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打造智慧型手機/平板電腦 優異使用者介面居功厥偉

2010-10-01
使用者介面是人類和機器互動的工具和機制。對於終端產品如iPad、電子書閱讀器或其他類似的消費性裝置而言,其品質的高低直接反應在使用者介面建置及運作的水準優劣。
檢視使用者介面的歷史,其廣泛的應用可回溯自打字機QWERTY鍵盤的發明。它的出現源自於將資料快速輸入機器中並以紙張備份的需求,其本質便是機械性的。某人須用力地壓下按鍵,才能讓油墨色帶擁有足夠的力量,可將字母印在紙張上。然後,紙張被非揮發性記憶體所取代,內容可被儲存、編輯,並在之後印出,而文字處理機也就此誕生。

可攜式裝置演進不輟

可攜式消費性產品,特別是手機,早期就是模仿QWERTY鍵盤而來。利用機械式按鍵將人類的意圖轉換為中央處理器(CPU)可以互動及了解的電壓準位,來進行各種操作。對於一些簡單的設備來說,例如基本型電話(室內電話或行動電話),人類可以很順暢地與一台機器一同工作。而實現此介面所需的功率非常低,在大部分的情況中,若不計算洩漏電流,靜態電流為零。

但對較複雜的裝置和機器而言,若不具有可以處理人類行為和互動的精密技術,則終端產品的多次使用經驗將會非常糟糕,也會被認為「不好用」。

行動電話使用者介面已快速進化,並足以解決智慧型手機的困境。目前按鍵已被電阻式觸控螢幕介面取代,然而,最基本的使用者介面的變化仍相對較少。值得注意的是,電阻式觸控螢幕介面當然不是唯一的選項,雖然還有其他許多可用的介面如電容式、表面聲波等,但就建置於可攜式裝置中的普及度而言,目前沒有一種能比得上電阻式觸控螢幕。電阻式觸控螢幕介面可符合現今手機市場區隔中對於功耗、效能和價格的基本要求。無論使用裝置為何,都必須與機械式按鍵連結,因為基本的使用者介面並未改變。

電容式觸控螢幕介面的廣泛應用始於iPhone、iPad和iPod等觸控產品。在此建置時期,蘋果(Apple)的作法被視為是一種徹底的改變,只要稍微留意一下當時的市場情況,就可以發現大部分的手機都具有機械式按鍵、以電阻式觸控螢幕為基礎,或兩者兼具的介面。在許多手機製造業者當時的產品藍圖中,甚至看不見電容式觸控使用者介面的蹤跡。藉由採用電容式觸控螢幕介面,基本的使用者介面因為差異化的特性如手勢辨識,而有了大幅的強化。

圖1 基本使用者介面技術
使用者介面三足鼎立

了解每一種使用者介面拓撲的基本技術優劣是很重要的。雖然可以探討的層面相當多,但是本文將集中討論特定使用者介面的功耗部分。圖1介紹了目前市場可見的三種基本使用者介面架構。

機械式按鍵
  手機的機械式按鍵解決方案採用中斷分時感應(Interrupt-based Time Division-sensing)機制,一般稱為鍵盤掃描。當使用者按下一特定按鍵時,且實際被掃描到該按鍵,內部便會觸發一個中斷。之後,要注意的是,理論上的靜態電流為零,或僅有洩漏電流。然而,實際上按鍵的掃描和定位會在極短的時間中消耗些許的峰值電流,約數百微安培(μA)左右,但平均電流極低,圖2顯示了此架構概念。若假定VDD是3.3伏特(V),而提升電阻(Pull-up Resistor)為10千歐姆(kΩ),則提升電流為3.3V/10kΩ=330μA。若按鍵處於「按壓」的狀態,便可觀察到此電流。短暫的按鍵按壓在切換結束時會產生330微安培的峰值電流。

圖2 機械式按鍵介面

電阻式觸控螢幕
  除了電流消耗總量和電路複雜度更高外,電阻式觸控機制相似於機械式按鍵方式。電阻式觸控架構主要仰賴沈積半電阻元件的能力,亦即在基板(通常是玻璃基板)或聚乙烯對苯二甲酸酯(PET)上沈積氧化銦錫(ITO)。混合採用這兩種沈積面板會產生可變電阻值,與一個電源串聯便會輸出一個電壓,這個電壓會和「兩個面板的觸控」所在的X和Y成正比。當直流電(DC)靜態電流相對較高時,則短暫的電流消耗便全然視所需的dpi解析度和讀取速度而定。因此,正確報告位置所需的的電流總量便與螢幕密度成正比。此電流高出機械式按鍵數級,特別是因為一個電阻式觸控螢幕可被視為一個「機械式按鍵」組成的龐大陣列。如此一來,dpi越大或更多,則感應螢幕上隨處一點位置所需的電流總量便越多(圖3)。

圖3 電阻式觸控螢幕控制器的基本架構

當「連結」產生時,電流路徑便形成了。這將喚醒電阻式觸控螢幕控制器,內部的類比數位轉換器(ADC)將讀取一個來自A點的電壓,並由此產生B點(結果暫存器)。如果將ADC路徑分別連通X座標和Y座標,則會形成一組X和Y,兩個螢幕將會在此處一起被「觸動」。現今的電阻式觸控螢幕控制器一般皆有整合在接地側的低側開關,可在睡眠模式期間切斷高側所產生的DC靜態電流。然而,在A和B階段間隔的過渡期間,前文所述約數毫安培的峰值電流(I_CONVERT)都會在此時產生並進行同步。

電容式觸控螢幕
 
圖4 電容式觸控按鍵控制器的基本架構
電容式觸控機制更為複雜。雖然它是基於非常簡單的電容和耗電的原理,但要打造和調整出一個可靠且易於使用的介面解決方案卻非常困難。檢視單點按鍵產品,可幫助深度了解電容式觸控螢幕解決方案的基礎。圖4為電容式觸控按鍵解決方案的簡單實作。

此運作非常簡單,但功效強大。電荷被傳送至一個外部保持電容(Holding Capacitor)中。一個並存的遞減計時器(或遞增計時器)與電容接腳的比較電壓為緊密相關,此電荷可進行放電,一個簡單的電阻-電容(RC)放電路徑便被建置完成。RC時間常數會被計算出來。若傳導通路,例如手指讓此放電加速,便產生觸控事件。採用此種簡單但有效的技術,便能利用電容感應元素組成的陣列,去構成一個電容式觸控螢幕,這相當類似於電阻式觸控螢幕的機械式按鍵陣列。將電容值轉換為觸控偵測所需的電力消耗,是直接與取樣時間和此系統所需的敏感度成正比。它可從任何地方取得數微安培到數10毫安培(mA)的電流,以實現一個可靠的觸控按鍵控制器。

電容式觸控技術二分天下

市場上的電容式觸控螢幕按鍵和控制器可分為採用微控制器(MCU)或循序狀態檢查器(State Machine)兩大類,這兩者的不同會對特定系統的總耗電量產生直接的影響。此外,電容式觸控螢幕控制器也出現了僅採用一層ITO的趨勢。

微控制器
  採用微控制器的電容式觸控解決方案,能夠重新利用微控制器中的通用輸入/輸出(I/O)區塊,為外部電容提供充電式電流。藉由預設,許多微控制器已具有嵌入式計數器/計時器。唯一需要的裝置是具有遲滯效果的比較器,因此許多微控制器製造業者也設有觸控控制器事業部。基本上,任何微控制器業者皆能生產觸控/按鍵感應器產品。圖5顯示了微控制器如何被使用為觸控按鍵控制器。而唯一要增加的新東西是啟動電容式觸控按鍵感應器所需的韌體,然而,這其中必須有所取捨。一般而言,微控制器具有相當好的靈活度,可以符合廣泛的需求及各種應用的要求。例如,微控制器僅需一些韌體便能讓設計實際作用。程式範本的提供多能縮短設計週期,但並非最佳的結果。採用基於微控制器的設計,其中一項好處便是如果已擁有微控制器,則只要簡單地加上韌體。

圖5 採用微控制器的電容式觸控按鍵控制器

當然這種做法也有缺點。由於此解決方案在功耗方面並未最佳化,因此電力消耗總是比較高。背後的理由是因為微控制器必須轉換至數種省電模式以節省能源。這些步驟包括但並不限於喚醒、偵測觸控事件,然後再次回到睡眠模式。微控制器路徑會因為啟動時間而變慢,也會因為用電而造成浪費。用於電容感應模式中的各種微控制器的耗電量範圍可低至500微瓦(μW),也可高至4.5毫瓦(mW)。

循序狀態檢查器
  也有一些電容式按鍵產品是採用循序狀態檢查器,此類產品利用最佳化的客製區塊,因此本質上電源效率是較佳的。IDT LDS6100系列便能以最大功率模式持續運作,達到最靈敏的觸控特性及最佳的使用者體驗。採用LDS6100系列的超低功耗架構,可以達到最大功率、零附加延遲的效能,且電流消耗低至65微安培(<125μW @1.8V電壓)。再者,對於最重視功耗效能、採用電池的應用,例如遙控器、手錶或門鎖而言,LDS6100系列也能轉換至可組態低功率模式。在此模式中,感應/掃描週期間會出現非常短暫的無感應時間,一般稱之為「睡眠時間」,通常小於0.25秒。採用此種模式,功耗可減少一半以上。

在觸控未被偵測到的~15微安培睡眠模式及耗電~65微安培的全功率模式間,低功率模式會自動啟動,其間的無感應時間(睡眠時間)則由目標暫存器設定。產生自低功率模式的平均耗電為主動感應器數目和所使用睡眠時間的函數。要注意的是,對微控制器而言,最低平均電流為數百微安培。相較於採用循序狀態檢查器,「全速運轉」電流才65微安培。為求省電更多,微控制器和循序狀態檢查器這兩種方式皆採用睡眠-喚醒-睡眠的方法。就採用循序狀態檢查器的方法而言,耗電將低至20微安培,時間延遲為50毫秒。一個微控制器自睡眠模式被喚醒的所需時間一般約為數毫秒至數秒。

單層電容式觸控大勢所趨

更低成本的解決方案趨勢已對電容式觸控螢幕領域產生影響。今日市場上的主流產品為多層觸控螢幕方式,而大部分的電容式觸控螢幕解決方案皆為三層結構,包括X電極、Y電極和屏蔽,且採用兩種不同的電容式觸控型式,一層一種。

屏蔽層是用來避免不受來自周遭環境和電路的干擾,但會增加訊號噪音比,並付出額外的成本。採用三層設計,必須在靈敏度、製造能力和系統反應間有所取捨。耗電仍是考量因素,但這些能造就精緻及先進使用者介面體驗優先標準而壓倒一切。採用多層設計還有一個副作用,亦即影像本身必須經由許多材料才能讓使用者看到。經過每一層時,失真便可能增加,且背光必須被設定成較高的亮度。三層電容式觸控螢幕面板也被稱為「互感式電容型」的架構。

未來趨勢是要求電容式觸控螢幕控制器須帶來較少的層數。最終,最佳的電容式觸控螢幕解決方案便是能以單層方式來完成所有的功能。採用單層ITO的優點包括更低成本的面板及功耗,因為每一層的成本約為1.50美元,且因為沒有阻隔,將有更多的光線可以到達使用者面前。此種型式的困難度及複雜度在於螢幕的設計端。另外更重要的是良率提高,因為扣除兩層的貼合,高良率就表示產品可以大幅降低成本。由於除掉了兩層,單層型式便各家不同,且是受到高度保護的商業機密。單層ITO電容式觸控螢幕一般也被稱為「自感式電容」的架構。

互感式電容和自感式電容系統有好有壞。然而,半導體和面板製造業者正努力消弭之間的差異。事實上,從三層面板到單層面板,將電阻值轉換為觸控讀取值的電子學方式皆未改變。許多電路是重複利用的。除了較少的面板數目外,由於背光亮度可以較低,因此也能達到省電的目的。

為求增加電源效率,電容式觸控按鍵的最新趨勢是採用基於循序狀態檢查器的方法,而單層ITO技術的使用將能打造最低成本和最佳能源效率的解決方案。

(本文作者任職於IDT)

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