摸按键之间的距离会引起横向和纵向按键的耦合电容产生明显的变化。PCB手写板设计需要找出横向和纵向按键之间的距离对按键电容量影响的变化规律。从而设计触摸按键时，确定按键之间应该预留的距离，使得一个按键触摸动作发生时，对周围按键的影响最小，从而提高手写板对手写输入信息检测的准确性。

　　如图5所示为手写板中4个不同位置的触摸按键发生触摸动作时，对x方向和y方向的触摸按键的影响测量数据曲线图。从图中曲线可以看出手写板上触摸点在x和y方向上，0到10 mm内成二次曲线快速的衰减，而在距离大于10 mm之后平缓的减小。说明在这种按行列式排列的触摸按键组成的手写板，要减小有触摸动作的按键对周围按键的影响，在横向和纵向按键之间的距离尽量的要保持在10 mm以上。从而在进行手写动作时，使被触摸点对周围按键的影响较小，尽可能的降低手相互影响产生不准确。

　　

　　2.4 手写输入实验测试结果

　　通过实验研究分析在PCB板上利用焊盘制作的触摸按键构成的手写板的主要影响因素。确定在10 cmx10 cm的PCB板上制作分辨率为8x8的触摸手写板，每个触摸按键制作成大小为8 minx8 mim，行列之间的相互距离为2 mm的合适的参数后。在PCB上制作实现手写触摸板，控制器通过扫描横向和纵向的I/O口触摸电容对应的张弛振荡脉冲数，计算出每个按键的脉冲数相对变化率，并与选取的相对变化率进行比较，确定每个触摸按键的状态组成一幅数字图像。如图6所示，是PCB上手写板采集到的手写输入‘8’和‘S’时的二值数据图像。

　　

　　从图6可得，PCB制作完成的触摸手写板可以较为准确的得到用户的手写输入数据的二值图像。进而，通过图像识别算法对二值图像进行处理实现手写字符识别，判断出手写板用户输入的字符信息，实现用户的手写输入。

　　3 结论

　　触摸按键手写板设计采用电容触摸的原理，在PCB上利用焊盘制作触摸按键来设计手写板输入设备。在实现了单个触摸按键准确检测的基础上，分析了在 PCB上制作手写板制作时，单个触摸按键尺寸、按键到控制器的距离对手写检测的影响，以及在PCB上按键垂直布线时，按键横向和纵向距离对检测效果的影响。最后通过分析选取合适的参数，在10 cm×10 cm的PCB上实现手写板制作，并得到较为准确的手写输入字符的数字二值图像，完成了在PCB板上手写板的硬件设计。但是获得二值图像并没有完成手写板设计的全部任务，二值图像的识别还需要借鉴图像识别算法完成。