Jak rychle implementovat spolehlivé dotykové obrazovky

Dotyková obrazovka je stále více preferována před klávesnicí a myší jako rozhraní člověk-stroj („human-machine interface“, HMI) pro programování, konfiguraci a ovládání spotřebitelských, podnikových a průmyslových systémů. Dotykové obrazovky jsou intuitivní, rychlé a mají jediné integrované rozhraní, které nahrazuje kombinaci vstupních zařízení. Nabízejí také větší pohodlí pro lidi s fyzickými problémy a mohou být poměrně kompaktní.

Široká škála aplikací pro dotykové obrazovky znamená, že musí být odolné, musí je být možné ovládat holým prstem nebo v rukavicích a musí být nákladově efektivní. Rezistivní dotykové obrazovky tyto požadavky splňují, ale konstruktéři musí být schopni rychle uvést na trh běžně dostupná řešení, která zahrnují dotykovou obrazovku s odpovídající vhodnou řídicí jednotkou. Musí také rozumět rozdílům mezi rozhraními čtyř- a pětivodičových rezistivních dotykových obrazovek.

V tomto článku jsou stručně popsány rezistivní dotykové obrazovky. Poté jsou zde představeny příklady dotykových obrazovek a řídicích jednotek od společnosti NKK Switches a ukázáno, jak s nimi navrhovat.

Jak rezistivní dotykové obrazovky fungují

Rezistivní dotykové obrazovky jsou samostatné součástky, které překrývají plochý panelový displej. Ve spojení s řídicí jednotkou umožňuje dotyková obrazovka uživatelům interagovat se zobrazenými symboly dotykem na konkrétní oblasti. Dotyková obrazovka dokáže zjistit přesnou polohu dotyku prstu nebo stylusu. Aplikační software pak určí, jaké další akce na obrazovce by se na základě této polohy měly provést.

Rezistivní dotykové obrazovky jsou vhodné pro různé spotřebitelské, maloobchodní, podnikové, průmyslové a lékařské aplikace, protože jsou levné, odolné a lze je ovládat holým prstem, rukou v rukavici nebo stylusem. Technologie využívá deformovatelnou plastovou fólii, která je na zadní straně potažena vodivou vrstvou, jako je oxid india a cínu („indium tin oxide“, ITO). Zadní strana dotykové obrazovky je tvořena skleněným nebo akrylovým panelem, který obsahuje na přední straně vrstvu ITO.

Nevodivé distanční body oddělují plastovou fólii od skleněného nebo akrylového zadního panelu. Když je plastová fólie stlačena prstem nebo stylusem silou jednoho nebo dvou newtonů, fólie se dotkne zadního panelu a účinně sepne spínač v oblasti místního tlaku. Deska řídicí jednotky s připojeným čtyř- nebo pětivodičovým konektorem může určit umístění sepnutého spínače a software podle toho zareaguje (obrázek 1).

Obrázek 1: Rezistivní dotykové obrazovky fungují tak, že prostřednictvím dotyku se k sobě přitlačí dva vodivé povrchy. (Zdroj obrázku: společnost NKK Switches)

Rezistivní dotykové obrazovky jsou oblíbené tam, kde je zásadní cena, robustnost a ovládání rukou v rukavici nebo nevodivým stylusem. Obvykle jsou schopny milionů nebo dokonce desítek milionů operací bez selhání. Rezistivní dotykové obrazovky lze vyrobit i s krytím proti vodě a postříkání chemikáliemi.

Rozdíl mezi konfiguracemi čtyř- a pětivodičové dotykové obrazovky

Čtyřvodičový dotykový displej využívá dvě elektrody na spodní desce a dvě na horní desce. Na spodní desce probíhají elektrody podél osy Y, což umožňuje měření odporu podél osy X. Podobně má horní deska okrajové elektrody, které probíhají podél osy X, což umožňuje měření odporu podél osy Y (obrázek 2).

Obrázek 2: Čtyřvodičové rezistivní dotykové obrazovky používají dvě okrajové elektrody na spodní desce a dvě na horní desce. Tyto dvojice běží kolmo na sebe a umožňují určit polohu dotyku na osách XY. (Zdroj obrázku: společnost NKK Switches)

Spodní vrstva v místě dotyku prstu efektivně rozděluje horní vrstvu na dva rezistory v sérii. Spodní vrstva je v místě styku s horní vrstvou rozdělena podobně. Při vhodném předpětí mohou jednotlivé desky fungovat jako dělič, kde výstupní napětí představuje souřadnice bodu kontaktu.

V pětivodičovém systému má horní deska čtyři okrajové elektrody a funguje jako uzel pro snímání napětí. Čtyři rohy spodní desky tvoří elektrody, které vytvářejí napěťové gradienty ve směru os X a Y. K získání měření směru X a Y se používají různé konfigurace předpětí (obrázek 3).

Obrázek 3: Pětivodičové rezistivní dotykové obrazovky používají čtyři rohové elektrody na spodní desce pro vytváření gradientů napětí ve směrech X a Y a dva páry okrajových elektrod na horní desce ke snímání napětí. (Zdroj obrázku: společnost NKK Switches)

V pětivodičové konstrukci je aktivní pouze spodní deska. To znamená, že horní deska se může poškodit, ale dotyková obrazovka může stále fungovat. Naproti tomu aktivní jsou obě desky čtyřvodičové dotykové obrazovky. Poškození horní desky může způsobit selhání dotykové obrazovky. Pětivodičová dotyková obrazovka bývá odolnější, ale kompromisem je větší složitost návrhu a vyšší náklady.

Komerční řešení s rezistivní dotykovou obrazovkou

K minimalizaci složitosti a urychlení doby do uvedení na trh nabízí společnost NKK osvědčená komerční řešení pro dotykovou obrazovku i odpovídající řídicí jednotku. Konstruktér má stále možnost pořídit si dotykovou obrazovku od společnosti NKK a spárovat ji s řídicí jednotkou od jiného dodavatele nebo s jednou ze svých vlastních.

Vynikajícím příkladem rezistivních dotykových obrazovek je řada FT od společnosti NKK. Řada je k dispozici v různých velikostech obrazovky od 5,7 do 15,6 palců (úhlopříčka) a nabízí se ve čtyř- i pětivodičové konfiguraci s dotykovou aktivační silou 1,4 N (tabulka 1). Obě verze mají flexibilní konec obvodu, který se připojuje k desce řídicí jednotky.

Tabulka 1: Porovnání čtyř- a pětivodičových rezistivních dotykových obrazovek ukazuje, že pětivodičová verze nabízí delší provozní životnost, měřeno v operacích klepnutí. (Zdroj obrázku: společnost NKK Switches)

Model FTAS00-5.7AS-4A je čtyřvodičové 5,7palcové zařízení, které odebírá 1 mA při 5 V DC, má rezistivní hodnotu XY 250 až 850 Ω, linearitu 1,5 % a izolační impedanci 10 MΩ. Očekávaná provozní životnost dotykové obrazovky je 50 000 zápisů nebo jeden milion klepnutí.

Model FTAS00-10.4A-5 je pětivodičové, 10,4palcové zařízení, které odebírá 1 mA při 5,5 V DC, má rezistivní hodnotu XY 20 až 80 Ω, linearitu 2 % a minimální izolační impedanci 10 MΩ. Provozní životnost obrazovky je 50 000 zápisů nebo 10 milionů klepnutí.

Pro čtyř- a pětivodičové produkty dotykové obrazovky nabízí společnost NKK řídicí jednotku s rozhraním buď RS232C, nebo USB. Desky řídicí jednotky jsou dodávány se softwarem ovladače zařízení kompatibilním s Windows 7, 8 a 10. Modely FTCS04C a FTCU04B jsou desky řídicí jednotky s rozhraním RS232C a USB pro čtyřvodičové dotykové obrazovky společnosti NKK, zatímco modely FTCS05B a FTCU05B jsou ekvivalenty pro pětivodičové dotykové obrazovky.

Začínáme s rezistivní dotykovou obrazovkou

Proces návrhu je pro čtyř- a pětivodičové dotykové obrazovky podobný. Srdcem čtyřvodičové desky řídicí jednotky RS232C a USB je čip řídicí jednotky FTCSU548. Tento 48pinový integrovaný obvod LFQFP má asynchronní sériové rozhraní a rozhraní USB 2.0 s plnou rychlostí. Je napájen napětím 3,3 až 5 V pro provoz RS232C nebo napětím 5 V pro USB se jmenovitým výstupním proudem 170 mA, provozní frekvencí 16 MHz a rozlišením analogově-digitálního převodníku („analog-to-digital converter“, ADC) 10 bitů. Čip má vestavěnou funkci kalibrace.

Když se stiskne dotyková obrazovka, integrovaný obvod řídicí jednotky určí souřadnice pomocí hodnoty analogového napětí detekovaného ADC a předá je hostitelskému počítači přes rozhraní RS232C nebo USB (obrázek 4).

Obrázek 4: Integrovaný obvod řídicí jednotky FTCSU548 (IC1) je namontován na (čtyřvodičové USB) desce řídicí jednotky FTCU04B. CN1 (vlevo) je konektor pro koncovku čtyřvodičového flexibilního obvodu dotykové obrazovky. (Zdroj obrázku: společnost NKK Switches)

Koncovka čtyřvodičového flexibilního obvodu dotykové obrazovky je připojena k desce řídicí jednotky přes CN1. Deska řídicí jednotky se připojuje k hostitelskému PC přes CN4. Rozhraní CN4 USB také napájí desku. Hostitel spouští ovladač zařízení a aplikační software pro dotykovou obrazovku (obrázek 5).

Obrázek 5: Typická čtyřvodičová deska řídicí jednotky USB a konfigurace hostitelského počítače. (Zdroj obrázku: společnost NKK Switches)

Tipy pro návrh

Rezistivní dotyková obrazovka vyžaduje při instalaci kalibraci. Integrovaný obvod řídicí jednotky FTCSU548 obsahuje vestavěnou funkci kalibrace. Integrovaný obvod řídicí jednotky musí být nejprve nastaven na „režim zdrojových dat“, aby bylo možné kalibraci provést. Počítač poté na dotykové obrazovce zobrazí referenční bod (P1), který operátor stiskne stylusem, a do počítače se prostřednictvím desky řídicí jednotky odešlou informace o napětí ADC. Proces se opakuje ve vzdálené oblasti dotykové obrazovky s druhým bodem (P2). Fyzické souřadnice P1 a P2 se odešlou do počítače jako osmibajtové číslo. Dotyková obrazovka se poté přepne do „režimu kalibračních dat“ a aplikační software použije odečet napětí a souřadnic pro dva známé body plus vestavěnou referenci „0,0“ k interpolaci všech ostatních souřadnic v oblasti režimu kalibračních dat (obrázek 6).

Obrázek 6: Kalibrace je vyžadována během počáteční konfigurace a poté pravidelně, protože odpor se mění se stárnutím dotykové obrazovky. (Zdroj obrázku: společnost NKK Switches)

Odpor obrazovky se stárnutím mění, takže kalibraci je nutné opakovat po celou dobu životnosti.

Je nezbytné zahrnout uzemnění rámu zobrazovacího zařízení, aby se zabránilo elektromagnetickému rušení („electromagnetic interference“, EMI). Je také možné, že počáteční odpor kontaktu kvůli prstu může způsobit „chvění“. K tomu, aby se chvění zabránilo, lze použít vestavěné zpoždění, které umožní, aby se napětí ustálilo předtím, než systém vypočítá souřadnice.

Konstruktéři musí také dbát na to, aby nezahrnuli software, který uživatelům dává pokyn, aby se dotýkali dvou oblastí dotykové obrazovky současně. Technologie nedokáže rozlišit dva samostatné dotyky a výchozí středový bod mezi nimi. Nakonec se při nakreslení čáry na obrazovku pomocí stylusu objeví nad distanční vložkou obrazovky zlomy, které oddělují dvě vrstvy. Konstruktéři by měli zajistit, aby aplikační software tyto mezery vyplnil.

Závěr

Rezistivní dotykové obrazovky jsou vhodná rozhraní HMI v aplikacích, kde je zásadní cena, robustnost a ovládání rukou holou nebo v rukavici či nevodivým stylusem. Ke zjednodušení implementace zahrnují komerční řešení od společnosti NKK překrytí dotykové obrazovky, desky řídicích jednotek s vyhrazeným integrovaným obvodem řídicí jednotky a software ovladače zařízení.