某些搭載觸控螢?zāi)坏氖謾C(jī)相當(dāng)出色，可讓使用者忘記自己使用的不是鍵盤而是一片玻璃。本文將說明觸控產(chǎn)品設(shè)計(jì)上各種潛在的錯(cuò)誤來源，其中包括假觸碰、錯(cuò)失觸碰以及定位不準(zhǔn)等，此外，也將闡述各種效能要求、標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試以及常見的錯(cuò)誤模式。
多點(diǎn)觸控螢?zāi)皇袌?chǎng)持續(xù)快速成長，Windows 7與iPad引發(fā)各界對(duì)大螢?zāi)坏呐d趣，但市場(chǎng)的主力仍集中在手機(jī)市場(chǎng)，原因在于手機(jī)每年仍占極為可觀的出貨量。根據(jù)南韓市調(diào)機(jī)構(gòu)Displaybank的報(bào)告，搭載觸控螢?zāi)坏氖謾C(jī)，其市占率將從2010年的20%成長至2012年的30%，大多數(shù)的成長動(dòng)力來自投射式電容(Projected Capacitive)觸控螢?zāi)唬@也是唯一能偵測(cè)多只手指(多點(diǎn)觸控)的常見觸控螢?zāi)活愋汀?

增進(jìn)手勢(shì)感測(cè)精準(zhǔn)判斷線性度測(cè)試為關(guān)鍵

當(dāng)你的手指靠近或接觸到觸控螢?zāi)粫r(shí)，投射式電容觸控螢?zāi)粫?huì)偵測(cè)出電容的變化。變化的幅度通常不到1pF，然而系統(tǒng)中的其他電容值卻遠(yuǎn)大于此。適當(dāng)?shù)貍蓽y(cè)這項(xiàng)訊號(hào)，然后轉(zhuǎn)換成手指的位置，是項(xiàng)相當(dāng)困難的工作。有幾項(xiàng)量測(cè)方法如精準(zhǔn)度、線性度、持續(xù)性、手指間隔、反應(yīng)時(shí)間、更新率、手指電容、系統(tǒng)雜訊底線、訊噪比(SNR)等，能協(xié)助研判系統(tǒng)是否運(yùn)作得宜。

精準(zhǔn)度定義為“在預(yù)先定義的觸控螢?zāi)粎^(qū)域內(nèi)，最大的定位誤差，其值為手指實(shí)際位置與通報(bào)手指位置之間的直線距離”。舉例來說，若實(shí)際位置為(50,60)，而通報(bào)的位置為(51,62)，則該點(diǎn)的精準(zhǔn)度就是SQRT((51-50)2+(62-60))像素。之后再把這個(gè)值轉(zhuǎn)換成公厘，以在不同面板上有相同的量測(cè)單位。

要正確的測(cè)量出精準(zhǔn)度并非易事。這種測(cè)試通常是用正交座標(biāo)機(jī)械臂(Cartesian Robot)來進(jìn)行，這種機(jī)具外觀像是一部用模擬手指代替筆的X/Y軸平面繪圖機(jī)。手機(jī)必須置于已知的位置，之后手指必須移至面板上的某個(gè)精準(zhǔn)定位位置。若裝置本身的邊緣平坦而且沒有凸出的按鈕，則可將裝置置于機(jī)械手臂工作區(qū)的邊緣，讓手機(jī)和機(jī)械手臂之間能精準(zhǔn)對(duì)位。但若裝置本身有彎曲邊緣或凸出按鈕，則對(duì)位就可能不精確。從數(shù)學(xué)層面來說，移除對(duì)位誤差是可能的，但會(huì)引入不確定性：究竟誤差是來自置放位置不精準(zhǔn)，或是真正的精準(zhǔn)度問題(圖1)。


圖1 精準(zhǔn)度與線性度
Moto Design在2010年被思科(Cisco)購并前曾發(fā)表一部影片，展示如何快速測(cè)試觸控螢?zāi)坏男?。其方法相?dāng)簡單：在螢?zāi)簧袭嫸鄺l線，然后看線條是直線或波浪扭曲狀。畫對(duì)角線是因?yàn)?strong>電容式觸控感測(cè)器采用一組網(wǎng)狀排列的感測(cè)器，與X/Y軸向?qū)ξ唬虼水媽?duì)角線對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的考驗(yàn)壓力會(huì)高于垂直與水平線。這種測(cè)試法真正測(cè)試的是線性度。

線性度定義為“通報(bào)結(jié)果與所有通報(bào)結(jié)果回歸直線的差異”。但這個(gè)定義可能低估了使用者看到誤差的幅度。若通報(bào)的位置在某個(gè)方向上偏移0.25毫米(mm)，則該點(diǎn)在反方向偏移了0.25毫米，線性度與精準(zhǔn)度的評(píng)分都得到這是一個(gè)0.25毫米的誤差。但當(dāng)使用者看螢?zāi)粫r(shí)，他們看到的是位置偏移了0.5毫米，因此或許另一個(gè)專有名詞更適合用來描述這種誤差。

其中一種方式是把持續(xù)性定義為線條的“跳躍性”。持續(xù)性是量測(cè)位置的短距變化，其定義為“通報(bào)位置變化與實(shí)際位置變化之間的最大差距，沿著第一個(gè)通報(bào)位置與第二個(gè)通報(bào)位置之間的直線量測(cè)”。舉例來說，若第一點(diǎn)實(shí)際位置為(50,0)，通報(bào)位置為(49,0)，第二點(diǎn)實(shí)際位置為(100,0)，通報(bào)位置為(101,0)，則持續(xù)性誤差為(101-49)-(100-50)=2畫素。此值再轉(zhuǎn)換成距離值，以使在不同面板上有相同的量測(cè)單位。

在電容式觸控螢?zāi)坏纳芷趦?nèi)，上述三種量測(cè)數(shù)值都會(huì)維持不變。這是投射式電容觸控螢?zāi)涣硪粋€(gè)勝過電阻式觸控螢?zāi)坏膬?yōu)點(diǎn)。電阻式觸控螢?zāi)坏脑S多屬性會(huì)隨時(shí)間和不同的環(huán)境條件而改變，正由于它們是一個(gè)單一大型感測(cè)器，因此任何誤差都會(huì)影響整個(gè)面板。

建構(gòu)靈活觸控系統(tǒng)手指間隔/反應(yīng)時(shí)間至關(guān)重要

在知道手指的位置后，還有另一項(xiàng)效能量測(cè)數(shù)值能用來改善使用者體驗(yàn)。其中之一就是手指間隔。手指間隔不佳的元件，當(dāng)兩只手指同時(shí)觸碰螢?zāi)粫r(shí)，通常在鍵盤中間部分會(huì)出現(xiàn)通報(bào)錯(cuò)誤的狀況。要測(cè)試手指間隔，方法相當(dāng)直接，就是同時(shí)把兩只模擬的手指置于面板上，然后持續(xù)靠攏兩只手指，直到系統(tǒng)通報(bào)一只手指為止。若沒有良好的手指間隔機(jī)制，就不能建構(gòu)真正的多點(diǎn)觸控解決方案。

手指間隔定義為“當(dāng)兩只手指置于觸控螢?zāi)簧希矣|控螢?zāi)?strong>控制器仍通報(bào)為兩只不同手指時(shí)，兩者中心點(diǎn)之間的最小距離”。一些觸控螢?zāi)还?yīng)商標(biāo)示的手指間隔為邊緣與邊緣的距離，有些則是中心點(diǎn)之間的距離。以10毫米機(jī)械手指測(cè)得10毫米的手指間隔，可能意謂手指相互接觸，或兩只手指相距10毫米，實(shí)際情況端看觸控控制器的規(guī)格標(biāo)示方法而定。

反應(yīng)時(shí)間定義為“在觸控螢?zāi)簧习l(fā)生手指觸碰事件與觸控螢?zāi)豢刂破鳟a(chǎn)生岔斷訊號(hào)之間相隔的時(shí)間”。要測(cè)得這個(gè)時(shí)間，可用電子脈沖刺激觸控螢?zāi)?，藉此模擬手指或把模擬手指移到螢?zāi)簧?。反?yīng)時(shí)間較長的系統(tǒng)，在撥打號(hào)碼或輸入時(shí)會(huì)有遲緩的現(xiàn)象。較長的反應(yīng)時(shí)間，會(huì)讓系統(tǒng)錯(cuò)失快速的輕擊觸碰，像是點(diǎn)擊(Tap)或雙點(diǎn)按手勢(shì)的其中一次觸碰。 觸控螢?zāi)坏姆磻?yīng)時(shí)間，是偵測(cè)與定位手指時(shí)，所有掃描與處理時(shí)間的總和。觸控螢?zāi)豢刂破鲀?nèi)部的執(zhí)行步驟如下：

·X/Y軸掃描

觸控控制器掃描與量測(cè)感測(cè)器電容變化所需的時(shí)間。

·手指?jìng)蓽y(cè)

比較面板的電容變化以及預(yù)先定義的手指門檻。若變化超過手指的門檻，代表已偵測(cè)到手指。

·手指定位

解譯多個(gè)感測(cè)器結(jié)果，判斷手指的實(shí)際位置。

·手指追蹤

當(dāng)超過一個(gè)手指置于感測(cè)器時(shí)，系統(tǒng)必須辨識(shí)出每個(gè)手指，并指派給一個(gè)獨(dú)一無二的識(shí)別代號(hào)。

觸控螢?zāi)坏姆磻?yīng)時(shí)間還要加入其他多個(gè)元素，才能評(píng)估最終使用者實(shí)際的整體系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間：

·岔斷延遲

主控端上岔斷指示與岔斷服務(wù)之間的延遲。在大多數(shù)系統(tǒng)中，延遲不到100微秒(μs)，但在某些系統(tǒng)中，則可能高達(dá)10毫秒(ms)。

·通訊

一般系統(tǒng)采用400KHz的I2C或1MHz的串列周邊介面(SPI)來和主控端進(jìn)行通訊。

·觸碰處理

當(dāng)觸碰資料已傳入系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)必須做出反應(yīng)。

·使用者回饋
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系統(tǒng)可透過一些指示訊息，代表觸碰動(dòng)作已被辨識(shí)。包括聲響、視覺輸出、或觸覺回饋。

更新率定義為“當(dāng)手指出現(xiàn)在觸控螢?zāi)簧蠒r(shí)，在資料緩沖區(qū)中，觸控螢?zāi)毁Y料的兩個(gè)連續(xù)畫格之間的時(shí)間”。在許多系統(tǒng)中，最大的反應(yīng)時(shí)間是更新率的兩倍，因?yàn)橛|控動(dòng)作可能在該螢?zāi)粎^(qū)域剛被掃描后就發(fā)生。

低更新率會(huì)讓曲線看似由許多線段組成，而不是平滑的曲線。低更新率的系統(tǒng)，會(huì)將單一畫動(dòng)手勢(shì)以多個(gè)較小手勢(shì)表現(xiàn)，甚至以多個(gè)觸碰點(diǎn)表現(xiàn)。

若觸控面板擁有高更新率，則能提供更多的資料點(diǎn)，讓系統(tǒng)解讀出平順或完整的形狀或動(dòng)作。如賽普拉斯(Cypress)TrueTouch產(chǎn)品等的智慧型觸控螢?zāi)?strong>控制器，能調(diào)整其更新率，以配合系統(tǒng)的功耗與反應(yīng)時(shí)間等要求。

盡管描繪或手寫應(yīng)用，需要快速的更新率，但手機(jī)撥號(hào)鍵盤則僅須在按鈕被按下或釋放時(shí)及時(shí)向主控端發(fā)出岔斷即可。

量測(cè)功耗并不像表面想像的簡單，因?yàn)樵诓煌Ｊ较?，運(yùn)作功耗會(huì)隨之改變，因此必須量測(cè)每種模式下的功耗，并根據(jù)每種模式所占的時(shí)間比率，再算出加權(quán)后的平均功耗。電腦制造商與手機(jī)制造商已研究這個(gè)問題許多年，其可以在以螢?zāi)坏土炼乳喿xPDF檔時(shí)量測(cè)筆電的電池續(xù)航力，也可在觀看動(dòng)作片DVD光碟時(shí)量測(cè)電池續(xù)航力。更可以在靠近或遠(yuǎn)離基地臺(tái)的地方量測(cè)手機(jī)的通話時(shí)間。

在設(shè)計(jì)一個(gè)電容式觸控螢?zāi)幌到y(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須注意其他幾項(xiàng)重要參數(shù)。如手指與感測(cè)器元件之間測(cè)得的電容。手指電容是用實(shí)際的手指而非金屬模擬手指所測(cè)得的電容，以確保測(cè)得符合實(shí)際的數(shù)據(jù)。影響CF的因素包括上覆鏡片的厚度，以及上覆鏡片材質(zhì)的介電常數(shù)。而系統(tǒng)雜訊底線則為相較于轉(zhuǎn)換器的輸入值(電容)，在電容至數(shù)位轉(zhuǎn)換器的輸出端所測(cè)得的雜訊值。

此外，一個(gè)感測(cè)器測(cè)得的手指訊號(hào)，除以觀測(cè)到的量測(cè)雜訊。不同廠商量測(cè)雜訊的方法不同，因此必須了解他們采用的量測(cè)方法。在圖2中，峰對(duì)峰雜訊為10，但均方根(RMS)雜訊則約為3。這意謂著峰對(duì)峰的SNR雜訊會(huì)好上三倍，但實(shí)際上SNR并沒有改變，只是描述方式改變而已。

圖2 Peak to Peak與RMS雜訊的通報(bào)數(shù)據(jù)
而賽普拉斯TrueTouch系列元件的可編程解決方案，在濾除雜訊方面提供絕佳的機(jī)制?？删幊填惐仍稍O(shè)定用來長時(shí)間整合各個(gè)訊號(hào)，藉以濾除雜訊。包括展頻與偽隨機(jī)頻率等不同訊號(hào)頻率，都能用來避免電磁干擾。標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)位濾波器可消除1～2位元的訊號(hào)抖動(dòng)，或提供類似無限脈沖響應(yīng)(IIR)的低通濾波器功能。智慧型數(shù)位濾波器可比較面板上相鄰采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)，然后剔除“不尋?！钡臉颖尽Ｖ腔坌蜑V波器唯一的限制，就是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)造力。

有許多因素會(huì)影響觸控螢?zāi)坏男?，開發(fā)一個(gè)成功的觸控螢?zāi)划a(chǎn)品，必須注意每一項(xiàng)因素。若產(chǎn)品的每個(gè)部分都符合這些規(guī)范，觸控螢?zāi)痪涂蓳碛蟹鲜褂谜咂谂蔚闹庇X化操作介面。

(本文作者任職于賽普拉斯)