中心議題：

• 阻性觸摸屏的經典方法
• 阻性屏幕兩點觸摸的基本模型
• 手勢識別技術

解決方案：

• 用阻性觸摸屏控製器檢測最常見的雙指手勢

對於各種消費、醫療
、汽(qi)車(che)和(he)工(gong)業(ye)設(she)備(bei)，增(zeng)強(qiang)的(de)低(di)成(cheng)本(ben)觸(chu)控(kong)式(shi)用(yong)戶(hu)界(jie)麵(mian)是(shi)一(yi)個(ge)極(ji)具(ju)價(jia)值(zhi)的(de)特(te)性(xing)。在(zai)許(xu)多(duo)消(xiao)費(fei)電(dian)子(zi)應(ying)用(yong)中(zhong)
，設(she)計(ji)師(shi)偏(pian)向(xiang)使(shi)用(yong)容(rong)性(xing)觸(chu)摸(mo)屏(ping)，而(er)不(bu)願(yuan)使(shi)用(yong)阻(zu)性(xing)觸(chu)摸(mo)技(ji)術(shu)
，原(yuan)因(yin)是(shi)前(qian)者(zhe)可(ke)以(yi)跟(gen)蹤(zong)手(shou)指(zhi)
，似(si)乎(hu)能(neng)夠(gou)提(ti)供(gong)更(geng)友(you)好(hao)的(de)用(yong)戶(hu)交(jiao)互(hu)體(ti)驗(yan)。目(mu)前(qian)
，低(di)成(cheng)本(ben)阻(zu)性(xing)技(ji)術(shu)的(de)應(ying)用(yong)市(shi)場(chang)包(bao)括(kuo)：隻需要單點觸控、至關重要的極其精確的空間分辨率
、利用觸控筆來實現特定功能（如亞洲語言符號識別等），或者用戶必須戴手套的場合。 雖然阻性技術傳統上是用來檢測屏幕上“單點觸摸”的位置，但本文提出了一個創新的“兩點觸摸”概念，它利用阻性觸摸屏控製器 AD7879 在廉價的阻性觸摸屏上檢測最常見的雙指手勢（縮放、捏合和旋轉）。

阻性觸摸屏的經典方法

典型的阻性觸摸屏包括兩個平行的氧化銦錫(ITO)導電層
，中間的間隙將兩層分開（圖 1）。上層(Y)的邊緣電極相對於下層(X)的邊緣電極旋轉 90°。當對屏幕的一個小區域施加壓力
，使這兩層發生電氣接觸時，就發生了“觸摸”現(xian)象(xiang)。如(ru)果(guo)在(zai)上(shang)層(ceng)的(de)兩(liang)個(ge)電(dian)極(ji)之(zhi)間(jian)施(shi)加(jia)一(yi)個(ge)直(zhi)流(liu)電(dian)壓(ya)，而(er)下(xia)層(ceng)懸(xuan)空(kong)，則(ze)觸(chu)摸(mo)將(jiang)使(shi)下(xia)層(ceng)獲(huo)得(de)與(yu)觸(chu)摸(mo)點(dian)相(xiang)同(tong)的(de)電(dian)壓(ya)。判(pan)斷(duan)上(shang)層(ceng)方(fang)向(xiang)觸(chu)摸(mo)坐(zuo)標(biao)的(de)方(fang)法(fa)是(shi)測(ce)量(liang)下(xia)層(ceng)的(de)電(dian)壓(ya)，以(yi)便(bian)確(que)定(ding)觸(chu)摸(mo)點(dian)處(chu)的(de)電(dian)阻(zu)占(zhan)總(zong)電(dian)阻(zu)的(de)比(bi)值(zhi)。然(ran)後(hou)交(jiao)換(huan)兩(liang)層(ceng)的(de)電(dian)氣(qi)連(lian)接(jie)，獲(huo)得(de)觸(chu)摸(mo)點(dian)在(zai)另(ling)一(yi)個(ge)軸(zhou)上(shang)的(de)坐(zuo)標(biao)。

連接直流電壓的層稱為“有源”層，電流與其阻抗成反比。測量電壓的層稱為“無源”層(ceng)，無(wu)相(xiang)關(guan)電(dian)流(liu)流(liu)經(jing)該(gai)層(ceng)。發(fa)生(sheng)單(dan)點(dian)觸(chu)摸(mo)時(shi)
，在(zai)有(you)源(yuan)層(ceng)中(zhong)形(xing)成(cheng)一(yi)個(ge)分(fen)壓(ya)器(qi)，無(wu)源(yuan)層(ceng)電(dian)壓(ya)測(ce)量(liang)通(tong)過(guo)一(yi)個(ge)模(mo)數(shu)轉(zhuan)換(huan)器(qi)讀(du)取(qu)與(yu)觸(chu)摸(mo)點(dian)和(he)負(fu)電(dian)極(ji)之(zhi)間(jian)的(de)距(ju)離(li)成(cheng)比(bi)例(li)的(de)電(dian)壓(ya)1.

由於成本低廉，傳統的 4 xianzuxingchumopingshenshoudandianchukongyingyongdehuanying。shixianzuxingduodianchukongdejishuyouduozhong，qizhongzongshihuiyongdaoyigejuzhenbujupingmu，danpingmuzhizaochengbengaodexiaren。ciwai，kongzhiqixuyaoxuduoshuruheshuchulaicelianghequdonggegepingmudai
，daozhikongzhiqichengbenheceliangshijianzengjia。

圖 1. (a) 阻性觸摸屏的結構；(b) 用戶觸摸屏幕時的電氣接觸

超越單點觸控

雖sui然ran如ru此ci
，但dan通tong過guo理li解jie並bing模mo擬ni該gai過guo程cheng背bei後hou的de物wu理li原yuan理li
，我wo們men可ke以yi從cong阻zu性xing觸chu摸mo屏ping提ti取qu更geng多duo信xin息xi。當dang發fa生sheng兩liang點dian觸chu摸mo時shi，無wu源yuan屏ping幕mu中zhong的de一yi段duan電dian阻zu加jia上shang觸chu點dian的de電dian阻zu與yu有you源yuan屏ping幕mu的de導dao電dian段duan並bing聯lian，因yin此ci電dian源yuan的de負fu載zai阻zu抗kang減jian小xiao，電dian流liu增zeng大da。阻zu性xing控kong製zhi器qi的de經jing典dian方fang法fa是shi假jia設she有you源yuan層ceng中zhong的de電dian流liu恒heng定ding不bu變bian
，無wu源yuan層ceng為wei等deng電dian位wei。兩liang點dian觸chu摸mo時shi
，這zhe些xie假jia設she不bu再zai成cheng立li
，為wei了le提ti取qu所suo需xu的de信xin息xi
，需xu要yao進jin行xing更geng多duo測ce量liang。

阻性屏幕中的兩點觸摸檢測模型如圖 2 所示。Rtouch為層間的接觸電阻
；在現有的大多數屏幕中，其數量級一般與兩層的電阻相同。如果有一個恒定的電流I流經有源層的兩端
，則有源層上的電壓為：

圖 2. 阻性屏幕兩點觸摸的基本模型

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手勢識別

以“捏合”(pinch)作(zuo)為(wei)範(fan)例(li)可(ke)以(yi)更(geng)好(hao)地(di)描(miao)述(shu)手(shou)勢(shi)識(shi)別(bie)的(de)工(gong)作(zuo)原(yuan)理(li)。捏(nie)合(he)手(shou)勢(shi)從(cong)兩(liang)根(gen)分(fen)開(kai)較(jiao)遠(yuan)的(de)手(shou)指(zhi)觸(chu)摸(mo)開(kai)始(shi)，產(chan)生(sheng)雙(shuang)重(zhong)接(jie)觸(chu)，使(shi)得(de)屏(ping)幕(mu)的(de)阻(zu)抗(kang)降(jiang)低(di)，有(you)源(yuan)層(ceng)兩(liang)根(gen)電(dian)極(ji)之(zhi)間(jian)的(de)電(dian)壓(ya)差(cha)因(yin)此(ci)減(jian)小(xiao)。隨(sui)著(zhe)兩(liang)根(gen)手(shou)指(zhi)越(yue)來(lai)越(yue)接(jie)近(jin)
，並(bing)聯(lian)麵(mian)積(ji)減(jian)小(xiao)，因(yin)而(er)屏(ping)幕(mu)的(de)阻(zu)抗(kang)提(ti)高(gao)，有(you)源(yuan)層(ceng)兩(liang)根(gen)電(dian)極(ji)之(zhi)間(jian)的(de)電(dian)壓(ya)差(cha)相(xiang)應(ying)地(di)增(zeng)大(da)。

緊密捏合後，並聯電阻趨於 0，Ru + Rd提高到總電阻，因此電壓增大到：

圖 3 顯示了一個沿著垂直(Y)zhouniehedelizi。dangshoushikaishishi，qizhongyicengdelianggendianjizhijiandedianyahengdingbubian

，lingyicengzebiaoxianchujieyuexingjiangdi，ranhousuizheshouzhixianghukaojinertigao。

圖 3. 垂直捏合時的電壓測量

圖 4 顯示傾斜捏合時的電壓測量結果。這種情況下，兩個電壓均表現出階躍性降低，然後緩慢恢複。兩個恢複速率（利用各層的電阻歸一化）的比值可以用來檢測手勢的角度。

圖 4. 傾斜捏合時的電壓測量

如果手勢為縮放（手指分開），其行為可以從上述討論推導出來。圖 5 顯示了沿各軸及沿傾斜方向縮放時測得的兩個有源層電壓趨勢。

圖 5. 沿不同方向縮放時的電壓趨勢

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利用 AD7879檢測手勢

AD7879 觸摸屏控製器設計用於與 4 線式阻性觸摸屏接口。除了檢測觸摸動作外
，它還能測量溫度和輔助輸入端的電壓。所有四種觸摸測量加上溫度、電池、輔助電壓測量
，均可以通過編程寫入其片內序列器。

AD7879 結合一對低成本運算放大器，可以執行上述捏合和縮放手勢測量
，如圖 6所示。

下麵的步驟說明了手勢識別的過程：
在前半周期中，將一個直流電壓施加於上層（有源層），並測量X+引腳的電壓（對應於VY+ – VY–），以提供與Y方向上的運動（接近還是分開）相關的信息。
在後半周期中

，將一個直流電壓施加於下層（有源層），並測量Y+引腳的電壓（對應於VX+ – VX–），以提供與X方向上的運動（接近還是分開）相關的信息。

圖 6 所示的電路需要為差分放大器提供保護，防止短接到 VDD。在前半周期中，下方放大器的輸出短接到VDD。在後半周期中
，上方放大器的輸出短接到VDD。為避免這種現象， AD7879的GPIO可以控製兩個外部模擬開關
，如圖 7所示。

圖 6. 基本手勢檢測應用圖

圖 7. 避免放大器輸出短接到VDD的應用圖

這種情況下，AD7879 設置為從機轉換模式

，並且僅測量半個周期。當 AD7879 完成轉換時
，產生一個中斷，主處理器重新設置 AD7879 以測量第二個半周期，並且改變 AD7879 GPIO 的值。第二轉換結束時，兩層的測量結果均存儲在器件中。
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旋轉可以通過一個方向上的同時縮放和一個傾斜捏合來模擬，因此檢測旋轉並不困難。挑戰在於區別旋轉是順時針 (CW)還是逆時針(CCW)，這無法通過上述過程來實現。為了檢測旋轉及其方向，需要在兩層（有源層和無源層）上進行測量，如圖 8 所示。圖 7 中的電路無法滿足之一要求，圖 9 提出了一種新的拓撲結構。

圖 8. 順時針和逆時針旋轉時的電壓測量

圖 9所示的拓撲結構實現了如下功能：
半周期 1：電壓施加於Y層，同時測量(VY+ – VY–)
、VX–和 VX+。每完成一個測量，AD7879 就會產生一個中斷，以便處理器改變GPIO配置。
半周期 2：電壓施加於X層
，同時測量(VX+ – VX–)、VY–和VY+。

圖 9 中的電路可以測量所有需要的電壓來實現全部性能，包括：a)單點觸摸位置；b)縮放
、捏合、旋轉手勢檢測和量化； c)區別順時針與逆時針旋轉。用兩點觸摸手勢來完成單點觸摸操作時，可以估計手勢的中心位置。

圖 9. 單點觸摸位置和手勢檢測的應用圖

實用提示

輕柔手勢產生的電壓變化相當微細。通過放大這種變化，可以提高係統的魯棒性。例如，可以在屏幕的電極與 AD7879 的引腳之間增加一個小電阻

，這將能提高有源層的壓降，但單點觸摸定位精度會有所下降。

另一種方法是僅在低端連接上增加一個電阻，當 X 層或 Y 層為有源層時，僅檢測 X–或 Y–電極。這樣就可以應用一定的增益，因為直流值相當低。
ADI公司有許多放大器和多路複用器可以滿足圖 6、圖 7 和圖 9 所示應用的需求。測試電路使用AD8506 雙通道運算放大器和ADG16xx 係列模擬多路複用器；多路複用器的導通電阻很低，采用 3.3 V單電源供電。

結束語

利用 AD7879 控製器和極少的輔助電路，可以檢測縮放、捏合和旋轉。隻需在有源層上進行測量，就能識別這些手勢。在主處理器的控製下，利用兩個 GPIO 測量無源層的電壓
，可以區別旋轉方向。在該處理器中執行相當簡單的算法，就能識別縮放、捏合和旋轉，估計其範圍、角度和方向。