摘要：文章通过对电容式触摸屏研究目标、内容和技术指标的描述，说明了其在军事指控系统中的优势，重点从工艺、结构及特性指标变化等多方面，以详尽的方案和原理予以研制指导，充分表明了电容触摸屏在军事运用上的研究方向和实用意义。
关键词：电容触摸屏；投射式电容屏；高透过率；宽湿环境；抗冲击性能；抗电磁干扰
中图分类号：TM451 文献标识码：A文章编号：1009-2374（2012）04-0041-03
现代的军事作战方式，需要的电子设备越来越多，环境也多在非常规情况，甚至极端恶劣，因此提高军用电容式触摸屏实用性、高稳定性及安全性至关重要。研发高透过率、宽温工作、抗冲击性能、抗电磁干扰性能以及安全保密性能优越的电容式触摸屏产品，使之满足军工装备的要求是本文介绍的重点，以下是针对军事上这些使用需求展开的具体研究方案。
一、高透过率研究
高透过率是电容触摸屏主要特征之一，采用光学薄膜干涉原理，同时在玻璃基板上镀制一定膜系结构的纳米光学多层膜，将玻璃可见光透过率由89%提高到96%以上，表面反射光由8%下降到2%以下，如双面镀制四层AR膜系，透光率可高达98%以上，反射率下降到1%以下，外强光下高透无反射，防眩光，有高清润眼功能，同时也能改善触摸屏蚀刻色差现象，这为缓解士兵视觉疲劳，提高作战能力提供帮助。
高透过率研究方案：AR+ITO触摸屏玻璃可以大幅度提高平板显示器在强光环境中的对比度和清晰度，双面AR镀膜达到更高透过率。因此高透过率主要从工艺制程上分析：
双面镀AR膜流程图：
制程过程中影响透过率的参数很多，面阻值=电阻比/膜厚，低面阻值ITO玻璃镀膜，电阻比越低越好，ITO薄膜的导电性要好(面电阻低)，膜厚要增大，因此薄膜的穿透度会降低，考虑高穿透率，膜厚的设计必须避免建设性的干涉，所以nd=(2m+1)λ/4，m=1，2，3，4…。另外基板温度以及镀膜中氧分压的大小等各种参数相互影响相互制约，预研工作中将对其进行仔细分类，并逐一实验研究。
二、宽温环境下应用研究
在高温环境下，一方面要选择耐温材料，另一方面需要针对自身热源的散热系统研究。电容触摸屏的发热部分在芯片以及身后液晶模块组件，sensor本身没有多少热量，对于sensor来说，更多的需要去隔热。关于散热在设计时需要注意给其留一定的空间，利于
热量的散发，最后有必要的话可以用单面铜膜覆盖散热。空气有着非常好的隔热性能，这样需要在电容触摸屏底部四周加隔热橡胶，使其与下面的显示屏或主机隔开，能有效阻止显示屏或主机的热量传递。另外，国外已经开发出一种新型半导体器件，能在加电的情况下产生制冷效果，目前还未普及，价格也非常昂贵。但是可以借鉴其理论自主
研发，将其运用在电容触摸屏的抗高温上。
在低温下需要考虑的是加热，加热的途径很多，电阻加热、加热板等，相对于抗高温还是比较容易实现的。
宽温应用研究方案：电容式触摸屏在高低温下应用，除了耐温材料的选择外，其中对FPC上散热和加热也是主要研究方向。散热的实现主要是将热量迅速传导到大面积板上，扩大发热面积。简单地可以在芯片上覆盖铜膜，扩大散热面积。为更进一步适应军事上的要求，可以采用半导体温差电片给芯片散热以及加热。
半导体制冷片原理如图2，在原理上，半导体的制冷片只能算是一个热传递的工具，虽然制冷片会主动为芯片散热，但依然要将热端的高于芯片的发热量散发掉。在制冷片工作期间，只要冷热端出现温差，热量便不断地通过晶格的传递，将热量移动到热端并通过散热设备散发出去。因此，制冷片对于芯片来说是主动制冷的装置，而对于整个系统来说只能算是主动的导热装置。所以需要将散热端与外壳连接，利于散热，使芯片脱离高温环境。
半导体温差电片件应用范围有：制冷、加热、发电，制冷和加热应用比较普遍，在军用其它方面：如导弹、雷达、潜艇等方面的红外线探测、导行系统，将都会有一定的借鉴作用。
三、抗冲击性能研究
电容触摸屏表面贴合的Cover Lens采用高强度钢化玻璃材料，提高抵抗撞击能力，同时结合抗振动性能，可以缓冲表面撞击，从而实现抗冲击性能。
抗振动冲击可以从硬性抗震动和柔性抗振动方面着手。所谓硬性抗振动，就是在电容触摸屏与显示屏或主机贴合时使用强力的粘合胶，使两者牢牢地合在一起，当然也可以用其它包括螺丝等手段，目的是使电容触摸屏与整机牢牢地结合在一起。优点是电容触摸屏安装简易方便，缺点是整机在振动时，电容触摸屏也随之一起振动，不能对振动起到缓冲作用，在受到表面撞击时也易损。所谓柔性抗振动，就是电容触摸屏与整机之间有弹性的连接，在振动时两者之间存在弹性形变，在停止振动后即无形变，这个弹性的形变可以忽略，不会对准确度产生影响。柔性抗振主要采用橡胶或者弹簧等材料实现。其优点是振动幅度比客户端小，能缓冲振动，缺点是安装比较繁琐。
硬性抗振动和柔性抗振动各有其优点，各有其缺点，重点将两者结合起来以实现各自优点，高强度钢花玻璃材料和两种抗振方式的结合是研究的重点。
抗冲击性研究方案：从材料方面：高强度Cover Glass种类不同，效果不同。钢化玻璃又称强化玻璃。它是用物理的或化学的方法，在玻璃表面上形成一个压应力层，玻璃本身具有较高的抗压强度，不会造成破坏。当玻璃受到外力作用时，这个压力层可将部分拉应力抵消，避免玻璃的碎裂，虽然钢化玻璃内部处于较大的拉应力状态，但玻璃的内部无缺陷存在，不会造在成破坏，从而达到提高玻璃强度的目的。
钢化玻璃的抗弯强度比普通玻璃提高3倍，抗冲击强度比普通玻璃提高4～6倍，热稳定性比普通玻璃提高3倍多，因此，它在遭受外力时，不易破坏，即使被破坏时，它的碎片呈花生米似的小颗粒状，没有刃口，不会伤人，能达到安全的效果。当钢化玻璃在Sensor上使用时，其抗风压系数比普通玻璃大得多。
在层与层之间贴合是使用透明光学胶。贴合过程对环境要求很高，如果在贴合过程中有尘埃落入，那么就不能返修，整个屏就会报废。我们对光学胶的贴合积累了丰富的经验，能有效地解决此问题。
从结构方面，采用橡胶等软性材料在产品周围或其它部位做加固，同时利用外部整机结构做调整，提高产品抗振动性能。对整机产品的了解也是需要我们做的研究工作之一。
四、抗电磁干扰研究
电磁干扰对电容触摸屏的影响主要有两部分，分别是对Touch Sensor的干扰使得触摸偏移和对电容触摸IC的干扰使得芯片无法正常工作。
对Touch Sensor的电磁干扰，要求IC具有强有力的甄别信号能力，准确判断是否受到电磁干扰，IC中倍压电路设计尤为重要，在电流增加的情况下提高信号输入可以有效降低Touch Sensor受到的电磁干扰。但同时功耗增加，这对于手持式等设备又是不利
因素。
对IC的电磁干扰，一方面要求自身的抗干扰能力，另一方面可以从结构上进行屏蔽设计研究。
抗干扰研究方案：在军事作战的恶劣气候与复杂电磁环境下，为了提高产品的抗干扰性能，一方面在完成PCB印制电路板的过程中，要考虑到数字地与模拟地之间的干扰，以及对于芯片本身封装的情况，要避免PCB板中走线之间的电磁干扰。在多层板中，模拟地和数字地应各占一层，同时对有可能造成相互干扰的信号线要采取走不同层的排版方法，这样可以减少信号线之间的电磁干扰。对于一些硬件连接，走线间隔、走线角度都应注意，间隔不宜过窄，角度应避免直角和锐角；在芯片与芯片之间联结时，还应注意输出信号的电压阀值和信号时序是否与另一芯片输入信号相匹配。在很多情况下，为了滤除信号的噪音、高频分量等干扰，还必须引入RC滤波电路，该电路中电容的选取也至关重要。
软件设计采用以PSoC混合信号阵列架构为基础，CSA（CapSense Successive Approximation）逐次逼近电容的感应式。CSA感应方式具有好的抗干扰能力，高的探测灵敏度，同时可以调节分辨率。
五、设备安全性研究
军事上对数据准确度及使用保密性的要求不同于民品，必须保证每次数据是正确的，并保证信息不外泄。基于此理念，正在积极研究军用电容触摸屏使用时具备应答校正功能，每次整机从芯片读回数据，下一步整机再将读回的数据再传给电容触摸芯片，电容触摸芯片去校验是否和刚才发送的数据一样，并将是否一样的结果再发送终端处理，这样就完成了一个数据的读取。同样，每次整机往电容触摸芯片发送数据，电容触摸芯片随之将收到的数据返回整机，并等待整机发来的校正结果，这样就完成了一个数据的发送。这样校正既可以确保数据的准确性，同时也实施了认证加密过程，虽然会损失一些时间，但在目前飞速发展的单片机环境下可以忽略。
设备安全加密方案：在电容触摸屏芯片中，接口方式有I2C、SPI、USB等。以I2C为例来阐述加密
方案。
I2C接口返回的数值一般没有同时发送校验码，这会造成客户端读取的数据无法校正正确性。故需要在芯片端增加校验措施，能接受数据并进行校正，并能发送数据并发送校验码。
I2C总线一个完整的数据传输过程，包括：起始信号、寻址字节、应答、数据字节、应答、数据字节、应答直到停止信号。其中，寻址字节高7位为地址，最低位为读写控制(1表示读，0表示写)。总线发送顺序是由高到低，即首先发送高位，再发送低位。鉴于数据安全性考虑，需要在电容触摸芯片中增加数据校验的功能，可以采用CRC或奇偶等校验法。使电容触摸芯片能在接受数据后按校验算法进行校验，紧接着核对接收到的校验码，核对后将结果发送给客户端，客户端根据结果进行下一个指令的发送或者重新发送本次指令。同样的，在电容触摸芯片向客户端发送数据后能发送校验结果，用于客户端的数据校验。
客户端向电容触摸芯片发送指令的原理步骤：
第1步。客户端通过I2C发送数据，并按一定策略获得校验码，并保存结果。
第2步。客户端通过I2C总线将校验码传给电容触摸芯片，同时电容芯片用相同校验算法进行校验。
第3步。电容触摸芯片将计算出的校验码和接收到的校验码核对，并将结果发送给客户端。
第4步。客户端对比两端的校验结果，判断校验是否通过。流程图如图3所示：
客户端从电容触摸芯片读取数据是以上流程的逆向思维，原理类似，通过引入I2C的校验措施，有效增强了系统安全性，杜绝了传输数据出错。
六、结语
电容式触摸屏高稳定性能的研究方案，主要通过材料结构工艺以及软件设计方面，制定多项材料搭配与工艺流程方案，并制作多组与之对应的样品，通过实验室模拟作战中面对的各种复杂恶劣环境，测试多组产品在不同恶劣环境下的性能表现，统计分析技术参数的变化，进行优化产品。
参考文献
[1] PSoC 体系结构与编程: 戴国骏 张翔 曾虹 ITO导电玻璃及相关透明导电膜之原理及应用[M]．中国科学技术出版社， 2005.
[2] PSoC 体系结构与编程：戴国骏 张翔 曾虹 CSA（CapSense Successive Approximation）逐次逼近电容的感应式[M]．中国科学技术出版社， 2005.
作者简介：高丽雯（1982-），女，湖北黄石人，供职于南京中电熊猫信息产业集团南京华睿川电子科技有限公司技术研发部，研究方向：触摸屏研制开发。
（责任编辑：周加转）