在触摸式用户界面中实现触觉技术

　　电容式触摸界面正在逐步取代消费、汽车、工业与医疗应用中的机械开关、旋钮与调谐钮。电容式触摸传感器由于其美观、更高可靠性和更低生产/加工成本而大受欢迎。另外，由于不存在容易发生故障的机械组件，因此基于电容式触摸感应技术的用户界面能够改善用户体验和延长产品使用寿命。

　　但是，由于电容式触摸传感器不具备机械按钮与开关那样的触觉反馈，因此，从机械按钮、旋钮与调谐钮转变到电容式触摸界面会给设计人员带来挑战。以在键盘上打字的体验为例。在按下和释放某个键后，由于弹簧的作用它可以弹起。我们可以通过手指感受到键弹回的力量，从而确认已完成按键操作。而采用电容式触摸界面无法提供内在的机械反馈，所以用户无法获得与机械键相同的感受。由于主要目的是改善用户体验，因此缺乏触觉反馈会给设计人员带来挑战。开发人员可以借助触觉技术提供触觉反馈、改善用户体验和增加产品价值。

　　图1:在手机中实现的、用于提供触觉反馈的触觉技术示例。

　　触觉技术是利用人的触觉提供反馈、通过向用户提供压力、振动或运动感受的触觉反馈技术。触觉技术的一个简单例子就是手机和平板电脑中采用的振动提醒。当手机进入振动模式后，在有来电或消息时手机会采用促动器振动提醒用户，用户甚至无需查看屏幕。

　　图2举例说明了在电容式触摸系统中实现的触觉技术。其中，当用户触摸电容式触摸界面时就会启动促动器产生振动。用户的手指感觉到振动后可确认触摸操作。通过控制施加到促动器的电压与频率可以产生不同的触摸反馈效果，如：单击与双击。

　　图2:触觉技术的工作原理

　　在触摸式用户界面中实现触觉技术：

　　图3举例说明了在触摸式用户界面中实现的触觉反馈。此系统由以下组件构成：

• 　　触摸界面
• 　　触摸感应控制器
• 　　触觉处理器
• 　　促动器
• 　　促动器驱动器

　　图3:触觉系统方框图

　　触摸界面：触摸界面是用户与系统进行互动的区域。它由触摸敏感型传感器组成。触摸界面可以是触摸屏、触摸按键或者兼而有之。例如，在手机应用中，触摸界面是LCD显示屏上面的透明触摸屏。在家用电器应用中，触摸界面则采用FR4/FPC PCB上的铜覆层。

　　触摸感应控制器：触摸感应控制器可以探测手指触摸动作或者手指在触摸表面上的触摸位置。对于触摸屏而言，触摸控制器可以把触摸坐标发送到应用处理器进行处理。对于触摸按键而言，触摸控制器则向应用处理器发送开/关状态信息。触摸控制器的实例包括赛普拉斯的TrueTouch?与CapSense?控制器。

　　触觉处理器：触觉处理器由控制软件以及可生成触觉波形驱动促动器的算法构成。触觉处理器可以采用以下方式实现：

　　● 与应用处理器/MCU集成

　　● 采用独立处理器

　　● 与触摸控制器集成

　　● 与促动器驱动IC集成

　　＊ 与应用处理器/MCU集成的触觉处理器：在应用处理器/MCU具有适当处理带宽和硬件资源的应用中，触觉处理器可以按图3所示方法进行集成。此方法无需专用的触觉处理器，因此能够降低BOM成本和节省板级空间。

　　为了产生不同的触觉效果，设计人员可以开发定制软件，也可以获得触觉软件供应商的软件许可。开发定制触觉软件需要大量设计工作、时间和附加成本。但是，定制触觉软件的优势在于设计人员能够按照其终应用需求优化触觉效果。

　　为了减少设计工作和时间，设计人员可以获取供应商的触觉软件许可，也可以采用支持触觉软件的控制器。一个采用内置触觉软件库的MCU实例就是赛普拉斯的PSoC1控制器。

　　＊ 与独立处理器集成的触觉处理器：在应用处理器/MCU不具备集成触觉处理功能所需的带宽或资源的应用中，可以采用独立处理器/MCU作为触觉处理器。在大多数情况下都不会采用这种方法，因为其不但增加成本，而且会占用更多板级空间。

　　＊ 与触摸控制器集成的触觉处理器：此外，有些触摸感应控制器也会集成触觉处理器。例如，赛普拉斯的CapSense控制器具有可靠的电容式触摸感应硬件，而且采用Immersion的TouchSense触觉库提供触觉反馈。设计人员可以采用触觉库在其触摸界面中快速实现触觉反馈。在触摸控制器中集成触觉处理器能够降低应用处理器/MCU的负载，同时提供低成本实现方案。

　　＊ 与促动器驱动器集成的触觉处理器：有少数驱动器驱动IC提供集成型触觉处理器。此方法适用于需要在现有触摸用户界面中实现触觉反馈的情况。采用在现有触摸界面中具备集成触觉处理器的促动器驱动IC可以限度地减少应用处理器/MCU固件和电路板设计所需的修改工作。应用处理器能够向促动器驱动IC发送相应的触觉波形生成指令。

　　促动器：促动器是用于产生振动并且向用户提供触摸反馈的机电组件。促动器的输入由触觉处理器提供。促动器与触摸式用户界面集成在一起，以便在促动器获得输入时使设备产生振动。

　　触觉系统可以采用各种促动器。常用的包括：

　　偏心旋转质量（ERM）促动器 - ERM促动器是一种电机轴附带偏移质量块的直流电机，如图4所示。由于电机轴附带偏移质量块，因此在电机旋转时偏移质量块具有不均匀的向心力，从而产生一个净离心力。该离心力会造成电机的位移。由于电机与设备连接，因此电机位移会造成整个设备振动。ERM电机的输入是DC电压。ERM电机的输入电压范围为1~10V,而工作电流范围是130~160mA.工作频率范围是90~200Hz.ERM电机成本低，但是能够提供强劲振动。不过，其响应时间非常长（40~80ms），因此不适合高质量触觉反馈。ERM电机可在手机中用于提供简单的触觉效果，如：振动提醒。

　　图4:ERM制动器结构

　  线性谐振促动器（LRA）- LRA由可动质量块、永磁体、音圈和振动弹簧组成，如图5所示。在音圈获得正弦输入时，它会产生与永磁体相互作用的磁场，从而造成其线性运动。永磁体推动可动质量块上下运动，从而产生振动。可动质量块连接的弹簧使其返还初始位置。LRA的输入是正弦波。LRA的工作电压范围是2.5~10V,工作电流范围是65~70mA.LRA电机的典型工作频率（谐振频率）是175Hz.与ERM相比，LRA响应时间更短（20~30ms），而且能够提供更、更温柔的振动。LRA常用于在手机中提供虚拟键盘按键操作时的触摸反馈。

　　图5:LRA促动器结构

　　压电促动器：压电促动器采用逆压电效应工作原理 - 向压电晶体施加电压时会导致晶体产生物理变形。这种物理变形能够用于产生振动，以提供触摸反馈。压电促动器由陶瓷材料制成。压电促动器的输入电压是正弦波。压电促动器的工作电压范围是50~200 Vpp,其瞬时电流可达到300mA.压电促动器的工作频率范围是150~300Hz.此类促动器重量轻，尺寸小，而且能够提供快速响应时间（<1ms），因此适合在手机和平板电脑中提供高质量的触觉效果。

　　图6:压电促动器结构

　　促动器驱动电路/IC:应用处理器/MCU提供的输出电压/电流通常不足以驱动促动器。例如，典型的ERM电机需要130~160mA的电流。驱动此电流的促动器需要外部驱动电路。

　　驱动电路可以采用以下方式进行设计：

　　分立组件 - 驱动电路可以采用BJT或MOSFET等分立组件构成。许多应用采用MOSFET,因为其效率高于BJT.图7所示为一种简单的高侧电机驱动电路。在此电路中，MOSFET在饱和区运行，提供开关功能。通过向MOSFET输入端发送PWM信号来控制电机的转速。采用分立组件设计驱动电路的优势在于具有更高的灵活性和更好的设计控制。劣势则是设计更为复杂，而且需要占用更多的板级空间。

　　图7:采用分立组件的ERM电机驱动电路

　　专用促动器驱动IC/放大器IC:驱动触觉系统中促动器的常用方法是采用专用促动器驱动器或放大器IC.音频放大器IC可用于采用简单触觉效果的应用，如：振动提醒、单击/双击等。而提供触觉反馈效果可以采用专用的促动器驱动IC.设计此类促动器旨在通过控制促动器的输入电压/电流来优化触觉反馈效果。另外，如前所述，有少数促动器驱动器采用内置的触觉软件库。在应用处理器中无法实现触觉处理的设计可以采用专用的触觉驱动IC。

　　图8:采用促动器驱动IC的ERM电机驱动电路

　　赛普拉斯参考页面：

　　1. 赛普拉斯CapSense与TrueTouch控制器 - https://www.cypress.com/?id=1932

　　2. 支持集成型触觉技术的赛普拉斯 CapSense控制器 - https://www.cypress.com/?id=3472

　　3. 赛普拉斯 TS2000触觉技术用户模块数据表 - https://www.cypress.com/?rID=55635