普通電阻觸摸屏多點觸摸低成本解決方案

注：本文是作者以前發表在其個人博客，現在發布到“聚豐開發”專欄

蘋果公司iPhone的成功將多點觸摸技術推到了一個前所未有的高度，經典的彈鋼琴應用程序可以支持超過5點的同時觸摸，雖然這一性能并不見得有太多的實用價值，但絕對帶給了用戶技術無限領先的震撼感。蘋果公司的iPhone采用電容屏和他們的專利技術來實現對多點觸摸的支持，價格自然不菲，但一點可以肯定，在支持的點數和性能穩定方面，目前還少有公司能在這方面挑戰蘋果的權威。

對于消費電子產品來說，流行就是硬道理，在iPhone大行其道的同時，一時間但凡是有觸摸屏的產品，都想讓自己通過多點觸摸等特性與iPhone攀上親戚關系，尤其是手機、MP4、GPS等產品，仿蘋果的心理更是急切。

蘋果公司的技術雖然在性能方面無可挑剔，但過高的成本使得這項技術只適合iPhone之類的奢侈品，對于更多的觸摸屏產品顯然無法承受這一成本。正是這個原因，尋找一種更為便宜的多點觸摸解決方案，成為眾多技術人員的期望，本文在不增加其它硬件成本的前提下，基于普通四線電阻屏，提出一種低成本解決方案，能夠在一定限制條件下可實現兩點觸摸的識別。

幾種現有的多點觸摸方案

1.硬件采用電容屏，通過軟件實現多點觸摸。優點是靈敏度高，性能穩定，支持的點數可滿足絕對大部分應用需求；缺點是成本高，而且蘋果有專利保護。

2.硬件采用數字電阻屏，實際上是用電阻屏的材料做成一個透明鍵盤矩陣，通過行列掃描判斷所按下的點。優點是價格便宜，性能可靠，可支持的點數最多；不足是需要比較多的行列連線接口，不能實現手寫功能。

3.硬件采用模擬電阻屏，在專用芯片中通過軟件計算出多點觸摸。優點是既能支持多點觸摸，又保持手寫功能，另外成本增加不多；缺點是支持的點數最少，方案商在實現細節上大都語焉不詳，性能和穩定性尚待驗證。

4.采用紅外、表面超聲波等方式實現觸摸檢測，實際應用比較少，這里不做探討。

低成本多點觸摸方案

毫無疑問，四線模擬電阻屏是觸摸屏中成本最低的一種，如果我們能在這種屏的基礎上找到一種實現多點觸摸的方法，只要控制額外增加的硬件成本，成本上考慮能夠有所突破的可能性最大。

雖然現在有不少MCU帶有觸摸屏接口，因為我們需要識別多點觸摸，所以這類MCU的觸摸屏接口并不適用，實際上方案的要求更簡單，只需要選用MCU能提供4路ADC口使用，另外再用4條雙向IO進行控制。來看一下這種低成本方案的構成細節，圖（一）中(d)部分為方案示意圖，并不需要對電阻屏做出過多改動，只是在外圍增加了兩個電阻，這幾乎是可以忽略不計的成本。

圖（一） 低成本電阻觸摸屏原理及方案示意圖

圖（一）中(a)(b)(c)三部分對電阻觸摸屏的原理做了簡單示意，對單點觸摸位置的識別方法這里不做詳述，不清楚的朋友請自行查閱相關資料進行了解。單點觸摸的識別只需要4條雙向IO就可以實現，其中2條需要支持ADC功能，從圖（一）中(d)部分可以看出方案做了一點修改，使用的IO口數量增加了一倍，另外還有兩個電阻。

為便于分析，我們需要建立一個觸摸屏工作的等效電路模型。因為觸摸屏X和Y方向對觸摸檢測方法是一樣的，所以我們只建立一個電路模型，圖（二）展示了觸摸屏按下一個點和兩個點的狀態。

圖（二） 觸摸屏等效電路模型示意圖

圖（二）標號說明：R1、R2為IO口的輸出電阻，只要知道它的存在，不用管具體大??；R3、R4、R5、R6為4路ADC口的輸入電阻，阻值遠大于其它電阻；R7、R8、R9為觸摸屏的分段等效電阻，阻值總和為幾百歐；R12、R13、R14為觸摸屏另外一層的分段等效電阻，阻值總和為幾百歐；R10、R11為按下觸摸屏時的接觸電阻，阻值動態變化；K1、K2表示按下觸摸屏的位置。

R15為限流電阻，因為觸摸屏的電阻通常為幾百歐，普通IO驅動能力可能不夠，所以用R15對IO輸出進行限流，R15對應圖（一）中(d)部分R1和R2。

假定IO1輸出高電平，IO2輸出低電平，V1~V4為4路ADC口測量到的電壓。

觸摸屏沒有按下時，測量ADC1和ADC2得到V1_0和V2_0；觸摸屏按下一點時，假設此時按下位置為K1，4路ADC測量的電壓為Vn_1；觸摸屏按下兩點時，4路ADC測量的電壓為Vn_2。忽略ADC口輸入電阻的影響，這些電壓會滿足下面的關系。

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)

后一種關系式因為兩點按下后會讓與R1、R2、R15串聯的觸摸屏等效電阻變小，從而使得分在觸摸屏兩端的電壓也變小?，F在引入三個新參數L7、L8、L9，分別表示同標號電阻等效的觸摸屏寬度，三者的總和等于觸摸屏寬。另外還根據實際引入一個限制條件，當有兩點被按下時，只要程序檢測速度夠快，對于程序來說就不會有同時按下的情況，始終都是依次按下或松開，這一點非常重要。

對于單點位置的檢測不存在任何問題，現在我們來處理兩點的情況，結合前面引入的限制條件，程序可以檢測到中間有一小段時間是單點按下，也就是程序先檢測到K1按下，經過一小段時間才檢測到K2按下。這個中間過程可以準確得到K1位置，如果我們利用前后變化的比例關系，就可以計算出后面K2按下的位置。

K1單獨按下：

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

K1和K2同時按下(忽略R10和R11的影響)：

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

因為L7+L8+L9為已知條件觸摸屏的寬度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))

到這里我們已經得到所按兩點的具體位置，只要我們依照此方法對觸摸屏的X和Y軸分別處理，就可以在普通電阻屏上實現兩點觸摸位置的檢測。

方案的其它說明

前面的公式推導過程忽略了接觸電阻R10和R11的影響，這兩個電阻的大小并不固定，主要由使用者按下的力度決定，按的力越大，其阻值越小。當只按下一個點時，所按力度的大小對K1位置的計算影響可以不用考慮，但對于兩點的計算則要考慮其影響，按的力度越小，計算出來的K2位置誤差就越大。這樣在按下的過程中，會存在一個誤差從大變小的過程，不過只要用力足夠，最后還是保證誤差在允許范圍內。另外觸摸屏并不是完全線性，這里是簡化為線性關系。

該方案在兩點按下時最好保持先按下的點位置不變動，這樣可以保證計算結果更為精準。如果兩點按下后需要移動，雖然通過比例關系也可以計算出運動軌跡，但誤差會隨之加大，這里也不做過多分析。松開的過程與按下相反，由兩點按下變為一點按下，最后全松開。如果在精度上適度降低要求，在此方案的基礎還可以利用三角形重心的原理進行第三點的判斷，筆者進行的驗證實驗發現難點是需要考慮的組合情況偏多，從而導致判斷程序復雜。

實際應用中還需要進行觸摸屏是否按下的檢測，這里不詳述具體的檢測方法，只是要留意為了防止觸摸屏懸空狀態的影響，可以在兩端接一個比較大的電阻到地，建議用470k或510k的阻值。

使用該方案除了具備普通電阻屏的基本功能，還可以實現對屏幕的拖動，用手指合分動作實現圖像的縮放，對兩個游戲功能鍵的同時控制。從成本上看除了需要另外增加4條IO口外并無其它硬件開銷，主要是通過軟件計算來實現多點檢測。該方案雖然性能上相較電容屏存在明顯差距，但成本上占有絕對優勢，對于一些對精度要求不高的應用還是具有一定的實用價值。