Легким движением руки: сенсорные панели

Компоненты и технологии, № 5'2005

Легким движением руки...

Привычными средствами диалога с компьютером являются разнообразные по исполнению клавиатуры и манипуляторы типа «мышь» или трекбол. Они просты, дешевы и вполне надежны при аккуратном обращении. Однако за пределами оснащенных кондиционерами уютных офисных помещений использование таких устройств бывает затруднительным или совсем невозможным. Приходится защищать их от попадания воды (брызг или дождя, например). Требуются стойкие к химическим воздействиям материалы и дорогие электронные компоненты, способные работать в широком диапазоне температур. Необходимо подсвечивать кнопки, чтобы видеть их даже в условиях низкой освещенности. Часто приходится идти на все эти усовершенствования, так как возникают ситуации, когда к «обычным» офисным компьютерам требуется подключать какую-либо уникальную исследовательскую аппаратуру и проводить работы в полевых условиях.

Все это дорого, хлопотно и неудобно.

у

Леонид Вихарев

vleo@atel.ru

Для небольших по габаритам интеллектуальных устройств универсальные клавиатуры с сотней клавиш неприменимы, а порой и не нужны. На каждом этапе работы оператором производится выбор из некоторого небольшого числа вариантов, и поэтому ему бывает достаточно всего лишь нескольких кнопок. Хотя даже для них трудно найти место. Правда, чрезмерное сокращение клавиатуры делает работу с техникой неудобной.

Сегодня самым современным решением проблемы взаимодействия человек — машина является оснащение прибора сенсорным экраном. В устройствах, оснащенных ими, клавиатуры и мышки отсутствуют вовсе. Результат — меньшие габариты аппаратуры, более простое использование техники. Кроме того, удобство применения сочетается с более высокой надежностью, так как современные сенсорные экраны нечувствительны к вибрациям и влажности. Им не требуется дополнительное пространство, и, значит, аппаратуру можно сделать менее громоздкой. Существуют образцы вандалостойких экранов, которые способны, если нужно, противостоять грубому или неумелому обращению, — они выполняются из особо прочных материалов, способных выдерживать даже мощные удары, что позволяет применять их для оснащения игровых автоматов или банкоматов.

Сенсорный экран (сенсорная панель) — прозрачная, чувствительная к прикосновениям панель, устанавливаемая перед экраном монитора или ЖК-индикатора. (Сенсор — чувствительный элемент, датчик. Отсюда, от способности реагировать на прикосновение, и происходит название панели.) Размеры экрана монитора и сенсорного экрана одинаковы. Диалог оператора и прибора осуществляется следующим образом: на экране монитора формируется изображение, содержащее элементы программного меню в наиболее понятной и доступной

форме. Человек управляет работой системы, просто прикасаясь к выбранному изображению на экране. Координата точки касания передается в управляющую программу, сопоставляющую координату касания с изображением на экране монитора. Зная местоположение и размеры элементов изображения, можно однозначно определить, какой именно элемент программного меню указал оператор, когда коснулся сенсорного экрана. Некоторые типы экранов допускают прикосновение практически любым предметом — будь то палец, банковская карточка или карандаш. Обслуживающему персоналу или клиенту-пользователю для работы на таком оборудовании не нужно обладать опытом программиста и не требуется долгое обучение. Незачем увеличивать габариты прибора, пытаясь разместить на нем десяток кнопок, если можно поставить тонкий легкий и надежный сенсорный экран.

Известно выражение: «устами ребенка глаголет истина». Его вполне можно применить к проблеме выбора диалоговых инструментов в системе человек — компьютер. Посмотрите, как ведет себя ребенок, впервые усевшийся перед экраном, — он то и дело, оставив в стороне клавиатуру, пытается указать пальцем на тот или иной элемент изображения на мониторе. Это естественно для человека, удобно и потому правильно. Но из всех известных диалоговых инструментов между техникой и человеком только сенсорный экран предоставляет пользователю возможность реализации столь естественного желания. Человек управляет машиной, указывая на тот элемент программного меню, который ему больше всего подходит. (В традиционных компьютерах связь между манипуляциями руки с мышью и перемещением курсора на экране слабее и не столь удобна.) Это свойство сенсорных экранов по достоинству оценено разработчиками приборов и информационносправочных систем во всем мире. Но преимущества

Компоненты и технологии, № 5'2005

Металлизированная полоска

Прозрачный проводник, верхняя сторона

Прозрачный проводник, .нижняя сторона

ITO= Indium Tin Oxide

Рис. 1. 4-проводная панель

Стекло пластик

сенсорных экранов не исчерпываются только лишь естественностью интерфейса, хотя и это уже не мало. Программная реализация любых кнопок придает гибкость интерфейсу, возможность мгновенной адаптации к новым условиям и меняющейся специфике задачи.

Сенсорный экран состоит из следующих элементов: собственно экран (панель), контроллер и интерфейс.

Панель — прозрачный многослойный экран, плоский или повторяющий форму поверхности монитора. С внутренней стороны имеет поддерживающее стекло, придающее конструкции необходимую жесткость. По периметру экрана расположены элементы механического крепления и контакты для съема электрических сигналов.

Контроллер — блок, преобразующий исходный сигнал (аналоговый или цифровой) к виду, удобному для дальнейшей обработки.

Интерфейс — узел контроллера, состоящий из разъема, соединительного кабеля, а также драйвера(например,конвертора сигналов ТТЛ в RS-232 и обратно). Он предназначен для передачи информации от контроллера к главному управляющему узлу системы, например, к компьютеру. Наиболее часто экраны оснащаются интерфейсами RS-232, RS-485, а в последние годы все большую популярность приобретает USB. Для подключения к управляющему микроконтроллеру в специализированном приборе сенсорные экраны оснащаются последовательными интерфейсами типа I2C или SPI.

Известны следующие варианты технологического исполнения экранов:

• Резистивные:

- 4-проводные

- 5-проводные

- 8-проводные

• Емкостные

• Цифровые

• На поверхностных акустических волнах

• Инфракрасные

Кратко рассмотрим принципы работы, устройство, основные преимущества и недостатки различных технологий.

Резистивные экраны

Резистивные экраны — наиболее популярный и отработанный в технологическом плане вид экранов. Исторически — это самый первый тип сенсорных панелей. За годы, прошедшие с момента появления первых экземпляров, конструкция резистивных экранов претерпела много изменений и ныне является надежной и самой дешевой. Наибольшую популярность имеют 4- и 5-проводные конструкции.

4-проводная панель устроена следующим образом. Два слоя прозрачного и прочного пластика (обычно полиэстер или майлар) покрываются прозрачной токопроводящей пленкой на основе двуокиси индия и олова (1ТО). Эти пластины устанавливаются таким образом, чтобы проводящие слои на каждом из них были обращены друг к другу. Между ними вносятся изолирующие упругие микроскопические шарики (спейсеры), не позволяющие поверхностям соприкасаться друг с другом при отсутствии внешних сил (рис. 1).

Токопроводящие покрытия обладают электрическим сопротивлением. При нанесении их стараются сделать максимально однородными по всей плоскости, чтобы тем самым обеспечить равномерность распределенного сопротивления. Если теперь на электроды одной плоскости (на металлизированные полоски по краям пластика) подать напряжение, то оно распределится между полюсами так же равномерно и однородно (рис. 2). В момент прикосновения к экрану плоскости войдут в контакт. Предположим, что в начале напряжение прикладывается к полюсам верхней (рис. 1) плоскости. Вторая плоскость с проводящим покрытием, металлизированные полоски-электроды которой подключены к входам АЦП, служит своеобразным щупом и может использоваться для снятия напряжения в точке контакта. Таким образом, вычисляется координата Х. Затем источники напряжения и входы преобразователя переключаются, меняясь местами. Теперь напряжение прикладывается к металлическим полоскам на нижней плоскости, а потенциал точки со-

прикосновения снимается при помощи верхней плоскости. АЦП выдаст код пропорциональный координате У.

Необходимо помнить, что при этом эквивалентная схема измерений соответствует приведенной на рис. 3.

Данный тип экранов наиболее часто применяется в конструкциях портативных приборов, медицинских прикроватных мониторах и специальном оборудовании, так как такие экраны дешевы, достаточно надежны, откликаются на прикосновение любым предметом. Они не предъявляют особых требований к окружающей среде и вполне могут применяться в полевых условиях. Известны примеры удачного применения 4-проводных экранов совместно с ОР8-навигаторами и рыбацкими эхолотами.

Немного иначе устроена 5-проводная панель. В ней отсутствует одна из пленок, покрытых составом 1ТО. В данном случае он наносится на стекло (рис. 4). Таким образом, в 5-проводных экранах стекло не только придает конструкции необходимую жесткость, но и является сенсорной плоскостью. На всех четырех сторонах прямоугольной стеклянной подложки делаются тонкие несоприкасающи-еся металлизированные полоски-проводники, на которые поочередно и попарно подается напряжение. Одна пара электродов, размещенных на противоположных сторонах стеклянной подложки, необходима для измерений ко----------------------------------- 71

Компоненты и технологии, № 5'2005

ординаты по оси Х, а другая — по оси У. Вторая плоскость (майларовая пленка) служит только лишь в качестве электрического щупа, подобного щупу вольтметра. Между двумя проводящими плоскостями, так же как и в 4-проводных конструкциях, имеются изолирующие упругие шарики, не позволяющие поверхностям соприкасаться при отсутствии внешнего давления. Вся конструкция после сборки герметизируется и становится невосприимчивой к колебаниям влажности.

Упрощение конструкции, исключение из нее одной гибкой поверхности позволило существенно улучшить качественные характеристики экрана и увеличить его надежность. Возросла не только механическая прочность изделия, но и упростилась, стала более надежной электрическая схема контроллера. Из нее исчез мультиплексор-коммутатор, переключавший в 4-проводных схемах проводники двух плоскостей, то подавая на них напряжение питания, то подключая их к входам АЦП. 5-про-водные сенсорные экраны стали способны функционировать даже при небольших повреждениях проводящих поверхностей. (С течением времени могут возникнуть небольшие неоднородности в проводящем покрытии пленки. Это происходит из-за постоянного выгибания пленки в моменты касания. Но поскольку, в отличие от 4- и 8-проводных панелей, эта плоскость в определении координат участвует очень мало, то и требования к ее однородности не столь велики и не сказываются на точности работы. От нее требуется лишь одно — передача напряжения из точки контакта на входы АЦП, а это вполне возможно при небольших повреждениях однородности покрытия.) Лучшие образцы способны выдерживать до 35 миллионов касаний [1]. Это означает, что если к экрану будут прикасаться 10 раз в минуту (или 600 раз в час, сутки напролет и 7 дней в неделю), то его ресурса хватит на 6,5 лет непрерывной работы. В действительности же, конечно, срок службы устройства будет больше, так как столь частое и беспрерывное прикосновение к экрану вряд ли когда-либо потребуется.

8-проводные экраны по исполнению похожи на 4-проводные, но с целью компенсации деградации и технологических отклонений резистивных слоев панели, в конструкцию введены дополнительные проводники.

4 провода подпаяны к тем же самым четырем металлизированным полоскам по краям обоих плоскостей (рис. 1). Через них на проводящие поверхности подается напряжение

смещения, компенсирующее уход параметров экрана после выполнения начальной калибровки экрана. В результате подводки опорного напряжения стабильность работы панели возрастает, однако в целом надежность ее не увеличивается. Также как и 4-про-водные экраны, они способны выдерживать от 105 до 106 касаний.

Точность 4-, 5- и 8-проводных экранов примерно одинакова. Лидирующие производители заявляют о том, что в их продукции стандартная плотность точек касания достигает 100 000 точек/дюйм (то есть различимый интервал между точками равен 0,00025 мм). Столь высокая точность позволяет использовать данную технологию в прецизионных системах ввода данных. Можно даже рисовать на экранах, вводить подписи под документами и т. п. Попытки такие есть, но пока это экзотика. Потенциал сенсорной техники допускает более широкое ее использование, чем выбор между «да» и «нет», но сегодня основное применение сенсорных экранов наблюдается в приложениях, где столь высокая точность координат не требуется.

Отношение к типу монитора разное: 5-про-водные панели выпускают как с плоскими, так и с выпуклыми экранами (выпуклые 5-про-водные панели производит только одна компания), а 4- и 8-проводные производятся только плоские. (Есть, правда, удачные попытки изготовления искривленных 4-проводных панелей для выпуклых ЭЛТ-мониторов. Но такое техническое решение — скорее исключение, чем правило [18].) Многослойность резистивных панелей сказывается на их прозрачности. У недорогих панелей коэффициент пропускания света лежит в диапазоне 75-85%. У лучших образцов он достигает 88-90%.

Резистивный экран требует периодической калибровки. Для ее выполнения пользователю предлагается под управлением специальной программы прикоснуться к нескольким точкам на экране. Эти точки будут последовательно возникать на мониторе. Процедура несложная и выполняется она нечасто, а потому пугаться ее не стоит, но знать о такой проблеме нужно. Дело в том, что, как уже упоминалось ранее, с течением времени происходит изменение характеристик экрана. Это связано с осыпанием прозрачного проводящего слоя и, следовательно, с изменением однородности распределения питающего напряжения. В итоге меняется точность вычисления координат и позиционное положение некоторых точек экрана.

Емкостные сенсорные экраны

В основу конструкции экранов на емкостной технологии положено однородное прозрачное проводящее покрытие стеклянной панели. Электроды, расположенные по углам экрана, равномерно распределяют подаваемое на панель низкое постоянное напряжение по всей его плоскости, создавая равномерное электрическое поле. Прикосновение к экрану вызывает нарушение однородности поля и появление маленьких токов через все электроды. Прозрачное покрытие обладает известным сопротивлением. Ток, протекающий через каждый из электродов, пропорционален этому сопротивлению, то есть связан с координатой касания (рис. 5). Контроллером могут измеряться либо эти токи, либо изменения частоты колебаний генераторов, если емкостные параметры для каждого из углов экрана задают частоту колебания соответствующего генератора. Контроллер выполняет измерения и передает результаты в управляющую программу для последующей обработки.

Некоторые модели таких экранов не способны работать с рукой, одетой в перчатку, и потому не могут применяться в медицине, в военной области или в химических лабораториях. Они чувствительны к сухости кожи индивида и к колебаниям влажности, а также не могут применяться на открытом воздухе. Сенсорные экраны, изготовленные по данной технологии, имеют быстрый и точный отклик, а также огромный ресурс (около 225 млн нажатий гарантируется для экранов компании 3М MicroTouch). Есть у них одно неприятное свойство: статический заряд, накапливающийся на поверхности экрана, стекает через касающийся экрана предмет «на землю». Если этим предметом служит палец, то человек получит неприятный электрический удар. Использование панелей данного типа в помещениях, оборудованных изолирующими полами, также нежелательно, так как электростатический заряд при касании обязательно должен куда-нибудь стекать. Иначе панель просто не будет работать. Приходится предпринимать специальные меры, чтобы справиться с этой неприятностью.

Обилие ограничений в применении таких экранов препятствовало их широкому распространению. Технология нуждалась в усовершенствованиях, и они были сделаны. У разных производителей есть свои решения для новейших емкостных сенсорных экранов. Бесспорный лидер, компания EloTouch (USA), например, в своих последних разработках размещает под еще

Компоненты и технологии, № 5'2005

одним стеклом (толстым и закаленным) дополнительный слой, образованный очень тонкими металлическими проволочками, создающими равномерное электрическое поле. Пользователь прикасается теперь к внешнему стеклу, а не к чувствительному слою. Образуется некий многослойный конденсатор. Та же причина — изменение однородности электрического поля в точке касания вызывает утечки тока, пропорциональные удаленности точки касания от углов экрана, что и обнаруживается контроллером. Очень похоже на уже знакомую конструкцию, но эти экраны могут работать с рукой в перчатке и не предъявляют никаких требований к качеству полов в помещении. (Фирменное наименование новой технологии — Projected capacitive, более ранняя версия называлась Surface Capacitive) Подобная же усовершенствованная технология используется в продукции фирмы 3M MicroTouch (USA), только электроды здесь не проволочные, а печатные. Новая конструкция емкостных экранов делает их невосприимчивыми к пыли, дождю и грязи, сохраняя при этом все преимущества традиционной технологии.

Цифровые сенсорные экраны

Проще, надежнее и дешевле всего устроены цифровые сенсорные экраны (иногда употребляется термин «матричные»). На двух плоскостях, обращенных друг к другу проводящими поверхностями, нанесено прозрачное проводящее покрытие, но не сплошным равномерным слоем, как было в резистивных и емкостных панелях, а полосками. (Между полосками на каждой плоскости есть небольшой изолирующий промежуток.) На одной из плоскостей они имеют горизонтальную ориентацию, а на другой — вертикальную. Вместе прозрачные проводники образуют готовую координатную сетку. Плоскости разделены микроскопическими изолирующими шариками-спей-серами, подобно тому, как это делается в резистивных панелях. В момент прикосновения между двумя поверхностями в точке касания возникает электрический контакт. Контроллер периодически сканирует столбцы и строки сетки и, обнаружив контакт, сообщает управляющей программе координаты.

У экранов, выполненных по данной технологии, есть множество важных преимуществ перед всеми другими. Главные из них — независимость от изменений температуры. Они не требуют настройки и калибровки, как резистивные. Они нечувствительны к пыли, и им не мешают посторонние источники света. Им не страшны колебания влажности. Им не мешают посторонние акустические шумы. У этих сенсорных панелей отличная повторяемость и простая надежная схема. Такие экраны идеально подходят для приложений, в которых изображение программной кнопки на мониторе имеет неизменные размеры и фиксированную позицию. Сканирующая цифровая схема контроллера много проще аналого-цифровой, понятнее и надежнее. Однако у матричных экранов есть один существенный недостаток — сравнительно низкое разрешение.

Понятно, что точность определения координаты задается сеткой. Каково число ячеек в сетке, такова и точность. Впрочем, как уверяют производители (американская компания Cyber Touch), могут быть изготовлены экраны с любым разумным разрешением по координате, вплоть до 0,1 мм. Однако на сайте фирмы обнаружить экраны с таким разрешением не удается. Лучшее разрешение — 3,7 мм — у модели № 9853 с экраном 8,4 дюйма по диагонали [3]. Объясняется это тем, что матричные экраны просто не применяют в областях, требующих высокой точности. Там удобнее и дешевле будет использовать резистивные или емкостные панели.

Отечественный производитель цифровых сенсорных панелей — фирма «Николь» (Санкт-Петербург) сегодня предлагает готовые решения, имеющее сетку 15x15 ячеек [4], но способна разработать и произвести панели с сеткой, имеющей шаг 5 мм. Для ряда применений такого разрешения может быть вполне достаточно.

Сенсорные экраны на поверхностных акустических волнах

Экраны на поверхностных акустических волнах (ПАВ) устроены следующим образом: В углах экрана расположены пьезоэлектрические преобразователи, способные генерировать колебания, распространяющиеся по поверхности стекла со скоростью, превышающей скорость звука. По команде контроллера преобразователи вырабатывают импульсную посылку. Возникающий при этом фронт волны направлен от излучателя параллельно одной из сторон экрана. Колебания, распространяясь по поверхности экрана, направляются отражателями через экран к его противоположной стороне, где, в свою очередь, будут перенаправлены массивом отражателей в сторону пьезоэлектрических приемников (рис. 6). Те воспринимают вибрацию и преобразуют ее обратно в электрический сигнал, принимаемый и измеряемый контроллером. Если оператор касается поверхности экрана рукой или контактным пером, то это меняет характеристики колебаний. Из множества переотраженных сигналов контроллер недосчитается тех, которые будут погашены прикосновением. Сравнив полученный сигнал с эталон-

ной картой экрана, он определит координату касания. У панелей, сделанных по этой технологии, точность определения координат высока, но при этом они чувствительны к качеству поверхности, наличию жира, грязи.

Известно по крайней мере два типа исполнения мониторов с экранами на ПАВ: а) излучатели и приемники устанавливаются на дополнительном закаленном стекле и б) они монтируются прямо на мониторе. У каждого подхода есть свои сильные стороны. Отсутствие каких-либо покрытий позволяет иметь яркие, сочные изображения на мониторе даже при обычной яркости и контрастности. С другой стороны, наличие дополнительного особо прочного стекла делает устройство более стойким к механическим воздействиям. Так, уже упоминавшаяся ранее американская компания EloTouch предлагает вандалостойкие экраны, пригодные для установки на игровые автоматы и банкоматы, сделанные именно по технологии ПАВ. Правда, дополнительное стекло создает дополнительные блики, что мешает восприятию информации. К тому же точка касания отдаляется от изображения на экране и больше проявляется параллакс, что затрудняет работу. Впрочем, это свойственно не только панелям ПАВ, но и всем остальным типам сенсорных экранов, кроме экранов на ИК-лучах.

Сенсорный экран на ПАВ позволяет отслеживать не только координаты касаний, но и судить о силе нажатия на экран. Такое действительно возможно, так как при прочих равных условиях сила нажатия отражается на амплитуде пробегающих по экрану поверхностных волн. Вероятно, большее усилие приводит к большему же «успокоению» вибрации, к большему поглощению энергии колебаний. Средний ресурс экрана, как сообщает компания GeneralTouch (Taiwan), составляет 50 млн касаний, что превышает ресурс 5-про-водных резистивных панелей, но в несколько раз меньше, чем у емкостных экранов.

Инфракрасные сенсорные экраны

Инфракрасные сенсорные экраны имеют в своей конструкции элементы, способные реагировать на инфракрасное излучение. Две линейки светодиодов, размещенных вдоль гори-

Рис. 6. Определения вертикальной координаты касания в экране на ПАВ

Компоненты и технологии, № 5'2005

зонтальной и вертикальной сторон экрана, и две линейки фотодиодов с противоположных сторон контролируют поверхность панели. Появление любого предмета, касающегося экрана, прерывает поток излучения. Контроллер в каждый произвольный момент времени «знает» номер строки или столбца (будем считать, что сторока/столбец образованы парой излучатель-приемник) и «знает», следовательно, от какой именно пары светодиодов сигнал не пришел. Тем самым он «знает» и координату касания.

Панели выполняются как отдельная рамка, которая не имеет никаких стекол или пленок над поверхностью монитора и поэтому не снижает яркость и контрастность наблюдаемой картинки. Такой экран навешивается на монитор, подобно тому, как в прошедшие годы на него навешивалась защитная сетка, поглощавшая избыточное излучение. Разница только в том, что сенсорная панель крепится жестко, так, чтобы ее нельзя было сдвинуть случайным прикосновением. Современные экраны на ИК-лучах имеют разрешение, достигающее 16 точек/см2, то есть излучатели (и приемники тоже, конечно) размещаются в рамке с шагом 4 элемента на сантиметр. Применение специальных схемных методов и программных алгоритмов интерполяции позволяет определять координату с точностью, в 4 раза превышающей начальную — 64 точки/см2 (см., например, техническое описание на панель IRT615 компании Citron [12]). Конечно, приведенная величина много меньше, чем точность у резистивных панелей, но она выше, чем у матричных (цифровых) экранов. По этой причине экраны на ИК могут применяться в тех приложениях, где рекордная точность не требуется, но и точности цифровых панелей уже недостаточно. При выборе данной технологии учитывают также простоту монтажа экрана и отсутствие светопоглоще-ния. Известно, что они устанавливаются на некоторых моделях игровых автоматов.

Сенсорные панели, выполненные по данной технологии, имеют множество преимуществ перед другими. Недостатком можно считать, пожалуй, лишь одну особенность: из-за прямолинейного распространения света они не могут применяться на мониторах с выпуклой поверхностью экрана.

Как видим, каждая из технологий имеет свои преимущества, но, к сожалению, у каждой из них есть и минусы. То, с чем в некоторых случаях можно смириться, в других ситуациях является существенным недостатком, препятствующим применению экранов данного типа. Знание основных качеств, достоинств и недостатков различных технологий ограждает от ошибок и способствует правильному выбору наиболее подходящего типа панели для конкретного приложения. В таблице 1 помещены сведения об отношении различных технологий сенсорных панелей к некоторым характеристикам окружающей среды. Здесь знак «+» означает, что изменение параметра может отражаться на работе устройства. Еще одно замечание — емкостные экраны производятся по двум принципиально различающимся технологиям. В более ранних ти-

Таблица 1. Влияние внешней среды на сенсорные экраны

Типы экранов

Характеристика резистивные емкостные тип 1 тип 2 цифровые ПАВ ИК

Колебания температуры + - - - - -

Влажность - + - - * *

Шумы и вибрация - - - - + -

Солнечный свет - - - - +

Пыль, жир, грязь - - - - + +

Повреждения наружной поверхности (царапины) - + - - +

Повреждения проводящего слоя + + - + - -

Касающийся предмет - + - - - **

Примечания:

* туман, дождь, капельки конденсата снижают точность;

** касания очень тонким предметом, таким, например, как банковская карточка, могут привести к ошибкам в определении координат.

пах панелей ток при касании протекал через касающийся предмет, в других, более современных, — собирается специальными скрытыми проводниками. Чтобы как-то различать эти два подхода, автор решил обозначить их в таблице как тип 1 и 2 соответственно.

Кроме отмеченных в таблице качеств, следует помнить, что все панели, имеющие прозрачные проводящие покрытия, немного снижают яркость экрана монитора и искажают цвета, делая их слегка желтоватыми. Такие покрытия имеют все типы резистивных экранов, а также емкостные и цифровые панели. Дополнительные антибликовые покрытия, наносимые на стекла, также поглощают часть излучения. Толстые панели затрудняют работу вследствие проявления эффекта параллакса.

Сенсорные экраны могут предлагаться как в виде готовых мониторов с уже установленной панелью (рис. 12), оснащенных контроллерами, которые остается лишь подключить к компьютеру, так и отдельными элементами (панель, контроллер, программный драйвер, кабель), монтируемых самим покупателем на нужный прибор. Пример подключения сенсорной панели с контроллером к домашнему или офисному компьютеру достаточно подробно описан в статье «Сенсорный монитор своими руками» [13]. Эта статья может быть также рекомендована разработчикам, желающим оснастить свои приборы сенсорными экранами с готовыми контроллерами. Мониторы, уже оснащенные панелями, поставляют, как правило, для промышленного оборудования, торговых и справочных систем, а отдельно экраны устанавливают при разработках новых приборов. Для второй группы, к которой относятся прежде всего измерительные приборы и дефектоскопическое оборудование, как вариант может поставляться только сенсорная панель без контроллера. Контроллер в этом случае должен разработать и изготовить покупатель. Как правило, в приборостроении применяются 4-проводные резистивные панели. На сайтах производителей можно найти широкую линейку предложений с размерами сенсорных панелей этого типа практически на любой экран. Наиболее известные компании-производители сенсорных панелей перечислены в таблице 2. Обычно там же, на сайтах производителей экранов, можно найти и контроллер с готовым программным драйвером. Так что если кто-то не может или не хочет раз-

рабатывать свой контроллер, то он почти всегда может купить готовый. Если же найти подходящий экран не удается (что мало вероятно), то можно сделать заявку на специфический размер, заполнив на сайте производителя предусмотренную для таких случаев форму. На рис. 7 представлена фотография экрана с контроллером. Как видно из рисунка, вся конструкция в целом довольно компактна.

В периодической печати и в Интернете можно найти материалы, призванные помочь разработчику в подключении сенсорных панелей к приборам. Можно рекомендовать, например, хорошую статью А. Самарина «Сенсорные панели — взгляд изнутри» [6] или перевод материалов компании Texas Instruments [7].

Для многих фирм-разработчиков приборов задача подключения сенсорного экрана к своему устройству не составит больших трудностей, особенно если применять специализированные микросхемы. Можно попробовать воспользоваться встроенными в микроконтроллеры АЦП, если устроит их разрешение, но, скорее всего, потребуется установка в схему ряда дополнительных элементов. Потребуются, например, переключатели и мультиплексоры напряжения питания, которые в специализированных чипах уже присутствуют. Следует помнить также о том, что схема контроллера экрана должна быть способна работать с низкоомным источником. Обычно полное сопротивление одной плоскости экрана колеблется в диапазоне от 100 до 900 Ом. При подаче на экран напряжения питания, допустим, 3 В, входные каскады контроллера должны будут в момент касания принимать ток больше 30 мА. Не каждый из современных микроконтроллеров, изготовленных по энергосберегающим технологиям, способен работать с током такой величины. Нужно

Компоненты и технологии, № 5'2005

Таблица 2. ИС контроллеров и их производители

Типы производимых панелей

Компания URL Резистивные 4 п 5 п 8 п Емкостные тип 1 тип 2 Циф- ровые ПАВ ИК

3M (MicroTouch) http://www.3m.com/US/electronics mfg/touch systems/index.jhtml + + + +

EloTouch http://www.elotouch.com/products/default.asp + + + + + +

AMT Corp. http://www.amtouch.com.tw/products/touch screen.htm + + + +

Cyber Touch http://www.cybertouch.com/touchscreen.html + + +

One Touch http://www.one-touch.net/ + + + +

Han Touch http://www.hantouch.com/ + + + +

Таблица 3. Контроллеры различных производителей

Компания Наименование контроллера

Analog Devices AD7450, AD7466, AD7467, AD7843, AD7873, AD7877, AD7887, AD7888, AD7927

Texas Instruments ADS7843, ADS7845, ADS7846, TSC2000, TSC2100, TSC2101, TSC2301, TSC2302

Maxim MXB7843, MXB7846, MAX1233, МАХ1234, DS1680

также принять во внимание тот факт, что в составе специализированных ИС могут быть источники опорного напряжения, схемы защиты от статических разрядов, дополнительные узлы, весьма полезные в портативных приборах. Вообще, есть смысл обратить внимание на специальные микросхемы контроллеров сенсорных экранов, так как с ними задача решается проще.

Чипы контроллеров сенсорных экранов имеют в своем составе 10-12 разрядные АЦП с темпом преобразования около 120 квыб/с, аналоговые ключи и аналоговые мультиплексоры. Они также могут быть оснащены встроенными интерфейсными узлами и дополнены внутренними источниками опорного напряжения, контроллерами заряда батарей, аудиокодеками, усилителями микрофонов, линейным аналоговым выходом и др. Такие известные компании, как Analog Devices, Texas Instrument, Maxim, Intersil, производят микросхемы контроллеров в десятках вариантов, и разработчик может подобрать среди них наиболее близкий ему по характеристикам и стоимости. В таблице 3 перечислены лишь некоторые из контроллеров.

На примере AD7877 рассмотрим устройство контроллеров 4-проводных экранов. На рис. 8 приведена структурная схема аналоговой части ИС. Видно, что в состав чипа входят 12-разрядные АЦП последовательного приближения с простым и дифференциаль-

ными входами, входные ключи, главный и дополнительный аналоговый мультиплексоры. С помощью последнего производится выбор опорного источника напряжения для АЦП. Результат преобразования сохраняется в специальном регистре, который, наряду с регистрами управления, на схеме не показан.

В процессе выполнения измерений АЦП может работать либо с внутренним, либо с внешним источником опорного напряжения. Во втором случае в качестве опорного может служить напряжение питания сенсорной панели. Измерения можно проводить двумя способами — в дифференциальном режиме или обычном, с одним входом. Первый — более точный. Обычный режим используется в относительно грубых устройствах, когда указателем служит палец оператора. Режим работы контроллера с одним входом АЦП позволяет экономить потребление энергии, так как преобразователь может подключаться к источнику опорного напряжения только на время измерения координаты.

Рис. 9 поясняет процесс измерения координаты Y (для получения координаты Х напряжение возбуждения экрана прикладывается к электродам плоскости Х и снимается с плоскости Y) при работе в обычном режиме. На входе АЦП имеем напряжение, равное

Vin = Vcc х

Рис. 10 поясняет процесс измерения координаты Y при дифференциальном методе. Как видно из схемы, напряжение возбуждения экрана используется одновременно и как опорное для АЦП. При этом методе достигается большая точность, так как ошибка, вносимая падением напряжения на сопротивлении переключателей, не влияет на точность, поскольку на ту же величину меняется опорное напря-

Vcc .Л* і

->

X-—« — t

Y \

AUX1/GPI02

AUX2/GPI03

AUX3/GPI04

ВАТ1

ВАТ2

температурный

сенсор

9 ТО 1 1/Р

мих

Il

REF

INT/EXT

І

Y- GND X+ Y+ VREF сдвоенный 3-1 мультиплексор

REF+

12-разр. АЦП последовательного приближения с УВХ

'СС

Рис. 9. Эквивалентная схема при измерении координаты У в обычном режиме

жение. Кроме того, колебания напряжения также не привносят погрешности (лишь бы оно не менялось в момент приема измеряемого сигнала). Отключать напряжение на проводящих поверхностях экрана с целью сокращения потребления в данном варианте, понятное дело, нельзя, так как перестанет работать АЦП.

Как уже говорилось ранее, экран состоит из двух прозрачных токопроводящих слоев, покрывающих рабочую поверхность монитора. Для 4-проводных экранов в качестве мониторов могут использоваться только плоские индикаторы, например ЖКИ. Электромагнитные шумы, возникающие в моменты переключения тонкопленочных транзисторов на матрице индикатора во время действия соответствующих сигналов управления, могут улавливаться плоскостями сенсорного экрана как антеннами. Они могут служить причиной ошибок в определении координат. Для того чтобы избежать неприятностей, в ИС контроллера есть вывод StopAqc, при помощи которого можно заблокировать процесс выборки АЦП на время существования сигналов, вызывающих самые большие помехи.

Сопряжение контроллера экрана с главным процессором осуществляется при помощи 3-проводного последовательного SPI-интерфейса через соответствующие выводы микросхемы (на рис. 8 они не показаны).

На рис. 11 помещена фотография осциллографа WaveSurfer 454 ^еСгоу, США), оборудованного сенсорным экраном. Экран поставляется как дополнительное оборудование

Рис. 8. Структурная схема аналоговой части контроллера AD7877

h

вход АЦП после мультиплексора

REF+

ADC

REF-

GND

О—

Рис. 10. Эквивалентная схема при измерении координаты У дифференциальным методом

Компоненты и технологии, № 5'2005

Таблица 4. Области применения сенсорных экранов

Технология сенсорной панели

Сфера применения Резистивная

4п 5п 8п

Автоматические пункты быстрого питания. Системы приема заказов в ресторанах и барах. + + +

Игровые автоматы + + + +

Пункты банковского самообслуживания и приема платежей с пластиковых карт. + + + +

Пункты продажи билетов на транспорт, в театры и в кинозалы + + + +

Автоматы и пункты продаж (POS) товаров по каталогам. + + + +

Справочные системы на транспорте, в музеях, в поликлиниках, библиотеках, аптеках и т.п. + + + + +

Измерительные приборы (включая универсальные осциллографы) + + + + +

Промышленное оборудование и станки + + + + +

Медицинское оборудование + + +

и может быть исключен из состава прибора, но благодаря ему можно сделать работу с осциллографом более удобной. Общую же стоимость осциллографа он увеличивает незначительно (~$300 на фоне почти десяти тысяч долларов). Сенсорная панель не исключает, а лишь дополняет органы управления прибором. С ее помощью производится выбор большинства параметров развертки на экране осциллографа, таких, как чувствительность в В/дел., временная база или способ запуска или задание фрагмента осциллограммы для ее «растяжки» и дальнейшего более детального изучения.

На рис. 12 представлен обычный компьютерный монитор на ЭЛТ, оборудованный сенсорным экраном и контроллером. Часто такие устройства встраиваются в стену, оставляя доступными для пользователя только лицевую часть монитора. Это — обычное решение для справочных систем.

Сегодня системы, оснащенные сенсорными панелями, могут встретиться в самом различном оборудовании во всех областях деятельности человека. Таблица 4 отражает мировую практику применения сенсорных панелей с учетом различных технологий их производства (тем не менее данные этой таблицы не претендуют на полноту).

Причина распространения сенсорной технологии кроется в удобствах, которые получает пользователь. В некоторых приложениях хорошо продуманная программа позволяет взаимодействовать с техникой даже неподготовленному человеку. Например, официанту, принявшему заказ от клиента, для выписки счета достаточно лишь коснуться изображений блюд на экране монитора и получить от компьютера готовый чек. Быстро,

безошибочно и удобно — именно по этой причине во многих ресторанах и пунктах быстрого питания в развитых промышленных странах такие системы уже работают.

Такие качества, как гибкость, возможность мгновенной адаптации к новым условиям и специфике задач, использованы компаниями Philips и Universal Remote в конструкциях универсального пульта дистанционного управления для современного «умного» дома [16, 17]. Такие устройства удобны, когда ваш дом «нашпигован» различной электроникой, начиная от телевизора и домашнего кинотеатра и кончая многоуровневой охранной системой и кондиционером. Приобретающие все большую популярность «наладонные компьютеры» были бы невозможны без сенсорных экранов. Именно компактность и многофункциональность экранов позволила «ужать» традиционный компьютер до карманных размеров.

Для работы с сенсорной панелью человеку не требуется каких-либо особых навыков. Это справедливо для справочных систем, но вовсе не означает, что к сенсорному пульту управления сложной техникой можно поставить любого человека. Специальные знания по-прежнему необходимы, и панель не снижает требований к уровню образования и интеллекту. Но она позволяет снизить утомляемость персонала и избежать ошибок. В системах управления предприятием, обслуживаемых высококлассными профессионалами, важны именно эти качества. Отсутствие в выпадающих меню вариантов, недопустимых в каждой конкретной ситуации, а также всплывающие подсказки позволяют снизить напряжение при работе диспетчеров, исключить ошибки в работе и в итоге поднять про-

изводительность труда и сделать работу безаварийной и более качественной.

В нашей стране сенсорные технологии пока не получили широкого распространения. Найти современные системы в крупных аптеках, в поликлиниках, в зданиях, на выставках, в банках или в супермаркетах почти невозможно. Еще меньше шансов встретить их на заводах, фабриках и аэродромах. Все только что перечисленные организации относятся отнюдь не к бедным. Но мало в стране таких систем...

Вероятно, виной тому вовсе не пресловутая российская бедность, а иные причины. Прежде всего — неэффективная или недостаточная пропаганда современных технологий да нежелание некоторых монополистов тратиться на повышение культуры обслуживания клиентов.

В российских специализированных печатных изданиях появляется слишком мало сообщений, посвященных этой теме. В англоязычной прессе публикаций аналогичной направленности в десятки раз больше. Если сравнить число статей во всех российских СМИ по данной тематике с числом сообщений, посвященных, например, AVR-контроллерам фирмы ATMEL, то увидим, что последних в несколько раз больше. Результат — контроллеры широко применяются во множестве приборов, а о панелях многие не слышали вовсе.

Следствие слабой пропаганды — отсутствие конкуренции в части предложения готовых систем, недостаточное понимание преимуществ, предоставляемых пользователям и заказчикам сенсорных систем, отсутствие необходимых знаний у разработчиков, недостаточное количество оригинальных технических разработок.

Данная статья является скромным вкладом в дело популяризации современных технологий в России.

Литература

1. www.elotouch.com

2. http://www.3m.com/3Mtouchsystems

3. http://www.cybertouch.com

4. http://www.aonikol.ru/tscreen.htm

5. www.generaltouch.com

6. Самарин А. Сенсорные панели — взгляд изнутри // Схемотехника. 2001. № 7, 8.

7. Советы по контроллерам сенсорных экранов http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/app/ TouchScreenZads7843.htm

8. http://www.hantouch.com

9. www.analog.com

10. www.lecroy.com

11. http://www.ezscreen.com

12. http://www.citron.de

13. Капыш П. Сенсорный монитор своими руками. http://www.3dnews.ru/display/ hand-made-monitor

14. Самарин А. Новые типы сенсорных панелей для портативных приборов // Компоненты и технологии // 2002. № 3.

15. http://www.protouch-uk.com/ touchscreens_explained/comparative.html

16. http://www.pronto.philips.com

17. www.universal-remote.com

18. .http://www.magictouch.com.tw/english/ bodyframe2.html