AD7879控制器支持电阻式触摸屏上的手势识别

作者：Javier Calpe, Italo Medina, Alberto Carbajo, and Maria Jose Martinez

使用触摸的增强型低成本用户界面是各种消费、医疗、汽车和工业设备的宝贵功能。在许多消费类应用中，设计人员更喜欢昂贵的电容式触摸屏而不是电阻式技术，因为它们可以跟踪大量手指，并且似乎可以与用户进行更友好的交互。目前，低成本电阻技术填补了只需要一次触摸的市场利基市场，极其精确的空间分辨率至关重要，手写笔有助于特定功能，例如亚洲语言字符识别，或在用户必须戴手套的环境中。

虽然电阻技术传统上用于检测屏幕上单点触摸的位置，但本文提供了一种新的双点触控概念，它使用AD7879电阻式触摸屏控制器检测最常见的双指手势（缩放、捏合和旋转），使用廉价的电阻式触摸屏。

电阻式触摸屏的经典方法

典型的电阻屏具有两个平行的氧化铟锡 （ITO） 导电层，由间隙隔开（图 1）。上层（Y）的边缘电极相对于下层（X）的边缘电极旋转90°。当两层通过施加在屏幕小区域的压力使两层电接触时，就会发生“触摸”。如果在顶层的两个电极之间施加直流电压，而下层浮动，则触摸会使下层达到与触摸点相同的电压。通过测量底层的电压来确定触摸点的电阻与总电阻的比值，从而识别顶层方向的触摸坐标。然后，交换各层的电气连接，并获得另一轴上触摸点的坐标。

直流电压提供的层，其承载的电流与其阻抗成反比，称为“有源”层。测量电压的层称为“无源”层，因为没有相关电流流过它。当发生单次触摸时，在有源层形成分压器，无源层电压测量允许模数转换器读取与触摸点与负极距离成比例的电压1.

经典的 4 线电阻式触摸屏因其低成本而在单点触控应用中很受欢迎。用于多点触控的电阻式方法采用了各种技术，这些技术始终包括矩阵布局屏幕，但屏幕制造成本却大大增加。此外，控制器需要许多输入和输出来测量和驱动各种筛条，从而增加了控制器成本和测量时间。

图1.（a）电阻式触摸屏的结构，

（b）用户触摸屏幕时的电接触。

超越单点触控

然而，通过理解和建模过程背后的物理场，可以从电阻式触摸屏中提取更多信息。当发生两次触摸时，来自无源屏幕的一段电阻加上触摸触点的电阻与有源屏幕的导电段并联，因此电源看到的阻抗减小，电流增加。电阻控制器的经典方法假设通过有源层的电流是恒定的，而无源层是等电位的。只需轻轻一按，这些假设就不再成立，因此需要进行额外的测量来提取所需的信息。

电阻屏中的双触摸传感模型如图2所示。R触摸是层之间的接触电阻;在目前可用的大多数屏幕中，它通常与两层的电阻具有相同的顺序。如果恒定电流I流过有源层的端子，则有源层两端的电压如下：

图2.电阻屏双触的基本型号。

手势识别

手势识别背后的想法可以用捏合作为一个例子来更好地描述。捏合手势从两个分开的手指触摸开始。这会产生双触点，从而降低屏幕的阻抗，从而降低有源层板之间的电压差。随着手指靠拢，平行区域减小，因此屏幕的阻抗增加，有源层板之间的电压差也增加。

当紧紧夹紧时，并联电阻接近零并且Ru + Rd增加到总电阻，因此电压增加到

图 3 显示了沿垂直 （Y） 轴执行捏合的示例。其中一层的电极之间的电压是恒定的，而另一层在手势开始时显示阶跃降低，然后随着手指靠近而增加。

图3.执行垂直捏合时的电压测量。

图4显示了在倾斜处执行捏合时的电压测量值。在这种情况下，两个电压都显示出阶跃降低和缓慢恢复。两个恢复率之间的比率，由每层的电阻归一化，可用于检测手势的角度。

图4.执行对角线捏合时的电压测量。

如果手势是缩放（手指分开），则可以从前面的讨论中推断出行为。图5显示了沿每个轴和倾斜方向执行缩放手势时在两个有源层中测量的电压趋势。

图5.在不同方向上执行变焦时的电压趋势。

使用AD7879检测手势

AD7879触摸屏控制器设计用于与4线电阻式触摸屏接口。除了感应触摸外，它还测量辅助输入端的温度和电压。所有四个触摸测量以及温度、电池和辅助电压测量都可以编程到其片内定序器中。

AD7879配有一对低成本运算放大器，可以执行上述捏合和变焦手势测量，如图6所示。

以下步骤描述了识别手势的过程：

在第一个半周期中，向顶层（有源）施加直流电压，X+引脚上的电压（对应于VY+– VY–） 进行测量。这提供了与 Y 方向上的运动（一起或分开）相关的信息。

在第二个半周期中，向底部（有源）层施加直流电压，Y+引脚上的电压（对应于VX+– VX–） 进行测量。这提供了与 X 方向上的运动（一起或分开）相关的信息。

图6中的电路要求差分放大器具有短路至V保护DD.在第一个半周期期间，下部放大器的输出短路至VDD.在第二个半周期期间，上部放大器的输出短路至VDD.为避免这种情况，AD7879的GPIO可以控制两个外部模拟开关，如图7所示。

图6.基本手势检测的应用图。

图7.避免放大器输出短路至VDD的应用图。

在这种情况下，AD7879编程为从机转换模式，仅测量一个半周期。当AD7879完成转换时，会产生中断。主机处理器对AD7879进行重新编程以测量第二个半周期，并更改AD7879 GPIO的值。在第二次转换结束时，两个图层的结果都存储在设备中。

旋转可以建模为一个方向上的同时缩放和正交捏合，因此检测一个并不困难。挑战在于区分顺时针 （CW） 和逆时针 （CCW） 手势;这无法通过上述过程实现。检测旋转及其方向需要对主动和被动两层进行测量，如图8所示。由于图7中的电路无法满足这一要求，因此图9提出了一种新的拓扑结构。

图8.执行 CW 和 CCW 旋转时的电压测量。

图 9 中提出的拓扑允许执行以下操作：

半周期 1：电压施加到 Y 层，同时 （VY+– VY–）、VX–和 VX+被测量。AD7879在每次测量完成后都会产生一个中断，允许处理器更改GPIO配置。

半周期 2：电压施加到 X 层，同时 （VX+– VX–）、VY–和 VY+被测量。

图9所示电路允许测量实现完整性能所需的所有电压，即a）单点触摸位置，b）缩放、捏合和旋转手势检测和量化，以及c）CW与CCW旋转判别。执行双点触控手势时的单点触控操作可提供手势质心的估计值。

图9.单点触摸定位和手势检测的应用图。

实用提示

与柔和手势相关的电压变化非常微妙。通过增加这些变化可以提高系统的鲁棒性，例如在屏幕电极和AD7879引脚之间增加一个小电阻;这将增加有源层中的压降，并在一定程度上降低单点触摸定位的精度。

另一种方法是仅在低侧连接上添加一个电阻，当X和Y电极是有源层时，仅感测它们。通过这样做，可以施加一些增益，因为直流值非常低。

ADI公司提供各种放大器和多路复用器，可满足图6、图7和图9所示应用的需求。电路测试电路时采用双通道运算放大器AD8506和ADG16xx系列模拟多路复用器，采用3.3 V单电源供电，具有低导通电阻。

结论

变焦、收缩和旋转可以使用AD7879控制器检测，辅助电路最少。这些手势只能通过活动层中的测量来识别。旋转方向判别可以通过测量无源层中的电压来实现，这可以通过使用主机处理器的两个GPIO来实现。在该处理器中执行的相当简单的算法可以识别缩放、捏合和旋转，估计它们的范围、角度和方向。

审核编辑：郭婷