Дана стаття описує конструкції, теорію роботи та використання трьох типів аналогових резистивних сенсорних екранів використовують LCD дисплеї фірми HANTRONIX. Стаття містить інформацію про інтерфейс екранів з хост процесорами і допомагає у здійсненні вибору типу аналогового сенсорного екрану для конкретних застосувань.

Загальні поняття

, що підтримують LCD монітори фірми HANTRONIX, Виготовляються трьох типів, 4-х дротяні, 5-ти провідні та 8-і дротяні. Кожен з типів має свої переваги і недоліки і призначений для певних застосувань. Вибір найкращого типу під конкретне застосування буде розглянуто далі.

Всі аналогові сенсорні екрани складаються з трьох шарів, гребінчастого, гнучкого і розділяє шару. Гнучкий шар розташований із зовнішнього боку безпосередньо до користувача. Внутрішні поверхні гребенчатого і гнучкого шарів покриті резистивної плівкою, як правило, оксидом індію (ITO). При натисканні на поверхню гнучкого шару, його контактна сторона стосується контактної боку гребенчатого шару, створюючи електричне з’єднання в точці дотику. Вимірювання опору контакту дозволяє визначити точку дотику.

4-х провідний аналоговий сенсорний екран

Активний шар сенсорного екрану 4-х проводового типу складається з провідного (резистивного) покриття рівномірно розподіленого по поверхні панелі. Проводить поле панелі має сріблені висновки по протилежних краях панелі. Висновки гребінчастого і гнучкого шарів розташовані перпендикулярно один одному.

Вимірювання проводяться додатком градієнта напруги вздовж одного шару та зняттям напруги на іншому шарі. Таке вимірювання проводиться двічі, один раз додатком градієнта вздовж гребенчатого шару та зняттям напруги на гнучкому шарі, вдруге додатком градієнта вздовж гнучкого шару та зняттям напруги на Гребінчастий шарі. Градієнт напруги на шарі створюється заземленням одного висновку шару і подачею напруги +5 В на інший висновок шару. Таке з’єднання забезпечує рівномірний градієнт напруги вздовж однієї координати панелі. На рис.1 показані електричні з’єднання і графік градієнта напруги.

У 4-х дротовому сенсорному екрані для визначення точки натискання потрібно провести два незалежних вимірювання, одне уздовж осі X (зліва направо) і друге уздовж осі Y (зверху вниз).

На рис.2 ілюструється формування градієнта і зняття напруги.

Перемикання напруг на 4 виведення екрану здійснюється за допомогою матриці польових транзисторів з малим опором відкритого каналу, а вимір напруг за допомогою АЦП. Хост мікроконтролер системи управляє обома процесами перемикання та вимірювання. При використанні шару для вимірювання напруги контакту всі живлять напруги з нього повинні бути зняті.

Опору висновків і кіл підключення призводять до помилок (зсуву) при вимірюванні напруг. Ці зміщення можуть дрейфувати при зміні температури, вологості і часу. Якщо сенсорний екран використовується за допомогою дотиків пальців оператора, зміщення можуть мати малі спотворення, викликані великими розмірами пальців, але цими спотвореннями часто можна нехтувати. Якщо ж екран використовується зі стилусом для введення малюнків або сигнатур зображень, ці зсуви повинні прийматися в розрахунок. Облік зміщень може здійснюватися періодичної калібруванням екрану або застосуванням 8-й провідного типу екрану.

Сріблені висновки

Рис.1.


Рис.2.

8-й вивідні аналогові сенсорні екрани

8-й вивідні сенсорні екрани за допомогою додаткових 4-х опорних висновків успішно компенсують дрейф зміщення. Це досягається безпосереднім виміром напруги на срібних висновках екрану. 8-й вивідний сенсорний екран може бути використаний і в 4-х дротовому режимі з’єднанням опорних і живильних висновків разом. Використання екранів цього типу не виключає необхідності початковій калібрування сенсорів, але виключає необхідність додаткових калібрування.

Позитивний ефект 8-й дротових сенсорних екранів досягається застосуванням відносних аналого-цифрових перетворень вимірюваної напруги, супроводжуване подачею опорного напруги безпосередньо з висновків сенсорного екрану на опорні входи АЦП. Принцип цих вимірів зображений на рис.3.


Рис.3.

5-й вивідний сенсорний екран

5-й вивідний сенсорний екран відрізняється від 4-х проводового тим, що градієнт напруги створюється тільки на одному, Гребінчастий шарі, в той час як інший шар використовується в якості сенсорного для здійснення обох вимірів. На рис.4 показаний принцип цих вимірів.


Рис.4.

Процес вимірювань здійснюється наступним чином. На першому етапі градієнт напруги створюється по осі X, і виробляється перший вимір. Потім градієнт перемикається по осі Y, і проводиться другий вимір. При цьому градієнти створюються на одному нижньому шарі, перемиканням напруги живлення на перпендикулярні висновки, а вимір напруги за допомогою одного верхнього сенсорного шару.

Завдання контролера сенсорного екрану:

  • Перемикання живлення і сенсорів на відповідні шари матриці.
  • Передача вимірюваних напруг на входи АЦП.
  • Перетворення напружень в цифрові коди
  • Передача інформації в хост процесор

Уточнимо кожну з перерахованих завдань окремо.

Перемикання. Це завдання полягає в правильній подачі напруги живлення і землі на відповідні шари для 4-х і 5-та дротових екранів, і відповідні висновки шару 5-та проводового екрану.

Передача напруг. Це завдання зазвичай виконується мультіплексеров для 4-х і 5-та дротових екранів. У 5-й дротових екранах потреби в мультіплексеров немає, оскільки вимірювання проводяться по одному чутливому шару.

Аналогоцифрового перетворення. Рівень напруги з сенсорного шару перетворюється в цифровий код в АЦП.

Передача інформації. Вихід АЦП при необхідності перетворюється і замикається в даному елементі. Він так-же може змінюватися на послідовний потік даних, якщо цього вимагає розроблювальний пристрій.

На рис.5 наведена блок діаграма типового контролера сенсорного екрану.


Рис.5.

Питання конструювання контролерів сенсорних екранів:

Існує ряд питань потребують свого вирішення і безліч варіантів вимагають правильного вибору при розробці контролерів сенсорних екранів. Ці проблеми ми і обговоримо далі.

Електростатичні розряди (ESD) і шум. Електростатичні розряди зазвичай не є больщой проблеем, оскільки гнучкий зовнішній шар екрану є гарним діелектриком.

Шум може призводити до перешкод і тому необхідно вживати певних заходів для його зменшення. Гнучкий кабель, що з’єднує сенсорний екран повинен прокладатися подалі від джерел шуму, таких як інвертор напруги ламп підсвічування екрану. Протизавадний конденсатор повинен підключатися між висновком сенсорного екрану і ланцюгом землі.

Розрядність АЦП. Цей вибір диктується в основному застосуванням. Якщо сенсорний екран використовується в якості інтерфейсу людина-машина, і контакт забезпечується за допомогою пальця оператора, розрядність АЦП може бути досить слабкий. Наприклад, якщо довжина панелі становить величину 6 дюймів (близько 15 см), дозвіл сенсора 0.2 дюйма (~ 5 мм), що нормально для пальця, то АЦП має розрізняти 30 позицій. 32 точки можуть вирішуватися за допомогою тільки 5 довічних біт, такий розрядності АЦП цілком достатньо для нашого прикладу. Швидкість вибірок в 10 точок у секунду також достатня для такого застосування.

Розглянемо інший приклад, коли потрібне відтворення підпису. На екрані дисплея повинна з’явитися підпис, нанесений на сенсорному екрані. Дисплей повинен бути чверть VGA (320х240) LCD. Для найбільш точного відтворення підпису користувача сенсорний екран повинен мати дозвіл не менше дозволу LCD панелі, для нашого випадку 320 точок. Це означає, що розрядність АЦП повинна бути не менше 9 біт (512 рівнів).

Продуктивність контролера сенсорного екрану в даному прикладі має бути значно вище попереднього, оскільки відображені зображення не повинно відставати від руху стилуса і всі рухи останнього повинні відтворюватися на екрані. Продуктивність в 100 вибірок в секунду достатня для таких застосувань.

Контакт між шарами сенсорного екрану має схильність до мерехтіння. Цей ефект може усуватися двома шляхами, або схеммнимі рішеннями контролера, або програмними методами в хост процесорі. Найбільш дешевим способом можна вважати програмний метод.

Зазвичай сенсорний екран сканується безперервно для відображення будь-якого дотику. Для спрощення процесу безперервне сканування здійснюється по одній осі. При виявленні контакту по одній осі через невелику затримку здійснюється повне двомірне вимір. Може здійснюватися і безліч вимірів з наступним осреднением.

Калібрування контролера

Величина опору резистивного покриття сенсорного екрану сильно змінюється від зразка до зразка, може також змінюватися під впливом навколишнього середовища і в часі.

Температура і вологість навколишнього середовища можуть сильно змінити резистивні характеристики покриття, що в свою чергу спотворить результати вимірювання позиції торкання сенсорного екрана. Часовий дрейф властивостей покриття та калібрування контролера також спотворюють результати вимірювань. У результаті цих спотворень фізична орієнтація сенсорів щодо екрану LCD сильно змінюється від зразка до зразка.

Щоб уникнути подібних спотворень зазвичай потрібно початкова калібрування сенсорного екрану, в критичних випадках для підтримки високої точності потрібно преіодіческі повторювана процедура калібрування. Тип необхідної калібрування диктується конкретним застосуванням екрану.

Наприклад, сенсорний екран з ручним торканням на малому LCD індикаторі може вимагати 10% точності позиціювання точки дотику щодо еккрана. Сумарна помилка позиціонування від зсувів в часі і початкових характеристик такого екрану, як правило, укладається в межах 5%. Для такого екрану калібрування може і не знадобитися.

У другому прикладі вимагатимемо реалізацію функції відтворення підпису на 5 дюймовому LCD з роздільною здатністю 320 × 240 точок, де буде потрібно точність позиціонування в один піксель за час експлуатації приладу. Дане застосування вимагає повної точності позиціювання точки дотику щодо екрану не більше 0.3%. Очевидно, що для такого застосування калібрування просто необхідна.

Процедура калібрування екрану може бути виконана в наступному порядку. Спочатку на екрані засвічується піксел біля одного кута екрану, оператор встановлює стилус у вказану точку. Результати вимірювань запам’ятовуються в пам’яті контролера. Потім така процедура повторюється для другої точки розташованої в протилежному куті екрану. Записані дані представляють точні позиції двох точок на екрані LCD. За даними координатами легко обчислюються масштабуючі коефіцієнти для обчислення координат будь-якої точки на екрані LCD.

Для 8-і вивідних екранів зазвичай необхідне виконання початкової калібрування, даної процедури, як правило, достатньо і додаткові калібрування впроцессе експлуатації не потрібні.

Реалізація контролера

Реалізація контролера сенсорного екрану може бути здійснена безліччю способів. Найбільш популярний метод обговоримо далі.

Можливо побудова контролера на одному кристалі вбудованого процесора. Таке рішення вимагає мінімуму додаткових компонентів і забезпечує обчислення позиції безпосередньо в мікропроцесорі.

Дешеве і високоточне рішення може бути досягнуто застосуванням мікроконтролера з вбудованим АЦП. Матриця ключів виконаних на польових транзисторах може управлятися безпосередньо від мікропроконтроллера. Така схема вимагає всього кілька дешевих зовнішніх компонентів і працює під управлінням програми мікроконтролера. Така техніка прийнята для більшості пристроїв “цифрових електронних помічників” (PDA).

Багато застосування, исползуют вбудовані персональні комп’ютери, що працюють під управлінням операційних систем типу Windows, можуть використовувати готові плати контролерів сенсорних екранів. Такі плати, зазвичай, забезпечують цифровий потік вимірювань позицій на ПК як послідовні дані на COM або USB порт. Додатковий драйвер емулює стандартну мишу в якості сенсора екрану під управлінням робочого інтерфейсу комп’ютера. Такі системи популярні в промислових застосуваннях.

Висновок

Аналогові резистивні сенсорні екрани з усіх доступних технологій є найбільш загальними і гнучкими. Така технологія застосовна у всіх пристроях і інструментах використовують LCD дисплеї, де потрібна інтуїтивне взаємодія машини і людини.