觸摸屏技術

觸摸屏在結構上由一個感應式液晶顯示裝置組成,這個感應顯示器可以接收觸控頭或者其他觸控動作的信號。當這個感應顯示器收到了觸控信號,整個觸控裝置會按照事先編寫的程序執行不同的指令,實現用戶的觸控意圖。這種技術替代了傳統的機械式按鈕裝置,加上液晶顯示器的畫面,可以得到十分生動形象的畫面和操作享受,受到了越來越多人的歡迎。

觸摸屏技術最早出現在一些工業和商業設備中,例如POS終端機、電梯按鈕等。觸摸屏技術在很大程度上方便了人機交互,觸摸屏本身又很堅固耐用,這些特點都讓觸摸屏技術有了很大的應用和發展。利用觸摸屏技術,用戶只要用手指點擊相應的觸控圖案,就可以解決過去繁雜的操作問題,極大的方便了用戶。由于近些年i Phone手機的推出,更是刺激了觸摸屏相關產業的發展,觸摸屏技術也由此被應用到不同的產品中。隨著移動互聯網、云計算等技術的快速發展,人們對觸摸屏技術的需求和要求也日益提高,相信觸摸屏技術將會越來越多的出現在不同的電子產品中。除此之外,觸摸屏在汽車電子領域和零售業也有很大的發展空間,具相關權威調查,到2012年,用于汽車電子和零售業的觸摸屏市場將會達到20億美元,占觸摸屏產業總體市場的20%。同時在PC行業,由于微軟操作系統的不斷發展,觸摸屏技術也將占據著十分重要的角色,再加上醫療領域、公共設施領域等方面,觸摸屏控制技術將會得到進一步的普及,有著極好的市場前景。

中國的觸摸屏消費市場有著極大潛力,尤其在數碼電子產品市場中,然而在觸摸屏產業中,中國的觸摸屏產業主要集中在產業鏈的中下游,目前遼寧沈陽的沈北新區也建立了手機制造中心,吸引了包括晨訊科技等手機觸摸屏生產廠家。一方面體現了手機觸摸屏這一強大的市場,另一方面又反映了我國觸摸屏產業的技術含量偏低,多以加工代工為主。然而在觸摸屏產業鏈中,觸摸屏驅動芯片是核心,決定著觸摸屏產品的優劣,全球各大芯片設計公司也都在致力研發高精度、低功耗的觸摸屏驅動芯片。

電阻式觸摸屏

電阻式觸摸屏是一種傳感器,基本上是薄膜加上玻璃的結構,薄膜和玻璃相鄰的一面上均涂有ITO(納米銦錫金屬氧化物)涂層,ITO具有很好的導電性和透明性。當觸摸操作時,薄膜下層的ITO會接觸到玻璃上層的ITO,經由感應器傳出相應的電信號,經過轉換電路送到處理器,通過運算轉化為屏幕上的X、Y值,而完成點選的動作,并呈現在屏幕上。

基本原理

電阻觸摸屏的工作原理主要是通過壓力感應原理來實現對屏幕內容的操作和控制的,這種觸摸屏屏體部分是一塊與顯示器表面非常配合的多層復合薄膜,其中第一層為玻璃或有機玻璃底層,第二層為隔層,第三層為多元樹脂表層,表面還涂有一層透明的導電層,上面再蓋有一層外表面經硬化處理、光滑防刮的塑料層。在多元脂表層表面的傳導層及玻璃層感應器是被許多微小的隔層所分隔電流通過表層,輕觸表層壓下時,接觸到底層,控制器同時從四個角讀出相稱的電流及計算手指位置的距離。這種觸摸屏利用兩層高透明的導電層組成觸摸屏,兩層之間距離僅為2.5微米。當手指觸摸屏幕時,平常相互絕緣的兩層導電層就在觸摸點位置有了一個接觸,因其中一面導電層接通Y軸方向的5V均勻電壓場,使得偵測層的電壓由零變為非零,控制器偵測到這個接通后,進行A/D轉換,并將得到的電壓值與5V相比,即可得觸摸點的Y軸坐標,同理得出X軸的坐標,這就是所有電阻技術觸摸屏共同的最基本原理。

電路實現

觸摸屏包含上下疊合的兩個透明層,四線和八線觸摸屏由兩層具有相同表面電阻的透明阻性材料組成,五線和七線觸摸屏由一個阻性層和一個導電層組成,通常還要用一種彈性材料來將兩層隔開。當觸摸屏表面受到的壓力(如通過筆尖或手指進行按壓)足夠大時,頂層與底層之間會產生接觸。所有的電阻式觸摸屏都采用分壓器原理來產生代表X坐標和Y坐標的電壓。如圖3,分壓器是通過將兩個電阻進行串聯來實現的。上面的電阻(R1)連接正參考電壓(VREF),下面的電阻(R2)接地。兩個電阻連接點處的電壓測量值與下面那個電阻的阻值成正比。

為了在電阻式觸摸屏上的特定方向測量一個坐標,需要對一個阻性層進行偏置:將它的一邊接VREF,另一邊接地。同時,將未偏置的那一層連接到一個ADC的高阻抗輸入端。當觸摸屏上的壓力足夠大,使兩層之間發生接觸時,電阻性表面被分隔為兩個電阻。它們的阻值與觸摸點到偏置邊緣的距離成正比。觸摸點與接地邊之間的電阻相當于分壓器中下面的那個電阻。因此,在未偏置層上測得的電壓與觸摸點到接地邊之間的距離成正比。

電阻式觸摸屏內部渡涂的透明ITO導電薄膜有工藝要求。涂層不可太厚,否則不但會降低透光率,還會形成內反射層,降低清晰度;涂層也不可太薄,否則容易斷裂。在使用過程中,由于觸摸屏的工作準確性需要依靠電阻網絡的精密性來實現,如果某處電阻網絡出現了故障將會使此處觸摸屏觸摸失靈:觸摸屏表面經常被觸摸,表層薄薄的一層透明ITO導電薄膜會出現細小裂紋,也會導致觸摸失靈;透明ITO導電薄膜的外層采用的是塑膠材料,沒有保護層,所以安全性較差。但是,從結構上看,電阻式觸摸屏是一個相對封閉的系統,因此相比于其他觸摸屏,不受外界污染物的影響,比如灰塵、水汽、油潰等,而且適合配帶手套或是不能用手直接觸摸的場合,因此能夠在惡劣環境下正常工作,適合于航空機載顯示系統。

四線觸摸屏

四線觸摸屏包含兩個阻性層。其中一層在屏幕的左右邊緣各有一條垂直總線,另一層在屏幕的底部和頂部各有一條水平總線,見圖1。為了在X軸方向進行測量,將左側總線偏置為0V,右側總線偏置為VREF。將頂部或底部總線連接到ADC,當頂層和底層相接觸時即可作一次測量。

為了在Y軸方向進行測量,將頂部總線偏置為VREF,底部總線偏置為0V。將ADC輸入端接左側總線或右側總線,當頂層與底層相接觸時即可對電壓進行測量。圖2顯示了四線觸摸屏在兩層相接觸時的簡化模型。對于四線觸摸屏,最理想的連接方法是將偏置為VREF的總線接ADC的正參考輸入端,并將設置為0V的總線接ADC的負參考輸入端。

五線觸摸屏

五線觸摸屏使用了一個阻性層和一個導電層。導電層有一個觸點,通常在其一側的邊緣。阻性層的四個角上各有一個觸點。為了在X軸方向進行測量,將左上角和左下角偏置到VREF,右上角和右下角接地。由于左、右角為同一電壓,其效果與連接左右側的總線差不多,類似于四線觸摸屏中采用的方法。為了沿Y軸方向進行測量,將左上角和右上角偏置為VREF,左下角和右下角偏置為0V。由于上、下角分別為同一電壓,其效果與連接頂部和底部邊緣的總線大致相同,類似于在四線觸摸屏中采用的方法。這種測量算法的優點在于它使左上角和右下角的電壓保持不變;但如果采用柵格坐標,X軸和Y軸需要反向。對于五線觸摸屏,最佳的連接方法是將左上角(偏置為VREF)接ADC的正參考輸入端,將左下角(偏置為0V)接ADC的負參考輸入端。

七線觸摸屏

七線觸摸屏的實現方法除了在左上角和右下角各增加一根線之外,與五線觸摸屏相同。執行屏幕測量時,將左上角的一根線連到VREF,另一根線接SAR ADC的正參考端。同時,右下角的一根線接0V,另一根線連接SAR ADC的負參考端。導電層仍用來測量分壓器的電壓。

八線觸摸屏

除了在每條總線上各增加一根線之外,八線觸摸屏的實現方法與四線觸摸屏相同。對于VREF總線,將一根線用來連接VREF,另一根線作為SAR ADC的數模轉換器的正參考輸入。對于0V總線,將一根線用來連接0V,另一根線作為SAR ADC的數模轉換器的負參考輸入。未偏置層上的四根線中,任何一根都可用來測量分壓器的電壓。

SAR的實現方法很多,但它的基本結構很簡單,參見圖3。該結構將模擬輸入電壓(VIN)保存在一個跟蹤/保持器中,N位寄存器被設置為中間值(即100...0,其中最高位被設置為1),以執行二進制查找算法。因此,數模轉換器(DAC)的輸出(VDAC)為VREF的二分之一,這里VREF為ADC的參考電壓。之后,再執行一個比較操作,以決定ⅥN小于還是大于VDAC:

1、如果VIN小于VDAC,比較器輸出邏輯低,N位寄存器的最高位清0。

2、如果VIN大于VDAC,比較器輸出邏輯高(或1),N位寄存器的最高位保持為1。

其后,SAR的控制邏輯移動到下一位,將該位強制置為高,再執行下一次比較。SAR控制邏輯將重復上述順序操作,直到最后一位。當轉換完成時,寄存器中就得到了一個N位數據字。

圖4顯示了一個4位轉換過程的例子,圖中Y軸和粗線表示DAC的輸出電壓。在該例中:

1、第一次比較中,顯示VIN小于VDAC,因此位[3]被置0。隨后DAC被設置為0b0100并執行第二次比較。

2、在第二次比較中,顯示VIN大于VDAC,因此位[2]保持為1。隨后,DAC被設置為0b0110并執行第三次比較。

3、在第三次比較中,位[1]被置0。DAC隨后被設置為0b0101,并執行最后一次比較。

4、在最后一次比較中,由VIN大于VDAC,位[0]保持為1。

所有的觸摸屏都能檢測到是否有觸摸發生,其方法是用一個弱上拉電阻將其中一層上拉,而用一個強下拉電阻來將另一層下拉。如果上拉層的測量電壓大于某個邏輯閾值,就表明沒有觸摸,反之則有觸摸。這種方法存在的問題在于觸摸屏是一個巨大的電容器,此外還可能需要增加觸摸屏引線的電容,以便濾除LCD引入的噪聲。弱上拉電阻與大電容器相連會使上升時間變長,可能導致檢測到虛假的觸摸。

四線和八線觸摸屏可以測量出接觸電阻,即圖5中的RTOUCH。RTOUCH與觸摸壓力近似成正比。要測量觸摸壓力,需要知道觸摸屏中一層或兩層的電阻。圖6中的公式給出了計算方法。需要注意的是,如果Z1的測量值接近或等于0(在測量過程中當觸摸點靠近接地的X總線時),計算將出現一些問題,通過采用弱上拉方法可以有效改善這個問題。

優點

電阻式觸摸屏的優點是它的屏和控制系統都比較便宜,反應靈敏度很好,而且不管是四線電阻觸摸屏還是五線電阻觸摸屏,它們都是一種對外界完全隔離的工作環境,不怕灰塵和水汽,能適應各種惡劣的環境。它可以用任何物體來觸摸,穩定性能較好。

電阻式觸摸屏的優點可歸類為:

1、電阻式觸控屏的精確度高,可到像素點的級別,適用的最大分辨率可達4096x4096。

2、屏幕不受灰塵、水汽和油污的影響,可以在較低或較高溫度的環境下使用。

3、電阻式觸控屏使用的是壓力感應,可以用任何物體來觸摸,即便是帶著手套也可以操作,并可以用來進行手寫識別。

4、電阻式觸控屏由于成熟的技術和較低的門檻,成本較為廉價。

缺點

缺點是電阻觸摸屏的外層薄膜容易被劃傷導致觸摸屏不可用,多層結構會導致很大的光損失,對于手持設備通常需要加大背光源來彌補透光性不好的問題,但這樣也會增加電池的消耗。

電阻式觸摸屏的缺點可歸類為:

1、電阻式觸控屏能夠設計成多點觸控,但當兩點同時受壓時,屏幕的壓力變得不平衡,導致觸控出現誤差,因而多點觸控的實現程度較難。

2、電阻式觸控屏較易因為劃傷等導致屏幕觸控部分受損。

當今觸摸屏的種類很多,其中不具有多點觸摸功能的觸摸屏有電阻式,表面擾度波、表面聲波、表面電容、聲脈沖識別、應力測量觸摸屏可以實現多點觸摸功能的有紅外矩陣、圖像LCO矩陣、紅外波導矩陣、感應電容矩陣觸摸屏。現在隨著iphone感應電容觸摸屏的實用化,感應電容觸摸屏的成本也開始逐步下降。而應用最廣泛的是電阻式觸摸屏,研究也是最廣泛的。

多點觸摸就是允許多手指之間任意地選擇和操作,這樣可以極大地豐富操作類型,而且多點操作通常可以實現智能的手勢識別,提供更人性化的用戶界面,現在的多點式觸摸屏已經在技術上取得了突破,但是這些技術的應用領域都有比較大的局限性,另一個重要的原因是相應的多點觸摸的功能沒有相應的定義,智能手勢識別雖然從技術上能實現,但是在應用上出現應用規范的限制問題,比如,有五個點的觸摸,這些位置的組合到底意味著什么呢?這個沒有相應的標準和規范,這樣造成了技術的泛濫,在實際的使用中沒有地方顯示出這種多點觸摸的優越性,目前定義最為明確的就是一點的定義和兩點的定義,這也符合實際的應用習慣,一些即使用上了多點觸摸功能的觸摸屏,還是做著單點或者兩點的觸摸屏的操作,所以這些產品利用的這些技術不得不說有些浪費。由此可見技術的應用還要依賴于需求和具體的應用,也要符合大家的應用實際。

基于以上的原因,不能實現多點觸摸的觸摸屏在市場中占有率是最大的,只要是滿足了單點和兩點的觸摸功能也就符合了需求,這是市場給研究者最大的信息。而電阻式觸摸屏正是市場中使用最為廣泛的一種,這個領域的研究也是最多的,但是他們的研究也給后人造成很大局限性,結論是,它不能實現多點的觸摸功能,合理的設計和技術的進步可以讓這個目標實現。電阻式觸摸屏中研究最多的典型是四線式電阻式觸摸屏,現在這個領域技術已經成熟,這個領域的研究已經轉向了電阻式觸摸屏的核心器件的研究,市場上的成熟的應用器件是ADS7843,這是典型的為四線電阻式觸摸屏開發的芯片,得到了廣泛的利用。

ADS7843是專為四線電阻式觸摸屏設計的專用接口芯片,它可以方便地與單片機接口,對轉換信號進行處理和計算。它是一個具有可編程的8位或12位分辨率的逐次逼近型A/D轉換器,如果將轉A/D換器配置為讀絕對電壓(單端模式)方式,那么驅動電壓的下降將導致轉換輸入數據的錯誤。而如果配置為差分模式,則可以避免上述錯誤。當觸摸屏被按下時,有兩種情況可影響接觸點的電壓一種是當觸摸到顯示屏時,會導致觸摸屏外層振動另一種是觸摸屏頂層和低層之間的寄生電容引起的電流振蕩以及在ADS7843輸入引腳上引起的電壓振蕩。這兩種情況都可導致觸摸屏上的電壓發生振蕩以及增加DC值穩定的時間。使用第二種方式的另一個優點是功耗低,采用十字交叉法,得到結果,然后轉換坐標。