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    在阻性觸摸屏上實(shí)現(xiàn)手勢識(shí)別

    發(fā)布時(shí)間:2011-08-03

    中心議題:

    • 阻性觸摸屏的經(jīng)典方法
    • 阻性屏幕兩點(diǎn)觸摸的基本模型
    • 手勢識(shí)別技術(shù)

    解決方案:

    • 用阻性觸摸屏控制器檢測最常見的雙指手勢


    對于各種消費(fèi)、醫(yī)療、汽車和工業(yè)設(shè)備,增強(qiáng)的低成本觸控式用戶界面是一個(gè)極具價(jià)值的特性。在許多消費(fèi)電子應(yīng)用中,設(shè)計(jì)師偏向使用容性觸摸屏,而不愿使用阻性觸摸技術(shù),原因是前者可以跟蹤手指,似乎能夠提供更友好的用戶交互體驗(yàn)。目前,低成本阻性技術(shù)的應(yīng)用市場包括:只需要單點(diǎn)觸控、至關(guān)重要的極其精確的空間分辨率、利用觸控筆來實(shí)現(xiàn)特定功能(如亞洲語言符號(hào)識(shí)別等),或者用戶必須戴手套的場合。 雖然阻性技術(shù)傳統(tǒng)上是用來檢測屏幕上“單點(diǎn)觸摸”的位置,但本文提出了一個(gè)創(chuàng)新的“兩點(diǎn)觸摸”概念,它利用阻性觸摸屏控制器 AD7879 在廉價(jià)的阻性觸摸屏上檢測最常見的雙指手勢(縮放、捏合和旋轉(zhuǎn))。

    阻性觸摸屏的經(jīng)典方法

    典型的阻性觸摸屏包括兩個(gè)平行的氧化銦錫(ITO)導(dǎo)電層,中間的間隙將兩層分開(圖 1)。上層(Y)的邊緣電極相對于下層(X)的邊緣電極旋轉(zhuǎn) 90°。當(dāng)對屏幕的一個(gè)小區(qū)域施加壓力,使這兩層發(fā)生電氣接觸時(shí),就發(fā)生了“觸摸”現(xiàn)象。如果在上層的兩個(gè)電極之間施加一個(gè)直流電壓,而下層懸空,則觸摸將使下層獲得與觸摸點(diǎn)相同的電壓。判斷上層方向觸摸坐標(biāo)的方法是測量下層的電壓,以便確定觸摸點(diǎn)處的電阻占總電阻的比值。然后交換兩層的電氣連接,獲得觸摸點(diǎn)在另一個(gè)軸上的坐標(biāo)。

    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,無相關(guān)電流流經(jīng)該層。發(fā)生單點(diǎn)觸摸時(shí),在有源層中形成一個(gè)分壓器,無源層電壓測量通過一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器讀取與觸摸點(diǎn)和負(fù)電極之間的距離成比例的電壓1.

    由于成本低廉,傳統(tǒng)的 4 線阻性觸摸屏深受單點(diǎn)觸控應(yīng)用的歡迎。實(shí)現(xiàn)阻性多點(diǎn)觸控的技術(shù)有多種,其中總是會(huì)用到一個(gè)矩陣布局屏幕,但屏幕制造成本高得嚇人。此外,控制器需要許多輸入和輸出來測量和驅(qū)動(dòng)各個(gè)屏幕帶,導(dǎo)致控制器成本和測量時(shí)間增加。


    圖 1. (a) 阻性觸摸屏的結(jié)構(gòu);(b) 用戶觸摸屏幕時(shí)的電氣接觸

    超越單點(diǎn)觸控

    雖然如此,但通過理解并模擬該過程背后的物理原理,我們可以從阻性觸摸屏提取更多信息。當(dāng)發(fā)生兩點(diǎn)觸摸時(shí),無源屏幕中的一段電阻加上觸點(diǎn)的電阻與有源屏幕的導(dǎo)電段并聯(lián),因此電源的負(fù)載阻抗減小,電流增大。阻性控制器的經(jīng)典方法是假設(shè)有源層中的電流恒定不變,無源層為等電位。兩點(diǎn)觸摸時(shí),這些假設(shè)不再成立,為了提取所需的信息,需要進(jìn)行更多測量。

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



    圖 2. 阻性屏幕兩點(diǎn)觸摸的基本模型

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    手勢識(shí)別

    以“捏合”(pinch)作為范例可以更好地描述手勢識(shí)別的工作原理。捏合手勢從兩根分開較遠(yuǎn)的手指觸摸開始,產(chǎn)生雙重接觸,使得屏幕的阻抗降低,有源層兩根電極之間的電壓差因此減小。隨著兩根手指越來越接近,并聯(lián)面積減小,因而屏幕的阻抗提高,有源層兩根電極之間的電壓差相應(yīng)地增大。

    緊密捏合后,并聯(lián)電阻趨于 0,Ru + Rd提高到總電阻,因此電壓增大到:

    圖 3 顯示了一個(gè)沿著垂直(Y)軸捏合的例子。當(dāng)手勢開始時(shí),其中一層的兩根電極之間的電壓恒定不變,另一層則表現(xiàn)出階躍性降低,然后隨著手指相互靠近而提高。


    圖 3. 垂直捏合時(shí)的電壓測量

    圖 4 顯示傾斜捏合時(shí)的電壓測量結(jié)果。這種情況下,兩個(gè)電壓均表現(xiàn)出階躍性降低,然后緩慢恢復(fù)。兩個(gè)恢復(fù)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(shí)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(dǎo)出來。圖 5 顯示了沿各軸及沿傾斜方向縮放時(shí)測得的兩個(gè)有源層電壓趨勢。


    圖 5. 沿不同方向縮放時(shí)的電壓趨勢

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    利用 AD7879檢測手勢


    AD7879 觸摸屏控制器設(shè)計(jì)用于與 4 線式阻性觸摸屏接口。除了檢測觸摸動(dòng)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(nèi)序列器。

    AD7879 結(jié)合一對低成本運(yùn)算放大器,可以執(zhí)行上述捏合和縮放手勢測量,如圖 6所示。

    下面的步驟說明了手勢識(shí)別的過程:
    在前半周期中,將一個(gè)直流電壓施加于上層(有源層),并測量X+引腳的電壓(對應(yīng)于VY+ – VY–),以提供與Y方向上的運(yùn)動(dòng)(接近還是分開)相關(guān)的信息。
    在后半周期中,將一個(gè)直流電壓施加于下層(有源層),并測量Y+引腳的電壓(對應(yīng)于VX+ – VX–),以提供與X方向上的運(yùn)動(dòng)(接近還是分開)相關(guān)的信息。

    圖 6 所示的電路需要為差分放大器提供保護(hù),防止短接到 VDD。在前半周期中,下方放大器的輸出短接到VDD。在后半周期中,上方放大器的輸出短接到VDD。為避免這種現(xiàn)象, AD7879的GPIO可以控制兩個(gè)外部模擬開關(guān),如圖 7所示。


    圖 6. 基本手勢檢測應(yīng)用圖

    圖 7. 避免放大器輸出短接到VDD的應(yīng)用圖

    這種情況下,AD7879 設(shè)置為從機(jī)轉(zhuǎn)換模式,并且僅測量半個(gè)周期。當(dāng) AD7879 完成轉(zhuǎn)換時(shí),產(chǎn)生一個(gè)中斷,主處理器重新設(shè)置 AD7879 以測量第二個(gè)半周期,并且改變 AD7879 GPIO 的值。第二轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí),兩層的測量結(jié)果均存儲(chǔ)在器件中。
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    旋轉(zhuǎn)可以通過一個(gè)方向上的同時(shí)縮放和一個(gè)傾斜捏合來模擬,因此檢測旋轉(zhuǎn)并不困難。挑戰(zhàn)在于區(qū)別旋轉(zhuǎn)是順時(shí)針 (CW)還是逆時(shí)針(CCW),這無法通過上述過程來實(shí)現(xiàn)。為了檢測旋轉(zhuǎn)及其方向,需要在兩層(有源層和無源層)上進(jìn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。


    圖 8. 順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)的電壓測量

    圖 9所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了如下功能:
    半周期 1:電壓施加于Y層,同時(shí)測量(VY+ – VY–)、VX–和 VX+。每完成一個(gè)測量,AD7879 就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷,以便處理器改變GPIO配置。
    半周期 2:電壓施加于X層,同時(shí)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(shí)現(xiàn)全部性能,包括:a)單點(diǎn)觸摸位置;b)縮放、捏合、旋轉(zhuǎn)手勢檢測和量化; c)區(qū)別順時(shí)針與逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。用兩點(diǎn)觸摸手勢來完成單點(diǎn)觸摸操作時(shí),可以估計(jì)手勢的中心位置。


    圖 9. 單點(diǎn)觸摸位置和手勢檢測的應(yīng)用圖

    實(shí)用提示

    輕柔手勢產(chǎn)生的電壓變化相當(dāng)微細(xì)。通過放大這種變化,可以提高系統(tǒng)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(gè)小電阻,這將能提高有源層的壓降,但單點(diǎn)觸摸定位精度會(huì)有所下降。

    另一種方法是僅在低端連接上增加一個(gè)電阻,當(dāng) X 層或 Y 層為有源層時(shí),僅檢測 X–或 Y–電極。這樣就可以應(yīng)用一定的增益,因?yàn)橹绷髦迪喈?dāng)?shù)汀?
    ADI公司有許多放大器和多路復(fù)用器可以滿足圖 6、圖 7 和圖 9 所示應(yīng)用的需求。測試電路使用AD8506 雙通道運(yùn)算放大器和ADG16xx 系列模擬多路復(fù)用器;多路復(fù)用器的導(dǎo)通電阻很低,采用 3.3 V單電源供電。

    結(jié)束語

    利用 AD7879 控制器和極少的輔助電路,可以檢測縮放、捏合和旋轉(zhuǎn)。只需在有源層上進(jìn)行測量,就能識(shí)別這些手勢。在主處理器的控制下,利用兩個(gè) GPIO 測量無源層的電壓,可以區(qū)別旋轉(zhuǎn)方向。在該處理器中執(zhí)行相當(dāng)簡單的算法,就能識(shí)別縮放、捏合和旋轉(zhuǎn),估計(jì)其范圍、角度和方向。

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