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开发具有的移动手持设备是一项复杂的设计挑战，尤其是对于投射式触摸屏设计来说更是如此，它代表了当前多点触摸界面的主流技术。投射式 电容触摸屏能够**定位手指轻触屏幕的位置，它通过测量电容的微小变化来判别手指位置。在此类触摸屏应用中，需要考虑的一个关键设计问题是电磁干扰 (emi)对系统性能的影响。干扰引起的性能下降可能对触摸屏设计产生不利影响，本文将对这些干扰源进行探讨和分析。
投射式电容触摸屏结构
典型的投射式电容安装在玻璃或塑料盖板下方。图1所示为双层式传感器的简化边视图。发射(tx)和接收(rx)电极连接到透明的氧化铟锡 (ito)，形成交叉矩阵，每个tx-rx结点都有一个特征电容。tx ito位于rx ito下方，由一层聚合物薄膜或光学胶(oca)隔开。如图所示，tx电极的方向从左至右，rx电极的方向从纸外指向纸内。
图1：传感器结构参考。
传感器工作原理
让我们暂不考虑干扰因素，来对触摸屏的工作进行分析：操作人员的手指标称处在地电势。rx通过触摸屏控制器电路被保持在地电势，而tx电压则可变。变化的 tx电压使电流通过tx-rx电容。一个仔细平衡过的rx，隔离并测量进入rx的电荷，测量到的电荷代表连接tx和rx的“互电容”。
传感器状态：未触摸
图2显示了未触摸状态下的磁力线示意图。在没有手指触碰的情况下，tx-rx磁力线占据了盖板内相当大的空间。边缘磁力线投射到电极结构之外，因此，术语“投射式电容”由之而来。
图2：未触摸状态下的磁力线。
传感器状态：触摸
当手指触摸盖板时，tx与手指之间形成磁力线，这些磁力线取代了大量的tx-rx边缘磁场，如图3所示。通过这种方式，手指触摸减少了tx-rx互电容。 电荷测量电路识别出变化的电容(△c)，从而检测到tx-rx结点上方的手指。通过对tx-rx矩阵的所有交叉点进行△c测量，便可得到整个面板的触摸分 布图。
图3还显示出另外一个重要影响：手指和rx电极之间的电容耦合。通过这条路径，电干扰可能会耦合到rx。某些程度的手指-rx耦合是不可避免的。
图3：触摸状态下的磁力线。
专用术语
投射式电容触摸屏的干扰通过不易察觉的寄生路径耦合产生。术语“地”通常既可用于指直流电路的参考节点，又可用于指低阻抗连接到大地：二者并非相同术语。 实际上，对于便携式触摸屏设备来说，这种差别正是引起触摸耦合干扰的根本原因。为了澄清和避免混淆，我们使用以下术语来评估触摸屏干扰。
earth(地)：与大地相连，例如，通过3孔交流插座的地线连接到大地。
distributed earth(分布式地)：物体到大地的电容连接。
dc ground(直流地)：便携式设备的直流参考节点。
dc power(直流电源)：便携式设备的电池电压。或者与便携式设备连接的充电器输出电压，例如usb接口充电器中的5v vbus。
dc vcc(直流vcc电源)：为便携式设备器件(包括lcd和触摸屏控制器)供电的稳定电压。
neutral(零线)：交流电源回路(标称处在地电势)。
hot(火线)：交流电源电压，相对零线施加电能。
lcd vcom耦合到触摸屏接收线路
便携式设备触摸屏可以直接安装到lcd显示屏上。在典型的lcd架构中，液晶材料由透明的上下电极提供偏置。下方的多个电极决定了显示屏的多个单像素;上 方的公共电极则是覆盖显示屏整个可视前端的连续平面，它偏置在电压vcom。在典型的低压便携式设备(例如手机)中，交流vcom电压为在直流地和 3.3v之间来回震荡的方波。交流vcom电平通常每个显示行切换一次，因此，所产生的交流vcom频率为显示帧刷新率与行数乘积的1/2。一个典型的便 携式设备的交流vcom频率可能为15khz。图4为lcd vcom电压耦合到触摸屏的示意图。
图4：lcd vcom干扰耦合模型。
双层触摸屏由布满tx阵列和rx阵列的分离ito层组成，中间用电介质层隔开。tx线占据tx阵列间距的整个宽度，线与线之间仅以制造所需的*小间距隔 开。这种架构被称为自屏蔽式，因为tx阵列将rx阵列与lcd vcom屏蔽开。然而，通过tx带间空隙，耦合仍然可能发生。
为降低架构成本并获得更好的透明度，单层触摸屏将tx和rx阵列安装在单个ito层上，并通过单独的桥依次跨接各个阵列。因此，tx阵列不能在lcd vcom平面和传感器rx电极之间形成屏蔽层。这有可能发生严重的vcom干扰耦合情况。
充电器干扰
触摸屏干扰的另一个潜在来源是电源供电手机充电器的。干扰通过手指耦合到触摸屏上，如图5所示。小型手机充电器通常有交流电源火线和零线输入，但 没有地线连接。充电器是安全隔离的，所以在电源输入和充电器次级线圈之间没有直流连接。然而，这仍然会通过开关电源隔离变压器产生电容耦合。充电器干扰通 过手指触摸屏幕而形成返回路径。
图5：充电器干扰耦合模型。
注意：在这种情况下，充电器干扰是指设备相对于地的外加电压。这种干扰可能会因其在直流电源和直流地上等值，而被描述成“共模”干扰。在充电器输出的直流 电源和直流地之间产生的电源开关噪声，如果没有被充分滤除，则可能会影响触摸屏的正常运行。这种电源抑制比(psrr)问题是另外一个问题，本文不做讨论。
充电器耦合阻抗
充电器开关干扰通过变压器初级-次级绕组漏电容(大约20pf)耦合产生。这种容耦合作用可以被出现在充电器线缆和受电设备本身相对分布式地的寄生并 联电容补偿。拿起设备时，并联电容将增加，这通常足以消除充电器开关干扰，避免干扰影响触摸操作。当便携式设备连接到充电器并放在桌面上，并且操作人员的 手指仅与触摸屏接触时，将会出现充电器产生的一种*坏情况的干扰。
充电器开关干扰分量
典型的手机充电器采用反激式(flyback)电路拓扑。这种充电器产生的干扰波形比较复杂，并且随充电器不同而差异很大，它取决于电路细节和输出电压控制策略。干扰振幅的变化也很大，这取决于制造商在开关变压器屏蔽上投入的设计努力和单位成本。典型参数包括：
波形：包括复杂的脉宽调制方波和lc振铃波形。频率：额定负载下40~150khz，负载很轻时，脉冲频率或跳周期操作下降到2khz以下。电压：可达电源峰值电压的一半=vrms/√2。
充电器电源干扰分量
在充电器前端，交流电源电压整流生成充电器高电压轨。这样，充电器的开关电压分量叠加在一个电源电压一半的正弦波上。与开关干扰相似，此电源电压也是通过 开关隔离变压器形成耦合。在50hz或60hz时，该分量的频率远低于开关频率，因此，其有效的耦合阻抗相应更高。电源电压干扰的严重程度取决于对地并联 阻抗的特性，同时还取决于触摸屏控制器对低频的灵敏度。
图6：充电器波形实例。
电源干扰的特殊情况：不带接地的3孔插头
额定功率较高的电源适配器(例如笔记本交流适配器)，可能会配置3孔交流电源插头。为了抑制输出端emi，充电器可能在内部把主电源的地引脚连接到输 出的直流地。此类充电器通常在火线和零线与地之间连接y电容，从而抑制来自电源线上的传导emi。假设有意使地连接存在，这类适配器不会对供电pc和 usb连接的便携式触摸屏设备造成干扰。图5中的虚线框说明了这种配置。
对于pc和其usb连接的便携式触摸屏设备来说，如果具有3孔电源输入的pc充电器插入了没有地连接的电源插座，充电器干扰的一种特殊情况将会产生。y电 容将交流电源耦合到直流地输出。相对较大的y电容值能够非常有效地耦合电源电压，这使得较大的电源频率电压通过触摸屏上的手指以相对较低的阻抗进行耦合。
本文小结
当今广泛用于便携式设备的投射式电容触摸屏很容易受到电磁干扰，来自内部或外部的干扰电压会通过电容耦合到触摸屏设备。这些干扰电压会引起触摸屏内的电荷 运动，这可能会对手指触摸屏幕时的电荷运动测量造成混淆。因此，触摸屏系统的有效设计和优化取决于对干扰耦合路径的认识，以及对其尽可能地消减或是补偿。
干扰耦合路径涉及到寄生效应，例如：变压器绕组电容和手指-设备电容。对这些影响进行适当的建模，可以充分认识到干扰的来源和大小。
对于许多便携式设备来说，电池充电器构成触摸屏主要的干扰来源。当操作人员手指接触触摸屏时，所产生的电容使得充电器干扰耦合电路得以关闭。充电器内部屏蔽设计的质量和是否有适当的充电器接地设计，是影响充电器干扰耦合的关键因素
控制电路整体结构如图1所示。当用触摸笔触摸lcd显示屏时，触摸检测装置对应的x、y轴上会分别感应到一个信号，这个信号经过模拟开关，然后经两级放大、滤波，将得到的信号分两路处理，一路是电压整流，另一路是频率检测电路；得到的数据通过mcu ht46rb70计算，判断出触摸屏的位置及触摸的方式，再由mcu将触摸信号发送到计算机，*终实现触摸输入。整个触摸屏控制电路的时序都是由控制的，其他模块的电路见后面的详细介绍。
图1 触摸屏控制电路整体结构
1. 模拟电子开关电路
模拟电子开关电路如图2所示，该电路的功能是驱动触摸屏检测装置，将触摸信号传送到信号处理电路。其电路主要是由cd4051组成，cd4051是一个8通道数字控制模拟开关，该芯片有3位二进制控制输入端a、b、c 和一个使能输入端inh,以及8个信号输入端和1个公共输出端。当inh输入端为高电平时，所有通道截止；当inh为低电平时，单片机通过3位二进制信号a、b、c选通一个通道的输入信号，从公共输出端out输出，经过两级放大电路及滤波电路后，将触摸信号分别发送到频率检测电路和电压整流电路的touch_sin端。图2中ax、bx、cx是x轴方向上电子开关的控制输入端，a0~a4是x轴方向上的电子开关的使能端，x00~x34与触摸屏检测装置x轴接口相连接，由于一个cd4051芯片只有8个通道的数字模拟开关，不能满足线圈数量的需求，故这里设计了由5个cd4051（u1~u5）组成的x轴方向上的模拟电子开关电路。同理可设计y轴方向上模拟电子电路。ay、by、cy为控制输入端，b0~b3作为使能端，y轴由4个cd4051（u6~u9）组成，图中y00~y29与触摸屏检测装置y轴接口相连接。
图2 模拟电子开关电路
2. 触摸信号频率检测电路
触摸信号的频率是由触摸笔发出，触摸笔上有两个按键，按下这两个按键可以输出两个不同频率的信号，分别为k1、k2.触摸笔的作用相当于鼠标，当触摸笔输出一次k1频率时相当于点击一下鼠标左键，输出一次k2频率相当于点击鼠标右键。当触摸笔笔尖与lcd距离≤3~5 cm时，触摸检测装置可感应到触摸信号，这时光标随着触摸笔在lcd上移动。触摸信号频率检测精度的高低是触摸屏是否稳定的关键因素。频率检测电路及仿真结果如图3、图4所示，touch_sin端为触摸信号输入端，通过施密特触发器，然后信号从fre端发送到单片机，进行运算处理，计算出触摸信号的频率。利用multisim软件平台建立出频率检测电路仿真模型，从仿真结果中可以看到，经过处理后的触摸信号转换为具有相同周期t的方波信号，将方波信号传送到微处理器，微处理器在t时间里计算出方波的个数n,则信号的周期t=t/n,频率f=1/t,由此确定触摸信号的频率。
图3 频率检测电路
单片机从端口touch_sin获得的频率信号的质量，决定了触摸屏能否快速响应正确的触摸动作.因此，在触摸信号频率检测电路设计中，使用施密特触发器（sn74lvc1g14）可以将触摸时产生的锯齿波形信号整形成较规则的方波信号。经过这样的设计，也可以有效消除触摸时因其他信号对频率的干扰或过快点击对触摸屏精度造成的影响。
图4 仿真结果
3. 触摸信号电压整流电路
图5 触摸信号整流电路
当触摸笔靠近lcd时，触摸检测器获得感应信号，经过电子开关及信号处理电路后，再对信号进行整流。触摸信号整流电路如图5所示。触摸信号由touch_sin输入，经过d整流。图中control与ht460rb70的pc4引脚相连接， ht460rb70通过pc4引脚控制的导通状态，通过充放电直接影响整流后的波形，使其更加准确。信号整流后还需经过一个同相放大电路，然后从sin发送到ht460rb70单片机pco/int引脚。在multisim中对触摸电压信号整流电路的仿真结果如图6所示，图中信号sin是处理后的信号波形。其结果表明，通过整流后得到平滑稳定的直流电压信号，有利于提高a/d转换的精度。
图8 仿真结果
4. mcu电路
mcu电路采用holtek公司的risc单片机--ht47rb70.该单片机是a/d转换型8位usb单片机，专门为usb产品而设计，尤其适用于usb或spi接口触控屏、触控按键等产品。
基于ht47rb70的电感式触摸屏mcu电路如图7所示。ht47rb70采用上电复位方式进行复位，ax、bx、cx和ay、by、cy与其pd0~pd2和pa0~pa2引脚分别作为x轴和y轴电子开关电路的选择端。pd3~pd6和pa3~pa6分别作为x轴和y轴上电子开关电路的使能端。pe0~pe2作为信号修正电路的控制端。通过触摸电压处理电路后的信号通过pb0/an0输入单片机，经过单片机内部的a/d转换器得出触摸电压的值，从而辨别出触摸效果。频率信号通过pc0/int输入单片机，通过单片机在单位时间内对方波个数的计数，即可得出信号的频率。*后通过将触摸信号转换成标准鼠标信号，通过usb接口输出到计算机，达到触摸效果。#p#分页标题#e#
图9 mcu电路
5. 软件设计
电感式触摸屏控制器软件设计主要包括：i/o初始化程序、定时计数器初始化、触摸笔中断服务程序、与计算机通信程序和主程序几部分。触摸笔中断程序中包括触摸坐标计算程序和触摸信号频率计算程序。当触摸控制器接收到触摸信号时，mcu响应触摸笔中断服务程序，得到触摸lcd的坐标，启动与计算机通信程序，将触摸信号发送到计算机，这样完成一次触摸。