普通电阻触摸屏多点触摸低成本解决方案

普通电阻触摸屏多点触摸低成本解决方案 

苹果公司iPhone 的成功将多点触摸技术推到了一个前所未有的高度，经典的弹钢琴应用程序可以支持超过5 点的同时触摸，虽然这一性能并不见得有太多的实用价值，但绝对带给了用户技术无限领先的震撼感。苹果公司的iPhone 采用电容屏和他们的专利技术来实现对多点触摸的支持，价格自然不菲，但一点可以肯定，在支持的点数和性能稳定方面，目前还少有公司能在这方面挑战苹果的权威。

对于消费电子产品来说，流行就是硬道理，在iPhone 大行其道的同时，一时间但凡是有触摸屏的产品，都想让自己通过多点触摸等特性与iPhone 攀上亲戚关系，尤其是手机、MP4 、GPS 等产品，仿苹果的心理更是急切。

苹果公司的技术虽然在性能方面无可挑剔，但过高的成本使得这项技术只适合iPhone 之类的奢侈品，对于更多的触摸屏产品显然无法承受这一成本。正是这个原因，寻找一种更为便宜的多点触摸解决方案，成为众多技术人员的期望，本文在不增加其它硬件成本的前提下，基于普通四线电阻屏，提出一种低成本解决方案，能够在一定限制条件下可实现两点触摸的识别。

 

几种现有的多点触摸方案

1. 硬件采用电容屏，通过软件实现多点触摸。优点是灵敏度高，性能稳定，支持的点数可满足绝对大部分应用需求；缺点是成本高，而且苹果有专利保护。

2. 硬件采用数字电阻屏，实际上是用电阻屏的材料做成一个透明键盘矩阵，通过行列扫描判断所按下的点。优点是价格便宜，性能可靠，可支持的点数最多；不足是需要比较多的行列连线接口，不能实现手写功能。

3. 硬件采用模拟电阻屏，在专用芯片中通过软件计算出多点触摸。优点是既能支持多点触摸，又保持手写功能，另外成本增加不多；缺点是支持的点数最少，方案商在实现细节上大都语焉不详，性能和稳定性尚待验证。

4. 采用红外、表面超声波等方式实现触摸检测，实际应用比较少，这里不做探讨。

 

低成本多点触摸方案

毫无疑问，四线模拟电阻屏是触摸屏中成本最低的一种，如果我们能在这种屏的基础上找到一种实现多点触摸的方法，只要控制额外增加的硬件成本，成本上考虑能够有所突破的可能性最大。

虽然现在有不少MCU 带有触摸屏接口，因为我们需要识别多点触摸，所以这类MCU 的触摸屏接口并不适用，实际上方案的要求更简单，只需要选用MCU 能提供4 路ADC 口使用，另外再用4 条双向IO 进行控制。来看一下这种低成本方案的构成细节，图（一）中(d) 部分为方案示意图，并不需要对电阻屏做出过多改动，只是在外围增加了两个电阻，这几乎是可以忽略不计的成本。

 

 

 

图（一） 低成本电阻触摸屏原理及方案示意图

 

 

 

图（一）中(a)(b)(c) 三部分对电阻触摸屏的原理做了简单示意，对单点触摸位置的识别方法这里不做详述，不清楚的朋友请自行查阅相关资料进行了解。单点触摸的识别只需要4 条双向IO 就可以实现，其中2 条需要支持ADC 功能，从图（一）中(d) 部分可以看出方案做了一点修改，使用的IO 口数量增加了一倍，另外还有两个电阻。

为便于分析，我们需要建立一个触摸屏工作的等效电路模型。因为触摸屏X 和Y 方向对触摸检测方法是一样的，所以我们只建立一个电路模型，图（二）展示了触摸屏按下一个点和两个点的状态。

 

 

 

图（二） 触摸屏等效电路模型示意图

 

 

 

图（二）标号说明：

R1 、R2 为IO 口的输出电阻，只要知道它的存在，不用管具体大小；R3 、R4 、R5 、R6 为4 路ADC 口的输入电阻，阻值远大于其它电阻；R7 、R8 、R9 为触摸屏的分段等效电阻，阻值总和为几百欧；R12 、R13 、R14 为触摸屏另外一层的分段等效电阻，阻值总和为几百欧；R10 、R11 为按下触摸屏时的接触电阻，阻值动态变化； K1 、K2 表示按下触摸屏的位置。

R15 为限流电阻，因为触摸屏的电阻通常为几百欧，普通IO 驱动能力可能不够，所以用R15 对IO 输出进行限流，R15 对应图（一）中(d) 部分R1 和R2 。

假定IO1 输出高电平，IO2 输出低电平， V1~V4 为4 路ADC 口测量到的电压。

触摸屏没有按下时，测量ADC1 和ADC2 得到V1_0 和V2_0 ；触摸屏按下一点时，假设此时按下位置为K1 ，4 路ADC 测量的电压为Vn_1 ；触摸屏按下两点时，4 路ADC 测量的电压为Vn_2 。忽略ADC 口输入电阻的影响，这些电压会满足下面的关系。

V1_0=V1_1 ，V2_0=V2_1

V3_1=V4_1=(V1_1-V2_1)*(R8+R9)/(R7+R8+R9)

(V1_1-V2_1) ≥(V1_2-V2_2)

后一种关系式因为两点按下后会让与R1 、R2 、R15 串联的触摸屏等效电阻变小，从而使得分在触摸屏两端的电压也变小。现在引入三个新参数L7 、L8 、L9 ，分别表示同标号电阻等效的触摸屏宽度，三者的总和等于触摸屏宽。另外还根据实际引入一个限制条件，当有两点被按下时，只要程序检测速度够快，对于程序来说就不会有同时按下的情况，始终都是依次按下或松开，这一点非常重要。

对于单点位置的检测不存在任何问题，现在我们来处理两点的情况，结合前面引入的限制条件，程序可以检测到中间有一小段时间是单点按下，也就是程序先检测到K1 按下，经过一小段时间才检测到K2 按下。这个中间过程可以准确得到K1 位置，如果我们利用前后变化的比例关系，就可以计算出后面K2 按下的位置。

K1 单独按下：

L7=(L7+L8+L9)*(V1_1-V3_1) /(V1_1-V2_1)

K1 和K2 同时按下( 忽略R10 和R11 的影响) ：

(V1_2-V3_2)/L7=(V4_2-V2_2)/L9

因为L7+L8+L9 为已知条件触摸屏的宽度L ，所以有：

L7=L*(V1_1-V3_1)/(V1_1-V2_1)

L9=(V4_2-V2_2)*L7/(V1_2-V3_2)

L9=L*(V4_2-V2_2)*(V1_1-V3_1)/((V1_1-V2_1)*(V1_2-V3_2))

到这里我们已经得到所按两点的具体位置，只要我们依照此方法对触摸屏的X 和Y 轴分别处理，就可以在普通电阻屏上实现两点触摸位置的检测。

 

方案的其它说明

前面的公式推导过程忽略了接触电阻R10 和R11 的影响，这两个电阻的大小并不固定，主要由使用者按下的力度决定，按的力越大，其阻值越小。当只按下一个点时，所按力度的大小对K1 位置的计算影响可以不用考虑，但对于两点的计算则要考虑其影响，按的力度越小，计算出来的K2 位置误差就越大。这样在按下的过程中，会存在一个误差从大变小的过程，不过只要用力足够，最后还是保证误差在允许范围内。另外触摸屏并不是完全线性，这里是简化为线性关系。

该 方案在两点按下时最好保持先按下的点位置不变动，这样可以保证计算结果更为精准。如果两点按下后需要移动，虽然通过比例关系也可以计算出运动轨迹，但误差 会随之加大，这里也不做过多分析。松开的过程与按下相反，由两点按下变为一点按下，最后全松开。如果在精度上适度降低要求，在此方案的基础还可以利用三角 形重心的原理进行第三点的判断，笔者进行的验证实验发现难点是需要考虑的组合情况偏多，从而导致判断程序复杂。

实际应用中还需要进行触摸屏是否按下的检测，这里不详述具体的检测方法，只是要留意为了防止触摸屏悬空状态的影响，可以在两端接一个比较大的电阻到地，建议用470k 或510k 的阻值。

使用该方案除了具备普通电阻屏的基本功能，还可以实现对屏幕的拖动，用手指合分动作实现图像的缩放，对两个游戏功能键的同时控制。从成本上看除了需要另外增加4 条IO 口外并无其它硬件开销，主要是通过软件计算来实现多点检测。该方案虽然性能上相较电容屏存在明显差距，但成本上占有绝对优势，对于一些对精度要求不高的应用还是具有一定的实用价值。