智能手机及平板电脑的用户界面设计技巧

中心议题：
    * 智能手机用户界面设计技巧
    * 平板电脑用户界面设计技巧
解决方案：
    * 用户界面技术的功耗
    * 电容式触摸的发展趋势
    * 微控制器路径
    * 状态机通道
    * 新兴的触摸屏技术

用户界面是人机交互的一种工具和机制。终端产品，例如iPad、电子书或其他任何消费类设备的质量，都与用户界面的构建和运行直接相关。

用户界面的广泛部署可追溯到打字机QWERTY 键盘的创新。它最开始源于对快速将数据(字母)输入机器并打印到纸张上的需求。在本质上来讲，当时是非常机械的。人们需要使劲敲击键盘，用足够的力量利用 色带将字印在纸上。后来，纸张被非易失性存储器所取代，用来存储、编辑并在稍后打印出这些文字，文字处理器就这样诞生了。

便携式设备

便 携式消费产品，更具体地说就是手机，在早期基本上是模仿QWERTY 键盘的。机械式按钮用来将使用者的意图转换为电平，这样就能够与CPU互动和理解。人类需要适应与机器协同工作。这种工作模式对于那些相对简单的设备，如 基本的电话(座机或手机)来说表现良好。界面所需的功率相对较低，在多数情况下，静态电流为零(忽略漏电流)。

但是对于那些更为复杂，且没有采用精密技术处理人类行为和互动机制的设备和机器，这种界面使得用户在使用终端产品时多次产生糟糕体验，并认为其“使用起来太困难”。

手机用户界面的迅速发展解决了智能手机的困境。按键很快就被基于电阻触摸屏的界面所取代。尽管如此，基本的用户界面还是未能改变。

应 当指出，电阻触摸屏界面并非唯一的解决方法。许多其他途径，例如电容式、表面声波等都可以发挥同样作用，但是，没有哪种方法像电阻式触摸屏那样在便携式设 备中的应用如此广泛。电阻触摸屏界面满足了手机市场的功耗、性能以及价格基准。不管用户设备用的是什么界面，它都需要与机械式按钮抗衡，因为用户界面的根 本基础并没有改变。

随着iPhone、iPad和iPod触摸产品的推出，电容式触摸屏 界面得到了广泛部署。而在苹果公司选择电容式方案之初，人们都认为其做法背离了行业发展方向，因为在那个时候，大多数手机制造商都选用机械式按钮或基于电 阻式触摸屏(或两者兼顾)的界面。电容式触摸用户界面甚至都没能出现在众多手机制造商的路线图之内。通过采用电容式触摸屏界面，用户界面可通过鉴别功能得 到显著增强，如手势识别。

用户界面技术的功耗

了解每个用户界面技术的利弊非常重要。虽然这里有很多方面可以进行讨论，但我们将重点关注给定用户界面的功耗。图1描述了目前市面上的基本用户界面架构。

图 1 ：基本用户界面技术

手 机解决方案的机械式按钮采用基于中断的时分感应机制，也叫键盘扫描。当用户按下给定的按钮时，将触发内部中断并开始键盘扫描。应当指出，理论上静态电流消 耗为零(或至少只是漏电流)。但是，按键的实际扫描和定位将在短暂时间内消耗数百微安很窄的峰值电流。因此平均电流非常低。概念架构如图2所示。如果我们 假设电压Vdd = 3.3V，上位电阻为10k欧姆，那么上位电流是3.3V/10k = 330uA。如果这些按钮处于“按下”状态，将会出现这个电流。短暂触摸按钮时，在开关关闭时将出现330uA 的电流峰值。

图 2 – 机械式按钮界面

除 了电流和集成电路更加复杂，电阻触摸机制与机械式按钮类似。电阻触摸架构依赖于沉积半电阻元件的能力，即在一个基板(通常为玻璃)或聚对苯二甲酸乙二酯 (PET)上沉积铟锡氧化物(ITO)。将两个沉积屏幕融合在一起形成一个可变电阻，它与电源串联，输出电压与x和y成正比，此处有“两个面板触点”。虽 然直流静态电流可能相对较高，短暂的电流消耗完全取决于每英寸点(dpi)的分辨率和读取速度的要求。因此，准确报告位置所需的电流量，与屏幕密度成正 比。这个电流要比机械式按键高几个数量级，因为在实用性方面，电阻触摸屏可将其视为一种大型阵列的“机械式按键”。因此，分辨率越高，屏幕上任意点需要的 电流量也越多(见图3)。当“连接”形成时，电流通道形成。这唤醒了电阻触摸屏控制器，内部ADC将读取A点电压，而结果就能在B点获取(结果寄存器)。 如果你在x坐标上运行一遍ADC，另一遍是y坐标，那么你可以得到x和y对，这里两个屏幕是一起按下的。现代电阻触摸屏控制器一般集成了低边对地开关，以 切断睡眠模式下的高DC静态电流。然而，正如前面提到的几个毫安级的峰值电流(I_CONVERT)，都是在暂时相A和B的时间间隔期内的源和同步电流。

图 3 – 电阻触摸屏控制器的基本架构

电容式触摸机制更加复杂。虽然它依赖于非常简单的电容和载流耗尽，但是可靠而用户友好的界面解决方案可能很难构建和调整。电容式触摸屏解决方案的根本基础可通过观察单点按钮产品来理解。图4显示了一个电容式触摸按键解决方案的简单实现。

图 4 - 电容式触摸按键控制器的基本架构

该操作非常简单，但功能强大。电荷被传送到一个外部保持电容。一个相关的倒数(或计算式)定时器与电容器引脚的比较电压紧密耦合。该电荷是允许放电 的。在一个简单的电阻电容(RC)放电路径设置中，RC时间常数是可以计算得知的。如果由于手指等传导路径放电速度较快，那么就会发生一次触摸事件。使用 这种简单而有效的技术，电容传感元件阵列可以用来形成一个电容式触摸屏。这与机械按钮阵列的电阻触摸屏模拟是非常类似的。触摸检测的电容转换所需的功耗量 与采样时间以及系统要求的灵敏度成正比。它可能消耗从几微安到数十毫安的电流，以实现可靠的触摸按键控制器。

电容式触摸的发展趋势

市场上的电容式触摸屏按键和控制器可以分为两大类。它们分别基于微控制器或状态机。其区别会对既定系统所需的功耗产生很大影响。此外，只采用单层ITO的电容式触摸屏控制器是电容控制器的发展趋势，这点我们将在接下来的章节里进一步阐释。

微控制器路径

一 个基于微控制器的电容触摸解决方案是基于能够重新利用微控制器的通用I/O块，为外部电容器提供一个充电电流。默认情况下，许多微控制器已经嵌入了计数器 和定时器。唯一需要的是一个滞后比较器。因此，许多微控制器制造商还有触摸控制器业务部。从本质上讲，任何微控制器公司都可以制造触摸/按键传感器产品。 图5显示了任何微控制器都可以作为触摸按键控制器。本质上讲，唯一可以增加的新东西用来创建电容触摸按键传感器能力的固件。

图 5 – 基于微控制器的电容式触摸按键控制器

尽 管如此，也有一些权衡方案。典型的微控制器非常灵活，可以满足各种应用的广泛需求。举个例子，微控制器需要相当多的固件才能使设计变成可行的方案。提供模 板代码通常可以缩短设计周期，但是，它并非最佳方式。采用基于微控制器设计的优势之一，是如果你已经有了微控制器，添加固件就会相对容易。

它 的缺点是，由于该解决方案不是功率优化的，功耗将始终较高。其原因是微控制器需要进入若干个省电模式以节约能源。这些步骤包括但不局限于睡眠-唤醒、检测 触摸事件，然后再回到睡眠模式。微控制器路径在上电时间方面非常缓慢，也浪费了很多电力。用于电容检测模式的具有竞争力的微控制器的功耗范围可以从低至 500uW到高达4.5mW。

状态机通道

还有基于状态机的电容按 键产品，根据其使用的优化定制块，可以实现非常高的功效。IDT LDS6100系列器件可以在全功率模式下运行，实现最敏感的触摸功能和最佳的用户体验。利用LDS6100系列超低功耗架构，可以用低至 65uA(<125uW @1.8V电源)的功耗实现全功率、零延迟性能。然而，在遥控器、手表或门锁等电池驱动的应用中，功耗是性能的最好体现之一，LDS6100 系列器件还可以进入一种可配置低功耗模式。在这种模式下，可以在检测/扫描周期之间引入称之为“睡眠模式”的很短的非检测周期（通常小于 0.25s）。利用该模式，功耗能减少一半以上。

低功耗模式可以在触摸没有被检测到时的约15uA的睡眠模式和约 65uA的全功率模式之间自动切换。所介绍的非检测期间(睡眠模式)是针对目标寄存器设置的。由低功耗模式产生的平均电流消耗是所用主动传感器数和睡眠时 间的函数。应该指出的是，对于一个微控制器，最低的平均电流是数百微安。与状态机的方法相比，“高运行”电流为 65 uA。为了进一步降低能耗，这些实现(微控制器或状态机)将采用睡眠-唤醒-睡眠方法。关于基于状态机的方法，功耗将随50 毫秒的时间延迟降低到 20 uA。从微控制器睡眠模式到唤醒所需的时间通常为几百分之一毫秒。

新兴的触摸屏技术

实现更低成本的解决方案对电容式触摸屏领域产生了巨大的影响。现在市场上的主导产品采用的是多层次触摸屏方法。电容式触摸屏解决方案大多采用三层构造。

该 层包括：x 电极、y电极和屏蔽层。每层采用了两种截然不同的电容触摸模式。利用屏蔽层可免疫来自周围环境和电路的噪声。从本质上来讲，这是以增加的成本提高了信噪 比。采用这三层需要在灵敏度、制造能力和系统响应方面进行设计权衡。功耗仍是一个因素，但是最重要的标准是要实现精准和先进的用户界面体验。采用更多层的 副产品是图像本身需要通过更多的材料来方便用户使用。每一层都会增加失真的可能性，必须把背光设置到非常高的亮度。三层电容触摸屏与“互电容法”架构同 义。

市场要求未来的电容式触摸屏控制器可以实现较低的层数。为此，基于电容的触摸屏解决方案的优势是可以在单层实现任何功能。

使 用单层ITO的好处包括低成本面板，因为每层的成本可达到 1.5 美元，并实现更低的功耗，因为用户可以获得更多的光线。该模式的困难和复杂度取决于屏幕。因为淘汰了两层，单层模式非常独特，可以高度保护商业秘密。单层 ITO 电容式触摸屏通常可与一个叫做“自电容”的方法一起使用。

互电容和自电容之间存在系统权衡。然而，硅和面板制造商正在努力降低或消除这种差异。事实上，将电容值从三层面板转换到单层面板触摸读取的有关基础电子元件并没有改变。大部分电路都在重复使用。除了有较低的层数，还可以利用较低级别的背光亮度要求实现节能。

总结

便携设备制造商曾经拥有根据用户行为定制用户体验的能力，因为一个关键因素就能影响用户的购买决定。直到最近，用户提出了更多的要求，如自适应配置和功耗都成了整体用户体验的重要因素。市场上有许多不同的用户界面机制。为了提高功效，电容式触摸按键的最新趋势是采用基于状态机器的方法。关于电容式触摸屏，最低成本和最高功效的解决方案可以通过单层 ITO 技术实现。