指哪写哪的精准 浅谈电磁感应触控技术

智能机时代，“触控”几乎彻底取代了物理按键。除了开关机和音量调节以外的所有操作都是靠着在屏幕上扒拉来完成。当然扒拉的工具伴随时代的发展而变化。人们从早期拿一支笔在电阻屏上写写画画，进化到了现在用食指在电容屏上写写画画。群众纷纷表示触控降低了数码产品的门槛，操作越来越傻瓜化，非常方便。但是我们也会发现一些问题，比如需要在电子文档上做一些笔记，或者想要来个涂鸦，这些任务不论是用手机或是平板电脑都很难完成。因为数码产品使用的电容屏不适合精确输入这样的场合。不过还好，我们可以通过叫做电磁触控的技术来实现。

常见的触控原理

我们还是先来回顾一下市场上比较常见的几种触控方式的工作原理。

电阻式触控：主要通过压力感应原理来定位，从而实现对屏幕内容的操作和控制。其核心是在玻璃之间有两层高透明的导电层（通常是纳米ITO即氧化铟锡涂层），距离仅为2.5微米。当手指或其他硬物按压屏幕时，平时相互绝缘的两层导电层就在触摸点位置有了一个接触。其中一面导电层接通Y轴方向的5V均匀电压场，使得侦测层的电压由零变为非零，控制器侦测到这个变化后，进行A/D转换，并将得到的电压值与5V相比，即可得触摸点的Y轴坐标，同理再得到X轴的坐标，于是系统就知道你到底按在屏幕的什么地方了。

电阻式触摸屏的优点就是便宜，反应灵敏度很好，能够达到单个像素的触摸精度，适用的大分辨率可以达到4096×4096。其工作环境与外界完全隔离，不惧灰尘和水汽，能适应各种恶劣环境。你可以用任何你能想到的硬物进行触摸操作。缺点在于由于长期和各种硬物接触容易使触控部分受损；透光性差，尤其阳光下能见度非常低，通常需要加大背光亮度来弥补，从而增加电量消耗；难以实现多点触控。

电容式触控：可以看成是一块四层复合玻璃屏，其内表面和夹层均涂有ITO。其中夹层的ITO为工作面，四个角引出四个电极并通电，在工作面形成一个低压高频电场。由于人体本身带有电场，当手指触摸到屏幕上时，人体和触摸屏表现形成一个耦合电容。有电子基础知识的人知道，高频电流可以直接通过电容，于是人体就从这个接触点吸走了很小的电流，这会引起工作层四个电极中电流强度的变化。理论上流经四个电极的电流强度与手指头到四个角的距离成正比，控制器可以借此对四股电流的比例进行精确计算，得出具体触摸位置。

电容触控屏的好处当然很多：只需要“摸”而不需要“压”就能产生控制信号；耐磨损，寿命更长，透光性和功耗都优于电阻屏；可以轻易实现多点触控。当然缺点也很突出：对触摸材料比较挑剔，手指是好的选择；受环境影响较大，温度和湿度的变化都会引起屏幕漂移，造成定位不准确；控制精度低，无法达到像素级的操作，简单的一个表现就是你无法在电容屏上画一条直线。所以App商店里的很多画画软件，基本上都只能是摆设。

除了这两种常见的触控方式外，还有红外线触控和声波识别式触控，不过较少用在消费级电子产品中，所以暂且不表。目前市场上的智能终端产品基本上都是电容式触控，但我们今天要讲的电磁式触控也有着自己不可撼动的一片天地。

电磁感应触控

说到采用电磁触控多的产品，现在来说当然是数位板。用它在电脑上画画就像在纸上一样方便而准确，这东西是很多人的饭碗。但电磁触控不是什么新鲜技术，它在1964年就已经问世，实际上它算是触控技术的鼻祖。在其他触摸屏还未解决定位精度问题的时候，PDA、电子词典、手写板等早期的触控型产品都是采用的电磁触控方式。随着电阻屏和电容屏技术的成熟并大量普及，电磁触控才算是退出了智能手机的舞台。请注意是退出了智能手机舞台，而不是退出历史舞台。电磁触控的在其它产品领域的用处依然很大。

电阻式触控原理示意图

电容式触控原理示意图

电磁触控技术分为两类：主动式和被动式。主动式电磁触控是通过电磁笔发射特定频率的电磁信号至电磁板上的天线阵列，电磁板接收信号并传递给主控，计算笔尖位置的空间坐标，以实现触摸操作及原笔迹书写。在该方案中，位于面板后面的电磁板不需要发射电磁信号，对面板的干扰较小，因此可以较容易实现电磁+电容的双触控。缺点就是电磁笔需要电池来驱动，其体积和重量都和电池大小密切相关，用户需要经常更换电池。主动式电磁触控的基础专利由香港摩根触控所有，相对来说其技术门槛较低，台湾及美国的数位板厂商大都采用这种方案。

被动式电磁触控则由数位板的王牌厂商：日本Wacom研发并拥有其基础专利。在该方案中，电磁板内分布着双向环状线圈阵列并持续产生交流电磁场。电磁笔无需电源，但加装了共振电路。当电磁笔靠近磁场，共振回路便会产生电流（不知道怎么回事请去补习高中物理），也就相当于电磁笔变成了有源式，而对应的环状线圈的电磁场也会产生变化。这一变化会被主控侦测到，于是主控果断停止向该线圈供电，并将线圈连接成接收模式。电磁笔得到的电流通过共振回路的震荡又转变为磁场，通过笔尖反馈到电磁板并被线圈接收。主控通过扫描线圈初步判定笔尖的大致位置，之后再对周围的多个线圈进行扫描，对检测出的信号进行计算，即可十分精确地计算出笔的座标位置。这样反复扫描、运算，就能够感应出笔尖的位置、倾斜度、移动速度等参数。

由于电磁场的存在，所以需要在电磁板后面覆一层金属薄板作为磁屏蔽材料。从上世纪80年代至今，磁屏蔽材料经历了铝板（或铜板）——普通硅钢片——高导磁率硅钢片（硅含量介于4%～7%之间）——非晶带材与低导磁率薄片配合使用的演变过程。磁屏蔽材料主要起到这些作用：屏蔽下方驱动电路中的电磁干扰；屏蔽外界磁场及地磁场干扰；本身是优良的导磁材料可抑制传感线圈中的感应磁场衰减。

至于大家耳熟能详的压感，则是通过电磁笔内置压力传感器实现的。压力传感器将来自笔尖的压力同样转换成电磁信号反馈到电磁板，于是这才真正有了“笔”的感觉。

主动式电磁触控在省电、感应距离、抗干扰、记录效率方面均有优势。被动式电磁触控则更加方便、轻巧。比较起来似乎主动式的性能更好，其实这也得看厂商的技术细节，否则普遍采用被动式的Wacom数位板也不会得到绘画界的一致好评了。

目前全球有三家公司掌握被动式电磁触控技术：Wacom、汉王和来自台湾的太瀚。Wacom的被动式解决方案采用了可变电容，而太瀚采用可变电感，不需要额外的直流稳压器，也不需要调变IC。电磁笔工作频率约375KHz，利用笔尖推动铁芯，频率随压力变化。

市场上采用电磁感应触控的产品主要有：以Wacom为代表的各种数位板、授权使用Wacom被动式技术的三星SPen、礼品市场上混得不错的E人E本（已被清华同方收购）、采用E-ink屏幕而无法适用电容触控的电子阅读器、再也不用吃粉笔灰的电子白板等。此外，Thinkpad、华硕等厂商的一些Tablet产品上也采用了电磁触控或电磁+电容的“双模”方案。

电磁触控的优势

与传统的电阻式和电容式触控相比，电磁感应触控有几个非常明显的优势。

首先我们熟悉的就是“原笔迹输入”。虽然说电阻屏和电容屏上你也能写出原笔迹，但我们相信那丑得让人哭的字体绝不是你写字的真实水平。你永远无法在电阻屏和电容屏上写出自己的真正笔迹，而且毫无书写的手感。终还得通过系统的识别转换成标准字符，然后同步到屏幕上——还不一定识别得对。现在有些记事本类的App虽然也有原笔迹输入但那其实是将你的书写轨迹转换成图片，这种方式识别效率更低，并且字体同样丑得没法看。

而电磁屏就不存在这些问题，在屏幕上书写时因为压感的存在而拥有真实的手感，流畅性也极佳。由于笔迹是原生输出也就不存在文字的识别，所写即所得，我们就可以在屏幕上尽情发挥自己的书写风格，这也让电磁屏上的手写电子签名代替纸质签名成为可能。

既然能够写字，必然就还能画画。同样地，由于压感和笔迹的原生输出，使得电磁屏能够精准描绘出我们下笔时笔尖的粗细和力度，也就让人体会到无限接近于纸质绘画的真实手感。

采用电磁感应触控的屏幕还有一点比较特殊，尺寸越大，单位成本越低。而电阻屏、电容屏都是成本与大小成正比关系。屏幕越大技术难度越高，一般到24英寸左右就算到头了，并且此时产品的价格较高。但电磁触控屏可以轻松做到100英寸，而且理论上没有尺寸限制。电磁触控具有极强的适用性，可以与任何尺寸的显示屏完美融合。不过从成本角度看，10英寸以下的产品用电容屏会有优势，而10英寸以上的产品使用电磁屏性价比会更好。

此外，和透光率只能达到80%～90%的电阻屏、电容屏相比，电磁屏的透光率可达到100%，不会影响显示效果。电磁触控精度高，反应灵敏，还具有鼠标的功能。电磁板位于屏幕后面，不易损坏，也不会造成误操作。

Wacom无源电磁笔的构造

以绘画为卖点的产品，无一例外都是电磁触控。

只有电磁感应触控才能展现原笔迹，字再丑那也是自己的心血。而且在这类公式输入上，手写效率其实是高的。

电磁触控的参数

正如我们挑选纸和笔时，要考虑笔尖粗细、书写手感及纸张质量等。由于电磁触控重要的用途就是原笔迹的精准书写，所以同样也会有一些参数需要去考虑，主要包括：压力感应级数、分辨率、坐标精度、读取速度。

所谓压力感应级数，就是指起笔压力从轻到重之间，笔尖通过压力传感器发出的电磁波产生的细微变化中能够区分的级数，其实也就是笔尖轻重的感应灵敏度。主要有512（入门级）、1024（进阶级）和2048（专家级）三个级数。压感级数越高，电磁板越能从使用者下笔微妙的力度变化中感应出粗细浓淡各不相同的笔触效果，通过Painter、Photoshop等软件的辅助，就能模拟出逼真的绘画体验。当然，级数越高产品越贵这是必然的。不过现在伴随2048级压感的逐渐普及，512级压感正在绝迹于江湖，1024级也正在“沦落”到入门级。

关于分辨率，是指电磁板触控面积内，垂直或水平方向上每英寸长度上的挂网网线数，单位是lpi（线/英寸）。这里采用了和印刷品相同的描述指标。在印刷品中，挂网数目越大，网线也就越密集，图像层次表现就越丰富。其实我们也可以理解成数码相机的分辨率。对于电磁触控来说，挂网数目越大，意味着笔尖移动时可读取的数据就越多，信息量越大，线条也就越柔顺，分辨率的高低也影响着坐标精度，同时也是电磁笔精准书写的决定条件。电磁触控常见的分辨率有2540、3048、4000、5080，汉王和Wa com就有5080lpi分辨率的数位板产品。早期电磁触控分辨率不足的时候，触点可能因为精度不够而不断抖动，不过现在已经不会出现这个问题了。

读取速度也是个很重要的参数。当用户拿着笔在电磁屏或者数位板上“挥毫泼墨”的时候，控制系统读取到的只是一个个描述点位置的坐标值。读取速度反映了电磁板每秒向系统发送多少个坐标数据，单位是点/秒。显然，如果读取速度太低，屏幕所反映的线条就会延迟甚至断线，就像我们用快没了墨水的笔写字一样让人窝心。常见的读取速度有100、133、150、200、220点/秒。由于我们在绘画时手臂移动速度并不快，所以其实读取速度对绘画的影响并不是很明显，一般来说达到100点/秒以上就不会有明显的延迟，而现行产品普遍都在133点/秒以上。

此外，还有一些不太主要的参数比如感应高度。它是指笔尖距离板面多远时，电磁触控能够发挥作用。电磁感应的原理决定了笔尖不需要接触到板面就能够检测其位置。一般来说感应高度达到7mm就可以了。

当然，以上我们说的是电磁触控本身的参数，别忘了这一切终还得通过计算机或者嵌入式系统反应出来，所以受到硬件运行速度的制约。如果硬件配置太低，顶级的电磁屏或者数位板也难有用武之地。

采用电磁触控的电子白板，尺寸可以做到非常大。在教学中大有取代传统黑板的势头。笔者当年只有粉笔灰……

因为有了压感，才有了丰富的笔触效果。

写在后

电子技术从来都是长江后浪推前浪，前浪死在沙滩上。很少有什么东西能够诞生近半个世纪了还能日新月异老当益壮无可替代，而电磁触控正是这样。精准输入、任意尺寸适用、反应快、误差低、能与其他触控方式完美融合，其他的任何触控方式都无法与之相比。而电磁触控唯一的缺点大概就是需要一只专用的笔，但平时写字同样也得要笔啊！这么一想也就平衡了。当然我们绝不是说电磁触控是触控技术的巅峰，体感、语音之类的控制方式都在不断改进和提升，但书写永远无可替代。随着人们对直接在电子产品上书写的需求越来越多，电磁触控的前景毫无疑问也会越来越广泛。