Touch-Sensorik
ASICs machen Berührungen zu Eingaben
Dank der heutigen Touchscreen-Technologie kann sich die Interaktion mit einem Computer genauso natürlich gestalten wie ein Gespräch zwischen zwei Menschen. Damit Berührungen eine hoch aufgelöste und verzögerungsfreie Benutzerinteraktion bewirken, spielen ASICs eine Schlüsselrolle.
Die Welt hat im Verlauf der vergangenen 15 Jahre eine Touchscreen-Revolution erlebt. Touchscreens sind heute in unserem täglichen Leben überall zu finden, vor allem in unseren mobilen Geräten, aber auch im Einzelhandel, im Gesundheitswesen und in der Industrie. Einige Nischenanwendungen erfordern spezielle Touchscreens, die so empfindlich sind, dass sie einen menschlichen Finger durch dickes Glas, durch Handschuhe oder sogar von der Oberfläche des Bildschirms entfernt erkennen können.
Kapazitive Touch-Sensorik
Fast alle modernen Touchscreens nutzen projiziert-kapazitive Technologie (PCAP), eine Technik, bei der eine Matrix von Leitern unsichtbar in das Display eingebettet ist. Die Leiter sind in zwei Ebenen angeordnet. Eine Ebene dient als Treiber, die andere als Empfänger. An den Kreuzungspunkten, die elektrisch nicht verbunden sind, bauen sich Kopplungskapazitäten auf. Ein Finger in unmittelbarer Nähe reduziert diese Kopplung, wenn auch nur um einen winzigen Bruchteil, sodass ein stärkeres Signal in der Empfängerebene ankommt.
Der Touchscreen-Controller hat die Aufgabe, die zahlreichen Kapazitäten zu messen, in der Regel indem an je- dem Leiterdraht ein Spannungsimpuls angelegt wird, wobei verschwindend kleine Ströme durch die Drähte geleitet werden. Die gleichzeitige Messung der vielen winzigen Ströme mit hoher Auflösung macht es möglich, die Auswirkungen von Berührungen wahrzunehmen und zu berechnen, wo sie auftreten. Dabei ist es möglich, Berührungen an mehreren Stellen gleichzeitig zu erkennen (sog. Multi-Touch) und Zwei-Finger-Gesten zu erkennen. Der Vorteil der kapazitiven Technologie ist, dass die Bedienung auf der Oberseite des Displayglases erfolgt, während sich die Sensorik auf der Rückseite befindet. Die Erkennung erfolgt »hindurchprojiziert« – daher der Name »Projected Capacitive«.
Wenn das Signal jedes Leiterdrahtes den Controller erreicht, wird es zuerst durch Filterkomponenten geleitet, um Störungen abzuweisen. Das Signal wird dann verstärkt und gesampelt und anschließend von einem Analog-Digital-Wandler (ADC) digitalisiert. Die Replikation all dieser Komponenten zur Handhabung der zahlreichen Drähte im Panel stellt eine erhebliche Herausforderung hinsichtlich des Kosten- und Formfaktors der Elektronik dar.
Da die Kapazitätsänderungen so subtil sind, muss beim Design des Controllers dem Rauschen große Aufmerksamkeit gewidmet werden. Darüber hinaus müssen die vielen Kanäle mit hoher Frequenz arbeiten, um eine flüssige Reaktion des Touchpanels zu erzielen. Es muss eine gute Abstimmung zwischen den Kanälen gegeben sein, um die anschließende Verarbeitung zu vereinfachen, was eine präzise Kontrolle der Schaltungseigenschaften und Streukapazitäten voraussetzt. Ein gängiger Ansatz zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses besteht darin, die Drähte mit mäßig hoher Spannung anzusteuern, wodurch die gemessenen Ströme maximiert werden. Dazu sind jedoch spezielle Komponenten zum Schalten und Verteilen des Steuerstroms erforderlich sowie eine dedizierte Schaltung, die ihn über die jeweils verfügbare Niederspannungsquelle erzeugt.
ASICs als Mittel zur Kosten- und Leistungsoptimierung
Anfängliche Prototypen solcher Systeme stellen diese elektronischen Funktionen mithilfe vieler handelsüblicher integrierter Schaltungen (ICs), unterstützt von Kondensatoren und Widerständen, bereit. Dies ist der optimale Ansatz bei der Prototypenerstellung, da er die Möglichkeit bietet, ein Verständnis dessen zu gewinnen, welche Spezifikationen für die Lösung wichtig sind. Um jedoch von einem Prototyp zu einem kosten- und leistungsoptimierten Großserienprodukt zu gelangen, sollten Entwickler so viel Schaltlogik wie möglich in einen ASIC integrieren.
Zu den Vorteilen zählen optimierte Leistung, Kosteneffizienz und anwendungsspezifische Anpassung. Da ASICs für die vorgesehene Anwendung entwickelt werden, ermöglichen sie eine auf die Touchscreen-Funktionalität zugeschnittene optimierte Leistung, schnellere Reaktionszeiten, bessere Signalverarbeitung und verbesserte Energieeffizienz im Vergleich zu handelsüblichen ICs.
Obwohl die anfängliche Entwicklung eines ASIC kostspielig sein kann, sollte die Produktion in großen Mengen die Kosten pro Einheit im Vergleich zur Verwendung einzelner ICs erheblich senken. Darüber hinaus ermöglichen ASICs Funktionen und Leistungsmerkmale, die speziell auf die Anforderungen industrieller Touchscreen-Anwendungen zugeschnitten sind, sodass Hersteller ihre Produkte differenzieren und auf spezifische Marktanforderungen reagieren können. ASICs sind deshalb besonders für Touchscreens in Anwendungen erforderlich, bei denen Leistung, Energieeffizienz und Kostenoptimierung entscheidende Faktoren sind. Zu diesen Anwendungen gehören industrielle Bedieneinheiten, medizinische Geräte, Kfz-Systeme und bestimmte Unterhaltungselektronik.
Im Gegensatz zu ICs gestaltet sich ein Reverse Engineering von ASICs und Kopieren für andere Designs extrem schwierig. Im Kontext von Automatisierung und Industrie können ASICs Touch-/Signalrohdaten gemäß Kundenanforderungen verarbeiten, komplexe Algorithmen zur genauen Erkennung von Touchinputs an kapazitiven Touchscreens implementieren, Schnittstellen zu anderen Displaykomponenten bereitstellen und die Kommunikation zwischen dem Touchscreen-Modul und dem Hauptcontroller des Geräts oder anderen Peripheriegeräten unterstützen.
Unter anderem können ASICs deshalb bei Bedarf einen Mikrocontroller zur Ausführung von Steuerungsalgorithmen und zur Verwaltung der Kommunikation mit anderen Systemkomponenten integrieren sowie ein analoges Frontend (AFE) enthalten zur Verarbeitung analoger Signale von Touch-Sensoren und deren Umwandlung in digitale Daten.
Der ASIC-Designprozess
Entwicklungsprojekte für Touchscreen-ASICs durchlaufen in der Regel mehrere Phasen, von der Definition des ASIC bis zu seiner Integration in das Gesamtdesign. Auch wenn dieser Prozess recht aufwendig erscheinen mag, macht ihn der Schlüsselfertig-Komplettservice (FTK) von Swindon (https://www.swindonsilicon.com), der alle Elemente des Angebots und Designs eines ASICs umfasst, zu einer lohnenden Investition. Dieser Prozess beginnt mit einer lösungsorientierten Anforderungsanalyse zur Definition des Funktionsbedarfs und der Leistungsspezifikationen basierend auf der industriellen Zielanwendung.
Das Architekturdesign, die Integration der erforderlichen Komponenten, Kommunikationsschnittstellen und Energieverwaltungsfunktionen sowie das Schaltungsdesign einschließlich Designs auf Transistorebene, Signalverarbeitungsblöcke und Stromlaufpfade sind weitere Prozessschritte. Im Anschluss an den Layoutentwurf und die Verifizierungs- und Testphase kann der ASIC in die Schaltkreise des Touchscreen-Geräts integriert werden, um die ordnungsgemäße Funktionalität und Kompatibilität mit anderen Komponenten sicherzustellen.
Swindon entwirft und liefert häufig kundenspezifische Mehrkanallösungen mit hohem Durchsatz für Mensch-Maschine-Schnittstellen zur Optimierung der Gesamtstückliste und erzielt Formfaktoren, die mit diskreten ICs unmöglich wären. Moderne Chipgehäuse mit hoher Pindichte ermöglichen die Handhabung einer Vielzahl von Kanälen in einem einzigen Bauteil bei ausgezeichneten Integrationseigenschaften. Da die Kosten der Replikation identischer Kanäle relativ niedrig sind, kann sich der ASIC-Ansatz in diesen Anwendungen als äußerst effektiv erweisen.
Hohe Integrationsdichte
Der ASIC-Designprozess selbst stützt sich weitgehend auf Simulation und umfasst alle relevanten parasitären Kapazitäten, Widerstände und Induktivitäten, sodass hohe Leistung gewährleistet ist. Rauschen, das bei Touchscreen-Anwendungen so bedeutsam ist, kann genau vorhergesagt und gemindert werden. Die digitale Verarbeitung kann ebenfalls integriert werden, entweder durch die Bereitstellung von Prozessor-IP oder einer benutzerdefinierten synthetisierten Logik, und der gesamte Signalpfad ist in einem Zug optimierbar.
Dank der Feinabstimmung der Spezifikationen jedes Elements wird der Bedarf an Siliziumfläche und der Designaufwand auf ein absolutes Minimum begrenzt. Im Gegensatz dazu ist es bei einem Design mit handelsüblichen ICs unvermeidlich, dass einige Aspekte überdimensioniert sind, da diese Komponenten mit Blick auf die Vielseitigkeit angeboten werden.
Touchpanels sind nur ein Anwendungsbeispiel für ASICs, das jedoch die Wertschöpfung der Integration vor Augen führt. Aufgrund der gebotenen Vorteile findet sich hinter jedem Touchpanel, das wir im Alltag sehen, ein ASIC. So sind ASICs für die Herstellung vieler Produkte, die wir verwenden, von fundamentaler Bedeutung.
Der Autor
Dr. Ross Turnbull
ist Director of Business Development and Product Engineering bei Swindon Silicon Systems, einem Unternehmen für die Entwicklung und Lieferung von Mixed-Signal-ASICs für den Industrie- und Automobilmarkt. Er ist ein erfahrener Ingenieur mit nachgewiesener Erfahrung in der Halbleiterindustrie. Er verfügt über umfangreiche Kenntnisse in den Bereichen Schaltungsentwurf, Elektronik, Matlab, Halbleiter und anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASIC).
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