Skārienekrāns

Skārienekrāns ir ievadierīce, ekrāns, kas reaģē uz pieskārieniem.

Vēsture 
Pirmo skārienekrānu izveidoja ASV pētniecības darba par programmējamo apmācību ietvaros. Datorsistēma PLATO IV, kas parādījās 1972. gadā, bija aprīkota ar ekrānu uz IS-staru režģa, kas sastāvēja no 16x16 blokiem. Pat tik maza precizitāte deva lietotājam iespēju ar pieskārienu izvēlēties atbildes sistēmas dialogā.

Skārienjutīgo ekrānu vēsture ir cieši saistīta ar kompāniju Hewlett-Packard. Tieši šis datortehnikas lielražotājs 1981. gadā izlaida pašu pirmo šāda veida modeli HP 2700.

HP 2700 līdzība ar mūsdienu skārienekrāniem bija ļoti attāla. Taču uz tā ar "gaismas zīmuli" varēja zīmēt līnijas un dažādas figūras. 
Pirmais uz cilvēka pieskārienu reaģējošais dators parādījās 2 gadus vēlāk — uz Intel 8088 CPU bāzētais HP-150.

Nu ar skārienekrāniem aizvieto mazas tastatūras, jo arvien izplatītākas kļūst ierīces ar LCD ekrāniem, kuri aizņem visu priekšējo paneli, tādēļ ražotājs kompaktuma labad no fiziskajām tastatūrām arvien biežāk atsakās. Pirmā kabatas spēļu konsole ar skārienekrānu bija Nintendo DS, pirmā izplatīta ierīce ar vairākpieskārienu funkciju — iPhone.

Izmantošana 
Skārienekrānus izmanto maksājumu termināļos, informāciju kioskos, aprīkojumos tirdzniecības automatizēšanai, kabatu datoros, mobilajos tālruņos, spēļu konsolēs, kā arī operatoru stacijās rūpniecībā.

Priekšrocības 
 Vienkārša saskarne.
 Ierīce var būt mazizmēra, taču ar lielu ekrānu.
 Ātra informācijas ievade.
 Palielinātas multimediju iespējas.

Trūkumi 
 Nav taustes atsauksmes.
 Liels enerģijas patēriņš.
 Šādu ekrānu neizturība.
 Jutība pret pazeminātu vai paaugstinātu temperatūru.

Priekšrocības un trūkumi stacionārās ierīcēs

Priekšrocības 
Informācijas un tirdzniecības automātos, operatoru paneļos un citās ierīcēs, kurām nav aktīvas ievades, skārienekrāni ir izrādījušies ļoti ērti veidu cilvēka-datora mijiedarbībā. Priekšrocības:

 Palielināta uzticamība.
 Izturība pret smagiem ārējiem satricinājumiem (tai skaitā vandalismu), putekļu un mitruma aizsardzība.

Trūkumi 
 (Ekrāniem, kas reaģē uz pirkstiem). Nav taustes atsauksmes.
 Darbā ar vertikālu ekrānu lietotājs ir spiests turēt roku gaisā. Tāpēc vertikālie ekrāni ir piemēroti tikai retai lietošanai, piemēram, bankomātos.
 Uz horizontāla ekrāna rokas aizsedz vai traucē skatam.
 Pat ar asu pildspalvu paralakse ierobežo precizitāti pozicionēšanas ekspluatanta darbību uz skārienjutīgā ekrāna bez kursora. Tajā pašā laikā, kursoru izmantošana operatoram rada papildu sarežģījumus, samazinot ergonomiku.
 Bez īpaša pārklājuma pirkstu nospiedumi var traucēt lietotājam.

Darbības princips 
Pastāv daudz un dažādi skārienekrānu veidi, no kuriem katram ir citi darbības principi.

Pretestības skārienekrāns

Četru vadu displejs 

Pretestības sensoru ekrāns sastāv no stikla paneļa un elastīgas plastmasas membrānas. Uz paneļa un uz membrānas ir uzklāts pretestības pārklājums. Starp stiklu un membrānu telpa ir piepildīta ar mikroizolatoriem, kas vienmērīgi sadalīti pa aktīvā ekrāna laukumu un droši izolētu vadošu virsmu. Ja ekrāns ir nospiests, panelis un membrāna tiek slēgts un caur analoga-ciparu pārveidotāju kontrolieris reģistrē izmaiņas pretestībā un pārvērš to koordinātes (X un Y). Vispār, algoritms ir šāds:
 Augšējā elektroda spriegums ir 5 V, apakšējais ir pazemināts. Kreisās uz labo pusi ir saistīti maz un pārbauda spriegumu uz tiem. Šis spriegums atbilst uz ekrāna Y koordināta.
 Līdzīgi, kreisajā un labajā elektroda piegādā +5 V un "zemi", ar augšējo un apakšējo lasa X-koordinātus.

Ir arī astoņvadu touch ekrāni. Tie uzlabo precizitāti, bet neuzlabo uzticamību.

Piecu vadu displejs 
Piecvadu ekrāns ir ticamāks sakarā ar to, ka pretestības pārklājums uz membrānām aizstāts ar vadošo (5-vadu ekrāns turpina strādāt pat ar tievām membrānām). Uz aizmugures stikla pretestības pārklājumā ir četri elektrodi stūros.
Sākotnēji visi četri elektrodi tiek pazemināti, un membrānai tiek "pievilkts" rezistors uz +5 V .Spriegums uz membrānas tiek pastāvīgi izsekots ar analoga-ciparu pārveidotāju. Kad skārienekrānam nekas nepieskaras, spriegums ir 5 V.

Kad pie ekrāna pieskaras, mikroprocesors atpazīst sprieguma izmaiņas membrānā un sāk aprēķināt koordinātas šādi:

 Padod 5 V spriegumu pa labi, pa kreisi pazemina. Ekrāna spriegums atbilst X koordinātām. 
 Y koordinātu nolasa, savienojot ar 5 V augšējos elektrodus un pazemina divus apakšējos.

Īpašības 
Pretestības sensoru ekrāni ir lēti un ir izturīgi pret piesārņojumu. Pretestības ekrāni reaģē uz jebkuru gludu cieto objektu: uz rokām (cimdos vai kailas), pildspalvu, kredītkarti, mediatoru. Tie tiek izmantoti visur, kur vandalisms un zema temperatūra pilnīgi izslēgti: automatizācijai rūpniecības procesos, medicīnā, dienesta sfērā, personālajā elektronikā. Labākie paraugi nodrošina izšķirtspēju līdz 4096 × 4096 pikseļiem.

Pretestības ekrānu trūkumi ir zema gaismas caurlaidība (līdz 85% uz 5-vadu modeļiem, un pat mazāka 4-vadu), zema izturība (ne vairāk kā 35 miljoni klikšķu vienā punktā) un vandalaizsardzības trūkums (ir viegli griežams).

Matricu sensoru ekrāni

Konstrukcija un darba principi 
Dizains ir līdzīgs pretestības, bet ir vienkāršots. Uz stikla novietojas horizontāli vadītāji, uz membrānu - vertikāli.

Kad jūs pieskarieties ekrānam, vadītāji saskaras. Kontrolieris nosaka, kuri vadītāji ir bloķēti, un nosūta attiecīgas koordinātes uz mikroprocesoru.

Īpašības 
Ir ļoti zema precizitāte. Interfeisa elementi ir jābūt īpaši novietotam ņemot vērā matricas ekrāna šūnās. Vienīgā priekšrocība - vienkāršība, zema cena. Parasti matricas ekrāni intervējas rindām (līdzīgi pogu matricei), kas ļauj darboties multi-touch. Pakāpeniski tiek aizstātas ar pretestības.

Kapacitatīvie skārienekrāni

Konstrukcija un darba principi 

Kapacitatīva (vai virsmaktīvās kapacitatīva) ekrāna tehnoloģija balstās uz tā, ka priekšmets ar lielo kapacitāti pārvada maiņstrāvu.

Kapacitatīvais sensoru ekrāns ir stikla plāksne pārklāta ar pārskatāmu pretestības materiāliem (parasti izmanto sakausējumu no indija oksīda un alvas oksīda). Elektrodi tiek nodoti no ekrāna stūriem uz vadītāja slāni, izdara nelielu maiņstrāvas spriegumu (vienāds visiem leņķiem). Kad jūs pieskarieties ekrānam ar pirkstu vai citu vadošu objektu, parādās strāvas noplūde. Tajā pašā laikā jo tuvāk elektrods pirkstiem, jo zemāka pretestība no ekrāna, kas nozīmē lielāko strāvas stiprumu. Strāva visos četros stūros sensoriem fiksējas un nosūta kontrolierim, kurš aprēķina koordinātes pieskares punktā.

Kapacitatīvie ekrāni ir uzticami, aptuveni 200 miljonus klikšķu (aptuveni seši ar pus gadu klikšķu ar 1 sekundes intervālu), ir ūdensdroši un labi pārnes nevadošu piesārņojumu. Necaurredzamība ir 90%. Tomēr, strāvas vadītāja pārklājums, kas atrodas tieši uz ārējās virsmas ir joprojām neaizsargāts. Tāpēc, kapacitatīvā ekrāni tiek plaši izmantotie mašīnās, uzstādītas laika apstākļu aizsargājamā teritorijā. Nereaģē uz roku cimdos.

Projekciju-kapacitatīvie skārienekrāni

Konstrukcija un darba principi 

Uz iekšējās ekrāna puses ir režģis ar elektrodiem. Elektrods kopā ar cilvēka ķermeni veido kondensatoru, elektronika mēra kapacitāti kondensatoram.

Īpašības 
Šo ekrānu pārredzamība ir līdz 90%, temperatūras diapazons ir ļoti plašs. Šiem ekrāniem var būt stikls līdz pat 18mm platumā, kas padara tos ļoti izturīgus. Ekrāni tiek plaši izmantoti ne tikai personālas sistēmās, bet arī ārējos automātos.

Skārienekrāni uz virsmas-akustiskiem viļņiem

Konstrukcija un darba principi 
Ekrāns ir stikla panelis ar pjezoelektriskiem pārveidotājiem (PEP), kuri atrodas stūros. Gar paneļa malām ir atstarotāji un saņēmēju sensori. Darbības princips ir šāds. Īpašs kontrolieris rada augstas frekvences elektrisko signālu un nosūta to uz PEP. PEP pārveido signālu VAV, un atstarojušie sensori to atspoguļo. Šie viļņi tiek pieņemti un nosūtīti uz attiecīgo sensoru PEP. PEP, savukārt pieņemt atspoguļotos viļņus un pārveido elektriskā signālā, kuru pēc tam analizē, izmantojot kontrolieri. Kad jūs pieskarieties ekrānam ar pirkstu, daļa no enerģijas absorbējas. Uztvērēji reģistrē izmaiņas, un mikrokontrolieru aprēķina pozīciju pieskares punkta.

Īpašības 
Galvenā priekšrocība virsmas akustisku viļņu (VAV) ekrānam ir spēja kontrolēt ne tikai koordinātes punktam, bet arī spiediena stiprumu. Ekrāni ir izturīgi, var izturēt līdz pat 50 milj. spiešanu viena punktā. Ekrāni ir izturīgi pret vandaļiem un var izturēt vīrieša sitienu.

Galvenais trūkums ir ekrāna darba traucējumi, ja tas tiek pakļauts vibrācijām vai skaņas troksnim, kā arī uz ekrāna ir piesārņojums. Jebkurš svešķermenis uz ekrāna (piemēram, košļājamā gumija), pilnīgi bloķē viņa darbu. Turklāt, šī tehnoloģija prasa pieskārienus priekšmetam, kas noteikti absorbē akustiskos viļņus, tas ir, piemēram, plastmasas bankas karti šajā gadījumā nevar pielietot.

Infrasarkanie skārienekrāni 
Infrasarkana skārienekrāna darbības princips ir vienkāršs - režģis veidojas no horizontāliem un vertikāliem infrasarkaniem stariem, kuri tiek pārtraukti, pieskaroties monitoram ar kādu priekšmetu. Kontrolieris nosaka vietu, kur gaismas tika pārtraukta.

Īpašības 
Infrasarkanie ekrāni baidās no piesārņojuma un, tātad, tiek izmantoti tikai tad, ja ir svarīga attēla kvalitāte. Vienkāršas apkopes dēļ shēmas ir populāras karaspēkiem. Bieži šo principu izmanto tastatūrā durvīm. Šo ekrāna tipu izmanto mobilo telefonu kompānija Neonode.

Optiskie skārienekrāni 
Stikla panelis ar infrasarkano apgaismojumu. Stikla-gaiss robežā ir pilna iekšēja atspoguļošana, uz stikls-cits priekšmets robežas gaisma izplūst. Atliek noteikt izplūduma ainu, tam ir divas tehnoloģijas:
 Projekciju ekrānos projektoram līdzi uzstāda kameru. Tā ir īstenots, piemēram, Microsoft Surface.
 Vai arī par gaismas jutīgo padara ceturto subpikseli LCD monitoram.

Īpašības 
Var atšķirt spiešanu ar roku un spiešanu ar citiem objektiem, atbalsta multi-touch. Uz tā bāzes var būt veidotas lielas sensoru virsmas, līdz pat tāfelēm.

Tenzometriskie skārienekrāni 
Reaģē uz ekrāna deformāciju. Precizitāte ekrānam ir maza, bet tie ir ideāli pret vandalismu. Izmanto bankomātos, biļešu automātos un citas ierīces, kas atrodas uz ielas.

DST skārienekrāni 

Sensoru ekrāns DST (dispersā signāla tehnoloģija) reaģē uz deformāciju stiklā. Var uzklikšķinat uz ekrāna ar savu roku vai kādu priekšmetu. Atšķirīgā iezīme ir augsts reakcijas ātrums un spēja strādāt ar smagu piesārņojumu ekrānā.

Indukcijas skārienekrāni 
Indukcijas skārienekrāns - ir grafiskais planšets ar iebūvēto ekrānu. Šādi displeji reaģē tikai uz speciālo spalvu.

Ekrānu izmanto tad, kad ir vajadzīga irbuļa atbalsts: zīmēšanas planšetēs, dažos datoru modeļos.

Apkopojoša tabula 

1 Atbalsta ar ierobežojumiem.
2 Ja ir vajadzīgs tikai stikla panelis- 95%. Ja pat viņa nav vajadzīga(var izmantot parasto ekrāna pārklājumu)- 100%.
3 Augsta- līdz pikselim(precīzi izseko asu stailusu). Viduvēja- līdz dažiem pikseļiem (pietiek pirksta izmantošanai). Zema- lieliem blokiem uz ekrāna(nevar zīmēt, vajag lielus interfeisa elementus). 
4 Ierobežojas ar elektronikas uzticamību. 
5 Ierobežojas ar sensora piesārņošanu. 
6 Ierobežota - ierobežotas pieejas aparatūra (personāla elektronika, rūpnīcu ierīces). Telpa- kopēja pieeja apsargājamā telpā. Iela- kopēja pieeja ielās.
7 Programmēta emulācija, apstrādā līdz diviem pieskārieniem.

Skatīt arī 
 Vairākpieskārienu
 Microsoft Surface
 Planšetdators
 Skārientālrunis
 iPhone
 Nintendo DS
 Gaismas spalva

Atsauces 

Datoru aparatūra
Datoru ievades ierīces