设计一款基于触摸按键的手写板

　　此设计在PCB上利用焊盘制作的触摸按键来构成触摸区域，实现触摸手写板的硬件设计。设计采用低功耗的MSP4302553作为手写板触摸检测核心，通过实验研究的方法，分析了PCB板上触摸按键尺寸和触摸板分辨率，按键到控制器的布线方式和距离，以及按键相互之间距离对手写检测的影响。在单个触摸按键准确检测的基础上，选择合适的参数完成了手写板设计，实现了对用户手写输入信息二值图像的准确获取。在PCB上设计触摸手写板，具有设计简单、造价低、耐磨损、不易损坏的特点。

　　传统手写板有电阻式、电容式、电磁压感式3类。电阻与电容式手写板分别通过阻值和容值的改变来判定用户输入;电磁压感式通过手写板上电后，表层电路在一定范围内产生的磁场与手写笔中产生的磁场形成互感完成对用户输入的检测。3类手写板都结合触摸屏作输入设备，难免有不能承受重压、耐磨性差、成本高的缺点。而直接在PCB上利用焊盘设计触摸按键构成手写板，实现电容式触摸手写输入，弥补了触摸屏输入在一些简单手写输入环境中的限制。

　　PCB板上手写板触摸按键区域的设计，借鉴矩阵键盘的结构方式。主控制器使用较少的I/O资源就可以实现手写板检测。控制器通过行列扫描手写触摸板上的触摸按键，并记录下各个触摸点状态，从而得到用户输入信息的二值图像。

　　1 单触摸点准确检测

　　1.1 触摸按键电容分布

　　电容式触摸按键的检测是通过一个张弛振荡器来完成的，当有触摸动作时按键电容值变大，张弛振荡器的振荡频率减小。主控制器通过检测张弛振荡的频率变化判定是否有触摸动作发生。

　　触摸按键电容分布如图1所示，无触摸时按键等效电容为C1=Cg∥Cp∥Ctr∥Ce;而有触摸时按键等效电容为C2=C1∥Cto。所以有触摸时按键的张弛振荡电容相对于无按键时变大，按键的振荡频率 相对无触摸时降低。

　　1.2 固定时间门变电极振荡按键检测

　　由于当有触摸动作发生时按键等效电容变大，所以在固定时间内按键的脉冲个数变小。从而通过检测两种情况下脉冲个数可以判断有无触摸动作发生。固定时间门变电极振荡的方式原理如图2所示。

　　分别记录等时间门Tgate内有无触摸时的张弛振荡器脉冲个数，可以得到脉冲个数的相对变化率为：

　　将η与参考相对变化率η0作比较就可以判断有无触摸动作。当η》η0时，说明电容明显增加，有触摸动作;当η《η0时，说明电容变化不明显，没有触摸动作。所以参考值η的值选取非常关键，直接决定了触摸按键的灵敏度和准确性。

　　1.3 单个按键检测的自适应算法

　　由于空气湿度、密度以及PCB上电路环境等因素的不稳定，没有按键按下时C1并非固定不变的，而存在一定的波动。所以，若Key_LVL=N无按键 -N有按键值选取太小，即η0的选取太小，那么N无按键的变化就可能误判成有触摸动作;而Key_LVL的值选取过大，即η0大于有轻微触摸动作时的相对变化率，那么可能使触摸动作发生时不能被检测到，影响按键的灵敏度。Tgate内计数脉冲个数为N=Tgate/T，Tgate是给定的计数时间，T张弛振荡周期，则Key_LVL的表达式如下：

　　如果触摸按键所处的环境基本稳定，那么C1与 ，在Tgate时间给定后都是定值。但是，实际环境并不是稳定不变的，所以为了消除这些变化的因素对触摸检测的影响，基于自适应的思想对Key_LVL修改为：

　　Key_LVLi=Key_LVLi-1+△M［i（i-1）］。 （3）

　　其中△M［i（i-1）］。是每次判断参考的修正值，△M［i（i-1）］。

　　是前两次得到的Key_LVL作差所得的△Mi（i-1）。然而这种较少的比较结果的修正效果并不理想，受环境变化影响较大。于是记录前7次的Key_LVL值，并将相邻两次Key_LVL值做差，得到6次加权的差值，所以△M［i（i-1）］。的修正如下：

　　其中Ci-n是加权系数，表示各次比较的差值在△M［i（i-1）］。中所占权重。为了适应环境的改变，Ci-1…Ci-6依次减小，通过多次实验测试，系统设计中选取Ci-1=0.4，Ci-2=0.2，Ci-3=0.1，Ci-4=0.1，Ci-5=0.1，Ci-6=0.1，可使参考η0自动调整，减小环境因素的影响。根据大量实验测量设计中取η0=10%，可以较为准确的检测到触摸动作。

　　2 PCB上的手写板设计分析

在固定大小的PCB板上设计实现电容式手写板时，基本单元触摸按键是由两个分开的焊盘通过行列导线连接到控制器的两个I/O口上构成。手写板设计时主要考虑按键分辨率、触摸按键的尺寸、按键与按键之间的距离、按键与控制器之间导线的长度和布线等因素。这些参数的选取都会影响到手写板上用户输入信息检测的准确性。