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触摸屏分类及原理触摸屏介绍目前触屏的制造商包括美国的ELO、MicroTouch、Keytec公司;英国的Intasolve公司;__的Minato和Carrolltouch、中国__的IngeniousTechnology公司等,主要面向电阻、电容和表面声波屏中国____红外触屏的主要有北京汇冠五线电阻屏较为流行的是美国Elo和Microtouch品牌四线电阻屏较流行的是中国__的四线电阻屏和__南方的国产四线电阻屏1.电阻式触屏很多LCD模块都采用了电阻式触摸屏,这些触摸屏等效于将物理位置转换为代表X、Y坐标的电压值的传感器通常有4线、5线、7线和8线触摸屏来实现,本文详细介绍了SAR结构、四种触摸屏的组成结构和实现原理,以及检测触摸的方法 电阻式触摸屏是一种传感器,它将矩形区域中触摸点XY的物理位置转换为代表X坐标和Y坐标的电压很多LCD模块都采用了电阻式触摸屏,这种屏幕可以用四线、五线、七线或八线来产生屏幕偏置电压,同时读回触摸点的电压 过去,为了将电阻式触摸屏上的触摸点坐标读入微控制器,需要使用一个专用的触摸屏控制器芯片,或者利用一个复杂的外部开关网络来连接微控制器的片上模数转换器ADC夏普公司的LH75400/01/10/11系列和LH7A404等微控制器都带有一个内含触摸屏偏置电路的片上ADC,该ADC采用了一种逐次逼近寄存器SAR类型的转换器采用这些控制器可以实现在触摸屏传感器和微控制器之间进行直接接口,无需CPU介入的情况下控制所有的触摸屏偏置电压,并记录全部测量结果本文将详细介绍四线、五线、七线和八线触摸屏的结构和实现原理,在下期的文章中将介绍触摸屏与ADC的接口与编程原理 触摸屏包含上下叠合的两个透明层,四线和八线触摸屏由两层具有相同表面电阻的透明阻性材料组成,五线和七线触摸屏由一个阻性层和一个导电层组成,通常还要用一种弹性材料来将两层隔开当触摸屏表面受到的压力如通过笔尖或手指进行按压足够大时,顶层与底层之间会产生接触所有的电阻式触摸屏都采用分压器原理来产生代表X坐标和Y坐标的电压分压器是通过将两个电阻进行串联来实现的上面的电阻R1连接正参考电压VREF,下面的电阻R2接地两个电阻连接点处的电压测量值与下面那个电阻的阻值成正比 为了在电阻式触摸屏上的特定方向测量一个坐标,需要对一个阻性层进行偏置将它的一边接VREF,另一边接地同时,将未偏置的那一层连接到一个ADC的高阻抗输入端当触摸屏上的压力足够大,使两层之间发生接触时,电阻性表面被分隔为两个电阻它们的阻值与触摸点到偏置边缘的距离成正比触摸点与接地边之间的电阻相当于分压器中下面的那个电阻因此,在未偏置层上测得的电压与触摸点到接地边之间的距离成正比SAR结构 SAR的实现方法很多,但它的基本结构很简单,该结构将模拟输入电压VIN保存在一个跟踪/保持器中,N位寄存器被设置为中间值即
100...0,其中最高位被设置为1,以执行二进制查找算法因此,数模转换器DAC的输出VDAC为VREF的二分之一,这里VREF为ADC的参考电压之后,再执行一个比较操作,以决定VIN小于还是大于VDAC
1.如果VIN小于VDAC,比较器输出逻辑低,N位寄存器的最高位清0
2.如果VIN大于VDAC,比较器输出逻辑高或1,N位寄存器的最高位保持为1 其后,SAR的控制逻辑__到下一位,将该位强制置为高,再执行下一次比较SAR控制逻辑将重复上述顺序操作,直到最后一位当转换完成时,寄存器中就得到了一个N位数据字四线触摸屏 四线触摸屏包含两个阻性层其中一层在屏幕的左右边缘各有一条垂直总线,另一层在屏幕的底部和顶部各有一条水平总线,见图4为了在X轴方向进行测量,将左侧总线偏置为0V,右侧总线偏置为VREF将顶部或底部总线连接到ADC,当顶层和底层相接触时即可作一次测量 为了在Y轴方向进行测量,将顶部总线偏置为VREF,底部总线偏置为0V将ADC输入端接左侧总线或右侧总线,当顶层与底层相接触时即可对电压进行测量图5显示了四线触摸屏在两层相接触时的简化模型对于四线触摸屏,最理想的连接方法是将偏置为VREF的总线接ADC的正参考输入端,并将设置为0V的总线接ADC的负参考输入端五线触摸屏 五线触摸屏使用了一个阻性层和一个导电层导电层有一个触点,通常在其一侧的边缘阻性层的四个角上各有一个触点为了在X轴方向进行测量,将左上角和左下角偏置到VREF,右上角和右下角接地由于左、右角为同一电压,其效果与连接左右侧的总线差不多,类似于四线触摸屏中采用的方法 为了沿Y轴方向进行测量,将左上角和右上角偏置为VREF,左下角和右下角偏置为0V由于上、下角分别为同一电压,其效果与连接顶部和底部边缘的总线大致相同,类似于在四线触摸屏中采用的方法这种测量算法的优点在于它使左上角和右下角的电压保持不变;但如果采用栅格坐标,X轴和Y轴需要反向对于五线触摸屏,最佳的连接方法是将左上角偏置为VREF接ADC的正参考输入端,将左下角偏置为0V接ADC的负参考输入端七线触摸屏 七线触摸屏的实现方法除了在左上角和右下角各增加一根线之外,与五线触摸屏相同执行屏幕测量时,将左上角的一根线连到VREF,另一根线接SAR ADC的正参考端同时,右下角的一根线接0V,另一根线连接SARADC的负参考端导电层仍用来测量分压器的电压八线触摸屏 除了在每条总线上各增加一根线之外,八线触摸屏的实现方法与四线触摸屏相同对于VREF总线,将一根线用来连接VREF,另一根线作为SAR ADC的数模转换器的正参考输入对于0V总线,将一根线用来连接0V,另一根线作为SAR ADC的数模转换器的负参考输入未偏置层上的四根线中,任何一根都可用来测量分压器的电压检测有无接触 所有的触摸屏都能检测到是否有触摸发生,其方法是用一个弱上拉电阻将其中一层上拉,而用一个强下拉电阻来将另一层下拉如果上拉层的测量电压大于某个逻辑阈值,就表明没有触摸,反之则有触摸这种方法存在的问题在于触摸屏是一个巨大的电容器,此外还可能需要增加触摸屏引线的电容,以便滤除LCD引入的噪声弱上拉电阻与大电容器相连会使上升时间变长,可能导致检测到虚假的触摸 四线和八线触摸屏可以测量出接触电阻,即图5中的RTOUCHRTOUCH与触摸压力近似成正比要测量触摸压力,需要知道触摸屏中一层或两层的电阻图6中的公式给出了计算方法需要注意的是,如果Z1的测量值接近或等于0在测量过程中当触摸点靠近接地的__线时,计算将出现一些问题,通过采用弱上拉方法可以有效改善这个问题2.表面声波触屏原理 表面声波触摸屏是利用声波可以在刚体表面传播的特性设计而成以X轴为例,控制电路产生发射__(电__),该电__经玻璃屏上的X轴发射换能器转换成厚度方向振动的超声波,超声波经换能器下的楔形座折射产生沿玻璃表面传播的分量超声波在前进途中遇到45度倾斜的反射线后产生反射,产生和入射波成90度、和Y轴平行的分量,该分量传至玻璃屏X方向的另一边也遇到45度倾斜的反射线,经反射后沿和发射方向相反的方向传至X轴接收换能器X轴接收换能器将回收到的声波转换成电__控制电路对该电__进行处理得到表征玻璃屏声波能量分布的波形有触摸时,手指会吸收部分声波能量,回收到的__会产生衰减,程序分析衰减情况可以判断出X方向上的触摸点坐标同理可以判断出Y轴方向上的坐标,X、Y两个方向的坐标一确定,触摸点自然就被唯一地确定下来 声波屏设计的精妙之处在于每个方向只用一对换能器便能侦测整个触摸面,而且分辨率可达4096之高;不像红外触摸屏,每个方向至少需要几十对发射/接收管,随着屏尺寸的增大或分辨率的提高,需要成比例地增加发射/接收管对的数量其实现关键在于反射阵列,反射阵列精密准确的间距分布保证了回收__的一致由于__衰减程度和手指触摸力度直接相关,声波屏还能响应Z轴座标,即触摸力度,这在某些情形下变得很有用,很有趣优势 1、光学性能最好清晰度和透光率最高,反光最少,无色彩失真,这是因为声波屏屏体为纯玻璃,不像电阻屏有多层复合膜;电容屏更是镀了一层膜在表面,透光性更差 2、防刮擦、抗野蛮使用声波屏表面即使划伤,只要不是很深,一样正常工作,电阻屏就没办法做到这一点,用刀片一划即坏 3、不怕电磁干忧,无漂移声波是机械振动,不受电磁__影响,不象电容屏,易受电场或磁场影响而产生漂移 4、分辨率高,可达4096X4096,响应速度快 5、使用寿命长,单点触摸达5000万次这是显而易见的,声波屏主体是纯玻璃,不象电容屏或电阻屏要在玻璃上做镀膜或覆多层膜之类的__,这些__又受制于透光和触摸等多种因素,__之后的玻璃屏显然不如纯玻璃屏那么耐用电阻屏和电容屏都很容易出现同一软件用久之后某些点触摸迟钝或不能触摸的情况,这是因为同一软件往住某些点频繁操作率先老化,但声波屏不会 6、缺点主要是受灰尘和水滴、油污等影响,需要定期清洁反射阵列但使用我公司的防尘防水屏便可避免这些问题7、声波屏的另一大优势就是成本低,原因有二一是国内已完全掌握了该技术,国产自然就成本低;二是设计精巧,每个方向只用一对换能器,大大降低了成本尤其10英寸以上的触摸屏,声波屏具有显著的成本优势,而且尺寸越大优势越大3.电容式触屏 电容式触摸屏的构造主要是在玻璃屏幕上镀一层透明的薄膜体层,再在导体层外加上一块保护玻璃,双玻璃设计能__保护导体层及感应器 电容式触摸屏在触摸屏四边均镀上狭长的电极,在导电体内形成一个低电压交流电场在触摸屏幕时,由于人体电场,手指与导体层间会形成一个耦合电容,四边电极发出的电流会流向触点,而电流强弱与手指到电极的距离成正比,位于触摸屏幕后的控制器便会计算电流的比例及强弱,准确算出触摸点的位置电容触摸屏的双玻璃不但能保护导体及感应器,更有效地防止外在环境因素对触摸屏造成影响,就算屏幕沾有污秽、尘埃或油渍,电容式触摸屏依然能准确算出触摸位置 由于电容随温度、湿度或接地情况的不同而变化,故其稳定性较差,往往会产生漂移现象该种触摸屏适用于系统__的调试阶段(主要代表有美国MicroTouch公司)电容触摸屏的缺陷电容触摸屏的透光率和清晰度优于四线电阻屏,当然还不能和表面声波屏和五线电阻屏相比电容屏反光严重,而且,电容技术的四层复合触摸屏对各波长光的透光率不均匀,存在色彩失真的问题,由于光线在各层间的反射,还造成图像字符的模糊电流 电容屏在原理上把人体当作一个电容器元件的一个电极使用,当有导体靠近与夹层ITO工作面之间耦合出足够量容值的电容时,流走的电流就足够引起电容屏的误动作我们知道,电容值虽然与极间距离成反比,却与相对__成正比,并且还与介质的的绝缘系数有关因此,当较大__的手掌或手持的导体物靠近电容屏而不是触摸时就能引起电容屏的误动作,在潮湿的天气,这种情况尤为严重,手扶住显示器、手掌靠近显示器7厘米以内或身体靠近显示器15厘米以内就能引起电容屏的误动作电容屏的另一个缺点用戴手套的手或手持不导电的物体触摸时没有反应,这是因为增加了更为绝缘的介质漂移电容屏更主要的缺点是漂移当环境温度、湿度改变时,环境电场发生改变时,都会引起电容屏的漂移,造成不准确例如开机后显示器温度上升会造成漂移用户触摸屏幕的同时另一只手或身体一侧靠近显示器会漂移;电容触摸屏附近较大的物体搬移后回漂移,你触摸时如果有人围过来观看也会引起漂移;电容屏的漂移原因属于技术上的先天不足,环境电势面(包括用户的身体)虽然与电容触摸屏离得较远,却比手指头__大的多,他们直接影响了触摸位置的测定其他 此外,理论上许多应该线性的关系实际上却是非线性,如体重不同或者手指湿润程度不同的人吸走的总电流量是不同的,而总电流量的变化和四个分电流量的变化是非线性的关系,电容触摸屏采用的这种四个角的自定义极坐标系还没有坐标上的原点,漂移后控制器不能察觉和恢复,而且,4个A/D完成后,由四个分流量的值到触摸点在直角坐标系上的X、Y坐标值的计算过程复杂由于没有原点,电容屏的漂移是累积的,在工作现场也经常需要校准电容触摸屏最外面的矽土保护玻璃防刮擦性很好,但是怕指甲或硬物的敲击,敲出一个小洞就会伤及夹层ITO,不管是伤及夹层ITO还是__运输过程中伤及内表面ITO层,电容屏就不能正常工作了4.红外线触屏该技术是指通过红外__射与接收感测元件在透明介质上形成红外线探测网,利用触摸体阻隔红外线的工作方式进行坐标点测定工作的技术现在的红外触屏在技术性能参数上已基本达到其他触屏的水平红外线式触屏__简单,只需为显示器加上光点距架框,无需在屏幕表面加上涂层或接驳控制器光点距架框的四边排列了红外__射管及接收管,在屏幕表面形成一个红外线网用户以手指触摸屏幕某一点,便会挡住经过该位置的横竖两条红外线,计算机便可即时算出触摸点位置外界光线变化,如阳光或室__灯等均会影响红外线触屏的准确度,且它不防水及污物,甚至细小的外来物也会导致误差,不适宜放置于户外原理红外线触摸屏原理很简单,只是在显示器上加上光点距架框,无需在屏幕表面加上涂层或接驳控制器光点距架框的四边排列了红外__射管及接收管,在屏幕表面形成一个红外线网以手指触摸屏幕某一点,便会挡住经过该位置的横竖两条红外线,计算机便可即时算出触摸点位置因为红外触摸屏不受电流、电压和静电干扰,所以适宜某些恶劣的环境条件其主要优点是__低廉、__方便、不需要卡或其它任何控制器,可以用在各档次的计算机上不过,由于只是在普通屏幕增加了框架,在使用过程中架框四周的红外__射管及接收管很容易损坏特点1高度的稳定性,不会因时间、环境的变化产生飘移2高度的适应性,不受电流、电压和静电干扰,适宜某些恶劣的环境条件(防爆,防尘) 3高透光性无中间介质,最高可达标100% 4使用寿命长,高度耐久,不怕刮伤,触控寿命也长 5使用特性好,触摸无须力度,对触摸体无特殊要求6在XP下支持模拟2点,在WIN7支持真2点, 7支持U__、串口输出, 8分辨率是4096(W)*4096D9操作系统兼容性好Win2000/XP/98ME/NT/VISTA/X86/LINUX/Win7 10触摸直径>=5mm11会受到强红外线干扰,如遥控器、高温物体、阳光或白炽灯等红外源照射红外接收管、12会受到强电磁干扰,如变压器等各种触摸屏的比较 1电阻触摸屏 -不怕水、污 -具有小尺寸的成本优势,适用于工控产品、个人便携产品 -怕划伤,透光率低,低温迟钝2表面声波触摸屏 -新的好用,适用于短期产品 -怕水、怕灰,需要维护 -发射换能器易碎,存在返修率 3电容触摸屏 -漂移,易部分失效 -人体成为线路的一部份,戴手套不作用 -对湿度、温度、接地等环境要求高 4红外触摸屏 -稳定性欠佳 -外置或内置,不影响显示器外观,可适应大尺寸屏幕 -可能被光干扰 -防暴性能好 -任意物体触摸-完全封闭免维护,适应恶劣环境-__完成后完全免维护。