Szybkie wdrażanie niezawodnych ekranów dotykowych

Najchętniej wybieranym interfejsem człowiek-maszyna (HMI) do programowania, konfiguracji i sterowania systemami konsumenckimi, firmowymi i przemysłowymi coraz częściej jest ekran dotykowy zamiast klawiatury i myszy. Ekrany dotykowe są intuicyjne, szybkie i posiadają jeden zintegrowany interfejs, który zastępuje kombinację urządzeń wejściowych. Oferują one również większą wygodę dla osób z problemami ruchowymi i mogą być całkowicie kompaktowe.

Różnorodność zastosowań ekranów dotykowych oznacza, że muszą one być wytrzymałe, ekonomiczne oraz pozwalać na obsługę gołym palcem lub w rękawicach. Wymagania te spełniają rezystancyjne ekrany dotykowe, jednak projektanci muszą mieć możliwość szybkiego wprowadzenia produktu na rynek, korzystając z gotowych rozwiązań w postaci ekranów dotykowych sparowanych z odpowiednim kontrolerem. Muszą również rozumieć różnice między 4- i 5-przewodowymi rezystancyjnymi interfejsami w formie ekranów dotykowych.

W niniejszym artykule pokrótce opisano rezystancyjne ekrany dotykowe. Następnie przedstawiono przykładowe ekrany dotykowe i kontrolery firmy NKK Switches oraz pokazano sposób projektowania z ich wykorzystaniem.

Zasada działania rezystancyjnych ekranów dotykowych

Rezystancyjne ekrany dotykowe są autonomicznymi komponentami nakładanymi na wyświetlacze płaskopanelowe. W połączeniu z kontrolerem, ekran dotykowy pozwala użytkownikom na interakcję z wyświetlanymi symbolami poprzez dotknięcie określonych obszarów. Ekran dotykowy może precyzyjnie wykrywać punkt dotyku palca lub rysika. Oprogramowanie aplikacyjne określa następnie, jakie dalsze działania na ekranie powinny zostać wykonane na podstawie pozycji tego punktu.

Rezystancyjne ekrany dotykowe są odpowiednie do różnych zastosowań w segmencie konsumenckim, handlu detalicznego, przedsiębiorstw, przemysłu i medycyny, ponieważ są niedrogie, wytrzymałe i mogą być obsługiwane gołym palcem, dłonią w rękawicy lub rysikiem. Technologia ta wykorzystuje odkształcalną folię z tworzywa sztucznego, która od spodu pokryta jest warstwą przewodzącą, taką jak np. tlenek indu i cyny (ITO). Tył ekranu dotykowego stanowi panel szklany lub akrylowy, który na przedniej powierzchni posiada warstwę tlenku indu i cyny (ITO).

Nieprzewodzące kropki oddzielają folię z tworzywa sztucznego od szklanego lub akrylowego panelu. Po naciśnięciu folii z tworzywa sztucznego palcem lub rysikiem z siłą jednego lub dwóch niutonów (N) styka się ona ze znajdującym się głębiej panelem, skutecznie zamykając przełącznik w punkcie nacisku. Płytka kontrolera z podłączonym złączem cztero- lub pięcioprzewodowym może określić położenie zamkniętego przełącznika, co wywoła odpowiednią reakcję oprogramowania (ilustracja 1).

Ilustracja 1: rezystancyjne ekrany dotykowe działają poprzez dociśnięcie do siebie dwóch przewodzących powierzchni. (Źródło ilustracji: NKK Switches)

Rezystancyjne ekrany dotykowe są popularne, tam, gdzie istotna jest cena, wytrzymałość i możliwość obsługi w rękawicach lub nieprzewodzącym rysikiem. Zwykle są one w stanie bezawaryjnie wykonywać miliony, a nawet dziesiątki milionów operacji. Istnieje również możliwość produkcji rezystancyjnych ekranów dotykowych zabezpieczonych przed zachlapaniem wodą i chemikaliami.

Różnica między 4-przewodowymi i 5-przewodowymi konfiguracjami ekranu dotykowego

4-przewodowy ekran dotykowy wykorzystuje dwie elektrody na płycie dolnej i dwie na płycie górnej. Na dolnej płycie elektrody biegną wzdłuż osi Y, umożliwiając pomiar rezystancji wzdłuż osi X. Podobnie płytka górna posiada elektrody krawędziowe biegnące wzdłuż osi X, umożliwiające pomiar rezystancji wzdłuż osi Y (ilustracja 2).

Ilustracja 2: 4-przewodowe rezystancyjne ekrany dotykowe wykorzystują dwie elektrody krawędziowe na płycie dolnej i dwie na płycie górnej. Pary biegną prostopadle do siebie i pozwalają określić pozycję dotyku w osi XY. (Źródło ilustracji: NKK Switches)

W miejscu dotyku palca dolna warstwa skutecznie dzieli warstwę górną na dwa rezystory połączone szeregowo. Warstwa dolna jest podobnie dzielona w miejscu kontaktu z warstwą górną. Przy odpowiedniej polaryzacji, każda płytka może działać jako dzielnik, w którym napięcie wyjściowe reprezentuje współrzędne punktu styku.

W systemie 5-przewodowym płytka górna posiada cztery elektrody krawędziowe i działa jako węzeł pomiaru napięcia. Cztery rogi płytki dolnej tworzą elektrody, które wytwarzają gradienty napięcia w kierunkach X i Y. Do uzyskania pomiarów w kierunku X i Y wykorzystywane są różne konfiguracje polaryzacji (ilustracja 3).

Ilustracja 3: 5-przewodowe rezystancyjne ekrany dotykowe wykorzystują cztery elektrody narożne na płycie dolnej do generowania gradientów napięcia w kierunkach X i Y oraz dwie pary elektrod krawędziowych na płycie górnej do pomiaru napięcia. (Źródło ilustracji: NKK Switches)

W konstrukcji 5-przewodowej aktywna jest tylko płytka dolna. Oznacza to, że nawet w przypadku uszkodzenia płytki górnej, ekran dotykowy nadal może działać. Inaczej jest w 4-przewodowym ekranie dotykowym, gdzie obie płytki są aktywne. Uszkodzenie płytki górnej może spowodować awarię ekranu dotykowego. 5-przewodowy ekran dotykowy jest zwykle bardziej trwały, ale kompromisem w jego przypadku jest większa złożoność projektu i koszty.

Komercyjne rezystancyjne ekrany dotykowe

Aby zminimalizować złożoność i skrócić czas wprowadzania produktów na rynek, firma NKK opracowała sprawdzone rozwiązania komercyjne zarówno dla ekranów dotykowych, jak i pasujących do nich kontrolerów. Projektant nadal ma możliwość zakupu ekranu dotykowego w firmie NKK i dopasowania go do kontrolera innego dostawcy lub własnego.

Doskonałym przykładem rezystancyjnych ekranów dotykowych jest seria FT firmy NKK. Ta obejmująca ekrany w różnych rozmiarach - od 5,7 do 15,6 cala (przekątna) - seria jest oferowana w konfiguracjach 4-przewodowych i 5-przewodowych z siłą aktywacji dotykiem 1,4N (tabela 1). Obydwie wersje posiadają końcówkę w postaci obwodu elastycznego, która łączy się z płytką kontrolera.

Tabela 1: porównanie 4-przewodowych i 5-przewodowych rezystancyjnych ekranów dotykowych wykazuje, że wersja 5-przewodowa zapewnia dłuższy okres użytkowania, mierzony w liczbie dotknięć. (Źródło ilustracji: NKK Switches)

FTAS00-5.7AS-4A to model 4-przewodowy o przekątnej 5,7”, który pobiera prąd 1mA przy napięciu 5V=, charakteryzuje się wartością rezystancji XY od 250 do 850Ω, liniowością 1,5% i impedancją izolacji 10MΩ. Przewidywany okres użytkowania tego ekranu dotykowego wynosi 50 tysięcy zapisów lub milion operacji dotknięcia.

FTAS00-10.4A-5 to model 5-przewodowy o przekątnej 10,4”, który pobiera prąd 1mA przy napięciu 5,5V=, charakteryzuje się wartością rezystancji XY od 20 do 80Ω, liniowością 2% i minimalną impedancją izolacji 10MΩ. Jego okres użytkowania wynosi 50 tysięcy zapisów lub 10 milionów operacji dotknięcia.

Firma NKK oferuje kontrolery z interfejsem RS232C lub USB, zarówno dla 4-przewodowych, jak i 5-przewodowych ekranów dotykowych. Płytki kontrolerów są dostarczane ze sterownikiem zgodnym z systemem Windows 7, 8 i 10. FTCS04C i FTCU04B to płytki kontrolera interfejsu RS232C i USB dla 4-przewodowych ekranów dotykowych firmy NKK, natomiast FTCS05B i FTCU05B to ich odpowiedniki dla 5-przewodowych ekranów dotykowych.

Pierwsze kroki z rezystancyjnymi ekranami dotykowymi

Proces projektowania dla 4- i 5-przewodowych ekranów dotykowych jest podobny. Sercem płytki 4-przewodowego kontrolera RS232C i USB jest mikroukład kontrolera FTCSU548. Ten 48-wtykowy układ scalony LFQFP posiada asynchroniczny interfejs szeregowy oraz interfejs USB 2.0 pełnej prędkości. Jest zasilany za pomocą zasilacza o napięciu od 3,3 do 5V w przypadku pracy przez interfejs RS232C lub zasilacza 5V w przypadku USB, o znamionowym prądzie wyjściowym 170mA, jego częstotliwość robocza wynosi 16MHz, a rozdzielczość przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) to 10 bitów. Mikroukład posiada wbudowaną funkcję kalibracji.

Po naciśnięciu ekranu dotykowego układ scalony kontrolera określa współrzędne na podstawie wartości napięcia analogowego wykrytego przez przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) i przekazuje je do komputera hosta za pośrednictwem interfejsu RS232C lub USB (ilustracja 4).

Ilustracja 4: układ scalony kontrolera FTCSU548 (IC1) jest zamontowany na płytce kontrolera FTCU04B (4-przewodowa wersja USB). CN1 (po lewej) to złącze dla 4-przewodowej końcówki ekranu dotykowego w postaci obwodu elastycznego. (Źródło ilustracji: NKK Switches)

4-przewodowa końcówka ekranu dotykowego w postaci obwodu elastycznego jest połączona z płytką kontrolera za pośrednictwem złącza CN1. Płytka kontrolera łączy się z komputerem hosta za pośrednictwem złącza CN4. Interfejs USB CN4 dostarcza również zasilanie do płytki. Na hoście uruchamiany jest sterownik urządzenia i oprogramowanie aplikacji ekranu dotykowego (ilustracja 5).

Ilustracja 5: typowa konfiguracja 4-przewodowej płytki kontrolera USB i komputera PC hosta. (Źródło ilustracji: NKK Switches)

Wskazówki projektowe

Rezystancyjny ekran dotykowy wymaga kalibracji po instalacji. Układ scalony kontrolera FTCSU548 posiada wbudowaną funkcję kalibracji. Aby przeprowadzić kalibrację, konieczne jest wcześniejsze ustawienie układu scalonego kontrolera w „tryb danych źródłowych”. Następnie komputer PC wskazuje punkt referencyjny (P1) na ekranie dotykowym, który operator naciska rysikiem, a informacje o napięciu przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) są wysyłane do komputera za pośrednictwem płytki kontrolera. Proces jest powtarzany dla drugiego punktu (P2) w odległym obszarze ekranu dotykowego. Fizyczne współrzędne P1 i P2 są przesyłane do komputera PC w postaci liczby ośmiobajtowej. Ekran dotykowy jest następnie ustawiany w „tryb danych kalibracyjnych”, a oprogramowanie aplikacyjne wykorzystuje odczyt napięcia i współrzędnych dla dwóch znanych punktów, plus wbudowane źródło odniesienia „0,0” w celu interpolacji wszystkich innych współrzędnych w obszarze w trybie danych kalibracyjnych (ilustracja 6).

Ilustracja 6: kalibracja jest wymagana podczas początkowej konfiguracji i okresowo w późniejszym czasie, ponieważ rezystancja zmienia się wraz ze starzeniem się ekranu dotykowego. (Źródło ilustracji: NKK Switches)

Rezystancja ekranu zmienia się wraz ze starzeniem się urządzenia, dlatego ponowna kalibracja jest wymagana przez cały okres jego użytkowania.

Konieczne jest zapewnienie uziemienia dla ramki wyświetlacza, aby zapobiec zakłóceniom elektromagnetycznym (EMI). Możliwe jest również, że początkowa rezystancja po dotknięciu palcem może powodować drgania. Aby zapobiec drganiom, można użyć wbudowanego opóźnienia, umożliwiającego ustabilizowanie napięcia, zanim układ obliczy współrzędne.

Projektanci muszą również uważać, aby oprogramowanie nie wyświetlało użytkownikom instrukcji dotykania ekranu dotykowego w dwóch miejscach jednocześnie. Omawiana technologia nie rozróżnia dwóch oddzielnych dotknięć i domyślnie przyjmuje punkt środkowy pomiędzy nimi. Po narysowaniu rysikiem linii na ekranie , nad ramką dystansową oddzielającą obie warstwy ekranu pojawią się przerwy. Projektanci powinni upewnić się, że oprogramowanie aplikacyjne wypełnia te luki.

Podsumowanie

Rezystancyjne ekrany dotykowe to interfejsy człowiek-maszyna (HMI) odpowiednie w zastosowaniach, gdzie istotne znaczenie mają koszty, wytrzymałość oraz możliwość obsługi gołą dłonią, w rękawicach lub nieprzewodzącym rysikiem. Aby uprościć wdrażanie, komercyjne rozwiązania firmy NKK obejmują nakładki w formie ekranów dotykowych, płytki kontrolerów z dedykowanym układem scalonym kontrolera oraz oprogramowanie sterownika urządzenia.