電阻觸摸屏多點(diǎn)觸控算法的研究與實(shí)現(xiàn)

朱莉　權(quán)蕾

摘 要：觸摸屏作為一種人機(jī)交互界面，已大量取代了以往的鍵盤、鼠標(biāo)等人機(jī)溝通方式。電阻式觸摸屏以其低廉的價(jià)格，穩(wěn)定的性質(zhì)更成為主打選擇的觸摸屏之一。在日常應(yīng)用中，經(jīng)常需要同時(shí)對(duì)多點(diǎn)進(jìn)行操作。然而，觸摸屏的觸摸點(diǎn)之間會(huì)互相影響，而得出錯(cuò)誤的觸摸點(diǎn)坐標(biāo)。本文優(yōu)化了兩點(diǎn)觸摸的判斷算法，實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)觸控的正確識(shí)別和定位處理。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證表明可以實(shí)現(xiàn)圖像的放大、縮小、旋轉(zhuǎn)等功能。

關(guān)鍵詞：電阻觸摸屏；多點(diǎn)觸控；鬼點(diǎn)；采樣點(diǎn)平均值

多點(diǎn)觸控，是指能同時(shí)正確識(shí)別和定位兩個(gè)或兩個(gè)以上的觸摸操作，能夠獨(dú)立判斷每個(gè)觸摸點(diǎn)的操作意義，并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能的技術(shù)。這是一種擺脫了傳統(tǒng)的輸入設(shè)備，簡(jiǎn)單而方便的人機(jī)交互操作模式。

多點(diǎn)觸控技術(shù)目前有兩種[1]：多點(diǎn)觸控手勢(shì)識(shí)別和多點(diǎn)觸控位置識(shí)別。

目前市面上出現(xiàn)較多的方式是多點(diǎn)觸控手勢(shì)識(shí)別。手指同時(shí)觸摸屏幕多點(diǎn)時(shí)，能夠識(shí)別每個(gè)手指移動(dòng)的方向，能夠進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、縮放、平移等操作，但還不能夠判斷出每個(gè)手指的具體位置。但兩點(diǎn)觸摸甚至多點(diǎn)觸摸時(shí)，X、Y軸上會(huì)產(chǎn)生多個(gè)最大值，此時(shí)系統(tǒng)無(wú)法判斷觸摸點(diǎn)的準(zhǔn)確位置。通常把并不是真正觸摸的點(diǎn)叫做“鬼點(diǎn)”。

多點(diǎn)觸控位置識(shí)別才是真正意義上的多點(diǎn)觸控技術(shù)，可以識(shí)別到觸摸點(diǎn)的具體位置，沒有“鬼點(diǎn)”的現(xiàn)象。這種觸控技術(shù)基于互電容檢測(cè)方式，通過行列交叉處耦合電容Cm的變化判斷觸摸點(diǎn)。手指觸摸時(shí)行列之間的互電容減小，可以判斷觸摸點(diǎn)存在，并且準(zhǔn)確判斷每一個(gè)觸摸點(diǎn)位置。

1 電阻式觸摸屏多點(diǎn)觸摸技術(shù)

實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)觸摸，每個(gè)工作單元必須彼此獨(dú)立，并且觸摸點(diǎn)只能在同一個(gè)工作單元中。圖1給出了電阻式觸摸屏實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)觸摸的方法：在X1電極上加上電壓，由Y1，Y2，Y3電極讀取A、B、C觸摸單元所檢測(cè)到的X坐標(biāo)；在以后的各個(gè)始終周期依次讀取X2，X3的坐標(biāo)。獲得所有觸摸單元的X坐標(biāo)后，再依次給Y電極加上電壓，以獲得各個(gè)觸摸單元的Y坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)觸摸[2]。

2 兩點(diǎn)觸摸判斷算法實(shí)現(xiàn)

2.1剔除非觸摸點(diǎn)

當(dāng)觸摸屏表面有觸摸點(diǎn)時(shí)，上層的ITO導(dǎo)電層向下凹陷，發(fā)生形變，并接觸到下層的ITO，接觸點(diǎn)的兩層ITO導(dǎo)電層之間存在一個(gè)電阻，當(dāng)觸摸的壓力越大時(shí)，之間的電阻阻值就越小。通過計(jì)算相應(yīng)阻值，可以得到觸摸位置，但是想要正確識(shí)別出兩點(diǎn)觸摸的位置，就必須先剔除非觸摸點(diǎn)。所謂非觸摸點(diǎn)，就是指沒有意愿的接觸點(diǎn)。這些觸摸點(diǎn)是隨機(jī)的，而且是非有效觸摸。比如，觸摸力度較輕時(shí)，觸摸屏ITO導(dǎo)電層的電阻處在接通與未接通的臨界點(diǎn)，類似這樣的觸摸點(diǎn)就是非觸摸點(diǎn)。這在沒有意志支配的情況下產(chǎn)生的接觸點(diǎn)，對(duì)整個(gè)檢測(cè)沒有意義的，所以必須將它們剔除。

考慮到非觸摸點(diǎn)的隨機(jī)性，兩次測(cè)量的方法可將其剔除。若第一次測(cè)量的結(jié)果是有效值，但第二次測(cè)量的結(jié)果超出了整個(gè)觸摸屏的阻值所規(guī)定的范圍，是一個(gè)很大的值，則視其為無(wú)效值，該點(diǎn)即為非接觸點(diǎn)，必將其剔除。反之，如果第二次測(cè)量的結(jié)果在整個(gè)觸摸屏的阻值所規(guī)定的范圍內(nèi)，則視其為有效值，是有效的觸摸點(diǎn)。2.2接觸電阻的改進(jìn)

觸摸屏幕的壓力大小不同，ITO導(dǎo)電層的電阻值也不同，也就是說輕觸或重觸觸摸屏，產(chǎn)生的電阻是不同的?？刂菩酒梢詼y(cè)試出接觸電阻的阻值大小，但是沒法分辨出是輕觸，還是重觸，這只會(huì)影響判斷觸摸點(diǎn)的準(zhǔn)確性，從而會(huì)影響整個(gè)觸摸屏的可靠性。下圖是圖2是輕觸的示意圖。

在現(xiàn)階段的方案中，接觸電阻和壓力成為影響觸點(diǎn)坐標(biāo)準(zhǔn)確性的重要因素。如果接觸電阻不大于方阻，不會(huì)影響坐標(biāo)顯示的準(zhǔn)確性；如果大于方阻，就會(huì)出現(xiàn)跳躍點(diǎn)。比如，輕觸觸摸屏上的某一點(diǎn)，會(huì)造成電路接通不完全，對(duì)整個(gè)電路來說，它表現(xiàn)為測(cè)量電阻大，測(cè)得的值比實(shí)際值要大，那么它的坐標(biāo)將會(huì)向后跳躍。與其相反的，如果是用力的重觸觸摸屏上的某一點(diǎn)時(shí)，坐標(biāo)會(huì)前移。由此可見輕觸或重觸對(duì)接觸電阻的測(cè)量值影響很大，接觸電阻和壓力成反比。

查閱過一些四線電阻式觸摸屏的技術(shù)手冊(cè)后發(fā)現(xiàn)：他們通常使用接觸電阻小于2kΩ這個(gè)測(cè)試條件，來測(cè)試最小壓力這個(gè)參數(shù)。在正常力度的壓力下，一般接觸電阻為2kΩ；如果壓力更小，接觸電阻則會(huì)大于2kΩ。由此可見，實(shí)際測(cè)量結(jié)果與所施加的壓力存在動(dòng)態(tài)變化，如果加在同一點(diǎn)上的力量是變化的，那么測(cè)量出的坐標(biāo)點(diǎn)就是不確定的，所以這種測(cè)量方法仍然必須改進(jìn)。

在此，分解一次完整的觸摸過程：（1）手指接觸到觸摸屏表面，（2）手指對(duì)觸摸屏逐步增加壓力，（3）壓力保持，（4）抬起手指，（5）手指的壓力逐步減小，（6）手指離開觸摸屏，整個(gè)觸摸過程完成。分解過程之后可以發(fā)現(xiàn)，在這個(gè)過程中，手指對(duì)屏幕的壓力并不是一個(gè)恒定不變的量。所以，細(xì)分整個(gè)過程，把不同時(shí)期得到的壓力和接觸電阻全部采樣，然后求取平均值，那么這個(gè)值將更加接近實(shí)際數(shù)據(jù)，這就是用求平均值的最根本原因。用求平均值的方法可以模擬整個(gè)觸摸過程，從而排除掉前期接觸、后期接觸或者中間接觸時(shí)壓力不穩(wěn)等情況。

這個(gè)改進(jìn)用一個(gè)循環(huán)來實(shí)現(xiàn)，多次執(zhí)行讀取采樣函數(shù)，然后求平均值。由于A/D轉(zhuǎn)換的速度很快，這給求平均值提供了有利的基礎(chǔ)。按照程序設(shè)定，一共采樣32次，在計(jì)算求平均值的時(shí)候，利用C語(yǔ)言中的左移，求得平均值?？梢园堰@個(gè)求得的和左移5位，就得到平均值，這種計(jì)算方式十分便捷。另一個(gè)需要考慮的問題是時(shí)間，也就是A/D轉(zhuǎn)換的速度問題。如果在完成一次觸摸的整個(gè)過程中，采樣的數(shù)目越多，對(duì)于觸摸點(diǎn)平均取值就越接近實(shí)際數(shù)據(jù)，對(duì)確認(rèn)觸摸點(diǎn)坐標(biāo)的影響也就越小。A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)讀取過程的實(shí)現(xiàn)，以及改進(jìn)后的算法如下：

第一步：接通觸摸屏電流，循環(huán)讀取32次A/D轉(zhuǎn)換器的值，并求得這些值的總和。

第二步：將求得的總和值左移五位，求得平均值，并把該平均值作為有效的數(shù)據(jù)。

改進(jìn)后的算法有效避免了不同壓力對(duì)準(zhǔn)確測(cè)量電阻值的影響，提高了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性?？梢愿訙?zhǔn)確定位坐標(biāo)，特別是屏幕中間區(qū)域的觸摸點(diǎn)，效果尤其明顯。

2.3邊沿檢測(cè)結(jié)果的改進(jìn)

在進(jìn)行測(cè)試畫線的過程中，電壓波形不是一條平滑的曲線，而是階梯波，因此在采樣過程中，有可能在電壓上升沿或者下降沿采樣，這樣采樣得到兩個(gè)點(diǎn)之間的電壓，并不代表這個(gè)點(diǎn)是處于采樣得到的兩個(gè)點(diǎn)直線之間的任何一個(gè)點(diǎn)，而是如圖3所示，折線上的A點(diǎn)或者B點(diǎn)。這樣會(huì)造成錯(cuò)誤識(shí)別。在測(cè)試畫線的時(shí)候，如果畫線速度較快，第二次觸摸時(shí)電壓尚未穩(wěn)定，會(huì)造成采樣時(shí)的誤讀，落在電壓變化的邊沿，采樣數(shù)據(jù)比A點(diǎn)（下降沿）樣數(shù)據(jù)大，比B點(diǎn)（上升沿）小。理論上來說，的確存在一個(gè)跟這個(gè)采樣數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，實(shí)際上選擇的這個(gè)點(diǎn)不是A點(diǎn)，就是B點(diǎn)。下面來分析一下造成這種現(xiàn)象可能的原因。

首先是硬件電路，分兩種情況：（1）在供給觸摸屏的電路中有電容儲(chǔ)能，或者旁路中的電容給階梯的電壓的變化造成了延緩，（2）在供電電路中存在比較大的電阻，電阻的電感特性影響較大，這兩種情況都會(huì)導(dǎo)致電壓變化的邊沿拉長(zhǎng)。此時(shí)采樣的時(shí)機(jī)選在電壓變化的邊沿處的幾率增大。

即便不存在硬件電路問題，也不能保證所有的點(diǎn)都直接跳變，不能保證采樣的時(shí)機(jī)不在電壓上升沿或者下降沿處。所以要想避免這個(gè)問題，不僅要考慮硬件電路問題，更要在現(xiàn)有的硬件電路基礎(chǔ)上，在程序中剔除這些采樣時(shí)機(jī)不對(duì)的點(diǎn)。因此，需要通過算法找出這些點(diǎn)，然后把它們剔除?；谶@個(gè)思路，在2.2節(jié)中，已經(jīng)對(duì)每個(gè)點(diǎn)采樣32次，如果把這32個(gè)采樣值中的最大值和最小值分別找出來，就能消除邊沿處的采樣值影響。這里的最大值是指在上一個(gè)階梯下降時(shí)的采樣值，最小值是指在本階梯下降時(shí)的采樣值，然后用32次采樣的總和值減去這兩個(gè)點(diǎn)的值。通過這種方法增加了采樣數(shù)據(jù)的可信度，增強(qiáng)了觸摸屏工作的可靠性。

2.4臨界點(diǎn)的改進(jìn)

關(guān)于觸摸的臨界點(diǎn)也有需要改進(jìn)的地方。如圖4所示，給出了觸摸電阻隨壓力的變化而變化的曲線圖。

由上圖可以看出，如果是有效地觸摸的話，電阻的變化率不會(huì)太大，如兩接觸臨界點(diǎn)之間的電阻變化率就不是太大；但如果采樣點(diǎn)正好落在接觸臨界點(diǎn)上，而且這個(gè)值小于2kΩ，那么，這個(gè)點(diǎn)就應(yīng)該視為無(wú)效點(diǎn)，用采樣的總和減去這個(gè)最大值的點(diǎn)就可以了。但是，如果在這一點(diǎn)上采樣兩次，它的影響就會(huì)明顯表現(xiàn)出來了。檢測(cè)出來的點(diǎn)將會(huì)使顯示結(jié)果出現(xiàn)跳越。所以對(duì)這一類無(wú)效的點(diǎn)，最安全的做法就是將其直接剔除?？梢栽诔绦蛑性O(shè)定：完成一次觸摸以后，判斷阻值的變化，比較最大值和最小值之間的差值，如果兩個(gè)值的差值超過100Ω，則說明采樣點(diǎn)在臨界點(diǎn)上或者在臨界點(diǎn)之外，判斷為無(wú)效點(diǎn)，程序跳轉(zhuǎn)到開始，重新開始檢測(cè)點(diǎn)，這樣就可以把這一類的點(diǎn)剔除掉。

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