应用于电容笔的双协议切换方法

梁启权

（深圳市汇顶科技股份有限公司 广东省深圳市 518048）

触摸屏上写字划线主要通过手指和主动笔实现，由于手指较粗，很难进行小字书写和快速划线，其点击屏幕的精度也不高。主动笔笔尖较细，且笔尖带压感信息，可以在屏上精确点击和类似钢笔的带笔锋书写。在电容屏中支持电容笔功能，无需增加硬件成本，只需修改软件即可实现对主动笔的支持，此特征增加了智能终端厂商推广主动笔的意愿。

主动笔书写时，屏检测主动笔在屏中的坐标，同时接收主动笔的笔尖压力信息，智能终端结合主动笔的坐标信息和压力信息输出笔迹，实现主动笔在屏中划线或书写。在主动笔和屏交互时，主动笔按时序进行高压信号的打码，该打码信号用于屏进行主动笔坐标定位和压力编码信息解码。屏需按时序对主动笔进行采样且按频点解析，才可以正确解析到笔的信息。故各个厂家都制定主动笔协议，用于约定屏笔交互的流程、时序、频点等信息。目前应用比较广泛的主动笔协议有微软制定的MPP 协议和谷歌主导的USI 协议。

1 触摸屏检测原理

主动笔笔尖电极输出用于坐标定位和压力编码的高压打码信号，屏端的驱动感应通道电极接收来自笔的打码信号，实现主动笔在屏中的坐标定位和编码解析。主动笔发送信号可以为方波、正弦波或三角波等，实际使用的频率可以为几十KHz 到几百KHz 之间。

如图1所示，触摸屏感应层包含了驱动通道Y 和感应通道X。当触摸屏检测主动笔的坐标或者编码信息时，由笔尖电极发出信号，主动笔与驱动通道、感应通道之间都会有存在耦合电容，信号经过耦合电容耦合到通道上，再由触摸控制器的感应电路来检测主动笔信号，此时触摸屏的驱动通道与感应通道都会连接到触摸控制器的感应电路上。在此检测过程中，触摸控制器只接收信号，不发出驱动信号。触摸屏检测到的笔端信号，可以实现坐标定位和编码信息的解码。同时触摸屏可整屏打出编码脉冲，主动笔接收来自屏的编码脉冲，实现触摸屏到笔的通信。

图1：触摸屏检测原理图

图2：微软MPP1.51 协议示意图

图3：带上行协议示意图

图4：上行编码示意图

图5：位编码系列

2 典型主动笔协议

2.1 循环打码协议

MPP1.51 协议为典型的循环打码协议，主动笔循环的进行打码输出。如图2 为微软MPP1.51[1]协议示意图。由于笔端循环打码而不修改时序，故需触摸屏进行同步实现触摸屏与笔的正常交互。同步后屏在固定时序上采样主动笔信号即可得到坐标及编码信息。在循环打码协议下，主动笔只打码而无法接收信号，即只能实现触摸屏到笔的单向通信。

其各段的意义如表1，其中Beacon 固定输出，用于坐标定位；Digital 段有压力或按键才输出，按键按下时优先输出，无按键时用于传输笔ID 和笔电量信息；Pressure 段用于有压力时传输压力，其通过调频的方式用不同的频率表示不同的压力等级。

2.2 带上行协议

图6：循环打码下上行检测示意图

图7：循环打码模式切换协议逻辑

图8：带上行协议切换逻辑

谷歌制定的USI[1]协议是典型的带上行协议,此协议下屏定期输出上行信号，其上行信号包含笔下行打码信号的格式及频率信息；当笔收到屏发送的上行命令后，按上行命令规定的打码格式进行打码，笔未收到正确的上行信号时不打码。

如图3，笔在不打码时进行检同步，屏周期性的输出上行信号。当笔靠近屏时，笔可以检测到屏的上行同步信号，解析同步信号得到打码格式信息并经延时后进行打码。屏在打出同步信号后经延时进行采样，即可得到坐标和编码信息。其屏输出的同步信号可以包含多位编码，用于告知屏打码格式和打码频率等信息，笔的打码信号也可以通过调幅、调频方式向屏发送编码，实现触摸屏与笔之间的双向通信。

屏打出的同步信号由多位数字组成，每位数字用一定长度的编码脉冲表示，每个脉冲占用固定的时间，如图4 为n 位编码示意图，可根据协议需要定义各个位的意义，实现触摸屏到笔的命令传输，如笔的编号、笔坐标打码长度、笔数据编码长度、笔打码频率等。

表1：MPP1.51 协议各段意义

表2：协议切换主要指标

上述每一个数据位，采用二进制编码，分别用两种不同的脉冲序列表示。图5 给出一种二进制编码系列的示例，位1 用0x98E1F28A 表示,位0 用：0x671E0D75 表示，每个编码脉冲长度为32us，每个脉冲为1us，则一位占用的时间为32us。通过脉冲系列解码，笔端可以识别到编码信息，进而识别带上行协议。

3 双协议切换方法

3.1 协议切换原理

如图6所示，主动笔按循环打码协议时序输出打码信息，并在非打码时序上进行上行信号检测，此时主动笔可在支持循环打码协议的触摸屏屏上划线。当笔靠近屏时，笔无法保证每个周期都可以检测到正确的上行信号。当屏的上行正好在笔非打码时序上时，则笔可以收到屏的上行信号，如图6 的时序3；当屏的上行有部分或者完全与笔打码时序重叠，则笔无法接收到上行信号，如图6 中的时序1 和时序2。

当笔在无上行信号的屏上写字划线时，其不会收到正确的上行信号，此时继续保持循环打码协议的输出；当笔靠近有上行的屏时，笔会收到正确的上行信号，此时可根据检测上行信号正确次数特征切换到对应的带上行协议。

图7 为循环打码协议切换到带上行协议的切换逻辑，当无上行信号时，笔按协议循环打码，同时检测上行，此时主动笔保持工作在循环打码模式下。当检测到正确的上行且正确次数大于n（n>0）次时，表示笔靠近带上行协议的屏，则切换到带上行的打码协议，实现循环打码协议到带上行协议的自动切换。

图8 为带上行协议切换到循环打码协议的切换逻辑，在上行协议模式下，主动笔可在支持上行协议的屏上划线。笔有压力时，统计上行错误或无上行的次数，当其次数大于m（m>0）时,则表示当前主动笔是在非上行协议屏上书写，则切换到循环打码协议，实现带上行协议到循环打码协议的切换。

3.2 双协议切换体验

为了验证双协议切换的体验，采用汇顶科技的GP850 主动笔芯片，开发同时支持USI 和MPP1.51 协议的主动笔，并按照3.1节的方法实际协议切换逻辑。采用微软的Surface pro 7 和谷歌的PixelBook 进行协议切换体验测试，其主要指标如表2。

实测中，大部分情况的切换时间小于150ms，可实现用户无明显感觉的协议切换。在2020年1月6日美国拉斯维加斯CES 展览期间，汇顶科技将该双协议方案进行展览，得到各方的认可和肯定。

4 结论

本文分析了电容屏与主动笔的交互原理，介绍典型循环打码协议MPP1.51 和典型带上行协议USI 的特征，并根据两个协议的特征提出带上行协议和循环打码协议自动切换的方法。实测表明，该方案可保证在较大干扰的情况下不误切换，可在用户几乎无感觉的情况下进行快速协议切换，很好的满足了一笔多用的用户体验要求。