好用到“爆”的Trackpad是怎樣實現(xiàn)的？背后原理請看這里！
2023-02-28
壓感觸控板火熱背后原因
傳統(tǒng)的觸控板多采用機械按鍵，該設(shè)計類似體育項目里跳水中的“跳板”原理——因為靠近鍵盤的上半部分通常被固定著無法按動，只有下半部分可以實現(xiàn)點按操作，且機械按鍵不易清潔、長時間使用還容易出現(xiàn)左右兩側(cè)鍵程不一致等弊端。
壓感按鍵融合了物理按鍵和觸控按鍵交互的優(yōu)勢，既能保證設(shè)備外觀的一體化，不用開孔、開縫，還能防水、防塵。最重要的是，它能夠?qū)崿F(xiàn)靈敏且精準的識別操控和交互體驗。
除此之外，通過對壓力分級，還可實現(xiàn)不同級別下不同的觸覺反饋，結(jié)合手指軌跡，可以實現(xiàn)快速截屏、錄屏、調(diào)節(jié)視頻快進、后退等功能。
艾為Trackpad整體框圖
壓力感應(yīng)的實現(xiàn)原理
“壓力感應(yīng)+觸覺反饋”的觸控板一體化方案中關(guān)鍵的技術(shù)之一就是壓力感應(yīng)技術(shù)，此技術(shù)被廣泛應(yīng)用在筆記本電腦、智能穿戴、車載、智能家居等領(lǐng)域。
1. 壓力傳感器檢測原理
壓力傳感器有很多種，應(yīng)用比較廣泛的應(yīng)屬壓阻式壓力傳感器，此傳感器由高靈敏度壓阻式柔性材料制作，當(dāng)其受力的作用產(chǎn)生拉伸或者壓縮時，其電阻值會發(fā)生顯著變化，配合惠斯通橋式檢測電路，可引起檢測電路的差分電壓發(fā)生變化，基本原理如下圖所示：
定義Vd為V+與V-之間的電壓差，Vs為外部激勵電壓，R2和R4為阻值固定的電阻，R1和R3為壓力傳感器的等效電阻，它的阻值會隨傳感器所受壓力的變化而變化。根據(jù)電路基礎(chǔ)知識可知，V+點的電壓為：
V-點的電壓為：
Vd為兩者相減。當(dāng)壓力傳感器受力時，R1和R3發(fā)生變化，假設(shè)壓力越大電阻越小，則壓力越大，V+越大，V-越小，電壓差Vd越大。
如下圖所示，為艾為壓感觸控方案中AW8680X系列芯片配合多顆壓力傳感器的工作原理。
當(dāng)用戶在觸控面板表面施加一個力時，位于觸控板PCB層下方的多顆壓力傳感器會產(chǎn)生對力的分擔(dān)，壓力使得傳感器產(chǎn)生輕微的形變，進而改變其電阻，導(dǎo)致傳感器周圍的檢測電路的電壓發(fā)生變化，AW8680X的AFE模擬前端中的高精度ADC會對壓力傳感器周圍的電壓差進行采樣，量化為數(shù)字量，處理軟件和壓力算法再將這些原始數(shù)據(jù)進行處理，計算出每一路傳感器所受到的壓力，再推導(dǎo)出最終的合力。
計算出壓力后，可以對壓力進行分級，壓力處于不同級別時，控制馬達以不同的方式振動，以實現(xiàn)不同的觸覺反饋，如下圖所示：
2. 觸點檢測原理
在艾為壓感觸控解決方案中，使用互容式電容觸控技術(shù)來確認手指接觸面板的位置，支持5指同時檢測。
先以實現(xiàn)單按鍵功能的電容傳感器為例，介紹互容式電容觸控的工作原理。下圖給出了按鍵互容式傳感器的布局，左側(cè)為俯視圖，右側(cè)為側(cè)視圖。在互容測量系統(tǒng)中，TX電極被施加一個數(shù)字電壓，傳感器測量RX電極所接收到的電荷量，此電荷量與兩個極板間的互電容CM強相關(guān)。
當(dāng)手指靠近TX和RX極板時，互電容會減小至C1M，如下圖所示，由于互電容減小，RX極板接收到的電荷量也會隨之減少，傳感器通過檢測RX極板接收的電荷量來判斷觸摸/非觸摸。
將單個互容式測量系統(tǒng)順序排放成條狀，就形成了線性滑塊，當(dāng)手指觸碰滑塊中的某一個傳感器時，不僅會直接改變此傳感器的互容值，還會對其周圍的傳感器產(chǎn)生影響，控制系統(tǒng)SoC會根據(jù)每一個傳感器互容值的變化量，通過插值的質(zhì)心算法確認手指觸碰的位置。再將線性滑塊在X軸和Y軸兩個方向排列，就形成了觸控板，如下圖所示，手指在觸摸板任意位置的觸摸，都會引起某一個區(qū)域內(nèi)的傳感器互容值發(fā)生變化，通過掃描X軸方向和Y軸方向的線性滑塊，即可確認手指的位置坐標(X,Y)。
在艾為壓感觸控解決方案中，AW8680X芯片會作為主控，外接觸控檢測芯片，當(dāng)有手指接觸時，觸控檢測芯片會確認手指接觸的位置并將坐標傳輸給AW8680X，如下圖所示：
觸覺反饋實現(xiàn)原理
觸覺是人體發(fā)展最早、最基本的感覺，也是人體分布最廣、最復(fù)雜的感覺系統(tǒng)，是一切神經(jīng)通路的基礎(chǔ)。這主要與它遍布身體的各個部位，從發(fā)展之初就與神經(jīng)系統(tǒng)是一體的有很大關(guān)系，觸覺的敏銳度會影響大腦辨識能力、身體的靈活及情緒的好壞。
觸覺技術(shù)被用于創(chuàng)造觸覺效果，即在消費電子設(shè)備上的手勢或觸覺反饋。借助觸覺技術(shù)，消費電子設(shè)備制造商可以在其設(shè)備上為特定的互動體驗創(chuàng)造與眾不同的個性化觸覺反饋，從而為消費者提供更具價值且更加逼真的獨特體驗。
為了通過觸覺體驗來建立物理隱喻，我們可以利用強度、銳度和粒度的相互作用向用戶傳達信息。
強度(Intensity)：感受到的刺激的力度或大小。刺激越強烈，觸感體驗就越強烈；
振動時長 ：振動的時間長短，振動的時間越長，刺激感知越持久；
銳度：刺激的柔性與剛性，銳度越高，刺激感知越清晰。
一個成熟的Haptic系統(tǒng)由三部分組成：
高性能的Haptic Driver IC
實現(xiàn)獨立振動的振動器（如LRA）
實現(xiàn)自定義功能的Haptic接口
LRA（Linear Resonant Actuator，線性馬達）觸覺振動器主要是一個由彈簧，質(zhì)量塊和線圈組成的彈簧系統(tǒng)。彈簧將線圈懸浮在線性馬達內(nèi)部，當(dāng)線圈中有電流流過時，線圈會產(chǎn)生磁場。線圈和帶有磁性的質(zhì)量塊相連，當(dāng)流過線圈的電流改變時，磁場的方向和強弱也會改變，質(zhì)量塊就會在變化的磁場中上下移動。這種運動被人們感知就會產(chǎn)生觸覺效果。
Haptic技術(shù)中另一個重要組成部分就是線性馬達驅(qū)動芯片。
以艾為專為實現(xiàn)觸覺反饋技術(shù)設(shè)計的馬達驅(qū)動芯片AW86927為例，在艾為的壓感觸控板方案中，Haptic的工作原理如下圖所示：
AW8680X計算出面板所受的力后，會根據(jù)壓力值的對應(yīng)等級發(fā)送振動波形給AW86927馬達驅(qū)動芯片，驅(qū)動芯片控制線性馬達產(chǎn)生振動，對用戶形成觸覺反饋。
近些年，蘋果、微軟、聯(lián)想、惠普、阿里云（戳此回顧：阿里云無影筆記本奪得“機皇”稱號！Trackpad采用艾為方案）等大廠紛紛采用壓感觸控板，且將該方案作為筆記本電腦的賣點之一。由此可見，“一體式全域壓感觸控板”替代傳統(tǒng)的“跳板式”觸控板是筆記本發(fā)展的重要方之一。艾為也將繼續(xù)完善壓感觸控板解決方案，實現(xiàn)更細膩、豐富的交互體驗。
艾為壓感觸控板解決方案特色
☆壓感
·50-500g
·1-3級可調(diào)
☆3D觸感特色
·觸覺反饋（波形可調(diào)）
·全域按壓
☆報點率：150Hz
☆HID PTP
☆低噪聲
☆低功耗
☆在/離線固件更新
☆支持調(diào)試接口
☆方便定制化
·支持6感應(yīng)器
·支持各級觸控
·防誤觸
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