觸摸屏技術(shù)及應(yīng)用講座

觸摸屏技術(shù)及應(yīng)用講座

電子工程系2007.8簡介觸摸屏是用手指或其他觸摸感應(yīng)介質(zhì)直接觸摸顯示器操作電腦的一種輸入設(shè)備。它是目前最友好的計(jì)算機(jī)用戶接口界面。觸摸屏具有堅(jiān)固耐用、反應(yīng)速度快、節(jié)省空間、易于交流等許多優(yōu)點(diǎn)。它賦予了多媒體以嶄新的面貌，是極富吸引力的、全新的多媒體交互設(shè)備。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，觸摸屏現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用在POS自動服務(wù)機(jī)、信息查詢設(shè)備、娛樂設(shè)備、訓(xùn)練和仿真、醫(yī)療設(shè)備、移動和手持式系統(tǒng)、工業(yè)控制設(shè)備、辦公自動化設(shè)備、信息家電等各個(gè)領(lǐng)域，它已滲透到我們生活的方方面面。觸摸屏系統(tǒng)組成一個(gè)供觸摸使用的觸摸屏幕。它安裝在顯示器屏幕前面，用于檢測用戶觸摸位置，接收信號后送觸摸屏控制器。一塊可以將觸摸信號轉(zhuǎn)換為控制信號的控制器。一套用于在控制器和操作系統(tǒng)之間進(jìn)行通信的驅(qū)動軟件。驅(qū)動軟件利用程序自帶的校準(zhǔn)點(diǎn)，根據(jù)這些校準(zhǔn)點(diǎn)將觸摸屏控制器傳輸?shù)慕^對坐標(biāo)按比例轉(zhuǎn)化成屏幕坐標(biāo)。驅(qū)動程序還執(zhí)行相關(guān)應(yīng)用要求的其他操作。觸摸屏的類型按照工作原理和傳輸信息的介質(zhì)可將觸摸屏分為四個(gè)基本種類：電阻技術(shù)觸摸屏、電容技術(shù)觸摸屏、紅外線技術(shù)觸摸屏、聲波技術(shù)觸摸屏。1.聲波技術(shù)觸摸屏

聲波技術(shù)觸摸屏又分為表面聲波和聲體波觸摸屏兩種。表面聲波觸摸屏觸摸屏部分可以是一塊平面、球面或是柱面的玻璃平板，安裝在CRT、LED、LCD或是等離子顯示器屏幕的前面。這塊玻璃平板只是一塊純粹的強(qiáng)化玻璃，區(qū)別于別類觸摸屏技術(shù)是沒有任何貼膜和覆蓋層。玻璃屏的左上角和右下角各固定了豎直和水平方向的超聲波發(fā)射換能器，右上角則固定了兩個(gè)相應(yīng)的超聲波接收換能器。玻璃屏的四個(gè)周邊則刻有45°角由疏到密間隔非常精密的反射條紋。當(dāng)手指或軟性物體觸摸屏幕，部分聲波能量被吸收，于是改變了接收信號，經(jīng)過控制器的處理得到觸摸的X，Y坐標(biāo)。如圖1所示。圖1聲波體觸摸屏

聲波體觸摸傳感器是在顯示器表面上的一個(gè)玻璃覆蓋層。X、Y換能器焊接在玻璃相鄰的角邊上，分別用一對屏蔽電纜連接到控制器。沿玻璃兩邊蝕刻著45度角反射條紋陣列作為波的導(dǎo)向裝置，反射體相對的邊被磨光以確保正確的波回聲。工作時(shí)，X、Y換能器交替發(fā)出聲波(在傳輸模式下)，聲波被反射條紋反射到相對的邊，然后反射回到條紋陣列，在被換能器接收(在接收模式下)?？刂破鞣治鰮Q能器接收到的聲波信號，確定觸摸位置。聲波技術(shù)觸摸屏特點(diǎn)■清晰度較高，透光率好?！龈叨饶途?，抗刮傷性良好?！鲆淮涡Ｕ黄??！龇磻?yīng)靈敏。■需要經(jīng)常維護(hù)，必須經(jīng)常擦抹屏的表面以保持屏面的光潔，并定期作全面徹底擦除。適合于辦公室、機(jī)關(guān)單位等環(huán)境比較清潔的場所。

2.紅外線掃描技術(shù)觸摸屏結(jié)構(gòu)及原理

紅外線觸摸屏，一般是在顯示器屏幕的前面安裝一個(gè)外框，外框里有電路板，在X、Y方向有排布均勻的紅外發(fā)射管和紅外接收管，一一對應(yīng)形成橫豎交叉的紅外線矩陣。當(dāng)有觸摸時(shí)，手指或其它物體就會擋住經(jīng)過該點(diǎn)的橫豎紅外線，由控制器判斷出觸摸點(diǎn)在屏幕的位置（如圖2示）。

圖2技術(shù)剖析

根據(jù)其本身的工作原理，紅外屏可以做到無壓力，無玻璃的工作。但是由于紅外線本身的特點(diǎn)，紅外屏目前只能做成純平的。紅外觸摸屏不受電流、電壓和靜電干擾，適宜惡劣的環(huán)境條件，紅外線技術(shù)是觸摸屏產(chǎn)品最終的發(fā)展趨勢。采用聲學(xué)和其它材料學(xué)技術(shù)的觸屏都有其難以逾越的屏障，如單一傳感器的受損、老化，觸摸界面怕受污染、破壞性使用，維護(hù)繁雜等等問題。紅外線觸摸屏只要真正實(shí)現(xiàn)了高穩(wěn)定性能和高分辨率，必將替代其它技術(shù)產(chǎn)品而成為觸摸屏市場主流。3.電容感應(yīng)技術(shù)觸摸屏基本結(jié)構(gòu)電容技術(shù)的觸摸屏是一塊四層復(fù)合玻璃層，如圖3。玻璃屏的內(nèi)表面和夾層各涂有一層ITO導(dǎo)電層，最外層是只有0.0015毫米厚的矽土玻璃保護(hù)層。內(nèi)層ITO作為屏蔽屋,以保證良好的工作環(huán)境,夾層ITO涂層作為檢測定位的工作層,在四個(gè)角或四條邊上引出四個(gè)電極?；驹砣耸羌傧蟮慕拥匚?零電勢體)，給工作面通上一個(gè)很低的電壓，當(dāng)用戶觸摸屏幕時(shí),手指頭吸收走一個(gè)很小的電流,這個(gè)電流分從觸摸屏四個(gè)角或四條邊上的電極中流出,并且理論上流經(jīng)這四個(gè)電極的電流與手指到四角的距離成比例,控制器通過對這四個(gè)電流比例的精密計(jì)算,得出觸摸點(diǎn)的位置。圖3電容屏特點(diǎn)■對大多數(shù)的環(huán)境污染物有抵抗力。■人體成為線路的一部分，因而漂移現(xiàn)象比較嚴(yán)重?！鰩痔撞黄鹱饔??！鲂杞?jīng)常校準(zhǔn)?！霾贿m用于金屬機(jī)柜?！霎?dāng)外界有電感和磁感的時(shí)候，會使觸摸屏失靈。4.電阻技術(shù)觸摸屏

電阻技術(shù)觸摸屏根據(jù)工作原理分為點(diǎn)陣(數(shù)字)式電阻觸摸屏及模擬式電阻觸摸屏(如圖4);根據(jù)結(jié)構(gòu)和從工作面引出線的多少可以分為4,5,6,8等線電阻屏.圖4結(jié)構(gòu)及原理電阻觸摸屏的屏體部分是一塊與顯示器表面非常配合的多層復(fù)合薄膜，由一層玻璃或有機(jī)玻璃作為基層，表面涂有一層透明的導(dǎo)電層，上面再蓋有一層外表面硬化處理、光滑防刮的塑料層，它的內(nèi)表面也涂有一層透明導(dǎo)電層，在兩層導(dǎo)電層之間有許多細(xì)小(小于千分之一英寸)的透明隔離點(diǎn)把它們隔開絕緣。見圖5。當(dāng)手指觸摸屏幕時(shí)，平常相互絕緣的兩層導(dǎo)電層就在觸摸點(diǎn)位置有了一個(gè)接觸，因其中一面導(dǎo)電層接通Y軸方向的5V均勻電壓場，使得偵測層的電壓由零變?yōu)榉橇?，控制器偵測到這個(gè)接通后，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并將得到的電壓值與5V相比即可得觸摸點(diǎn)的Y軸坐標(biāo)，同理得出X軸的坐標(biāo)。電阻屏特點(diǎn)★它們都是一種對外界完全隔離的工作環(huán)境，不怕灰塵、水汽和油污?！锟梢杂萌魏挝矬w來觸摸，可以用來寫字畫畫，這是它們比較大的優(yōu)勢。★電阻觸摸屏的精度只取決于A/D轉(zhuǎn)換的精度，因此都能輕松達(dá)到4096*4096。圖5觸摸屏的選擇在選擇觸摸屏?xí)r，要考慮使用環(huán)境，使用時(shí)間，面對的服務(wù)對象以及性價(jià)比等因素對觸摸屏各方面性能及市場價(jià)格提出的要求，根據(jù)這些要求選擇一款最合適的觸摸屏。下表是目前市場上流行的各種觸摸屏的性能參數(shù)對比表。四線電阻觸摸屏四線電阻技術(shù)觸摸屏的兩層導(dǎo)電層都是ITO（ITO：氧化銦，弱導(dǎo)電體，特性是當(dāng)厚度降到1800埃（1埃＝10-10米）以下時(shí)會突然變得透明，再薄下去透光率反而下降，到300埃厚度時(shí)透光率又上升。是所有電阻屏及電容屏的主要材料），在每層的兩邊緣各涂一條氧化銀膠，一端加5Ⅴ電壓，一端加0Ⅴ，即能在工作面的一個(gè)方向上形成均勻連續(xù)的平行電壓分布。四線電阻觸摸屏的兩層ITO工作面工作時(shí)都加上5Ⅴ到0Ⅴ的均勻電壓分布場，觸摸屏的引出線共有4條，四線電阻由此得名。見圖6。當(dāng)Y面加豎直方向的電壓場時(shí)，X面作為測量觸摸點(diǎn)電壓的探測層；X面加水平方向的電壓時(shí)，Y面作探測層。四線觸摸屏包含兩個(gè)阻性層。其中一層在屏幕的左右邊緣各有一條垂直總線，另一層在屏幕的底部和頂部各有一條水平總線，如上圖。為了在X軸方向進(jìn)行測量，將左側(cè)總線偏置為0V，右側(cè)總線偏置為VREF。將頂部或底部總線連接到ADC，當(dāng)頂層和底層相接觸時(shí)即可作一次測量。為了在Y軸方向進(jìn)行測量，將頂部總線偏置為VREF，底部總線偏置為0V。將ADC輸入端接左側(cè)總線或右側(cè)總線，當(dāng)頂層與底層相接觸時(shí)即可對電壓進(jìn)行測量。對于四線觸摸屏，最理想的連接方法是將偏置為VREF的總線接ADC的正參考輸入端，并將設(shè)置為0V的總線接ADC的負(fù)參考輸入端。

圖6當(dāng)手指或筆觸摸屏幕時(shí)(圖c)，平常相互絕緣的兩層導(dǎo)電層就在觸摸點(diǎn)位置有了一個(gè)接觸，因其中一面導(dǎo)電層（頂層）接通X軸方向的5V均勻電壓場(圖a)，使得檢測層（底層）的電壓由零變?yōu)榉橇悖刂破鱾蓽y到這個(gè)接通后，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并將得到的電壓值與5V相比即可得觸摸點(diǎn)的X軸坐標(biāo)為（原點(diǎn)在靠近接地點(diǎn)的那端）：Xi=Lx＊Vi/V（分壓原理）同理得出Y軸的坐標(biāo)。這就是四線電阻觸摸屏的最基本原理。下圖顯示了四線觸摸屏檢測觸摸點(diǎn)位置時(shí)的簡化模型。圖a圖b圖c四線電阻觸摸屏的控制

FM7843(ADS7843)是低功耗高速率的4線電阻觸摸屏轉(zhuǎn)換接口芯片。它是一款具有同步串行接口的12位取樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器。采用SSOP-16引腳封裝形式，溫度范圍是-40~85℃。為了完成一次電極電壓切換和A/D轉(zhuǎn)換，需要先通過串口往FM7843發(fā)送控制字，轉(zhuǎn)換完成后再通過串口讀出電壓轉(zhuǎn)換值。圖7是FM7843的封裝圖。表1是FM7843的管腳定義。表2是FM7843的控制字。表3是FM7843的控制字功能描述。表4是FM7843的電源選擇。圖7FM7843表1在實(shí)際電路中，VREF接電壓基準(zhǔn)(一般接地)，X+,X-,Y+,Y-四個(gè)引腳分別接觸摸屏的四條控制線，DIN,DOUT分別接主控器件的串行輸出和輸入端，DCLK接外時(shí)鐘，/PENIRQ,/CS,BUSY根據(jù)用戶需要接主控芯片的控制端。圖8是其基本的應(yīng)用電路接法。在應(yīng)用中，輔助輸入端可以視應(yīng)用情況選擇不接。圖8表2控制字表3控制字功能描述參考配置：采樣x軸坐標(biāo)A2-A0為101，采樣y軸坐標(biāo)A2-A0為001；12位轉(zhuǎn)換結(jié)果；參考電壓輸入模式為差分模式（值0）；允許省電模式。表4電源選擇FM7843的工作時(shí)序?yàn)榱送瓿梢淮坞姌O電壓切換和A/D轉(zhuǎn)換，需要先通過串口往FM7843發(fā)送控制字，轉(zhuǎn)換完成后再通過串口讀出電壓轉(zhuǎn)換值。標(biāo)準(zhǔn)的一次轉(zhuǎn)換需要24個(gè)時(shí)鐘周期。由于串口支持雙向同時(shí)進(jìn)行傳送，并且在一次讀數(shù)與下一次發(fā)控制字之間可以重疊，所以轉(zhuǎn)換速率可以提高到每次16個(gè)時(shí)鐘周期。如果條件允許，CPU可以產(chǎn)生15個(gè)CLK的話(比如FPGAs和ASICs)，轉(zhuǎn)換速率還可以提高到每次15個(gè)時(shí)鐘周期。圖9，10，11分別給出了上述三種時(shí)序。圖9每次對話占用24個(gè)時(shí)鐘的時(shí)序圖

圖10每次對話占用16個(gè)時(shí)鐘的時(shí)序圖圖11每次對話占用15個(gè)時(shí)鐘的時(shí)序圖在電路中,FM7843通過串口與主機(jī)(ARM芯片,DSP芯片,單片機(jī),或其他控制設(shè)備)串行通訊,將來自觸摸屏的電壓信號送交主機(jī)處理.FM7843送回控制器的X與Y值僅是對當(dāng)前觸摸點(diǎn)的電壓值的A/D轉(zhuǎn)換值，它不具有實(shí)用價(jià)值。這個(gè)值的大小不但與觸摸屏的分辨率有關(guān)，而且也與觸摸屏與LCD貼合的情況有關(guān)。而且，LCD分辨率與觸摸屏的分辨率一般來說是不一樣，坐標(biāo)也不一樣，因此，如果想得到體現(xiàn)LCD