Kosketusnäyttöjen koko kasvaa, mutta niiden pitäisi olla yhtä nopeita ja tarkkoja kuin pienemmällä ruudulla. Käyttökokemuksen pitää säilyä samalla tasolla.

Artikkelin ovat kirjoittaneet Cypress Semiconductorin Christi James, Todd Severson ja Henry Wong. Christi (kuvassa ylh.) on TrueTouch-ratkaisujen tuotemarkkinoinnista vastaava spesialisti. Hänellä on pr-alan tutkinto Pepperdinen yliopistosta. Todd (kuvassa alh.) vastaa TrueTouch-tuotteiden teknisestä markkinoinnista. Hänellä on mekaniikkasuunnittelun tutkinto USA:n armeijan akatemiasta. Henry on TrueTouch-tuotteiden markkinoinnista vastaava johtaja Cypressillä. Hänellä on tietojenkäsittelyn insinöörin tutkinto Rensselaerin polyteknisestä instituutista. Henryllä on yli 16 vuoden kokemus suunnittelusta ja markkinoinnista puolijohdealalla ja kulutuselektroniikassa.

Joka vuosi kosketusnäytöllisten laitteiden ruutukoko kasvaa. Kosketus saavutti suosiota älypuhelimissa ja on nopeasti edennyt tabletteihin. Windows 8:n julkistamisen myötä kosketus on laajenemassa ultrabook-koneisiin, sylimikroihin sekä all-in-one -mikroihin. Näytön koon kasvaessa kapasitiivisen näytön suurin haaste on säilyttää sama suorituskyky, johon käyttäjät ovat tottuneet matkapuhelimissa. Tämä tarkoittaa enemmän skannattavaa suuremmalla pinnalla samassa ajassa. Lisäksi prosessorin pitää tulla toimeen pienemmällä signaalilla suuremman kohinan seassa ja silti säilyttää nopeus, tarkkuus ja nopea vaste, joita haluttavalta käyttökokemukselta edellytetään.

Kaikissa kosketusnäyttölaitteissa on halua siirtyä suurempiin näyttökokoihin. Kapasitiivisten kosketusnäyttöjen koko kasvaa uusia markkinoita varten, mutta niiden koko kasvaa myös nykyisissä tuotekategorioissa. Älypuhelinvalmistajien kärkinimet ovat siirtymässä superpuhelimiin, joissa suurempi näyttö on tärkeä erottautumisen väline.

Kulutuselektroniikan tärkeimmät tuoteryhmät tänään ovat 3-5 tuuman näytöllä varustetut älypuhelimet, 5-8 tuuman ruudulla varustetut superpuhelimet tai phabletit, 8-11,6-tuumaiset tabletit, utrabookit, joiden näyttö yltää 11,6 tuumasta 15,6 tuumaan sekä kannettavat tietokoneet, joissa nähdään jopa 17-tuumaisia näyttöjä. Tablettien myynti on sen 5-vuotisen historian aikana kasvanut enemmän kuin minkään muun mobiililaitteen koskaan, ja sen myyntilukujen ennustetaan ohittavan PC-myynnin lukemat vuoteen 2015 mennessä (ks. kuva 1). Kehitys on saanut PC-valmistajat siirtämään fokustaan kosketuslaitteiden suuntaan, esimerkiksi laitteisin jotka toimivat sekä sylimikroina että tabletteina.

Kuva 1. Tablettien myynti on kasvanut selvästi nopeammin kuin PC-koneiden tai kannettavien tietokoneiden myynti.

Käyttäjät odottavat suurempinäyttöisiltä laitteilta samaa suorituskykyä ja kosketuskokemusta kuin älypuhelimiltaan. Käyttökokemuksen avaintekijöihin kuuluvat herkkyys, useiden liikkuvien kosketusobjektien seuraaminen, sormien tunnistaminen ja seuraaminen erilaisissa kohinaympäristöissä ja hyväksyttävän tehonkulutuksen ylläpitäminen halutun akkukäytön saavuttamiseksi. Käyttökokemuksessa on olennaisesti kyse siitä, miten järjestelmä reagoi kun näyttöä kosketetaan erilaisia olosuhteissa.

Kapasitiivinen kosketunäyttö toimii kohdistamalla jännitteen laitteen anturipaneeliin, mikä luo signaalivarauksen. Kosketusohjain vastaanottaa tämän signaalin, ja kykenee määrittelemään anturin kapasitanssin mittaamalla muutoksen anturin varauksessa. Ohjaimen vastaanottama virta vastaa paneelin kapasitanssia jaettuna lähetysjännitteellä. Piiri kykenee poistamaan nimellisen, kosketuksesta aiheutumattoman varauksen niin, että järjestelmä voi keskittyä mittaamaan sormen kosketuksesta aiheutuvaa anturivarauksen muutosta. Tämä parantaa kosketuksen mittausta, resoluutiota ja herkkyyttä.

Kapasitiivisen kosketusnäytön kasvaessa myös tekninen haaste kasvaa. Suurin ongelma suuremmissa näytöissä on se, että lähetysjännitteen pitää peittää laajempi alue, ja anturin resistanssi ja kapasitanssi kasvavat. Kosketuspaneelin kokoa rajoittaa suurempi parasiittinen kapasitanssi ja resistanssi, jotka vaikuttavat RC-piirin aikavakioon, mikä johtaa hitaanpaan lähetystaajuuteen. Lähetyksen toimintataajuus vaikuttaa signaalin jännitteen asettumiseen (settling), virkistysnopeuteen ja tehonkulutukseen. Tavoite on määritellä olosuhteet korkeimmalle lähetystaajuudelle, jotta kosketusvaste olisi vakaa koko paneelin alueella niin, että samalla skannausaika olisi mahdollisimman lyhyt ja tehonkulutus mahdollisimman pieni.

Useimmat kulutuselektroniikan laitteet vaativat kosketusohjaimen, jonka virkistystaajuus on suurempi kuin 100 hertsiä, tai noin 10 millisekuntia. Tietyt sovellukset, kuten digitaaliset piirtoalustat tai myyntipäätteet (point of sale terminals) edellyttävät vieläkin suurempaa virkistystaajuutta tunnistaakseen nopeita kynän vetoja ja liikkeitä.

Isommilla ruuduilla o haastavaa pitää yllä korkeaa virkistystaajuutta, sillä kosketusohjaimen pitää pyyhkäistä suurempi ala, kerätä data kaikista anturiristeyksistä, ja prosessoida tämä data. Kaksi eniten virkistystaajuuteen vaikuttavaa tekijää ovat näytön skannauksen nopeu ja datan prosessoinnin nopeus. 17-tuumaisella näytöllä skannattavia pisteitä on 11 kertaa enemmän kuin 5-tuumaisella ruudulla (3108 vs. 275). Jotta käyttökokemus säilyisi vastaavana, pitää 17-tuumaisen ruudun ohjaimella olla selvästi enemmän skannaus- ja laskentatehoa.

Yksi tekniikka skannausongelman ratkaisemiseen on varmistaa, että kosketusohjaimessa on riittävästi vastaanottokanavia, jotta näytön voi skannata yhdellä ajolla. Useimmat kosketusnäytöt koostuvat lasipinnan alla kulkevista anturikuvioista, jotka muodostavat pysty- ja vaakasuunnassa kulkevien "solujen" matriisin, jossa X on lähetys- ja Y vastaanottopuoli tai päinvastoin. Vastaanottokanava kerää dataa ja muuntaa kapasitanssin muutoksen jokaisessa solussa AD-muuntimella isäntäprosessorille, joka tulkitsee mihin kohtaan näyttöä sormella kosketaan. Jos vastaanottokanavien tai AD-muuntimien määrä ei riitä, koko paneelin skannaaminen vaatii useita skannauksia ja enemmän aikaa. Tämä tarkoittaa, että tietyssä ajassa otettavien näytteiden määrä on rajallinen, mikä heikentää käyttökokemusta.

Laskentatehoa voidaan kasvattaa lisäämällä kosketusohjaimeen suurempi prosessori tai siirtämällä osa laskennasta järjestelmän isäntäprosessorille. Tällöin kapasitanssidataa pitää lähettää isäntäprosessorille ja algoritmeja pitäisi ajaa sovellus- tai grafiikkaprosessorilla. Yksi mahdollisuus on käyttää kosketusohjainta skannaamaan anturiverkko, etsiä ensimmäistä kosketusta ja lähettää sen kuva isäntäorosessorille. Isäntä prosessoisi sitten koko matriisin , suodattaisi kohinan, löytäisi kosketuskoordinaatit ja seuraisi sormien liikettä. Tällaisen rinnakkaisen prosessoinnin avulla raskas laskenta voitaisiin tehdä usean gigahertsin nopeudella moniytimisillä suorittimilla, jotka toimisivat kosketuspaneelin ja näytön isäntänä.

Kosketuspaneelin anturi toimisi ikään kuin suurena antennina, joka kykenee sieppaamaan ja tunnistamaan järjestelmän ja ympäristön kohinan, kuten loisteputkien valot, LCD-näytöt tai laturit.

Kuva 2. Kosketusanturin täytyy tunnistaa kosketukset ja suodattaa pois kaikki ylimääräinen kohina.

Suuremmat näytöt toimivat suurempina antenneisina, joten kohina kyllästää vastaanottokanavan helpommin. Tämä voi suuresti heikentää kosketuksen suorituskykyä, ja aiheuttaa vääriä kosketuksia, kosketuksen ohittamista tai jopa lukkiutuvia näyttöjä, jotka eivät lähetä minkäänlaista dataa. Häiriöiden ylittämiseksi kosketusohjaimen täytyy pystyä joko vahvistamaan signaalia tai vähentämään kohinaa. Keskeisiä tapoja saavuttaa parempi signaali-kohinasuhde (SNR, signal to noise ratio) ovat lähetysjännitteen nostaminen signaalin vahvistamiseksi, laitteistopohjaisen tai digitaalisen suodattamisen käyttäminen kohinan pienentämiseksi tai taajuushyppelyn hyödyntäminen, jotta siirrytään pois kohinaisilta taajuuksilta.

Signaali-kohinasuhde kasvaa lineaarisesti suhteessa lähetyksen jännitteeseen. Lähetysjännite saadaan joko latauspumpusta (charge pump) tai VDDA-ajurista. Latauspumpulla elektroniikkalaitteista saatava 2,7-3 voltin tyypillinen jännite voidaan kasvattaa suuremmaksi. Ongelma isoilla näytöillä on se, että latauspumpun teho on rajallinen suuren kapasitenssin paneeleissa. Tämä tarkoittaa käytännössä, että suunnitteluun pitää lisätä ulkoinen pumppu tai teholähde, mikä voi lisätä kustannuksia ja tehonkulutusta.

Mikäli signaali ei ole riittävän voimakas, toinen vaihtoehto on minimoida kohina. Ensimmäinen keino on suotimien avulla luoda selkeämpi ja putaampi kuva kapasitanssista. Mikäli tämä ei riitä, turvaudutaan yleensä taajuushyppelyyn, jotta löydetään taajuus jossa häiriöitä on vähemmän. Kuten aiemmin mainittiin, suuremmilla näytöillä parasiittinen kapasitanssi ja resistanssi ovat suuremmat, mikä vaikuttaa RC-piirin aikavakioon ja johtaa hitaampaan lähetystaajuuteen. alhaisempi taajuus tarkoittaa, että paneelia on vaikeampi skannata kohina-alueen ulkopuolella. Korkeampi lähetystaajuus antaa ohjaimelle enemmän pelivaraa siirtyä pois kohinan lähteestä. 350 megahertsin tai sitä suurempi maksimilähetystaajuus on ideaalinen, mutta tarvitaan kompromissi signaali-kohinasuhteen, virkistystaajuuden ja tehonkulutuksen välillä jotta näyttö saadaan optimoitua asiakkaan tavoitteiden mukaisesti.

Kun mobiilisuudesta on tullut niin iso osa elämäämme, tehonkulutus on avaintekijöitä, joiden perusteella valitsemme kannettavia elektroniikkalaitteitamme. Markkinatutkimukset osoittavat, että valtaosa käyttäjistä uskovat, että laitteen toiminta-aika akkuvoimalla on yksi tärkeimpiä ominaisuuksia uusia kannettavia laitteita ostettaessa (ks. kuva 3).

Kuva 3. Toiminta-aika akulla kuuluu kolmen tärkeimmän kriteerin joukkoon, kun valitsemme uutta kannettavaa laitetta.

Tehonkulutus yleensä kasvaa näytön suurentuessa, koska LCD-paneelin koko kasvaa. LCD:n osuus järjestelmän kokonaistehonkulutuksen kannalta on iso. Yksi keino pidentää akun käyttöikää on varustaa järjestelmä suuremmalla akulla, mutta tämä kasvattaisi laitteen painoa ja tekisi siitä ikävämmän kantaa mukana. Toinen vaihtoehto olisi heikentää suorituskykyä pienentämällä näytön virkistystaajuutta, pienentämällä lähetysjännitettä, ottamalla pois käytöstä erilaisia digitaalisia suotimia tai käyttämällä pienimpiä mahdollisia analogisia ja digitaaliia teholähteitä. Nämäkin keinot vaikuttaisivat negatiivisesti käyttökokemukseen.

Kun alhainen paino ja korkea suorituskyky ovat hyvän laitteen kulmakiviä, paras keino pidentää toiminta-aikaa akulla on optimoida tehonkulutus järjestelmän yksittäisten komponenttien osalta. Kosketusnäytön ohjaimen kannalta tämä trkoittaa, että laitteen tehonhallintamenetelmien pitää olla joustavia.

Kokonaistehonkulutus riippuu laitteen käyttöasteesta. Älykkäässä ja energiatehokkaassa kosketusohjaimessa olisi useita tehonhallinnan tiloja aktiiviseen, pienen tehokulutuksen ja torkkumoodiin. Tätä kaikkea hallitaan kosketusohjaimen konfigurointiparametreillä.

Jotta käyttökokemus säilyy laadukkaana kosketusnäytön koon kasvaessa, tarvitaan järjestelmätason lähestymistä. Fysiikka rajoittaa kosketusnäyttöjä ja mikäli kapasitiivinen kosketus haluaa pysyä kannettavan kulutuselektroniikan ykkösvaihtoehtona, tarvitaan sekä innovaatioita että integrointia. Paneeleja kehitetään nopeammiksi uusilla materiaaleilla ja isäntäprosessorien arkkitehtuuria muokataan niin, että ne voivat huoehtia osasta raskata laskentaa. Laitteiston ja ohjelmiston parannetaan jatkuvasti signaalin voimakkuutta samalla kun kohinaa poistetaan yhä tehokkaammin. Järjestelmäsuunnittelulla parannetaan tehonkulutusta ja lisätään toiminta-aikaa akulla. Kaiken tämän toteuttaminen kustannustehokkaasti säilyy suunnittelijoiden haasteena.