支持觸摸功能的消費類電子設(shè)備每一年都在不斷增大屏幕尺寸。觸摸屏在智能手機中得到廣泛應(yīng)用，并已迅速發(fā)展到平板電腦。隨著Windows 8的發(fā)布，觸摸功能正在向超極本、筆記本電腦以及一體機電腦（all-in-one PC）發(fā)展。隨著屏幕尺寸不斷增大，電容式觸摸面臨的主要挑戰(zhàn)是在較大尺寸的屏幕上同樣保持用戶所期望的較高手機性能。這就意味著需要在相同的時間內(nèi)掃描更大表面面積上的更多交叉點。此外，處理器必須能在信號更少、噪聲更大的條件下工作，同時還要努力保持其速度、精確度以及響應(yīng)能力，從而實現(xiàn)理想的用戶界面體驗。
2007年，Apple公司推出iPhone開啟了電容式觸摸屏在消費類電子產(chǎn)品上的應(yīng)用。這款3.5英寸屏幕大小的設(shè)備引入了多點觸摸用戶體驗，從而改變了用戶與電子設(shè)備的互動方式。現(xiàn)在，觸摸屏已成為數(shù)碼相機（DSC）、便攜式導(dǎo)航設(shè)備（PND）、電子閱讀器、平板電腦、超極本以及一體機（AIO）電腦等消費類電子產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)配置。正如我們看到的，所有這些設(shè)備的一大主要趨勢就是發(fā)展轉(zhuǎn)向更大的屏幕尺寸。電容式觸摸屏在進軍超極本或筆記本電腦等新型細(xì)分市場的同時更在不斷發(fā)展其現(xiàn)有產(chǎn)品細(xì)分類型。頂級智能手機的OEM廠商紛紛從智能手機轉(zhuǎn)戰(zhàn)超級手機，通過向客戶提供更大的屏幕尺寸來實現(xiàn)其產(chǎn)品的差異化。
當(dāng)今消費類電子產(chǎn)品的主要產(chǎn)品細(xì)分類型如下：3-5英寸屏幕大小的智能手機；5-8英寸的超級手機或平板手機；8-11.6英寸的平板電腦；11.6-15.6英寸的超極本；以及最大可達17英寸的筆記本電腦。在僅僅5年的產(chǎn)品歷史中，平板電腦被認(rèn)為是發(fā)展最快速的移動設(shè)備之一，其銷量預(yù)計將在2015年趕超個人電腦。因此，PC供應(yīng)商開始將重心轉(zhuǎn)移至采用觸摸友好型設(shè)計上，比如可用作筆記本電腦或平板電腦的可翻轉(zhuǎn)筆記本電腦。
用戶期望大屏幕設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)與智能手機相類似的性能和觸摸體驗。大屏幕設(shè)備需要處理的用例通常與我們在較小型手機上看到的不同。筆記本電腦或PC更常是在插入電源時使用，它們的表面面積更大，因此在打字輸入時可將手掌或其它大型物體放置在屏幕上，并且用戶通常會將這些較大型的設(shè)備放在桌面或膝蓋上而非拿在手中使用。所有這些動作都會改變設(shè)備的電氣性能。性能穩(wěn)健且響應(yīng)速度快的用戶體驗主要包括：靈敏度高、能跟蹤多個移動碰觸對象、在各種噪聲環(huán)境下能夠識別并跟蹤手指、在各種環(huán)境條件下能夠識別和跟蹤手指，并且保持可接受的功耗以實現(xiàn)理想的電池使用壽命。換言之，用戶體驗的本質(zhì)是指在各種條件下當(dāng)您觸摸屏幕時系統(tǒng)所做出的響應(yīng)。
電容式觸摸屏的工作原理是通過將發(fā)射電壓驅(qū)動至設(shè)備上的傳感器面板，從而產(chǎn)生信號電荷。然后觸摸屏控制器接收到信號，它能夠通過測量傳感器電荷的變化來確定傳感器電容。芯片接收到的電流等于面板電容與發(fā)射驅(qū)動器的電壓的乘積（Q1 = C * VTX）?；€電路能夠移除額定的非觸摸傳感器電荷，從而讓系統(tǒng)專注于測量因手指觸摸而引起的傳感器電荷的變化。這有助于改進觸摸的測量、分辨率以及靈敏度。
隨著電容式觸摸屏的發(fā)展，我們面臨著越來越多的技術(shù)挑戰(zhàn)。較大型屏幕面臨的主要問題是發(fā)射電壓需要覆蓋更大的表面面積，而且傳感器的電阻和電容也有所增加。觸摸面板受更高寄生電容和電阻的限制，會影響電阻電容（RC）的時間常數(shù)，從而導(dǎo)致發(fā)射頻率變慢。發(fā)射工作頻率則會影響信號建立、刷新率以及功耗。我們的目的是要確定能夠在整個面板實現(xiàn)一致觸摸響應(yīng)并最大限度地降低掃描時間和功率所需的最高發(fā)射工作頻率。
刷新率
刷新率是指觸摸屏控制器在一秒鐘內(nèi)測量到的屏上觸摸并將其報告回主機處理器的次數(shù)。刷新率越高，設(shè)備就會在越短的時間內(nèi)收集越多的x/y數(shù)據(jù)坐標(biāo)，從而實現(xiàn)響應(yīng)快速的用戶體驗。大多數(shù)消費類電子產(chǎn)品都要求觸摸控制器的刷新率大于100Hz或約為10ms。諸如數(shù)字繪圖板或銷售點（POS）終端等特定應(yīng)用甚至要求更高的刷新率才能捕獲和識別簽名以及快速滑過的筆畫。
對于大型屏幕而言，保持快速的刷新率極具挑戰(zhàn)性，因為觸摸控制器需要掃描更大的表面面積，從所有交叉點采集數(shù)據(jù)，然后再處理這些數(shù)據(jù)。刷新率主要受兩大因素影響：屏幕的掃描速度以及已掃描數(shù)據(jù)的處理速度。在具有相同的傳感器特性下（3108對比275），17英寸屏幕的交叉點數(shù)超出5英寸屏幕11倍。為了保持5英寸屏幕的用戶體驗，17英寸的屏幕就需要更強大的掃描與處理功能。
有一種方法可以解決掃描問題，那就是確保觸摸控制器具有足夠的接收通道，從而在單個周期內(nèi)掃描整個屏幕。大多數(shù)觸摸屏疊層都是由位于外殼玻璃下的傳感器模式組成，其中包含大量的“單位晶胞（unit cell）”，這些晶胞以x和y方向排列，其中x方向用于發(fā)射，y方向用于接收，或反之亦然。接收通道會收集數(shù)據(jù)并使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將每個單位晶胞中的互電容變化轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，以供主機解析手指觸摸點的坐標(biāo)。如果接收通道或ADC的數(shù)量不足，則需要多次掃描以及更長的時間來掃描整個面板。這會導(dǎo)致在給定的時間周期內(nèi)只能獲取更少的樣本，從而帶來不良的用戶體驗。
有一種方法可幫助解決處理問題，即為觸摸控制器添加一個更大的處理器，或者將部分計算卸載到系統(tǒng)的主處理單元。這意味著將電容數(shù)據(jù)發(fā)送到主機端，并在應(yīng)用或圖形處理器上運行算法。其中一個實現(xiàn)方案就是使用觸摸屏控制器掃描傳感器，搜索第一次觸摸，然后將圖像傳輸至主機處理器。然后，主機會處理整個陣列、過濾噪聲、查找觸摸坐標(biāo)，并跟蹤手指ID。采用并行處理支持在作為觸摸屏和顯示屏主機的數(shù)千兆赫多內(nèi)核處理器上完成大量數(shù)字運算。
信噪比（SNR）
SNR是指信號功率與噪聲功率之比，換言之，即有用信息與錯誤或不相關(guān)數(shù)據(jù)之比。觸摸屏面板上的傳感器相當(dāng)于一根大型天線，可接收熒光燈、LCD或充電器等系統(tǒng)和環(huán)境噪聲。
大型屏幕可作為更大型的天線，因此更容易接收噪聲并使接收通道達到飽和。這會造成誤觸摸、觸摸中斷或觸摸屏“鎖定”以致觸摸屏完全無法報告數(shù)據(jù)，從而顯著影響觸摸性能。為了排除這些干擾，觸摸屏控制器要求能夠增強信號或降低噪聲。提高信噪比的一些主要方法包括提高發(fā)射電壓以增強信號；使用硬件及數(shù)字濾波法降低噪聲，或利用跳頻遠(yuǎn)離噪聲頻率。
信噪比與發(fā)射電壓成線性比例。發(fā)射電壓可通過充電泵或VDDA驅(qū)動程序來提供。在大多數(shù)消費類電子設(shè)備中，充電泵一般可帶有2.7-3V電源，且能進一步將這一電源電壓提升到更高的電壓。大屏幕的問題在于充電泵對高電容面板的驅(qū)動能力有限。也就是說必須增加外部泵或電源，而這會相應(yīng)增加成本和功耗。
在沒有足夠信號的情況下，另一個選項是最大限度地降低噪聲。第一道防線就是使用濾波器創(chuàng)造更加潔凈的電容環(huán)境。如果這種方法無效，第二道防線一般是使用跳頻去搜索干擾較少的頻率。如上所述，大尺寸面板的寄生電容和電阻更高，會影響電阻電容（RC）時間常數(shù)，從而導(dǎo)致發(fā)射頻率更低。更低的頻率意味著它很難在噪聲范圍以外掃描整個面板。較高的發(fā)射頻率會給觸摸控制器提供更大的空間，使其遠(yuǎn)離噪聲源。理想的最大發(fā)射頻率為350kHz或者更高，但需要根據(jù)客戶的具體目標(biāo)，不斷地在信噪比、刷新率以及功耗之間進行權(quán)衡，從而優(yōu)化每臺設(shè)備。臺式電腦上的單機游戲更注重響應(yīng)速度而非功耗，然而便攜式設(shè)備則需要考慮功耗以延長電池使用壽命。
功耗
隨著移動性在我們生活中占據(jù)著越來越重要的位置，功耗成為了消費者在選擇便攜式電子設(shè)備時的一項重要考慮因素。市場調(diào)查顯示，大多數(shù)用戶認(rèn)為電池使用壽命是購買新型便攜式設(shè)備時需要考慮的最重要特性之一。
由于液晶顯示屏尺寸的加大，功耗通常與屏幕尺寸成正比。液晶顯示屏的功耗在整個系統(tǒng)功耗中占相當(dāng)大的比例。要想保持電池使用壽命，一種方法就是在系統(tǒng)中使用更大的電池組。但這會增加系統(tǒng)的重量，從而影響用戶的便攜性體驗。另一種方法是通過降低刷新率、降低發(fā)射電壓、禁用各種數(shù)字濾波器或使用盡可能低的模擬/數(shù)字電源，但這種方法會降低設(shè)備性能。同樣，這些解決方案都會給用戶體驗帶來負(fù)面影響，因此都不是理想的方案。
對于好的設(shè)備而言，重量與性能都是關(guān)鍵因素，延長電池使用壽命的最佳解決方案就是優(yōu)化系統(tǒng)中單個組件的功耗。對于觸摸屏控制器來說，這就意味著為設(shè)備制定靈活的功耗管理方案。
總功耗取決于設(shè)備的狀態(tài)或使用情況。一款智能的高能效觸摸屏控制器應(yīng)具備多狀態(tài)功耗管理，如工作狀態(tài)、低功耗狀態(tài)和深度休眠狀態(tài)等，其中每種狀態(tài)都有一套降低功耗的獨特方案。這些都是通過觸摸控制器的配置參數(shù)來管理的。
● 工作狀態(tài)下，觸摸屏具有最快的觸摸響應(yīng)時間，因為設(shè)備會積極地掃描觸摸屏，從而確定觸摸的存在并識別觸摸坐標(biāo)。
● 在工作狀態(tài)下，如在一定時間內(nèi)未檢測到觸摸事件，設(shè)備就會進入低功耗狀態(tài)。這會進一步降低功耗并相應(yīng)地延長響應(yīng)時間。如設(shè)備檢測到任何觸摸事件，則會自動從低功耗狀態(tài)切換到工作狀態(tài)。
● 深度休眠狀態(tài)下的功耗最低。這種狀態(tài)下設(shè)備不進行任何掃描且不報告任何觸摸。這時需要中斷，才能喚醒觸摸屏控制器，并將其切換到工作狀態(tài)。
不同功耗狀態(tài)是由系統(tǒng)環(huán)境決定的。比如，如果一段時間內(nèi)屏幕沒有被觸摸，系統(tǒng)就會讓用戶界面停止活動以延長電池使用壽命。而這是通過主機管理設(shè)備上的各個組件來完成的，比如關(guān)閉液晶顯示屏以及將觸摸控制器置于低功耗狀態(tài)等。在低功耗狀態(tài)下，一旦檢測到觸摸事件，觸摸屏控制器就會切換到工作模式，并繼續(xù)掃描，以確定面板上的觸摸坐標(biāo)。如果在低功耗狀態(tài)下未檢測到觸摸事件，主機就會驅(qū)動觸摸控制器進入深度休眠狀態(tài)以節(jié)省電量。這些動態(tài)功耗管理狀態(tài)讓消費者在使用便攜式移動設(shè)備時能夠靈活地管理觸摸性能和功耗。
隨著觸摸屏的發(fā)展，為了保證用戶體驗，應(yīng)采用系統(tǒng)級方法。觸摸屏?xí)芪锢憩F(xiàn)象限制，要想讓電容式觸摸繼續(xù)成為移動消費類電子產(chǎn)品的技術(shù)選擇，那么獨創(chuàng)性和集成度是關(guān)鍵。人們正在開發(fā)新的觸摸屏材料以提高面板速度，同時也在定義主機處理架構(gòu)以卸載部分繁重的數(shù)字運算。硬件和軟件也在不斷改進，濾除噪聲的同時提高信號強度，同時，人們正在采用系統(tǒng)級功耗方式來延長電池使用壽命。設(shè)計人員面臨的下一個重大挑戰(zhàn)就是如何以更低成本實現(xiàn)這一切。
