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触摸屏
触摸屏的原理及其应用
092梁艳兰43号
触摸屏是用手指或其他触摸感应介质直接触摸显示器操作计算机的一种输入设备。
它是一种与计算机交互最简单、最直接的方法,诞生于1970年,是一项由EloTouchSystem公司首先推广到市场的新技术,但它却是人们最基本的交互方式。
触摸屏技术最先被美国应用于军事,后来才逐渐向民用转移,随着网络技术的发展和互联网应用的普及,新一代触摸屏技术和产品相继出现,并且已经被推向众多领域。
触摸屏的本质是传感器,基本原理是用手指或其他物体触摸安装在显示器前端的触摸屏,所触摸的位置(以坐标形式)由触摸屏控制器检测,并通过接口(如RS-232串行口)送到CPU,从而确定输入的信息。
触摸屏的主要结构由触摸检测组件和触摸控制器组成。
触摸检测装置一般安装在显示器的前段,主要作用是检测用户的触摸位置,并传给触摸屏控制器。
触摸控制器的主要作用是从触摸检测装置上接收触摸信息,并将它转换成触摸坐标,再送给CPU,它同时能接收CPU发来的命令并加以执行。
从技术原理来区别触摸屏,可分为4个基本种类:
红外式触摸屏、电阻式触摸屏、电容式触摸屏、表面声波式触摸屏。
(1)红外线式触摸屏
红外线式触摸屏以光束阻断技术为基本原理,在屏幕前框架的左边(y轴)和下边(x轴)分别装有红外线发射管,各自的对边又装有对应的接收管(如图1),管的排列密度与其分辨率有关.工作时在屏幕前形成纵横交叉的红外线矩阵,用户的手指触摸点将阻挡经过该点的横竖两方向的红外线,通过接收管,计算机便由此参数计算出触摸点的位置,再执行对计算机的操作目的.
优点:
红外触摸屏的矩阵电路及微处理器控制电路都装在屏前的框架内,并通过键盘接口直接与主机通讯,不需独立电源;不受电流、电压及静电干扰;高度的稳定性不会因时间,环境的变化发生漂移;可用手指、笔或任何可租当光线的物体触摸;高透光性无中间介质,最高可达100%;使用寿命长,高度耐久,不怕刮伤,使用寿命也长;使用特性好,触摸无需力度,对触摸体无特殊要求;价格低廉,耐刮性与防火性佳,能较好的感应轻微触摸与快速触摸;响应速度比电容式触摸屏快。
缺点:
在使用过程中框架四周的发射管及接收管很容易损坏,由于发射、接收管排列有限,分辨率不高;发光二极管的寿命比较短,影响了整个触摸屏的寿命,且怕外界红外光的干扰及不防水防尘,曲面情况下失真
应用:
KTV的点播系统、ATM、自动售票机、工控、医疗仪器等领域
(2)电阻式触摸屏
电阻式触摸屏的最基本原理是:
手指触摸的表面的硬涂层用以保护下面的PET层,PET层是很薄的有弹性的PET薄膜,当表面被触摸时它会向下弯曲,平常相互绝缘的两层导电层就在触摸点位置有了一个接触,导电层接触影响电流的重新分配而产生反应,因其中一面导电层接通Y轴方向的均匀电压场,使得检测层的电压由零变为非零,这种接通状态被控制其检测到后,进行A/D转换,并将得到的电压值与基准比较,即可得到触摸点的Y轴坐标,同理得出X轴的坐标,计算机同时检测电压及电流,计算出触摸的位置。
五线电阻触摸屏是在四线电阻触摸屏的基础上创造出来的新的专利技术,克服了四线式寿命短、清晰度不高的缺点.四线电阻技术是一块与显示屏紧贴的玻璃为基层,其外表面涂有一薄层透明氧化铟InO,作为电阻层,其水平方向加有5V到0V的直流工作电压,形成均匀连续的电压分布.在该导电层上再盖有一层外表面经防刮硬化处理而内表面也涂相同氧化金属层的保护层,其垂直方向也加有5V到0V的直流连续分布电压.两电阻层之间用约千分之一英寸的许多透明绝缘隔离点隔开(如图2).
由于四线电阻触摸屏的外电阻涂层频繁受压,易造成裂损而改变涂层电压分布不均致使触点位置计算不准而报废的缺点,又创造了五线电阻技术.
新特点:
把外层电阻层只用作导体层,作为五线中其中一线即使有裂损,只要不断裂开,对侦测计算不受影响,这无疑大大增强了使用寿命.而在内层电阻涂层中则把四线电阻技术中纵横电压分布场技术创造性巧妙的应用在同一涂层中,其结构分布如图3.
在由金属氧化物构成的细密条的x轴上形成正向电压差,经过中值点又形成反向电压差,构成同面四线模式.内外涂层仍用绝缘透明隔离点隔开.当按压时内外涂层间有一触点接通,致使左侧向下电压的上端某处有不同阻值的分压产生,据此控制器计算出该触点的水平坐标值.内涂层上每一触点都有不同对应的x轴坐标值.触点y轴方向的坐标则是由控制器测定从内涂层经触点流入外涂层(五线之一)的电流值确定出的.
优点:
经过多年的应用及发展,技术已经相当成熟;价格较低,节约成本;使用方便,任何触摸都可以使用;反应灵敏度好,永不漂移;工作在与外界完全隔离的环境中,不怕灰尘、水汽、油污。
缺点:
由于复合薄膜的外层采用塑料,太用力或使用锐器触摸可能划伤触摸屏;必须按压操作;目前只支持单点触摸;柔性顶层只有75%-80%的透光度;为了将触摸点与下层的LCD图像对准,许多现有的电阻式触摸屏都需要周期性校准。
应用:
适合工业控制领域及办公室内有限人的使用。
(3)表面声波技术触摸屏
该技术为美国技术,它是利用机械超声波矩阵波面的动态传播在显示屏上进行触点定位的在显示屏左上角和右下角分别固定有垂直向下发射和水平向左发射的超声波换能发射器(如图4).
其各自同方向的屏边及对边都刻有45°用于反射波导向的由疏到密间隔非常精密的反射条纹(其参数与波长有关).沿着对边传导波的末端———即显示屏
的右上角又分别对应安装着超声波x轴y轴接收换能器.工作时,由表面声波屏的控制器产生5.53MHz的高频电信号送经换能发射器分别发出相互垂直的超声波,形成动态超声波矩阵波面,当这一工作面上有触点时将吸收通过该点的声能,换能器接收到这一改变后通知控制器确定出该触点的坐标值.
突出特点是:
它能感知第三轴(z轴)坐标.由于其分辨率、精度和稳定性非常高,能对手指触点的压力大小产生的信号衰减量分辨清晰,故可轻松得到数据.
优点:
清晰抗爆、它的强化玻璃屏有很高的防刮擦能力
缺点:
成本高,上下游整合不容易,且无法做多点检测,表面的水滴、尘土会使触摸屏变得迟钝,甚至不工作,怕其它频率很近和倍频的超声、强声和振动。
应用:
适合室内办公室、研究室等范围。
(4)电容式触摸屏
电容式触摸屏是利用人体的电流感应进行工作的,其输入是利用排列的透明电极与人体间的静电相结合产生出的电容变化量,从产生出的诱导电流来检测其坐标。
电容式触摸屏结构最为简单.它是在紧贴显示屏前的双夹层玻璃中涂有一层透明的氧化、金属导体层,四角引出四个电极受控于控制器.通过引线,夹层导体中有高频电流流动(如图5).
由于人体电场的存在,触摸点手指与屏幕内涂层构成一个微小的耦合电容,而高频电流对于通过小电容是很容易的.这样,对称四电极上的高频电流通过触点小电容被分流.这个被破坏了对称的变化量由控制器侦测到.由于流入四电极的电流与手指触点到四角的距离成反比,故可计算出触点坐标值。
优点:
投射电容式触摸屏支持多点触摸,操作更加直观,更具趣味性;不易误触;耐用度高;只需触摸,无需按压操作;采用玻璃面板,使用寿命较长。
缺点:
精度不高;成本偏高;反光严重;由于电容值与极间距离成反比,与相对面积成正比,并且与介质的绝缘系数有关,因此,当较大的手掌或手持的导体接触电容式触摸屏时,就能因此电容式触摸屏的误动作;当用戴手套的手指或手持不导电的物体触摸时没有反应;易受环境影响。
应用:
金融商业系统:
ATM银行柜员机、自动取款机、投资交易KIOSK等;
零售及餐饮业:
贩卖机、点餐系统、购物、购票公共查询、车上卫星导航系统等;
医学、实验室及无尘室内的医学监察、药单认可、医疗记录使用。
完全不受血液及任何化学物质污染的影响;
公共导览、户政查询系统及导览系统等;
工厂自动化控制系统;
移动电话、多媒体播放器、计算机、PDA、GPS、数码相框、游戏机等。
每一种触摸屏都有其特殊的功能及应用领域。
鉴于触摸屏本身的特点极其迅速发展,我国的关于触摸屏的这一块的市场前景非常好,尤其从现在触摸屏所涉及的领域来看,它的市场及应用领域将会进一步拓展。
就目前触摸屏所涉及的领域来看,大致可分类如下:
1、商店付款系统
一些现代化的商店的结算柜台使用了计算机终端设备,顾客可以通过在触摸屏操作就可以打印出标有货物名称、价格的付款单。
2、金融交易
触摸屏刚好满足了金融交易的速度与准确性的特点,为用户提供了轻松与迅速处理瞬息变化信息的手段,可以让用户集中精力交易。
3、公用信息查询服务
户外查询终端是一种新型的电子商务平台和公共信息平台,它包括了衣、食、住、行、企业、政府等各类信息,政府及企业可以通过查询终端发布各类信息,市民通过查询终端不仅可以轻松查询各类政府信息,了解政策法规,明确办事程序,还可以及时掌握旅游、文教、卫生、气象等各方面信息。
此外,在公用信息查询方面,房地产查询和销售,邮电及话费查询,售票与航运服务等的使用最为普遍。
与我们的生活密切接触的邮电局及电信行业利用触摸屏向公众提供各类查询,包括邮政业务查询,电信业务查询,邮编和长途电话区号查询,储蓄业务查询等。
在航空、铁路、公路、航运的售票厅设置的触摸屏售票台,可让用户选择车次、车厢类别、购票张数、目的地、查看航班号、出港与飞抵时刻、票价及查询其他有关事项。
4、视频音乐点播机
5、图书馆检索
这个检索系统在收藏内容广泛的多媒体文献资源丰富的图书馆检索领域中,可用于检索人物、新闻、文档、小说、版刻、书法、绘画、生物、古生物等各种信息。
不熟悉键盘操作的读者可以利用触摸屏直观快速地查询多媒体检索台,只需用手指触摸屏幕上的相关内容,就可以立即查看到自己所需要的文献资料。
6、自助游戏机
7、触摸式自助彩票销售机
8、机动车驾驶员无纸化考试系统
考试系统采用触摸屏技术,凭借其图形界面操作简便、亲切自然;无需培训、自动操作;节省成本、提高效率的特点在更大范围内满足驾驶员对于考试的实际要求。
但触摸屏的技术并不仅仅能够满足的以上的领域,虽然目前全球的触摸屏产业并不太熟,但是我们还是愿意乐观的预测它的未来。
从应用的方面来看,触摸屏的技术将会在以下的领域得到大力发展,如消费性电子产品市场、便携式专业运算市场、商业运用和公共信息查询领域。
以人类的聪明才智,触摸屏技术将会在我们的生活中更大限度发挥其本身的特点来服务我们人类,并将逐渐克服其本身技术上的不足,逐渐完善,从而在日常的生产生活中进一步的服务大众!
1触摸屏的基本原理
典型触摸屏的工作部分一般由三部分组成,如图1所示:
两层透明的阻性导体层、两层导体之间的隔离层、电极。
阻性导体层选用阻性材料,如铟锡氧化物(ITO)涂在衬底上构成,上层衬底用塑料,下层衬底用玻璃。
隔离层为粘性绝缘液体材料,如聚脂薄膜。
电极选用导电性能极好的材料(如银粉墨)构成,其导电性能大约为ITO的1000倍。
触摸屏工作时,上下导体层相当于电阻网络,如图2所示。
当某一层电极加上电压时,会在该网络上形成电压梯度。
如有外力使得上下两层在某一点接触,则在电极未加电压的另一层可以测得接触点处的电压,从而知道接触点处的坐标。
比如,在顶层的电极(X+,X-)上加上电压,则在顶层导体层上形成电压梯度,当有外力使得上下两层在某一点接触,在底层就可以测得接触点处的电压,再根据该电压与电极(X+)之间的距离关系,知道该处的X坐标。
然后,将电压切换到底层电极(Y+,Y-)上,并在顶层测量接触点处的电压,从而知道Y坐标。
2触摸屏的控制实现
现在很多PDA应用中,将触摸屏作为一个输入设备,对触摸屏的控制也有专门的芯片。
很显然,触摸屏的控制芯片要完成两件事情:
其一,是完成电极电压的切换;其二,是采集接触点处的电压值(即A/D)。
本文以BB(Burr-Brown)公司生产的芯片ADS7843为例,介绍触摸屏控制的实现。
2.1ADS7843的基本特性与典型应用
ADS7843是一个内置12位模数转换、低导通电阻模拟开关的串行接口芯片。
供电电压2.7~5V,参考电压VREF为1V~+VCC,转换电压的输入范围为0~VREF,最高转换速率为125kHz。
ADS7843的引脚配置如图3所示。
表1为引脚功能说明,图4为典型应用。
2.2ADS7843的内部结构及参考电压模式选择
ADS7843之所以能实现对触摸屏的控制,是因为其内部结构很容易实现电极电压的切换,并能进行快速A/D转换。
图5所示为其内部结构,A2~A0和SER/为控制寄存器中的控制位,用来进行开关切换和参考电压的选择。
ADS7843支持两种参考电压输入模式:
一种是参考电压固定为VREF,另一种采取差动模式,参考电压来自驱动电极。
这两种模式分别如图6(a)、(b)所示。
采用图6(b)的差动模式可以消除开关导通压降带来的影响。
表2和表3为两种参考电压输入模式所对应的内部开关状况。
2.3ADS7843的控制字及数据传输格式
ADS7843的控制字如表4所列,其中S为数据传输起始标志位,该位必为"1"。
A2~A0进行通道选择(见表2和3)。
MODE用来选择A/D转换的精度,"1"选择8位,"0"选择12位。
SER/选择参考电压的输入模式(见表2和3)。
PD1、PD0选择省电模式:
"00"省电模式允许,在两次A/D转换之间掉电,且中断允许;
"01"同"00",只是不允许中断;
"10"保留;
"11"禁止省电模式。
为了完成一次电极电压切换和A/D转换,需要先通过串口往ADS7843发送控制字,转换完成后再通过串口读出电压转换值。
标准的一次转换需要24个时钟周期,如图7所示。
由于串口支持双向同时进行传送,并且在一次读数与下一次发控制字之间可以重叠,所以转换速率可以提高到每次16个时钟周期,如图8所示。
如果条件允许,CPU可以产生15个CLK的话(比如FPGAs和ASICs),转换速率还可以提高到每次15个时钟周期,如图9所示。
2.4A/D转换时序的程序设计
ADS7843的典型应用如图4所示。
假设μP接口与51单片机的P1.3~P1.7相连,现以一次转换需24个时钟周期为例,介绍A/D转换时序的程序设计。
;A/D接口控制线
DCLKBITP1.3
CSBITP1.4
DINBITP1.5
BUSYBITP1.6
DOUTBITP1.7
;A/D通道选择命令字和工作寄存器
CHXEQU094H;通道X+的选择控制字
CHYEQU0D4H;通道Y+的选择控制字
CH3EQU0A4H
CH4EQU0E4H
AD_CHEQU35H;通道选择寄存器
AD_RESULTHEQU36H;存放12bitA/D值
AD_RESULTLEQU37H
;存放通道CHX+的A/D值
CHXAdResultHEQU38H
CHXAdResultLEQU39H
;存放通道CHY+的A/D值
CHYAdResultHEQU3AH
CHYAdResultLEQU3BH
;采集通道CHX+的程序段(CHXAD)
CHXAD:
MOVAD_CH,#CHX
LCALLAD_RUN
MOVCHXAdResultH,AD_RESULTH
MOVCHXAdResultL,AD_RESULTL
RET
;采集通道CHY+的程序段(CHYAD)
CHYAD:
MOVAD_CH,#CHY
LCALLAD_RUN
MOVCHYAdResultH,AD_RESULTH
MOVCHYAdResultL,AD_RESULTL
RET
;A/D转换子程序(AD_RUN)
;输入:
AD_CH-模式和通道选择命令字
;输出:
AD_RESULTH,L;12bit的A/D转换值
;使用:
R2;辅助工作寄存器
AD_RUN:
CLRCS;芯片允许
CLRDCLK
MOVR2,#8;先写8bit命令字
MOVA,AD_CH
AD_LOOP:
MOVC,ACC.7
MOVDIN,C;时钟上升沿锁存DIN
SETBDCLK;开始发送命令字
CLRDCLK;时钟脉冲,一共24个
RLA
DJNZR2,AD_LOOP
NOP
NOP
NOP
NOP
ADW0:
JNBBUSY,AD_WAIT;等待转换完成
SJMPADW1
AD_WAIT:
LCALLWATCHDOG
NOP
SJMPADW0
CLRDIN
ADW1:
MOVR2,#12;开始读取12bit结果
SETBDCLK
CLRDCLK
AD_READ:
SETBDCLK
CLRDCLK;用时钟的下降沿读取
MOVA,AD_RESULTL
MOVC,DOUT
RLCA
MOVAD_RESULTL,A
MOVA,AD_RESULTH
RLCA
MOVAD_RESULTH,A
DJNZR2,AD_READ
MOVR2,#4;最后是没用的4个时钟
IGNORE:
SETBDCLK
CLRDCLK
DJNZR2,IGNORE
SETBCS;禁止芯片
ANLAD_RESULTH,#0FH;屏蔽高4bit
RET
2.5A/D转换结果的数据格式
ADS7843转换结果为二进制格式。
需要说明的是,在进行公式计算时,参考电压在两种输入模式中是不一样的。
而且,如果选取8位的转换精度,1LSB=VREF/256,一次转换完成时间可以提前4个时钟周期,此时串口时钟速率也可以提高一倍。
结束语
在许多嵌入式系统中,CPU提供专门的模块来支持液晶显示和触摸屏的输入,使得接口非常简单。
比如,MOTOROLA的MC68VZ328(称为DragonBall)就提供专门的引脚来支持8位和4位的液晶显示,对触摸屏的支持通过SPI2借助ADS7843也很容易完成。
触摸屏又称为“触控屏”、“触控面板”,是一种可接收触头等输入讯号的感应式液晶显示装置,当接触了屏幕上的图形按钮时,屏幕上的触觉反馈系统可根据预先编程的程式驱动各种连结装置,可用以取代机械式的按钮面板,并借由液晶显示画面制造出生动的影音效果。
触摸屏原理:
主要由其二大特性决定。
第一:
绝对坐标系统,第二:
传感器。
首先先来区别下,鼠标与触摸屏的工作原理有何区别?
借此来认识绝对坐标系统和相对坐标系统的区别。
鼠标的工作原理是通过检测鼠标器的位移,将位移信号转换为电脉冲信号,再通过程序的处理和转换来控制屏幕上的鼠标箭头的移动,属于相对坐标定位系统。
而绝对坐标系统要选哪就直接点那,与鼠标这类相对定位系统的本质区别是一次到位的直观性。
绝对坐标系的特点是每一次定位坐标与上一次定位坐标没有关系,触摸屏在物理上是一套独立的坐标定位系统,每次触摸的数据通过校准数据转为屏幕上的坐标。
第二:
定位传感器
检测触摸并定位,各种触摸屏技术都是依靠各自的传感器来工作的,甚至有的触摸屏本身就是一套传感器。
各自的定位原理和各自所用的传感器决定了触摸屏的反应速度、可靠性、稳定性和寿命。
通过以上两个特性,触摸屏工作时,首先用手指或其它物体触摸安装在显示器前端的触摸屏,然后系统根据手指触摸的图标或菜单位置(即绝对坐标系统)来定位选择信息输入。
触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成;触摸检测部件安装在显示器屏幕前面,用于检测用户触摸位置,接受后送触摸屏控制器(即传感器);而触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息,并将它转换成触点坐标,再送给CPU,它同时能接收CPU发来的命令并加以执行。
触摸屏传感器技术
从触摸屏传感器技术原理来划分:
有可分为五个基本种类:
矢量压力传感技术触摸屏、电阻技术触摸屏、电容技术触摸屏、红外线技术触摸屏、表面声波技术触摸屏。
其中矢量压力传感技术触摸屏已退出历史舞台;红外线技术触摸屏价格低廉,但其外框易碎,容易产生光干扰,曲面情况下失真;电容技术触摸屏设计构思合理,但其图像失真问题很难得到根本解决;电阻技术触摸屏的定位准确,但其价格颇高,且怕刮易损;表面声波触摸屏解决了以往触摸屏的各种缺陷,清晰不容易被损坏,适于各种场合,缺点是屏幕表面如果有水滴和尘土会使触摸屏变的迟钝,甚至不工作。
按照触摸屏的工作原理和传输信息的介质,把触摸屏分为四种,它们分别为电阻式、电容感应式、红外线式以及表面声波式。
每一类触摸屏都有其各自的优缺点,要了解哪种触摸屏适用于哪种场合,关键就在于要懂得每一类触摸屏技术的工作原理和特点。
下面对上述的各种类型的触摸屏进行简要介绍一下:
1、表面声波屏
声波屏的三个角分别粘贴着X,Y方向的发射和接收声波的换能器(换能器:
由特殊陶瓷材料制成的,分为发射换能器和接收换能器。
是把控制器通过触摸屏电缆送来的电信号转化为声波能和由反射条纹汇聚成的表面声波能变为电信号。
),四个边刻着反射表面超声波的反射条纹。
当手指或软性物体触摸屏幕,部分声波能量被吸收,于是改变了接收信号,经过控制器的处理得到触摸的X,Y坐标。
2、四线电阻屏
四线电阻屏在表面保护涂层和基层之间覆着两层透明电导层ITO(ITO:
氧化铟,弱导电体,特性是当厚度降到1800个埃(埃=10-10米)以下时会突然变得透明,再薄下去透光率反而下降,到300埃厚度时透光率又上升。
是所有电阻屏及电容屏的主要材料。
),两层分别对应X,Y轴,它门之间用细微透明绝缘颗粒绝缘,当触摸时产生的压力使两导电层接通,由于电阻值的变化而得到触摸的X,Y坐标。
3、五线电阻屏
五线电阻屏的基层之上覆有把X,Y两方向的电压场加在同一层的透明电导层ITO,最外层镍金导电层(镍金导电层:
五线电阻触摸屏的外层导电层使用的是延展性好的镍金涂层材料,外导电层由于频繁触摸,使用延展性好的镍金材料目的是为了延长使用寿命。
)只用来作纯导体,当触摸时,用分时检测接触点X轴和Y轴电压值的方法测得触摸点的位置。
内层ITO需四条引线,外层一条,共5根引线。
4、电容屏
电容屏表面涂有透明电导层ITO,电压连接到四角,微小直流电散部在屏表面,形成均匀之电场,用手触屏时,人体作为耦合电容一极,电流从屏四角汇集形成耦合电容另一极,通过控制器计算电流传到碰触位置的相对距离得到触摸的坐标。
5、红外屏
红外触摸屏是利用X、Y方向上密布的红外线矩阵来检测并定位用户的触摸。
红外触摸屏在显示器的前面安装一个电路板外框,电路板在屏幕四边排布红外发射管和红外接收管,一一对应形成横竖交叉的红外线矩阵。
用户在触摸屏幕时,手指就会挡住经过该位置的横竖两条红外线,因而可以判断出触摸点在屏幕的位置。
任何触摸物体都可改变触点上的红外线而实现触摸屏操作。
触摸屏的应用
当今触摸屏的应用很广泛,主流产品为苹果开发的ipad平板电脑、iphone4s手机。
另外触摸屏已在手机市场大量普及,摩托罗拉,三星,诺基亚等品牌手机商纷纷推出新品。
包括银行ATM取款机也应用触摸屏,各行各业层出不穷。
触摸屏定位系统,打开程序,链接网络,实现了更快捷的人机交互性。
伴随着触摸屏的发展,在游戏开发上也给了我们很多启示与灵感,如水果忍者,愤怒的小鸟,三国杀,涂鸦跳跃,拳皇,还有办公软件的图片编辑也是用触摸屏实现的。
总之触摸屏给我们带来了便利,人机交互体现更快捷方便灵活,使机器设备操作更加简单化,人性化。
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