嵌入式世界專欄─電容式觸控技術之嵌入設計應用日趨成熟多元

鬧鐘、電腦、電視和微波爐上的機械式按鍵都是日常生活常見的設備操作介面，我們幾乎都不會多加留意。雖然這些按鍵對我們來說是那麼的理所當然，但當它們故障時，我們就會感到很懊惱。既然如此，人們為何還要容忍機械式按鍵的種種缺陷？答案是：因為人們不知道有別的選擇。

Atmel愛特梅爾公司觸控技術總監Steve Berry表示，近年來，電容式觸控技術已足夠成熟，可靠性和耐用性都比以前更高，而且使用感覺比機械式按鍵也更好。觸控介面已在各種應用中廣獲採用，從家用電器、消費電子產品、工業設備到醫療設備都可看見它的蹤影。隨著世界各地人們 (以及許多設備廠家) 對這種操作介面的舒適體驗越來越深，對其可靠性的信心越來越大，這種技術也日臻完善。這種舒適性之所以得到提高，其實是源於電容式觸控技術的進步，減少了過去產品設計人員所面對的技術難題(如下)，並可滿足新的市場需求：

◎電容式觸控介面設計的複雜性。從一個已知的解決方案轉向一種未經證實、至少還未在你的產品、市場領域或具體設計中獲證實的方案是有風險的。過去常用的純機械方案容易掌握，不涉及電氣設計，基本上是一種「上手就可用」的方案。試想一下，若設計一個電容式觸控介面的過程也這麼輕易上手時，大概就會有很多人願意嘗試了。再進一步去想，假若調試、感測器線路，以及代碼編寫等設計工作能在短短一周內完成，設計人員應該會十分樂意採用電容式觸控技術。現在，藉著經大幅改進觸控軟體工具、感測器線路工具，以及豐富的產品資源 (包括完整的產品應用規格和資料庫)，設計人員已經能在一周之內從頭到尾完成一個使用者介面設計了。

◎對使用者介面興趣從缺。通常，設計人員的重點都放在產品的核心功能，即機殼內的東西或產品核心上。雖然核心功能的確絕對重要，但不可否認，使用者如何與產品互動也會影響對產品的感受。這樣的例子比比皆是， 如iPod的點擊式轉盤 (click-wheel)，以及幾乎所有新型智慧手機的觸控式螢幕，這些都是電容式感應使用者介面的例子。使用者介面的設計對新產品的成敗影響越來越大，而電容式感應技術使產品操作介面順暢輕鬆，使產品使用起來更加自然、直觀和有趣。

◎缺少觸感回應。萬物都遵守牛頓的三大定律：
1. 運動物體 (object in motion) 都會保持其運動狀態，直至有外力作用加諸其上為止。
2. 物體受力等於物體品質乘以加速度 (F = ma)。
3. 有作用力就有大小相同、但方向相反的反作用力。

因此，當我們按到某個東西卻感覺不到來自它的任何回應(反作用力)，就會覺得不自然。它不動、不讓、不退回，也沒反應。我們過去習慣了機械按鈕的工作方式，因而接受了當按鈕一動，就有了觸碰的感覺。所以當面對電容式感應時便會問，我怎麼知道我按下了“按鈕”？這是目前人們對電容式感應技術最常抱怨的。當我按下機上盒的操作面板來播放電影時，我注意到機上盒開始工作了。但我怎麼知道它接受了我的請求？過去曾採用LED亮燈或發聲的方法，但若使用者需要有“按”的感覺又該怎麼辦？觸覺技術可以讓我們“感覺”到電容感應事件，而且還有可能提供各種不同的觸覺，且可從觸覺效果庫中選擇你所需的一種適合效果。

◎產品差異化需求不強。消費性電子是變化最快的產業之一，競爭與日劇增，因此廠家一直都在不斷尋求能使其產品有別於競爭產品的途徑；總想做出些什麼不同的東西來凸顯自家產品。採用電容式感應技術就是一大途徑：

●圓滑時尚的設計：沒人喜歡外觀笨拙的設備按鈕。比如說，微波爐、電視或機上盒的按鈕。想像一下，這些電器設備都有完全光滑的外型，在你不需使用時你甚至看不到按鈕，而只有光滑、反光的玻璃或黑色表面。而當你想要調節爐溫，開大電視音量，或暫停節目時，操作按鈕會變魔術似地出現。這種效果可通過電容近接感測器和電容感應按鈕、滑條式控制鈕 (slider) 或轉盤來實現。這不僅僅是實現操作介面差異化的手段，而且是讓整個產品都差異化的手段。

●多功能感測器：機械按鈕所表達的是一種徹頭徹尾的二元效果，即按鈕要麼被按下、要麼沒被按下。如果你能把手指只放到按鈕上(但並沒有按下去) 就可啟動某一功能，而在實際按下時又可啟動另一功能，這豈不更好？這樣，若結合採用機械和電容按鈕，就能在相同的板卡空間內讓一個按鈕實際上變成兩個按鈕。

●客製化的感覺：若想依據使用者觸及的是按鍵、滑條式控制鈕，還是轉盤，而給予用戶不同的反饋，這行嗎？如對第一個按鈕，不要求反饋，對第二個，給一個輕度的1秒響應，對第三個，給一個中度的5秒響應，對最後一個，給一個強度的15秒響應。 若用機械開關，就不可能根據所按下的按鈕作出不同的回應。而若用一個驅動電容感應和執行機構的MCU，就有很多種觸感效果可用，而且可為不同的按鈕設置完全不同的反饋效果。

●節能：隨著“綠色運動”的到來，人人都在努力降低功耗，都在努力提高電子設備的效率，以延長電池壽命，而且還不能犧牲其功能性。如無線滑鼠，當不使用它時，它需要進入睡眠模式來省電。而當要用它時，你又想不需晃動就能喚醒它。這是電容近接感應技術改變市場法則的一個佳例。當你的手靠近一個具有睡眠模式的電容近接感應滑鼠時，這個滑鼠就能感測到靠近的手並從睡眠中甦醒，這樣當你真正拿到滑鼠時，它已準備就緒任你使喚了。增加電容近接感應器不但可節電，而且還可改進標準設計的功能性。

◎機械式人機界面的缺點。如前所述，機械按鈕有缺點。按定義，機械按鈕得有移動元件和間隙，因此難免會磨損。RIM公司黑莓手機最常見的故障就是軌跡球 (trackball)。如果把果汁和小吃灑在汽車中控臺上，電動車窗就可能再也動不了；另外車庫的室外開門按鈕也會因雨淋而銹蝕。所有這些問題都可用電容感應按鈕來解決，因為這種按鈕沒有移動元件，也沒有空氣間隙，並且防水。

Steve Berry指出，有了這些新解決方案，就能降低從舊式的機械按鈕轉向更現代的電容按鈕的風險；而有了這些實現產品差異化的新手段，設計人員會想搞出什麼更多的新花樣呢？愛特梅爾公司也在問同樣的問題，因為其擁有先進的微控制器來驅動這種觸控感應技術。愛特梅爾的近接感應技術的感應距離大於6英吋，有超過100種以上的標準庫格式所提供的觸覺效果供選擇，而借助愛特梅爾的QTouch Studio軟體工具，能方便地進行設計。

為什麼軟體如此重要呢？由於許多設計人員還不熟悉觸控技術，所以他們得依賴廠家的軟體發展工具來完成設計和滿足設備需求。設計人員希望有易用、可靠的軟體，以及靈活的構件模組，以便利用它們來評測和開發自己的觸控應用。這些構件模組主要由一個觸控設備和實現高品質使用者介面所需的一些演算法構成。目前，最強大和靈活的構件模組都採用通用微控制器來實現；這些微控制器能夠運行實現使用者介面功能和其它系統功能的軟體，而開發這些軟體的工具正是產品的設計效率和成敗的關鍵。

Steve Berry說明，軟體設計人員的任務就是在軟體中定義使用者介面的行為，並讓其微控制器來執行。觸控功能是通過微控制器的感應來實現；這些感應包含各種觸控通道並處理電容資料，進而確定是否有手指存在，是否有觸控事件發生，和(或)是否有手指在觸控介面(如滑條式控制鈕、轉盤、觸控板和觸控式螢幕)上動作等。軟體發展工具是設計人員的生命線，他們不僅要依賴它來實現設計功能，而且要利用它來確保品質和可靠性。開發工具有如下一些功能可讓設計人員實現這些目標：

1. 直觀的軟體生成功能：軟體庫支援觸控功能和其它功能代碼的自動生成。
2. 微調功能：自動微調感測器。
3. 調試功能：Quality Analyzer工具可為設計人員提供有關性能的資訊，如信噪比、電容量、雜訊和參考電平，以及漂移。Validation Wizard工具識別邊緣性和提供有關如何解決問題的具體回應資訊。

設計人員能否在最短時間內設計出最好的產品，在很大程度上取決於所用開發工具能否良好地支援所需實現的功能。目前可用的一個簡單易用的開發工具典範是愛特梅爾公司的QTouch Studio 4.3。

QTouch Studio 4.3目前已經開始供應，它包括一個品質分析工具Touch Quality Analyzer、一個驗證工具Touch Validation Wizard、自動選擇微調參數、圖形化即時微調、資料記錄、初始化軟體自動生成，以及其它許多能使設計人員更輕鬆地將觸控功能整合到微控制器設計中的搶眼功能。

這些觸控設計的進步將能夠加速觸控介面在許多領域的應用，並改變人們對人機界面的觀念。

[嵌入式世界專欄每週二刊載]