越來越多的工程師在其可攜式設備內採用觸控式螢幕設計。雖然電池技術正變得越來越高效，但盡可能降低系統功耗仍然很重要，因為觸控式螢幕週邊電路的複雜性正大幅增加。另外，最終用戶也希望電池每次充電的間隔時間能夠更長。
如果更低的功耗是主要追求目標，那麼就必須特別關注類比功率降低策略、巧妙地設計類比數位轉換器(ADC)、處理器數位介面，以及最佳化觸控式螢幕控制演算法，將協助你更快獲得成功。
本文將介紹電阻觸控式螢幕面板的構造，並討論典型的四線電阻螢幕的內部工作原理，提供包括面板、觸控式螢幕控制器和微處理器在內的觸控式螢幕系統結構圖。而後將介紹硬體的低功率策略。在第一級的功耗評估後，我們將深入研究更多硬體與相關軟體策略。最後，我們將從低功率角度評估數位介面。
觸控式螢幕運作原理
消費產品設計師可以從眾多的觸控式螢幕技術中選擇他們想要的面板。目前多數面板技術均使用電阻、電容、表面聲波(SAW)或紅外線(IR)技術。市場上最流行的觸控式螢幕是電阻觸控式螢幕，因為它具有品質穩定、價格適中的特點。
電阻觸控式螢幕分四線、五線、七線或八線幾種形式。最常見的電阻觸控式螢幕採用四線架構。四線電阻觸控式螢幕面板的層次結構從上到下依次是可撓性矩形頂層；透明的導體覆蓋層(導體覆蓋材料通常由氧化銦錫，即ITO組成)；空氣間隙和隔離層；另一個透明的ITO層；最後是一個穩定層。在圖2a中，黃色代表的是四線觸控式螢幕面板中上方的ITO層，綠色代表的是第二個ITO層，藍色代表底部的穩定層。
面板的可撓性頂層(圖2a並未顯示)是一個覆蓋層，對ITO層提供了一定程度的保護。該層的可撓性非常大，當按壓時能讓兩個導電層接觸。除非施加壓力，否則幾乎看不見的隔離層將使兩個ITO導電層保持分離狀態。
當你用觸控筆或手指接觸柔軟的頂層時，你就能確定觸控式螢幕面板的X-Y座標。觸控筆的壓力使兩個ITO層連接起來。當面板被觸碰，設備就會對兩個ITO層中的一層施加電壓，電壓來自位於該層兩個對端的液態銀導電條。當為其中一個ITO層供電時，如上部黃色區域，另一個ITO層(綠色區域)就可以用來檢測觸控筆的位置。然後使用高阻抗ADC，就能將透過觸控筆碰觸未加電層所獲得的電壓轉換成數位值。
例如，如果你用2.5V電壓從X+到X-(黃色區域)為X層供電，且觸控筆的觸點位置大約在兩個X軸導電條之間的中間位置，那麼Y+和Y-端點(綠色區域)電壓將等於1.25V。這個電壓正比於在X+和X-之間施加的電壓，這是面板電阻電壓分壓的結果(圖2b)。該技術可以檢測到觸控筆的X位置。同樣，當為Y層的相對導體條供電時，就可以檢測到Y位置。你可以使用X+和X-端點檢測觸控筆的Y位置，還能檢測觸控筆或手指的壓力。壓力測量得到的座標為Z1和Z2。
圖1：許多電池供電的消費設備均採用電阻觸控式螢幕。
圖2：四線觸控式螢幕面板使用電阻觸控式螢幕的兩個主動區域檢測X和Y壓力點(a)。等效電路是簡單的電壓分壓器(b)。
電阻觸控式螢幕系統
電阻觸控式螢幕系統由觸控面板、觸控式螢幕控制器和主處理器組成(圖3)。觸控式螢幕或觸控面板是系統的‘電阻感測器’。
圖3：由觸控式螢幕面板、觸控式螢幕控制器和微處理器組成的電阻觸控式螢幕系統。
觸控式螢幕控制器包含一個面板驅動器、一個多工器和一個ADC。觸控式螢幕控制器的驅動器分別為觸控板的兩個座標獨立供電，以控制開啟或關斷。流經觸控板的電流值幾乎等於供電電壓除以觸控板電阻的值。觸控式螢幕內部的ADC用於測量接觸位置和壓力，並將從觸控式螢幕測得的類比電壓轉換成數位程式碼。典型的ADC採用連續近似暫存器(SAR)，解析度有8位元、10位元或12位元等。
觸控式螢幕系統具有兩個介面(圖3)，一個是面板和觸控式螢幕控制器之間的類比介面，一個是觸控式螢幕控制器和主處理器之間的數位介面。
觸控式螢幕控制器在觸控板和觸控式螢幕控制器之間使用四線類比介面為面板供電，並測量座標。在某個X或Y座標測量過程中，觸控式螢幕控制器透過類比介面的兩根線(X+和X-)向面板的其中一個ITO層供電，並利用第二個ITO層和另外兩根線(Y+和Y-)檢測觸控筆的座標位置。
處理器和觸控式螢幕控制器之間的數位通訊包括一個中斷訊號和一條串列數位匯流排(SPI或I2C)。如果沒有觸控事件，處理器可以忽略觸控式螢幕控制器而專注於執行其他任務。一旦面板有觸壓，源自觸控式螢幕控制器的中斷(圖3)就會通知處理器，處理器緊接著透過串列匯流排讀取觸控式螢幕控制器發送的觸控式螢幕資料。
觸控式螢幕的類比介面
影響觸控板和類比介面功耗的主要因素包括系統供電電壓(VDD)、面板電阻以及面板開關的時間比例。觸控式螢幕控制器的驅動器和ADC拓撲結構決定了系統類比介面電源的極限。面板開關的時間比例主要取決於觸控訊號的設立時間和系統雜訊。
觸控式螢幕和CMOS 12位元SAR ADC的供電電壓範圍是1.2V到5.5V。觸控式螢幕控制器驅動器的供電電壓基本上也在這個範圍內。在不同的電阻觸控式螢幕面板中，每個ITO層的電阻可能是不一樣的，範圍從100Ω到幾kΩ(圖2b)，圖2還提供了四線電阻觸控式螢幕面板的等效電路。當面板受到按壓時，面板所需功耗從302.5mW(電源=5.5V，面板電阻=100Ω)到720μW(電源=1.2V，面板電阻=2kΩ)不等。如同這些計算所顯示，功率降低策略包括了降低面板和觸控式螢幕控制器的供電電壓、選擇更高電阻的面板或雙管齊下。
由於在面板啟動(ON)期間功耗較大，因此，我們的主要目標是盡可能使觸控板處於關閉(OFF)狀態。結果，為電阻式面板ITO層供電的驅動電路會開始工作。設立時間錯誤通常是由於面板通電的上升時間或環境雜訊引起的，如觸控式螢幕的機械振動、顯示器照明干擾、系統瞬變、靜電放電(ESD)和/或電磁脈衝(EMP)。
如果這類雜訊環境存在，就必須在觸控面板和觸控式螢幕控制器之間的訊號路徑中增加雜訊抑制元件。圖3中的電容網路就是一種雜訊抑制電路。需注意的是，在輸入線上增加任何電容都會增加觸控式螢幕控制器的輸入設立時間(圖4)。面板設立時間的增加會降低觸控式螢幕控制器的採樣率，並延長面板驅動器的通電工作(power-ON)時間。
圖4：該圖顯示了具有不同線路電容之觸控板的Y線電壓上升時間(根據圖3的CEX)。4號線沒有插入CEX。3號線的CEX等於0.1μF。2號線的CEX等於1μF。
圖4說明了觸控板電阻與輸入電路濾波電容(圖3的CEX)之間隨時間變化的關係。來自面板的觸控式螢幕控制器訊號上升時間常數等於τ或R*CEX，其中R代表觸控板上從觸點到地的電阻。Y線上電壓的上升時間等於：VY-(t)=VY-(FINAL)(1-e-t/τ)，其中VTOUCH(FINAL)是觸點位置的終止電壓。
當目標是減少數據採集期間的觸控板功耗時，有幾大因素將影響設計決策。如果使用電容網路降低雜訊，那麼可透過增加面板關閉時間相對於面板打開時間的比例來實現更低的系統功耗。雖然更低電阻的面板在啟動期間確實會消耗更多電流，但更低電阻的面板所需的設立時間也較短。
在典型的觸控式螢幕應用中，用戶需要精確的X、Y和Z座標資料。精確的座標資料需要每秒100到200個資料組。不過觸控式螢幕控制器通常執行更高的採樣率。例如，若觸控式螢幕控制器的採樣率是100ksps，那麼觸控式螢幕控制器最多每秒可採樣5萬個X/Y座標組。
觸控系統的數位介面
觸控式螢幕控制器到主處理器的介面由一條串列數位匯流排(SPI或I2C)和一根中斷訊號線組成。主處理器的週邊配置通常決定了串列介面協議。如果主處理器具有I2C介面，系統具有多個I2C設備，那麼你也可以選擇I2C協議實現與觸控式螢幕控制器的通訊。I2C使用的匯流排線數比較少，當有多個I2C設備共用主機I2C介面時，將具有更高的靈活性。
另一種串列介面是SPI。SPI協議的資料讀寫速度通常較I2C介面快。你的系統可能有未使用的SPI埠和頻寬受限的I2C埠。在這種情況下，介面協議的最佳選擇是SPI。
圖5顯示了在不同I2C介面速度下的功耗。從圖5來看，大家可能會猜測降低數位介面速度意味著降低整體功耗。然而，更長的介面傳輸時間會讓匯流排增加額外的裝載時間。用400kHz匯流排速度發送資料所需的時間是100kHz匯流排速度的25%，用3.4MHz匯流排速度發送資料的時間僅是100kHz時的2.94%。因此，觸控式螢幕系統的匯流排時脈越高，平均功耗就越小。
">圖5：該圖顯示了在不同供電電壓和I2C匯流排速度下提供電流的三個觸控式螢幕控制器。
透過觸控式螢幕控制器和主處理器之間的簡單介面，可以立即將座標資料發送給主處理器。觸控式螢幕控制器利用這類介面檢測面板中發生的事件，並向主處理器發送中斷。在收到中斷後，主處理器向觸控式螢幕控制器發送通電命令，然後採樣觸壓位置，將訊號轉換為數位訊號，然後立即發送資料給主處理器。主處理器對這一過程進行控制。在這種環境中，主處理器可能需要多個採樣值，以便用數位處理技術減少面板資料中的雜訊。
觸控式螢幕控制器還提供簡單的數位濾波功能，可有效減少通過觸控式螢幕控制器/主介面的轉換資料封包數量。採用這種策略的觸控式螢幕控制器將檢測面板上的壓力，採集每個座標的多個樣值，預處理座標資料，然後將一組最終的座標方案發給主處理器。這種方案顯著減輕了主處理器原本需要執行的任務。
在資料發送之前，觸控式螢幕控制器和主處理器之間很少通訊。雖然電阻/觸控式螢幕網路的上升時間會引起類比系統穩定性的延遲，但其他雜訊源對轉換精密度有更大的影響。為了減少這些雜訊源，可能需要對多個樣值進行平衡處理。
圖6所示的結構圖(正在申請專利)針對觸控板資料組使用了三種簡單但有效的濾波演算法。
">圖6：你可以從一組觸控式螢幕資料值中獲得中間值(b)或平均值(a)。如果整合這兩種運算，你可以捨棄資料組中的高值和低值(c)，然後對中間資料進行平均。
在所有情況下，你首先必須將來自面板的資料降冪排列。第二個可行的策略是根據資料組計算出中間值(圖6b)，並捨棄多餘資料。可以對資料組稍微再做些處理，對資料組取平均值，並將結果發送給處理器(圖6a)。另外一種方法是捨棄資料組中的大值和小值，然後對餘下的值取平均值(圖6c)。其他去彈跳演算法還包括投票演算法(voting)，以及採用處理器實現的FIR濾波器。
預先過濾觸控式螢幕資料
若想透過濾波減少ADC資料中的雜訊，可以用主處理器軟體達到這一目的。另一種方案是使用觸控式螢幕控制器進行資料濾波。如果將濾波功能從主處理器移到觸控式螢幕控制器上，將可大幅減少資料匯流排上的流量。這種改變可以降低數位介面的功率。
例如，一個I2C介面的寫入週期需要18個I2C時脈週期，一個讀取週期則需要27個I2C時脈週期。在例A中(表1)，如果觸控式螢幕控制器採集了7個12位元樣值，並把這些樣值送給處理器，那麼觸控式螢幕控制器便需要7次讀寫。
表1：對兩個範例系統中I2C時脈總數和發送時間的比較。
這個介面傳輸所需的總時脈週期數等於7*(18+27)=315個I2C時脈週期。
在例B中，觸控式螢幕控制器採集並預先處理了同樣7個12位元樣值。觸控式螢幕控制器的讀取仍然需要18個I2C時脈週期，寫入則需要27個I2C時脈週期，但現在整體I2C週期數等於1*(18+27)=45個I2C時脈週期(表1)。這將使I2C時脈週期數減少7倍。
觸控式螢幕控制器可檢測觸控筆的觸碰、採集多個座標資料組、對資料進行預處理以減少系統雜訊，然後將最終結果發送給微處理器，這種方案具有很大的優勢。工作在400kHz時脈速率的一個I2C時脈週期等於2.5μs。在這些條件下，例A中的觸控式螢幕系統需要787.5μs時間發送面板資料。而在例B中，同樣條件下總介面傳輸時間可以縮短到112.5μs。
對數位SPI介面來說，也會產生同樣的流量減少情況。在採用SPI介面時，發送一個讀取週期需要24個時脈週期。發送7個未濾波讀取週期需要168個時脈週期。具有內建濾波功能的觸控式螢幕控制器可透過SPI匯流排，僅傳送一組座標資料，因此匯流排流量可以減少86%。
人機介面可能會潛在地造成某種程度的不確定性。當觸控筆彈跳或只是無意地劃過觸控式螢幕時，都可能發生這種現象。如果觸控式螢幕系統立即回應，而沒有加以驗證，那麼觸控式螢幕控制器就會在假警告狀態下為面板加電。透過在合法性判斷之前擷取來自面板的多個中斷，就能減少對假警告回應的概率。例如，觸控式螢幕控制器可以實現預設的閾值來檢查資料的有效性。這樣可以避免錯誤的資料發送到主處理器，進一步減少數位介面匯流排的流量。
系統總功耗
在觸控式螢幕控制器系統中，消耗功率的三個主要元件分別是類比介面、觸控式螢幕控制器(靜態電流和ADC)以及數位介面。在表2所描述的系統中，類比和數位電源等於1.8V，觸控式螢幕控制器的靜態電流是360μA。
在表2所示的系統中，只要主處理器執行數位濾波功能，數位介面的功耗就幾乎等於類比介面和觸控式螢幕控制器的功耗之和。如果觸控式螢幕控制器在為主處理器發送最終座標點之前就預先對資料濾波，數位介面的功耗就能大幅降低。
表2：類比介面功耗是觸控式螢幕系統總功耗的主要部份，除非主處理器執行資料濾波功能。
觸控式螢幕系統電路
圖7為觸控式螢幕系統的工作電路結構圖。觸控式螢幕控制器TSC2005的功能可以強化類比和數位介面性能。
圖7：採用TI公司TSC2005的觸控式螢幕系統。
類比介面性能增強包括多種延遲功能、比例測試功能以及ESD/EOS保護。可利用TSC2005內的某種延遲功能延遲採集的啟動，旁路初始化觸控面板時的‘彈跳’情況，或面板的RC上升時間。這些驅動電路採用比例式技術(美國專利號6,246,394)提高了ADC的動態範圍。TSC2005提供的另一項類比功能是高度的觸控面板ESD和EOS保護。
TSC2005的數位介面增強功能包括濾波或平均模組。TSC2005內建的濾波演算法可以減少數位介面流量，進一步減少主處理器的工作時間和所需記憶體。
本文小結
消費性產品設計師在選擇面板時，有多種觸控式螢幕技術可選擇。市場上最流行的觸控面板是四線制電阻面板。電阻觸控式螢幕系統由電阻觸控面板、觸控式螢幕控制器和主處理器組成。透過使用觸控式螢幕，你可以確定觸控筆或手指的X、Y和Z座標。
觸控面板和觸控式螢幕控制器之間的類比介面對觸控式螢幕系統功耗的影響最大。影響這種類比介面的主要因素有系統電源(VDD)、面板電阻和面板開關時間比。如果沒有設立時間問題，降低面板和類比介面功耗的最佳方針是降低系統電源電壓、使用更高阻抗的觸控面板以及減少設備的開關時間比。如果電路中增加了降噪電容網路，更低的電阻觸控面板將會消耗更低的整體功率。
影響觸控式螢幕控制器和主處理器數位介面的主要功率因素是高數位流量引起的串列匯流排功耗。平均數位轉換可以使觸控式螢幕控制器減少主處理器的影響並降低數位介面功耗。如果觸控式螢幕控制器對座標資料濾波後再發送給主處理器，那麼最主要的功耗就不在觸控式螢幕控制器和主處理器之間的數位介面了。當面板啟動時，觸控式螢幕的類比介面將消耗相當大的功率。
作者：Bonnie C. Baker
Wendy Fang
資深應用工程師
德州儀器
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