如何打造一块让你“有感觉”的触摸屏

触摸屏伴随着智能手机走进人们生活，已经有十多年了，毫不夸张地讲，它的出现是人机交互方式（HMI）的一次革命——自从触摸屏出现之后，键盘、轨迹球、手写笔之类机械式的HMI设备就逐渐成了浮云，用户的所有操作靠手指头在屏幕上点点划划就全搞掂了。

随着这块屏幕的尺寸原来越大，手机前脸儿上最后的几个机械按键也显得有些碍眼，于是几年前人们将它们也都“删除”掉了，所以今天的智能手机正面都是被一整块触摸屏覆盖着的。不过，这样做也会给用户带来一些麻烦，比如几台灭屏的手机放在一起，正面全是黑黑的一块玻璃屏，毫无辨识度，让人傻傻分不清……

但更大的麻烦在于，按键等机械式的HMI设备，会给用户带来一种特有的“触觉”体验，在人机交互过程中给用户以明确清晰的反馈信号，让其感受并确认自己的操作结果。而一块普通的触摸屏是没有这样的功能，比如你在点按一个屏幕上的图形化虚拟按键时，并不一定能够确保真的“按”到了位。

解决这个麻烦，就需要其他技术进行“补位”了，这个能够弥补触摸屏缺憾的技术就是触觉反馈（Haptic）。简单地讲，触觉反馈就是通过一个特殊的传动器（Actuator）产生一个受控、特殊的振动信号，去模仿人们点击实体机械按键时的感觉；同一个传动器还可以对应用户不同的操作动作产生不同的振动信号，达到更加逼真和个性化的效果。

正因为这个特性，触觉反馈技术正在逐渐成为触摸屏的好“伴侣”，让触摸屏也变得更“有感觉”。而且人们逐渐发现，尽管视觉和听觉依然是人类获取外接信息的主要来源，但如果运用得当，来自触觉的“刺激”却有可能给用户带来不一般的体验。因此，触觉反馈也就成了当下人们进行HMI设计时的一个重要的技术选项。

触觉反馈传动器

如上文所述，实现触觉反馈最关键的一个部件就是传动器。选择合适的触觉反馈传动器，也就成了Design-In的第一步。

用于触觉反馈的传动器可分为三种：

• 偏转质量马达（ERM）：它是通过一个偏心旋转的马达产生振动，是一种最成熟、应用最广泛的技术，在成本上优势明显；但是由于ERM存在惯性，因此响应速度（启动时间）较慢，而且工作时的噪音比较大，形成的波形也比较单一。
   
• 线性共振传动器（LRA）：LRA与ERM同为惯性触觉传动器，但是机械结构不同，它是一个被线圈环绕并与一个弹簧连接的磁铁，线圈中的电信号控制磁铁以线性方式运动，以达到共振频率，通过调制共振幅度实现不同的触觉效果。LRA比ERM有更快的响应速度，且功耗较低，可以产生更多样化的振动波形；但ERM也有其弱点，其工作带宽较窄，对环境比较敏感，长期使用器件的一致性容易发生改变。
   
• 压电式传动器（Piezo）：压电传动器是触觉反馈领域的后起之秀，它是通过压电效应产生振动——器件在加载电压时产生弯曲，通过这种弯曲产生振动。与ERM和LRA等惯性传动器相比，压电式传动器不受频率和振幅的限制，可产生更丰富和细腻的振动波形，响应时间上可以达到毫秒级，工作噪音低，振动幅度大，外形也可以做得更紧凑；不过压电式传动器驱动时需要较高的峰值电压（100-200伏），需要专门的驱动器，功耗也会比LRA高。

在设计中，开发者可以根据实际应用的需要，综合衡量不同触觉反馈传动器的成本、响应时间、功耗、振动波形等特性，选取最合适的那一款。

高清驱动设计

很明显，设计一个完整的触觉反馈系统，特别是能够提供复杂波形和更佳用户体验的“高清” 触觉反馈系统，除了传动器之外还需考虑其他要素，这些要素包括：

• 触觉驱动器：其介于主控制器和传动器之间，包含必要的模拟功能以及数字接口，可以根据主控制器的指令为传动器提供驱动信号。
• Software: A waveform used to generate haptic feedback that can be run in an application processor, microcontroller or integrated driver, depending on the system’s needs.
• 软件：用于产生触觉反馈的波形，其可以根据系统需要运行于应用处理器、微控制器或集成驱动器中。

因此，触觉反馈的兴起，也让相关的IC公司看到了商机，纷纷推出围绕其生态的产品和方案。

比如今年Dialog Semiconductor就一口气发布了三款触觉控制驱动IC产品，包括DA7280、DA7281和DA7282。以DA7280为例，这是一款低功耗LRA和ERM触觉控制驱动IC，具有高达1kHz的驱动能力，可以提供更加细腻和复杂的“高清”振动波形，驱动电流高达500mA。同时360nA的空载功耗（比竞品低76%），以及多种电源管理模式令其在功耗表现上也十分突出。

图2，DA7280触觉控制驱动IC系统框图（图片来源：Dialog）

Dialog的其他两个触觉控制驱动IC产品也各具特点：DA7281面向多驱动系统，它使用两个原始触发器引脚作为I2C寻址引脚，可以在同一系统中同时集成多达4个DA7281；而DA7282的超低待机功耗特性更为突出，它提供一个全休眠的模式，在此模式下的待机电流仅有5nA。这几个产品共同构成了一个完整的触觉控制驱动IC组合，以应对不同的设计需要。

总之，触觉反馈技术与触摸屏的结合，将给HMI带来新的想象空间。未来，谁能让用户在体验上更“有感觉”，谁就会成为市场上的赢家。