Данная статья описывает конструкции, теорию работы и использования трёх типов аналоговых резистивных сенсорных экранов использующих LCD дисплеи фирмы HANTRONIX. Статья содержит информацию об интерфейсе экранов с хост процессорами и помогает в осуществлении выбора типа аналогового сенсорного экрана для конкретных применений.

Общие понятия

Аналоговые сенсорные экраны, поддерживающие LCD мониторы фирмы HANTRONIX, изготавливаются трёх типов, 4-х проводные, 5-ти проводные и 8-и проводные. Каждый из типов имеет свои достоинства и недостатки и предназначен для определённых применений. Выбор наилучшего типа под конкретное применение будет рассмотрен далее.
Все аналоговые сенсорные экраны состоят из трёх слоёв, гребенчатого, гибкого и разделяющего слоя. Гибкий слой расположен с наружной стороны непосредственно к пользователю. Внутренние поверхности гребенчатого и гибкого слоёв покрыты резистивной плёнкой, как правило, оксидом индия (ITO). При нажатии на поверхность гибкого слоя, его контактная сторона касается контактной стороны гребенчатого слоя, создавая электрическое соединение в точке прикосновения. Измерение сопротивления контакта позволяет определить точку касания.

4-х проводный аналоговый сенсорный экран

Активный слой сенсорного экрана 4-х проводного типа состоит из проводящего (резистивного) покрытия равномерно распределённого по поверхности панели. Проводящее поле панели имеет серебрёные выводы по противоположным краям панели. Выводы гребенчатого и гибкого слоёв расположены перпендикулярно друг другу.
Измерения проводятся приложением градиента напряжения вдоль одного слоя и снятием напряжения на другом слое. Такое измерение проводится дважды, один раз приложением градиента вдоль гребенчатого слоя и снятием напряжения на гибком слое, второй раз приложением градиента вдоль гибкого слоя и снятием напряжения на гребенчатом слое. Градиент напряжения на слое создаётся заземлением одного вывода слоя и подачей напряжения +5 В на другой вывод слоя. Такое соединение обеспечивает равномерный градиент напряжения вдоль одной координаты панели. На рис.1 показаны электрические соединения и график градиента напряжения.
В 4-х проводном сенсорном экране для определения точки нажатия требуется произвести два независимых измерения, одно вдоль оси X (слева направо) и второе вдоль оси Y (сверху вниз).
На рис.2 иллюстрируется формирование градиента и снятие напряжения.
Переключение напряжений на 4 вывода экрана осуществляется с помощью матрицы полевых транзисторов с малым сопротивлением открытого канала, а измерение напряжений с помощью АЦП. Хост микроконтроллер системы управляет обоими процессами переключения и измерения. При использовании слоя для измерения напряжения контакта все питающие напряжения с него должны быть сняты.
Сопротивления выводов и цепей подключения приводят к ошибкам (смещения) при измерении напряжений. Эти смещения могут дрейфовать при изменении температуры, влажности и времени. Если сенсорный экран используется с помощью прикосновений пальцев оператора, смещения могут иметь малые искажения, вызванные большими размерами пальцев, но этими искажениями часто можно пренебрегать. Если же экран используется со стилусом для ввода рисунков или сигнатур изображений, эти смещения должны приниматься в расчёт. Учёт смещений может осуществляться периодической калибровкой экрана или применением 8-и проводного типа экрана.
8-и выводные аналоговые сенсорные экраны

8-и выводные сенсорные экраны с помощью дополнительных 4-х опорных выводов успешно компенсируют дрейф смещения. Это достигается непосредственным измерением напряжения на серебрёных выводах экрана. 8-и выводной сенсорный экран может быть использован и в 4-х проводном режиме соединением опорных и питающих выводов вместе. Использование экранов этого типа не исключает необходимости начальной калибровки сенсоров, но исключает необходимость дополнительных калибровок.
Положительный эффект 8-и проводных сенсорных экранов достигается применением относительных аналого-цифровых преобразований измеряемого напряжения, сопровождаемое подачей опорного напряжения непосредственно с выводов сенсорного экрана на опорные входы АЦП. Принцип этих измерений показан на рис.3.
5-и выводной сенсорный экран

5-и выводной сенсорный экран отличается от 4-х проводного тем, что градиент напряжения создаётся только на одном, гребенчатом слое, в то время как другой слой используется в качестве сенсорного для осуществления обоих измерений. На рис.4 показан принцип этих измерений.
Процесс измерений осуществляется следующим образом. На первом этапе градиент напряжения создаётся по оси X, и производится первое измерение. Затем градиент переключается по оси Y, и производится второе измерение. При этом градиенты создаются на одном нижнем слое, переключением питающего напряжения на перпендикулярные выводы, а измерение напряжения с помощью одного верхнего сенсорного слоя.
Задачи контроллера сенсорного экрана:

• Переключения питания и сенсоров на соответствующие слои матрицы.
• Передача измеряемых напряжений на входы АЦП.
• Преобразование напряжений в цифровые коды
• Передача информации в хост процессор

Уточним каждую из перечисленных задач отдельно.
Переключения. Эта задача состоит в правильной подаче напряжения питания и земли на соответствующие слои для 4-х и 5-и проводных экранов, и соответствующие выводы слоя 5-и проводного экрана.
Передача напряжений. Эта задача обычно выполняется мультиплексером для 4-х и 5-и проводных экранов. В 5-и проводных экранах потребности в мультиплексере нет, поскольку измерения проводятся по одному чувствительному слою.
Аналогоцифровое преобразование. Уровень напряжения с сенсорного слоя преобразуется в цифровой код в АЦП.
Передача информации. Выход АЦП при необходимости преобразуется и защелкивается в данном элементе. Он так-же может изменяться на последовательный поток данных, если этого требует разрабатываемое устройство.
На рис.5 приведена блок диаграмма типового контроллера сенсорного экрана.
Вопросы конструирования контроллеров сенсорных экранов:
Существует ряд вопросов требующих своего решения и множество вариантов требующих правильного выбора при разработке контроллеров сенсорных экранов. Эти проблемы мы и обсудим далее.
Электростатические разряды (ESD) и шум. Электростатические разряды обычно не являются больщой проблеиой, поскольку гибкий наружный слой экрана является хорошим диэлектриком.
Шум может приводить к помехам и поэтому необходимо принимать определённые меры для его уменьшения. Гибкий кабель, соединяющий сенсорный экран должен прокладываться вдали от источников шума, таких как инвертор напряжения ламп подсветки экрана. Помехоподавляющий конденсатор должен подключаться между выводом сенсорного экрана и цепью земли.
Разрядность АЦП. Этот выбор диктуется в основном применением. Если сенсорный экран используется в качестве интерфейса человек-машина, и контакт обеспечивается с помощью пальца оператора, разрядность АЦП может быть достаточно небольшой. Например,если длина панели составляет величину 6 дюймов (около 15 см), разрешение сенсора 0.2 дюйма (~ 5 мм), что нормально для пальца, то АЦП должен различать 30 позиций. 32 точки могут разрешаться с помощью только 5 двоичных бит, такой разрядности АЦП вполне достаточно для нашего примера. Скорость выборок в 10 точек в секунду также достаточна для такого применения.
Рассмотрим другой пример, когда требуется воспроизведение подписи. На экране дисплея должна появиться подпись, нанесённая на сенсорном экране. Дисплей должен быть четверть VGA (320х240) LCD. Для наиболее точного воспроизведения подписи пользователя сенсорный экран должен иметь разрешение не меньше разрешения LCD панели, для нашего случая 320 точек. Это означает, что разрядность АЦП должна быть не менее 9 бит (512 уровней).
Производительность контроллера сенсорного экрана в данном примере должна быть значительно выше предыдущего, поскольку отображаемое изображение не должно отставать от движения стилуса и все движения последнего должны воспроизводиться на экране. Производительность в 100 выборок в секунду достаточна для таких применений.
Контакт между слоями сенсорного экрана имеет склонность к мерцанию. Этот эффект может устраняться двумя путями, либо схеммными решениями контроллера, либо программными методами в хост процессоре. Наиболее дешёвым способом можно считать программный метод.
Обычно сенсорный экран сканируется непрерывно для отображения любого прикосновения. Для упрощения процесса непрерывное сканирование осуществляется по одной оси. При обнаружении контакта по одной оси через небольшую задержку осуществляется полное двухмерное измерение. Может осуществляться и множество измерений с последующим осреднением.

Калибровка контроллера

Величина сопротивления резистивного покрытия сенсорного экрана сильно изменяется от образца к образцу, может также изменяться под воздействием окружающей среды и во времени.
Температура и влажность окружающей среды могут сильно изменить резистивные характеристики покрытия, что в свою очередь исказит результаты измерения позиции касания сенсорного экрана. Временной дрейф свойств покрытия и калибровки контроллера также искажают результаты измерений. В результате этих искажений физическая ориентация сенсоров относительно экрана LCD сильно изменяется от образца к образцу.
Во избежание подобных искажений обычно требуется начальная калибровка сенсорного экрана, в критических случаях для поддержания высокой точности требуется преиодически повторяющаяся процедура калибровки. Тип необходимой калибровки диктуется конкретным применением экрана.
Например, сенсорный экран с ручным касанием на малом LCD индикаторе может требовать 10% точности позиционирования точки касания относительно эккрана. Суммарная ошибка позиционирования от смещений во времени и начальных характеристик такого экрана, как правило, укладывается в пределах 5%. Для такого экрана калибровка может и не потребоваться.
Во втором примере потребуем реализацию функции воспроизведения подписи на 5 дюймовом LCD с разрешением 320x240 точек, где потребуется точность позиционирования в один пиксел за время эксплуатации прибора. Данное применение требует полной точности позиционирования точки касания относительно экрана не более 0.3%. Очевидно, что для такого применения калибровка просто необходима.
Процедура калибровки экрана может быть выполнена в следующем порядке. Сначала на экране засвечивается пиксел возле одного угла экрана, оператор устанавливает стилус в указанную точку. Результаты измерений запоминаются в памяти контроллера. Затем такая процедура повторяется для второй точки расположенной в противоположном угле экрана. Записанные данные представляют точные позиции двух точек на экране LCD. По данным координатам легко вычисляются масштабирующие коэффициенты для вычисления координат любой точки на экране LCD.
Для 8-и выводных экранов обычно необходимо выполнение начальной калибровки, данной процедуры, как правило, достаточно и дополнительные калибровки впроцессе эксплуатации не требуются.

Реализация контроллера

Реализация контроллера сенсорного экрана может быть осуществлена множеством способов. Наиболее популярный метод обсудим далее.
Возможно построение контроллера на одном кристалле встроенного процессора. Такое решение требует минимума дополнительных компонентов и обеспечивает вычисление позиции непосредственно в микропроцессоре.
Дешёвое и высокоточное решение может быть достигнуто применением микроконтроллера со встроенным АЦП. Матрица ключей выполненных на полевых транзисторах может управляться непосредственно от микропроконтроллера. Такая схема требует всего несколько дешёвых внешних компонентов и работает под управлением программы микроконтроллера. Такая техника принята для большинства устройств “ цифровых электронных помощников” (PDA).
Многие применения, исползующие встроенные персональные компьютеры, работающие под управлением операционных систем типа Windows, могут использовать готовые платы контроллеров сенсорных экранов. Такие платы, обычно, обеспечивают цифровой поток измерений позиций на ПК как последовательные данные на COM или USB порт. Дополнительный драйвер эмулирует стандартную мышь в качестве сенсора экрана под управлением рабочего интерфейса компьютера. Такие системы популярны в промышленных применениях.

Заключение

Аналоговые резистивные сенсорные экраны из всех доступных технологий являются наиболее общими и гибкими. Такая технология применима во всех устройствах и инструментах использующих LCD дисплеи, где требуется интуитивное взаимодействие машины и человека.