多点触摸屏技术实现原理

多点触摸屏技术实现原理

多点触摸顾名思义就是识别到两个或以上手指的触摸。多点触摸技术目前有两种：Multi-Touch Gesture和Multi-Touch All-Point。通俗地讲，就是多点触摸识别手势方向和多点触摸识别手指位置。 

识别手势方向 

我们现在看到最多的是Multi-Touch Gesture，即两个手指触摸时，可以识别到这两个手指的运动方向，但还不能判断出具体位置，可以进行缩放、平移、旋转等操作。这种多点触摸的实现方式比较简单，轴坐标方式即可实现。把ITO分为X、Y轴，可以感应到两个触摸操作，但是感应到触摸和探测到触摸的具体位置是两个概念。XY轴方式的触摸屏可以探测到第2个触摸，但是无法了解第二个触摸的确切位置。单一触摸在每个轴上产生一个单一的最大值，从而断定触摸的位置，如果有第二个手指触摸屏面，在每个轴上就会有两个最大值。这两个最大值可以由两组不同的触摸来产生，于是系统就无法准确判断了。有的系统引入时序来进行判断，假设两个手指不是同时放上去的，但是，总有同时触碰的情况，这时，系统就无法猜测了。我们可以把并不是真正触摸的点叫做“鬼点”，如下图所示。 

图示：鬼点（无法分辨红点还是蓝点为真正的触摸）

识别手指位置 

Multi-Touch All-Point是近期比较流行的话题。其可以识别到触摸点的具体位置，即没有“鬼点”的现象。多点触摸识别位置可以应用于任何触摸手势的检测，可以检测到双手十个手指的同时触摸，也允许其他非手指触摸形式，比如手掌、脸、拳头等，甚至戴手套也可以，它是最人性化的人机接口方式，很适合多手同时操作的应用，比如游戏控制。Multi-Touch All-Point的扫描方式是每行和每列交叉点都需单独扫描检测，扫描次数是行数和列数的乘积。例如，一个10根行线、15根列线所构成的触摸屏，使用Multi-Touch Gesture的轴坐标方式，需要扫描的次数为25次，而多点触摸识别位置方式则需要150次。 

Multi-Touch All-Point基于互电容的检测方式，而不是自电容，自电容检测的是每个感应单元的电容（也就是寄生电容Cp）的变化，有手指存在时寄生电容会增加，从而判断有触摸存在，而互电容是检测行列交叉处的互电容（也就是耦合电容Cm）的变化，如图2所示，当行列交叉通过时，行列之间会产生互电容（包括：行列感应单元之间的边缘电容，行列交叉重叠处产生的耦合电容），有手指存在时互电容会减小，就可以判断触摸存在，并且准确判断每一个触摸点位置。 

图示：互电容检测方式

触摸屏技术 

下面介绍一下触摸屏。触摸屏，简单讲就是输入和输出合二为一，不再需要机械的按键或滑条，显示屏就是人机接口。 

下图所示为一个触摸屏模组示意图，整个模组由LCD，触摸屏，触摸屏控制器，主CPU，LCD控制器构成。触摸屏和触摸屏控制器是整个模组的核心所在，所以我们会重点介绍这两个部分。 

图示：感应电容触摸屏结构

图示：触摸屏模组示意图

上图从上到下依次是：1表面护罩；2覆盖层；3掩膜层&标示层；4光学胶；5第一层感应单元与衬底；6光学胶；7第二层感应单元与衬底；8空气层或光学胶；9 LCD显示屏。 

表面护罩通常小于100um厚度。所有塑料覆盖层上面都需要硬护罩，这是因为手指触摸会划伤塑料表面，如果覆盖层是玻璃 可以不需要表面护罩，但玻璃必须经过化学加强或淬火处理，表面护罩需要与覆盖层进行光学匹配，以免光损失过多。 

覆盖层可以是0~3 mm厚，并不是所有的触摸屏都需要覆盖层，覆盖层越薄，越可以获得更高的信噪比和更好的感应灵敏度。常用材料有：聚碳酸脂、有机玻璃和玻璃。 

第三层是掩膜层与标示层，它的厚度大致是100mm。掩膜层位于覆盖物的下面，可以隐藏布线和LCD的边缘等。在设计中允许增加标示性文字或图标，不过标示物必须相当平整的压在ITO的衬底上，而且标示物材料应该是非导电的。 

第四层是光学胶，厚度约为25~200mm。光学胶越薄，信噪比越好，高介电常数(er)的光学胶可有更好的感应手指电容，从而也能获得更高的信噪比。通常应用 PSA压敏胶。 

第五层为感应单元与衬底，ITO涂层的厚度小于100nm，ITO涂层衬底可以是100 um ~1mm 的玻璃 (IR ~ 1.52)或是25mm ~ 300mm PET 薄膜 (IR ~ 1.65)。越厚的 ITO，单位面积电阻越低，信噪比越好；越薄的ITO ，透光率越好。衬底可以是薄膜或玻璃。如果ITO做在玻璃衬底的下表面，玻璃衬底可以作为表面覆盖物。 

第六层又是一层光学胶，与前一层光学胶比较，这一层光学胶越厚信噪比越好，这一层光学胶通常与ACA - 各向异性导电胶结合使用 

第七层也是感应单元与衬底，它与第一层衬底的材料相同。注意薄膜与玻璃不要混合使用。如果ITO 在衬底上表面，厚的衬底 可以获得更高的信噪比；如果ITO 在衬底的下表面，薄的衬底使信噪比更高。同样在边缘区域要求采用异向导电胶。现在已有单衬底工艺来简化生产和降低成本。 

第八层是空气或光学胶层，我们知道，空气的介电常数等于1，这可以减小来自LCD上表面的寄生电容。假如使用光学胶，可以使安装更坚固。需要使光学参数匹配可以使得光损失更小，需要选择尽可能最低介电常数的光学胶，还要保证ITO感应单元与LCD上表面之间的距离最小250mm。 

最后是LCD屏，对于触摸屏设计来说，它是一个噪声源，噪声来自于背光，LCD像素驱动控制信号，通常不要采用被动点阵屏，这会在LCD的正面产生高压信号，尽量使用带Vcom的有源点阵屏，这可构成虚地或屏蔽功能；如果确实需要采用被动点阵屏，需要在触摸屏中再增加一个ITO屏蔽层，屏蔽层必须接地, 以去除寄生电容CP的影响。 

多点触摸屏控制器 

多点触摸屏控制器是触摸屏模组的核心，本文以Cypress的触摸屏控制器为例进行介绍。 

Cypress的触摸屏控制器是Truetouch系列，它基于已经被广泛应用的PSoC（可编程系统芯片）技术。PSoC是集成了可编程模拟和数字外围以及MCU核的混合信号阵列，所以PSoC的灵活性、可编程性、高集成度等特性同样适用于Truetouch方案。 

TrueTouch方案是感应电容触摸屏方案。前面已介绍了这种触摸屏的结构。可以说LCD的厂家和种类有很多，感应器件也很多，玻璃、薄膜、ITO等，甚至ITO的模型也有多种。Truetouch基于PSoC技术，所以PSoC的灵活性使得它和众多的LCD和ITO都能很好配合。 

为什么Cypress的触摸屏控制器起名叫做Truetouch方案，或者是说这个“True”是怎么来的？回顾一下触摸屏的发展历程，从最初Single-touch—只能有一个手指进行触摸或滑动；后来Multi-touch gesture也产生了—可以识别到两个手指的方向，但还不能判断出他们的具体位置，可以进行缩放、平移、旋转等操作；发展到今天—Cypress的True touch可以做到Multi-touch all-point，可以识别到多个手指并判断出准确位置，是真正的多点触摸，这也是True的由来。 

Truetouch的产品系列可以分成三类，单点触摸, 多点触摸识别方向（multi-touch gesture）以及多点触摸识别位置（ multi-touch all-point）。每一类又有各种型号，在屏幕尺寸、扫描速度、通讯方式、存储器大小、功耗等方面作了区别，可以满足不同的应用。Truetouch系列是基于PSoC技术的，所以这些器件可以使用简单方便但功能强大的PSoC designer软件环境进行设计。 

TrueTouch方案的价值主要体现在以下几个方面：保持了触摸屏固有的美观、轻、薄特点，可以使客户的产品脱颖而出；采用感应电容触摸屏技术，不需机械器件，更耐用；拥有完整的系列，从单点触摸，到多点触摸识别方向，再到多点触摸识别位置；基于PSoC技术，使用灵活，可以和众多的LCD和ITO配合使用；PSoC所有的价值在Truetouch里都能体现，例如灵活性，可编程性等等，可以缩短开发周期，使产品快速上市，还有集成度高，可以把很多外围器件集成到PSoC（即Truetouch产品），这样不仅可以降低系统成本以外，还可以降低总体功耗，提高电源效率。 

结语 

本文介绍了多点触摸技术以及触摸屏和触摸屏控制器。可以说，触摸屏是人机接口的最终选择。不管是单点触摸，还是多点触摸识别方向，抑或多点触摸识别位置，它们在很多应用中都优势明显，例如手机、Mp3、GPS等等。这些产品本身就要求具有体积小便于携带的特点，如何能够使小体积产品发挥更多的功能，这就依赖于触摸屏的应用。(end)

多点触控的原理
      多点电容触摸屏是从电容式触摸按键经过插值算法引申出来的一种触摸屏检测方法，可以支持多点触摸

       Multi-Touch All-Point ：多点触摸识别位置可以应用于任何触摸手势的检测，可以检测到双手十个手指的同时触摸，也允许其他非手指触摸形式，比如手掌、脸、拳头等，甚至戴手套也可以 。

 　　Multi-Touch All-Point基于互电容的检测方式，而不是自电容，互电容是检测行列交叉处的互电容（也就是耦合电容Cm）的变化，当行列交叉通过时，行列之间会产生互电容（包括：行列感应单元之间的边缘电容，行列交叉重叠处产生的耦合电容），有手指存在时互电容会减小，就可以判断触摸存在，并且准确判断每一个触摸点位置。Iphone的触摸屏采用的是Multi-Touch All-Point的检测方式。

 　　多重触控的任务可以分解为两个方面的工作，一是同时采集多点信号，二是对每路信号的意义进行判断，也就是所谓的手势识别。与只能接受单点输入的触摸技术相比，多重触控技术允许用户在多个地方同时触摸显示屏，以便能够对网页或图片进行伸缩和旋转等操作。苹果iPhone仅允许两个手指操作，所以又可以称作“双重触控”，而微软即将发售的Surface电脑则可对52个触摸点同时做出响应。

 　　为了实现多点触控功能，多重触控屏与单点触摸屏采用了完全不同的结构。从屏幕的外部看，单点触摸屏只有很少几根信号线(一般为4Pin或者5Pin)，而多重触控屏有很多引线；从内部看，单点触摸屏的导电层只是一个平板，而多重触控屏则是平板上划分出许许多多相对独立的触控单元，每个触控单元通过独立的引线连接到外部电路，所有触控单元在板子上呈矩阵排列。这样，当用户的手指触摸到屏幕上的某个部位时，会从相应的检测线输出信号。手指移动到另一个部位时，又会从另外的检测线输出信号。

        多点触摸顾名思义就是识别到两个或以上手指的触摸。多点触摸技术目前有两种：Multi-Touch Gesture和Multi-Touch All-Point。通俗地讲，就是多点触摸识别手势方向和多点触摸识别手指位置。 

识别手势方向 

我们现在看到最多的是Multi-Touch Gesture，即两个手指触摸时，可以识别到这两个手指的运动方向，但还不能判断出具体位置，可以进行缩放、平移、旋转等操作。这种多点触摸的实现方式比较简单，轴坐标方式即可实现。把ITO分为X、Y轴，可以感应到两个触摸操作，但是感应到触摸和探测到触摸的具体位置是两个概念。XY轴方式的触摸屏可以探测到第2个触摸，但是无法了解第二个触摸的确切位置。单一触摸在每个轴上产生一个单一的最大值，从而断定触摸的位置，如果有第二个手指触摸屏面，在每个轴上就会有两个最大值。这两个最大值可以由两组不同的触摸来产生，于是系统就无法准确判断了。有的系统引入时序来进行判断，假设两个手指不是同时放上去的，但是，总有同时触碰的情况，这时，系统就无法猜测了。我们可以把并不是真正触摸的点叫做“鬼点”，如下图所示。 

图示：鬼点（无法分辨红点还是蓝点为真正的触摸）

识别手指位置 

Multi-Touch All-Point是近期比较流行的话题。其可以识别到触摸点的具体位置，即没有“鬼点”的现象。多点触摸识别位置可以应用于任何触摸手势的检测，可以检测到双手十个手指的同时触摸，也允许其他非手指触摸形式，比如手掌、脸、拳头等，甚至戴手套也可以，它是最人性化的人机接口方式，很适合多手同时操作的应用，比如游戏控制。Multi-Touch All-Point的扫描方式是每行和每列交叉点都需单独扫描检测，扫描次数是行数和列数的乘积。例如，一个10根行线、15根列线所构成的触摸屏，使用Multi-Touch Gesture的轴坐标方式，需要扫描的次数为25次，而多点触摸识别位置方式则需要150次。 

Multi-Touch All-Point基于互电容的检测方式，而不是自电容，自电容检测的是每个感应单元的电容（也就是寄生电容Cp）的变化，有手指存在时寄生电容会增加，从而判断有触摸存在，而互电容是检测行列交叉处的互电容（也就是耦合电容Cm）的变化，如图2所示，当行列交叉通过时，行列之间会产生互电容（包括：行列感应单元之间的边缘电容，行列交叉重叠处产生的耦合电容），有手指存在时互电容会减小，就可以判断触摸存在，并且准确判断每一个触摸点位置。 

图示：互电容检测方式

触摸屏技术 

下面介绍一下触摸屏。触摸屏，简单讲就是输入和输出合二为一，不再需要机械的按键或滑条，显示屏就是人机接口。 

下图所示为一个触摸屏模组示意图，整个模组由LCD，触摸屏，触摸屏控制器，主CPU，LCD控制器构成。触摸屏和触摸屏控制器是整个模组的核心所在，所以我们会重点介绍这两个部分。 

图示：感应电容触摸屏结构

图示：触摸屏模组示意图

上图从上到下依次是：1表面护罩；2覆盖层；3掩膜层&标示层；4光学胶；5第一层感应单元与衬底；6光学胶；7第二层感应单元与衬底；8空气层或光学胶；9 LCD显示屏。 

表面护罩通常小于100um厚度。所有塑料覆盖层上面都需要硬护罩，这是因为手指触摸会划伤塑料表面，如果覆盖层是玻璃 可以不需要表面护罩，但玻璃必须经过化学加强或淬火处理，表面护罩需要与覆盖层进行光学匹配，以免光损失过多。 

覆盖层可以是0~3 mm厚，并不是所有的触摸屏都需要覆盖层，覆盖层越薄，越可以获得更高的信噪比和更好的感应灵敏度。常用材料有：聚碳酸脂、有机玻璃和玻璃。 

第三层是掩膜层与标示层，它的厚度大致是100mm。掩膜层位于覆盖物的下面，可以隐藏布线和LCD的边缘等。在设计中允许增加标示性文字或图标，不过标示物必须相当平整的压在ITO的衬底上，而且标示物材料应该是非导电的。 

第四层是光学胶，厚度约为25~200mm。光学胶越薄，信噪比越好，高介电常数(er)的光学胶可有更好的感应手指电容，从而也能获得更高的信噪比。通常应用 PSA压敏胶。 

第五层为感应单元与衬底，ITO涂层的厚度小于100nm，ITO涂层衬底可以是100 um ~1mm 的玻璃 (IR ~ 1.52)或是25mm ~ 300mm PET 薄膜 (IR ~ 1.65)。越厚的 ITO，单位面积电阻越低，信噪比越好；越薄的ITO ，透光率越好。衬底可以是薄膜或玻璃。如果ITO做在玻璃衬底的下表面，玻璃衬底可以作为表面覆盖物。 

第六层又是一层光学胶，与前一层光学胶比较，这一层光学胶越厚信噪比越好，这一层光学胶通常与ACA - 各向异性导电胶结合使用 

第七层也是感应单元与衬底，它与第一层衬底的材料相同。注意薄膜与玻璃不要混合使用。如果ITO 在衬底上表面，厚的衬底 可以获得更高的信噪比；如果ITO 在衬底的下表面，薄的衬底使信噪比更高。同样在边缘区域要求采用异向导电胶。现在已有单衬底工艺来简化生产和降低成本。 

第八层是空气或光学胶层，我们知道，空气的介电常数等于1，这可以减小来自LCD上表面的寄生电容。假如使用光学胶，可以使安装更坚固。需要使光学参数匹配可以使得光损失更小，需要选择尽可能最低介电常数的光学胶，还要保证ITO感应单元与LCD上表面之间的距离最小250mm。 

最后是LCD屏，对于触摸屏设计来说，它是一个噪声源，噪声来自于背光，LCD像素驱动控制信号，通常不要采用被动点阵屏，这会在LCD的正面产生高压信号，尽量使用带Vcom的有源点阵屏，这可构成虚地或屏蔽功能；如果确实需要采用被动点阵屏，需要在触摸屏中再增加一个ITO屏蔽层，屏蔽层必须接地, 以去除寄生电容CP的影响。 

多点触摸屏控制器 

多点触摸屏控制器是触摸屏模组的核心，本文以Cypress的触摸屏控制器为例进行介绍。 

Cypress的触摸屏控制器是Truetouch系列，它基于已经被广泛应用的PSoC（可编程系统芯片）技术。PSoC是集成了可编程模拟和数字外围以及MCU核的混合信号阵列，所以PSoC的灵活性、可编程性、高集成度等特性同样适用于Truetouch方案。 

TrueTouch方案是感应电容触摸屏方案。前面已介绍了这种触摸屏的结构。可以说LCD的厂家和种类有很多，感应器件也很多，玻璃、薄膜、ITO等，甚至ITO的模型也有多种。Truetouch基于PSoC技术，所以PSoC的灵活性使得它和众多的LCD和ITO都能很好配合。 

为什么Cypress的触摸屏控制器起名叫做Truetouch方案，或者是说这个“True”是怎么来的？回顾一下触摸屏的发展历程，从最初Single-touch—只能有一个手指进行触摸或滑动；后来Multi-touch gesture也产生了—可以识别到两个手指的方向，但还不能判断出他们的具体位置，可以进行缩放、平移、旋转等操作；发展到今天—Cypress的True touch可以做到Multi-touch all-point，可以识别到多个手指并判断出准确位置，是真正的多点触摸，这也是True的由来。 

Truetouch的产品系列可以分成三类，单点触摸, 多点触摸识别方向（multi-touch gesture）以及多点触摸识别位置（ multi-touch all-point）。每一类又有各种型号，在屏幕尺寸、扫描速度、通讯方式、存储器大小、功耗等方面作了区别，可以满足不同的应用。Truetouch系列是基于PSoC技术的，所以这些器件可以使用简单方便但功能强大的PSoC designer软件环境进行设计。 

TrueTouch方案的价值主要体现在以下几个方面：保持了触摸屏固有的美观、轻、薄特点，可以使客户的产品脱颖而出；采用感应电容触摸屏技术，不需机械器件，更耐用；拥有完整的系列，从单点触摸，到多点触摸识别方向，再到多点触摸识别位置；基于PSoC技术，使用灵活，可以和众多的LCD和ITO配合使用；PSoC所有的价值在Truetouch里都能体现，例如灵活性，可编程性等等，可以缩短开发周期，使产品快速上市，还有集成度高，可以把很多外围器件集成到PSoC（即Truetouch产品），这样不仅可以降低系统成本以外，还可以降低总体功耗，提高电源效率。 

结语 

本文介绍了多点触摸技术以及触摸屏和触摸屏控制器。可以说，触摸屏是人机接口的最终选择。不管是单点触摸，还是多点触摸识别方向，抑或多点触摸识别位置，它们在很多应用中都优势明显，例如手机、Mp3、GPS等等。这些产品本身就要求具有体积小便于携带的特点，如何能够使小体积产品发挥更多的功能，这就依赖于触摸屏的应用。(end)

多点触控的原理
      多点电容触摸屏是从电容式触摸按键经过插值算法引申出来的一种触摸屏检测方法，可以支持多点触摸

       Multi-Touch All-Point ：多点触摸识别位置可以应用于任何触摸手势的检测，可以检测到双手十个手指的同时触摸，也允许其他非手指触摸形式，比如手掌、脸、拳头等，甚至戴手套也可以 。

 　　Multi-Touch All-Point基于互电容的检测方式，而不是自电容，互电容是检测行列交叉处的互电容（也就是耦合电容Cm）的变化，当行列交叉通过时，行列之间会产生互电容（包括：行列感应单元之间的边缘电容，行列交叉重叠处产生的耦合电容），有手指存在时互电容会减小，就可以判断触摸存在，并且准确判断每一个触摸点位置。Iphone的触摸屏采用的是Multi-Touch All-Point的检测方式。

 　　多重触控的任务可以分解为两个方面的工作，一是同时采集多点信号，二是对每路信号的意义进行判断，也就是所谓的手势识别。与只能接受单点输入的触摸技术相比，多重触控技术允许用户在多个地方同时触摸显示屏，以便能够对网页或图片进行伸缩和旋转等操作。苹果iPhone仅允许两个手指操作，所以又可以称作“双重触控”，而微软即将发售的Surface电脑则可对52个触摸点同时做出响应。

 　　为了实现多点触控功能，多重触控屏与单点触摸屏采用了完全不同的结构。从屏幕的外部看，单点触摸屏只有很少几根信号线(一般为4Pin或者5Pin)，而多重触控屏有很多引线；从内部看，单点触摸屏的导电层只是一个平板，而多重触控屏则是平板上划分出许许多多相对独立的触控单元，每个触控单元通过独立的引线连接到外部电路，所有触控单元在板子上呈矩阵排列。这样，当用户的手指触摸到屏幕上的某个部位时，会从相应的检测线输出信号。手指移动到另一个部位时，又会从另外的检测线输出信号。