Sådan implementerer du hurtigt pålidelige touchskærme

En touchskærm foretrækkes i stigende grad frem for et tastatur og en mus som menneske-maskine-interface (HMI) til programmering, konfiguration og styring af forbruger-, virksomheds- og industrisystemer. Touchskærme er intuitive, hurtige og har et enkelt integreret interface, der erstatter en kombination af inputenheder. De er også mere praktiske for folk med fysiske udfordringer og kan gøres ret kompakte.

De mange forskellige anvendelsesmuligheder for touchskærme betyder, at de skal være robuste, kunne betjenes med en bar eller handsket finger og skal være omkostningseffektive. Resistive touchskærme opfylder disse krav, men designere skal kunne komme hurtigt på markedet med standardløsninger, der består af en touchskærm, der er matchet med en passende controller. De skal også forstå forskellene mellem 4- og 5-leder resistive touchskærm-interfaces.

Denne artikel beskriver kort resistive touchskærme. Derefter introduceres eksempler på touchskærme og controllere fra NKK Switches, og det vises, hvordan man designer med dem.

Sådan fungerer resistive touchskærme

Resistive touchskærme er selvstændige komponenter, der overlejres på en fladskærm. Sammen med en controller giver en touchskærm brugerne mulighed for at interagere med de viste symboler ved at berøre bestemte områder. En touchskærm kan registrere den præcise position af en finger eller en stylus. Applikationssoftwaren bestemmer derefter, hvilke yderligere skærmhandlinger der skal udføres baseret på denne position.

Resistive touchskærme er velegnede til forskellige forbruger-, detail-, virksomheds-, industri- og medicinske applikationer, fordi de er billige, robuste og kan betjenes med en bar finger, en handsket hånd eller en stylus. Teknologien bruger en deformerbar plastfilm, der på bagsiden er belagt med et ledende lag som f.eks. indiumtinoxid (ITO). Bagsiden af touchskærmen er dannet af et glas- eller akrylpanel, som har et ITO-lag på forsiden.

Ikke-ledende afstandsprikker adskiller plastfolien fra bagpanelet af glas eller akryl. Når man trykker på plastfolien med en finger eller en stylus med en kraft på et eller to newton (N), kommer folien i kontakt med bagpanelet og lukker effektivt en kontakt i det lokale trykområde. Styringskortet, med et tilsluttet fire- eller femleders stik, kan bestemme placeringen af den lukkede kontakt, og softwaren reagerer i overensstemmelse hermed (figur 1).

Figur 1: Resistive touchskærme fungerer ved, at en berøring presser to ledende overflader sammen. (Billedkilde: NKK Switches)

Resistive touchskærme er populære, når pris, robusthed og betjening med en handsket hånd eller en ikke-ledende stylus er afgørende. De er typisk i stand til at udføre millioner eller endda to-cifrede millioner af operationer uden fejl. Resistive touchskærme kan også fremstilles med beskyttelse mod vand- og kemikaliesprøjt.

Forskellen mellem 4- og 5-leder touchskærmkonfigurationer

En 4-leder touchskærm har to elektroder på den nederste plade og to på den øverste plade. På bundpladen løber elektroderne langs Y-aksen, hvilket gør det muligt at måle modstanden langs X-aksen. På samme måde har toppladen kantelektroder, der løber langs X-aksen, hvilket gør det muligt at måle modstanden langs Y-aksen (figur 2).

Figur 2: 4-leder resistive touchskærme bruger to kantelektroder på den nederste plade og to på den øverste plade. Parrene løber vinkelret på hinanden og gør det muligt at bestemme XY-positionen for en berøring. (Billedkilde: NKK Switches)

Ved fingerkontaktpunktet deler det nederste lag effektivt det øverste lag i to modstande i serie. Det nederste lag er på samme måde opdelt ved kontaktpunktet med det øverste lag. Med passende forspænding kan hver plade fungere som en divider, hvor udgangsspændingen repræsenterer kontaktpunktets koordinater.

I et 5-leder system har toppladen fire kantelektroder og fungerer som spændingsfølerknudepunktet. De fire hjørner af bundpladen udgør elektroder, der producerer spændingsgradienter i X- og Y-retningen. Forskellige bias-konfigurationer bruges til at opnå målinger i X- og Y-retning (figur 3).

Figur 3: 5-leder resistive touchskærme bruger fire hjørneelektroder på bundpladen til at producere spændingsgradienter i X- og Y-retningen og to par kantelektroder på toppladen til at registrere spændingen. (Billedkilde: NKK Switches)

I 5-leder konstruktionen er det kun bundpladen, der er aktiv. Det betyder, at toppladen kan blive beskadiget, men at touchskærmen stadig kan fungere. I modsætning hertil er begge plader på 4-leder touchskærmen aktive, og skader på den øverste plade kan få touchskærmen til at svigte. Den 5-ledede touchskærm har tendens til at være mere holdbar, men kompromiset er øget designkompleksitet og omkostninger.

Kommercielle resistive touchskærm-løsninger

For at minimere kompleksiteten og fremskynde tiden til markedet har NKK gennemprøvede kommercielle løsninger til både touchskærmen og den tilhørende controller. Designeren har stadig mulighed for at købe en touchskærm fra NKK og matche den med en controller fra en anden leverandør eller en af deres egne.

FT-serien fra NKK er et fremragende eksempel på resistive touchskærme. Fås i en række forskellige skærmstørrelser fra 5,7 til 15,6 tommer (in.) (diagonal), serien tilbydes i både 4- og 5-leder konfigurationer med en berøringsaktiveringskraft på 1,4 N (tabel 1). Begge versioner har en fleksibel kredsløbsforbindelse, der forbindes til et controllerkort.

Tabel 1: En sammenligning af 4- og 5-leder resistive touchskærme viser, at 5-lederversionen har længere levetid, målt i trykoperationer. (Billedkilde: NKK Switches)

FTAS00-5.7AS-4A er en 4-leder, 5,7 tommer model, der trækker 1 milliampere (mA) ved 5 volt DC (VDC), har en XY-resistiv værdi på 250 til 850 ohm (Ω), en linearitet på 1,5 % og en isolationsimpedans på 10 megaohm (MΩ). Touchskærmens forventede levetid er 50.000 skrive- eller en million trykoperationer.

FTAS00-10.4A-5 er en 5-leder, 10,4 tommer model, der trækker 1 mA ved 5,5 VDC, har en XY-resistiv værdi på 20 til 80 Ω, en linearitet på 2 % og en minimum isolationsimpedans på 10 MΩ. Levetiden er 50.000 skrivninger eller 10 millioner trykoperationer.

Til både 4- og 5-leder touchskærmprodukter tilbyder NKK en controller med enten et RS232C- eller et USB-interface. Controller-kortene leveres med enhedsdriver-software, der er kompatibel med Windows 7, 8 og 10. FTCS04C og FTCU04B er henholdsvis RS232C- og USB-interface controllerkortene til NKK's 4-leder touchskærme, mens FTCS05B og FTCU05B er de tilsvarende til 5-leder touchskærme.

Kom godt i gang med en resistiv touchskærm

Designprocessen er den samme for 4- og 5-leder touchskærme. Kernen i RS232C- og USB 4-leder controllerkortet er controllerchippen FTCSU548. Denne 48-benede LFQFP-IC har et asynkront serielt interface og et USB 2.0-interface med fuld hastighed. Den drives af en 3,3 til 5 volt forsyning til RS232C-drift eller en 5 volt forsyning til USB, med en nominel udgangsstrøm på 170 mA, en driftsfrekvens på 16 megahertz (MHz) og en analog-til-digital-konverter (ADC) opløsning på 10 bit. Chippen har en indbygget kalibreringsfunktion.

Når der trykkes på touchskærmen, bestemmer controller-IC'en koordinaterne ved hjælp af værdien af den analoge spænding, der registreres af ADC'en, og videresender dem til værtscomputeren via RS232C- eller USB-interfacen (figur 4).

Figur 4: FTCSU548 controller-IC (IC1) er monteret på FTCU04B (4-leder USB) controllerkort. CN1 (til venstre) er stikket til touchskærmens 4-leder fleksible kredsløbsforbindelse. (Billedkilde: NKK Switches)

Touchskærmens 4-ledede fleksible kredsløbsforbindelse er forbundet til controllerkortet via CN1. Controllerkortet forbindes til værts-pc'en via CN4. CN4 USB-interfacen leverer også strøm til kortet. Værten kører enhedsdriveren og touchskærmens applikationssoftwaren (figur 5).

Figur 5: Her ses et typisk 4-leder USB-controllerkort og en værts-pc-konfiguration. (Billedkilde: NKK Switches)

Tips til design

Den resistive touchskærm kræver kalibrering ved installation. Controller-IC'en FTCSU548 har en indbygget kalibreringsfunktion. Controller-IC'en skal først indstilles til "kildedatatilstand" for at kalibrere. PC'en angiver derefter et referencepunkt (P1) på touchskærmen, som operatøren trykker på med en stylus, og ADC-spændingsoplysningerne sendes til PC'en via controllerkortet. Processen gentages med et andet punkt (P2) i et fjernt touchskærm-område. De fysiske koordinater for P1 og P2 sendes til pc'en som et otte-byte tal. Touchskærmen sættes derefter i "kalibreringsdatatilstand", og applikationssoftwaren bruger spændings- og koordinataflæsningen for de to kendte punkter plus en indbygget "0,0"-reference til at interpolere alle andre koordinater i kalibreringsdatatilstandsområdet (figur 6).

Figur 6: Kalibrering er nødvendig under den første konfiguration og derefter med jævne mellemrum, fordi modstanden ændrer sig, når touchskærmen ældes. (Billedkilde: NKK Switches)

Skærmens modstand ændrer sig, når den ældes, så det er nødvendigt at rekalibrere den gennem hele dens levetid.

Det er vigtigt at medtage jordforbindelse til skærmenhedens ramme for at forhindre elektromagnetisk interferens (EMI). Det er også muligt, at den indledende kontaktmodstand fra en finger kan forårsage "chatter". For at forhindre chatter kan man bruge en indbygget forsinkelse til at lade spændingen stabilisere sig, før systemet beregner koordinaterne.

Designere skal også passe på ikke at inkludere software, der instruerer brugerne i at røre ved to touchskærm-områder samtidigt. Teknologien kan ikke opløse to separate berøringer og vælger som standard et midtpunkt mellem dem. Endelig vil der forekomme linjebrud på skærmen, når der tegnes en linje på en skærm med en stylus, som adskiller de to lag. Designere bør sikre, at applikationssoftwaren udfylder disse linjebrud.

Konklusion

Resistive touchskærme er velegnede HMI'er til applikationer, hvor pris, robusthed og betjening med bar eller behandsket hånd eller ikke-ledende stylus er afgørende. For at forenkle implementeringen omfatter de kommercielle løsninger fra NKK touchskærme-overlayet, controllerkort med en dedikeret controller-IC og enhedsdriver-software.