Megbízható érintőképernyők gyors létrehozása

Az érintőképernyőt a fogyasztói, vállalati és ipari rendszerek programozása, beállítása és vezérlése terén egyre inkább előnyben részesítik adatbeviteli eszközként a billentyűzettel és egérrel szemben. Az érintőképernyők logikusan használhatóak, gyorsak, és egyetlen egyesített kezelőfelületet jelentenek, amely helyettesíti a másfajta beviteli eszközök kombinációját. A csökkent fizikai képességű emberek számára is nagyobb kényelmet kínálnak, és elég kis méretűre is lehet őket készíteni.

Az érintőképernyők sokféle felhasználási területe azt jelenti, hogy strapabíróaknak, csupasz és kesztyűs ujjal is kezelhetőeknek és költségtakarékosaknak kell lenniük. A rezisztív (azaz ellenállásos) érintőképernyők megfelelnek ezeknek a követelményeknek, de a tervezőknek képeseknek kell lenniük arra, hogy gyorsan piacra tudjanak lépni a megfelelő vezérlőkártyához illesztett érintőképernyőt tartalmazó kész megoldásokkal. Emellett meg kell érteniük a 4 és 5 vezetékes rezisztív érintőképernyős kezelőfelületek közötti különbségeket is.

Ez a cikk röviden ismerteti a rezisztív érintőképernyőket. Ezután mutat néhány példát az NKK Switches érintőképernyőire és vezérlőkártyáira, és ismerteti, hogyan lehet ezekkel tervezni.

A rezisztív érintőképernyők működése

A rezisztív érintőképernyők önálló alkatrészek, amelyek egy síkképernyős kijelző felett helyezkednek el. Az érintőképernyő a vezérlőkártyával együtt lehetővé teszi a felhasználók számára, hogy a képernyő bizonyos területein megjelenített szimbólumokat megérintve kommunikáljanak az eszközzel. Az érintőképernyő képes érzékelni az ujj vagy az érintőtoll pontos érintési helyzetét. Ezt követően az alkalmazásszoftver meghatározza, hogy a helyzet alapján milyen további képernyőműveletekre van szükség.

A rezisztív érintőképernyők alkalmasak különböző fogyasztói, kiskereskedelmi, vállalati, ipari és gyógyászati felhasználási területekre, mivel olcsók, strapabíróak, és csupasz és kesztyűs ujjal és érintőtollal is működtethetőek. Ez a technika egy deformálható műanyag fóliát használ, amelyet a hátoldalán vékony vezetőréteggel, például indium–ón-oxid (ITO, indium tin oxide) réteggel vonnak be. Az érintőképernyő hátoldala üveg- vagy akrilpanel, amelynek elülső oldalán indium–ón-oxid réteg található.

A műanyag fóliát nem vezető távtartó pontok választják el az üveg vagy akril hátlaptól. Amikor a műanyag fóliát ujjal vagy érintőtollal egy-két newton (N) erővel megnyomják, a fólia hozzáér a hátlaphoz, és a megnyomott területen tulajdonképpen zár egy kapcsolót. A vezérlőkártya, amely négy- vagy ötvezetékes csatlakozóval van az érintőképernyőhöz csatlakoztatva, meg tudja határozni a zárt kapcsoló helyét, és a szoftver ennek megfelelően reagál (1. ábra).

1. ábra: A rezisztív érintőképernyők úgy működnek, hogy a felhasználó érintéssel két vezető felületet nyom össze (ábra: NKK Switches)

A rezisztív érintőképernyők akkor népszerűek, amikor nagyon fontos szempont a költség, a strapabírás és a kesztyűs kézzel vagy nem vezető anyagú érintőtollal történő használat. A rezisztív érintőképernyők jellemzően több millió vagy akár több tízmillió műveletre képesek meghibásodás nélkül. Ezek az érintőképernyők gyárthatóak víz- és vegyszerráfröccsenés elleni védelemmel is.

A négy- és ötvezetékes érintőképernyő-kialakítások közötti különbség

A négyvezetékes érintőképernyők esetében két elektróda kapcsolódik az alsó és kettő a felső lemezhez. Az alsó lemezen az elektródák az Y tengellyel párhuzamosan futnak, így az ellenállás az X tengely mentén mérhető. A felső lemezen viszont az X tengellyel párhuzamosan futó élelektródák vannak, amelyek így az ellenállás Y tengely mentén történő mérését teszik lehetővé (2. ábra).

2. ábra: A négyvezetékes érintőképernyők esetében két elektróda kapcsolódik az alsó és kettő a felső lemezhez. Az elektródapárok egymásra merőlegesen futnak, és lehetővé teszik az érintés XY-helyzetének meghatározását (ábra: NKK Switches)

Az ujjal való érintés pontjánál az alsó réteg gyakorlatilag két soros ellenállásra osztja a felső réteget. Az alsó réteg ehhez hasonlóan szintén két részre oszlik a felső réteggel való érintkezési ponton. Megfelelő előfeszítő feszültséget rákapcsolva mindkét lemez ellenállásosztóként tud működni, és a kapott kimenőfeszültség az érintési pont koordinátáit jelenti.

Az ötvezetékes rendszerben a felső lemezhez négy élelektróda kapcsolódik, és maga a lemez feszültségérzékelő csomópontként funkcionál. Az alsó lemez négy sarka elektródákat képez, amelyek feszültséggradienseket hoznak létre X és Y irányban. Az X és Y irányú mérésekhez különböző előfeszítési beállításokat használnak (3. ábra).

3. ábra: Az ötvezetékes rezisztív érintőképernyők az alsó lemezen négy sarokelektródát használnak az X és Y irányú feszültséggradiensek előállítására, a felső lemezen pedig két pár élelektródát a feszültség érzékelésére (ábra: NKK Switches)

Az ötvezetékes kivitelben csak az alsó lemez aktív. Ez azt jelenti, hogy az érintőképernyő akkor is működőképes marad, ha a felső lemez megsérül. Ezzel szemben a négyvezetékes érintőképernyő mindkét lemeze aktív, ezért a felső lemez sérülése is az érintőképernyő meghibásodását okozhatja. Az ötvezetékes érintőképernyő általában tartósabb, de ennek az az ára, hogy a tervezés bonyolultabbá és költségesebbé válik.

Kereskedelmi rezisztív érintőképernyős megoldások

A bonyolultság minimálisra csökkentése és a piacra kerülési idő lerövidítése érdekében az NKK cég kínálatában a gyakorlatban már bevált kereskedelmi érintőképernyők és hozzájuk tartozó vezérlőkártyák is találhatóak. A tervezőnek lehetősége van arra is, hogy az NKK cégtől beszerzett érintőképernyőt másik beszállítótól származó vagy akár saját tervezésű vezérlőkártyával párosítsa.

Az NKK FT sorozata kiváló példa a rezisztív érintőképernyőkre. A sorozat többféle képernyőméretben készül, 5,7 (14,5 cm) és 15,6 hüvelykes (40 cm) képátló között. A sorozat tagjai négy- és ötvezetékes változatban is kaphatóak, 1,4 N működtető érintési erővel (1. táblázat). Mindkét változat a vezérlőkártyához csatlakoztatható hajlékony kábellel van ellátva.

1. táblázat: A négy- és ötvezetékes rezisztív érintőképernyők összehasonlítása azt mutatja, hogy az ötvezetékes változat a koppintások (érintések) számában mérve hosszabb élettartamot kínál (táblázat: NKK Switches)

Az FTAS00-5.7AS-4A egy négyvezetékes, 5,7 hüvelykes érintőképernyő, amely 5 V egyenfeszültségen (VDC) 1 mA áramot vesz fel, 250 Ω és 850 Ω közötti az XY irányú ellenállása, 1,5%-os a linearitása és 10 MΩ a szigetelési ellenállása. Az érintőképernyő várható élettartama 50 000 írási vagy egymillió koppintási művelet.

Az FTAS00-10.4A-5 egy ötvezetékes, 10,4 hüvelykes érintőképernyő, amely 5,5 V egyenfeszültségen 1 mA áramot vesz fel, 20 Ω és 80 Ω közötti az XY irányú ellenállása, 2%-os a linearitása és 10 MΩ a szigetelési ellenállása. Az érintőképernyő várható élettartama 50 000 írási vagy 10 millió koppintási művelet.

Az NKK mind a négy-, mind az ötvezetékes érintőképernyőkhöz RS232C vagy USB-csatlakozóval ellátott vezérlőkártyákat kínál. A vezérlőkártyákhoz a Windows 7, 8 és 10 operációs rendszerrel kompatibilis eszközillesztő program tartozik. Az FTCS04C és az FTCU04B az NKK négyvezetékes érintőképernyőihez való RS232C, illetve USB-csatlakozós vezérlőkártya, míg az FTCS05B és az FTCU05B ezeknek az ötvezetékes érintőképernyőkhöz készült megfelelői.

Az első lépések rezisztív érintőképernyő esetén

A négy- és ötvezetékes érintőképernyők hasonló tervezési folyamatot igényelnek. A négyvezetékes érintőképernyőkhöz való, RS232C, illetve USB-csatlakozóval ellátott vezérlőkártya középpontjában egyaránt az FTCSU548 vezérlő IC áll. Ez a 48 lábú, LFQFP tokozású IC aszinkron soros illesztőfelületet és teljes sebességű USB 2.0 illesztőfelületet tartalmaz. Az áramellátás RS232C csatlakozó esetén 3,3–5 V, USB-csatlakozó esetén 5 V tápfeszültségről történik, a névleges kimenő áramerősség 170 mA, a működési frekvencia 16 MHz, az analóg–digitális átalakító (ADC) felbontása pedig 10 bit. Az IC beépített kalibrációs funkcióval is el van látva.

Az érintőképernyő megnyomásakor a vezérlő IC az analóg–digitális átalakító által érzékelt analóg feszültség értéke alapján meghatározza a koordinátákat, és az RS232C vagy USB-csatlakozón keresztül továbbítja azokat a központi számítógépnek (4. ábra).

4. ábra: Az FTCSU548 vezérlő IC (IC1) az FTCU04B (négyvezetékes USB) vezérlőkártyára szerelve. A CN1 (balra) a négyvezetékes érintőképernyő hajlékony kábelének a vezérlőkártyán lévő csatlakozója (ábra: NKK Switches)

A négyvezetékes érintőképernyő hajlékony kábele a CN1 csatlakozón keresztül csatlakozik a vezérlőkártyához. A vezérlőkártya a CN4 csatlakozón keresztül kapcsolódik a központi számítógéphez. A CN4 USB-csatlakozó egyúttal a vezérlőkártya áramellátására is szolgál. Az eszközillesztő program és az érintőképernyő alkalmazásszoftvere a központi számítógépen fut (5. ábra).

5. ábra: A négyvezetékes USB-s vezérlőkártya és a központi számítógép jellegzetes összekapcsolását szemléltető ábra (ábra: NKK Switches)

Tervezési tanácsok

A rezisztív érintőképernyőt a telepítésekor kalibrálni kell. Az FTCSU548 vezérlő IC beépített kalibrációs funkciót is tartalmaz. A kalibráláshoz a vezérlő IC-t először „forrásadat üzemmódba” (source data mode) kell állítani. A számítógép ekkor megjelenít egy referenciapontot (P1) az érintőképernyőn, amelyet a kezelőnek érintőtollal kell megnyomnia, ami után a feszültségadat az analóg–digitális átalakítón, majd a vezérlőkártyán keresztül jut el a számítógépbe. A folyamat ezután megismétlődik az érintőképernyő egy távoli területén megjelenő második ponttal (P2). A vezérlőkártya a P1 és P2 pont fizikai koordinátáit nyolcbájtos számként küldi el a számítógépnek. Az érintőképernyő ezután „kalibrációs adat üzemmódba” (calibration data mode) kerül, és az alkalmazásszoftver a két ismert pont feszültségét és koordinátáit, valamint egy beépített 0,0 koordináta-referenciapontot használva interpolálja a kalibrációs adat üzemmód területén lévő összes többi koordinátát (6. ábra).

6. ábra: A kezdeti beállítás során kalibrálásra van szükség, majd azt követően rendszeres időközönként szintén, mert az ellenállás az érintőképernyő öregedésével változik (ábra: NKK Switches)

A képernyő ellenállása az öregedés során változik, ezért a képernyő teljes élettartama alatt szükség van újrakalibrálásokra.

Az elektromágneses zavarás (EMI) megelőzése érdekében a kijelzőeszköz keretét mindenképpen testelni kell. Előfordulhat az is, hogy kezdetben az ujjal való megnyomás miatti érintkezési ellenállás „vibrálást” okoz. A vibrálás elkerülése érdekében beépített késleltetést használva megoldható, hogy a feszültség rendeződjön, mielőtt a rendszer kiszámítja a koordinátákat.

A tervezőknek arra is ügyelniük kell, hogy ne használjanak olyan szoftvert, amely arra kéri a felhasználókat, hogy az érintőképernyőnek egyszerre két területét érintsék meg. Ez a technika nem tud értelmezni két külön érintést, és alapértelmezés szerint egy közöttük elhelyezkedő középpontot érzékel. Ha pedig érintőtollal vonalat húzunk a képernyőre, törések jelennek meg a képernyőnek a két réteget egymástól elválasztó távtartója felett. A tervezőknek ügyelniük kell arra, hogy az alkalmazásszoftver kiküszöbölje ezeket a hiányosságokat.

Összegzés

A rezisztív érintőképernyők megfelelő beviteli eszközök olyan felhasználási területeken, ahol lényeges a költség és a strapabírás, valamint a csupasz vagy kesztyűs kézzel vagy nem vezető érintőtollal való működtetés lehetősége. A megvalósítás egyszerűsítése érdekében az NKK kereskedelmi forgalomban kapható eszközei között megtalálhatók az érintőképernyők, a kifejezetten azokhoz tervezett vezérlő IC-vel ellátott vezérlőkártyák és az eszközillesztő programok is.