柔性导电织物键盘设计

　　基于导电织物的柔性键盘一般分为开关原理的扫描式键盘及触摸屏原理的电阻式键盘2种。开关键盘采用导体或是银浆作为导电通路嵌入织物面料中，通过轮询扫描按压点的通断信息，判断按键位置，其结构和控制电路比较简单，功能也较为单一。同时，由于导体材料与织物面料力学特性存在差异，在折叠及受力情况下容易发生导体断裂、移位等现象，导致按键功能失效。采用电阻式触摸屏原理的织物输入设备用具有均匀表面电阻的导电织物代替通常触摸屏的透明氧化金属导电层作为传感器，对导电织物表面电阻值的一致性要求较高，必须选用表面电阻均匀的织物作为基材。同时，设备基于电阻分压原理设计，电压测量控制与位置计算也相对复杂，一般采用专用的芯片实现电路功能。与开关式键盘不同，触摸键盘属于连续型电压模拟量测量，原理上可以细分到控制芯片DA分辨率相同数量的按键数目，还可通过软件配合完成键盘、鼠标等多种自定义功能，具有更为广泛的用途。

　　信息化服装及可穿戴计算机是将信息处理设备穿戴在于人体身上，与人所穿的衣物相结合实现人与计算机之间自然、方便和有效的信息交互，因此需要将键盘、鼠标进行柔性化、织物化后与服装进行有效集成。针对信息化服装及可穿戴计算机要求输入方式灵活，特别是对鼠标控制功能的需求，传统扫描式按键已无法满足需求。设计基于导电织物的柔性输入键盘，对输入设备原理、导电织物面电阻分布规律、织物键盘结构、接口电路及程序设计等关键问题进行了探讨。

　　1 柔性输入设备的原理

　　基于电子织物的柔性输入设备组成如图1所示，主要由织物传感器、触屏控制电路、USB接口电路组成。其中，织物传感器采用具有一定表面电阻的导电织物材料作为核心，结合多层结构设计，将按压位置信号线性转换为对应电压信号;触屏控制电路包括标准电压生成、模/数转换、逻辑控制3大功能，基于电阻分压原理在导电织物表面形成标准的电压梯度，测量按压点的电压后进行模/数转换，生成数字信号向外输出;接口电路采用USB接口芯片，写入触屏控制电路参数，实时获取传感器输出数据，向主控设备传输;上位计算机接收数据后完成电压与按键位置的线性转换。

　　为简化系统设计，提高设备运行的可靠性，选用高度集成的5线制触摸屏控制芯片ADS7845实现标准电压的生成、数据采集处理及逻辑控制。芯片采用5 VUSB电源供电，生成的5 V参考电压输出管脚UR，LR，UL，LL与具有一定面电阻的织物材料的4角分别相连，织物表面形成横向及纵向的梯度电压。在按压状态下，位置点P处横向及纵向的电压通过wiper引脚分时刻进入芯片内部12位ADC，将模拟电压量化为数字信号。芯片接口电路将转换后的数据通过USB接口向计算机输出。计算机程序获取按压点电压值，与5 V参考比较，确定按压点在传感器中的相对坐标，从而确定其所在的具体位置及对应的控制符号，进而实现相应的控制操作。

　　 2 导电织物电学性能的分析

　　作为织物键盘的核心部件，导电织物表面电阻值的均匀性与一致性是织物键盘实现的基础。导电织物一般采用镀银工艺或是高分子导电布料形成具有一定表面电阻的织物面料，用于抗静电及抑制电磁辐射等场合。由于纺织及织造工艺的限制，其织物不同区域表面电阻的差异非常大，均匀性较差，必须在使用前进行电学性能分析。

　　为保证键盘定位精度及线性度，对导电织物表面电阻值进行测试。使用4探针科技公司的RTS-2型薄层电阻测试仪对图2所示a，b，c，d四种织物样品进行面电阻测试。尺寸分别为10 cm x 8 cm，9 cm&TImes;6 cm，17 cm&TImes;10 cm，25 cm&TImes;7 cm。测试时，将织物区域按3&TImes;3比例划分为9个区域，测量每个区域中心点的面电阻值3次取平均值作为每个区域面电阻值，所有区域面电阻值平均值作为织物的面电阻值，如表1所示。

　　4种织物面电阻值如表1，由于导电织物的表面电阻均值从347 Ω到3 872 Ω差异较大，无法从方差比较出不同试样表面电阻值的一致性，因此采用标准差率来定义样品表面电阻的一致性差异。从表1中试样4的表面电阻标准差率为0.40%，因此其均匀一致性较好。因此，选取试样4织物作为操控器的传感器材料。

　　3 织物键盘结构设计与功能实现

　　织物键盘通过导电织物层、功能定义层、隔离层、保护层的设计，实现按压位置到电压信号的变换，提供按键区域的定义划分及对键盘进行保护。计算机应用程序获取传感器采集数据，进行电压数据到位置数据的转换，并根据按键区域的功能定义实现操作控制功能。

3.1 织物键盘结