Slik kan pålitelige berøringsskjermer raskt implementeres

En berøringsskjerm er i økende grad å foretrekke fremfor et tastatur og en mus som MMI-grensesnitt (MMI – menneske-maskin-interaksjon) for programmering, konfigurering og styring av forbruker-, bedrifts- og industrisystemer. Berøringsskjermer er intuitive, raske og har et enkelt integrert grensesnitt som erstatter en kombinasjon av inngangsenheter. De tilbyr også økt bekvemmelighet for personer med fysiske utfordringer, og de kan gjøres forholdsvis kompakte.

De mange bruksområdene for berøringsskjermer gjør at de må være robuste, kunne betjenes med en finger, enten bar eller med hanske, og de må være kostnadseffektive. Resistive berøringsskjermer oppfyller disse kravene, men konstruktører må være i stand til å komme raskt på markedet med hyllevareløsninger som består av en berøringsskjerm som er tilpasset en egnet styreenhet. De må også forstå forskjellene mellom 4- og 5-leders resistive berøringsskjermgrensesnitt.

Denne artikkelen tar kort for seg resistive berøringsskjermer. Den introduserer deretter eksempler på berøringsskjermer og styreenheter fra NKK Switches, og viser hvordan disse kan brukes i designprosessen.

Slik fungerer resistive berøringsskjermer

Resistive berøringsskjermer er frittstående komponenter som ligger over en flatskjerm. Når en berøringsskjerm kombineres med en styreenhet kan brukere samhandle med de viste symbolene ved å berøre bestemte områder. En berøringsskjerm kan detektere den nøyaktige posisjonen til en finger- eller pekepennberøring. Brukerorientert programvare fastsetter deretter hvilke ytterligere skjermhandlinger som skal utføres basert på denne posisjonen.

Resistive berøringsskjermer er egnet for ulike forbruker-, detaljhandels-, bedrifts-, industri- og medisinrelaterte bruksområder, fordi de er billige, robuste og kan betjenes med en finger, enten bar eller med hanske, eller en pekepenn. Teknologien bruker en deformerbar plastfilm som er belagt på baksiden med et ledende lag, for eksempel indiumtinnoksid (ITO). Baksiden av berøringsskjermen består av et glass- eller akrylpanel, som inkluderer et ITO-lag på forsiden.

Ikke-ledende avstandsstykker skiller plastfilmen fra glass- eller akrylpanelet. Når plastfilmen trykkes med en finger eller pekepenn med en kraft på en eller to newton (N), kommer filmen i kontakt med støttepanelet og lukker som et resultat en bryter i det lokale trykkområdet. Styringskortet, som har en fire- eller femleders kontakt tilkoblet, kan fastsette plasseringen til den lukkede bryteren, og programvaren reagerer i henhold til denne posisjonen (figur 1).

Figur 1: Resistive berøringsskjermer fungerer ved å bruke en berøring til å trykke sammen to ledende overflater. (Bildekilde: NKK Switches)

Resistive berøringsskjermer er populære når kostnader, robusthet og drift med hansker eller ikke-ledende pekepenner er viktig. De er vanligvis i stand til å levere millioner eller til og med titalls millioner handlinger uten feil. Resistive berøringsskjermer kan også produseres slik at de beskytter mot vann og kjemisk sprut.

Forskjellen på 4- og 5-leders berøringsskjermkonfigurasjoner

En 4-leders berøringsskjerm bruker to elektroder på bunnplaten og to på topplaten. På bunnplaten er elektrodene plassert langs Y-aksen, slik at motstanden kan måles langs X-aksen. Tilsvarende har topplaten kantelektroder som er plassert langs X-aksen, slik at motstanden kan måles langs Y-aksen (figur 2).

Figur 2: 4-leders resistive berøringsskjermer bruker to kantelektroder på bunnplaten og to på toppplaten. Parene er plassert vinkelrett på hverandre, og gjør det mulig å fastsette XY-posisjonen til en berøring. (Bildekilde: NKK Switches)

Ved punktet for fingerkontakt, deler bunnlaget i realiteten topplaget i to motstander i serie. Bunnlaget er på samme måte delt ved kontaktpunktet med topplaget. Med egnet forspenning kan hver plate fungere som en deler, der utgangsspenningen representerer kontaktpunktets koordinater.

I et 5-ledersystem har topplaten fire kantelektroder, og fungerer som den spenningsfølende noden. De fire hjørnene på bunnplaten danner elektroder som produserer spenningsgradienter i X- og Y-retningen. Forskjellige forspenningskonfigurasjoner brukes til å skaffe X- og Y-retningsmålingene (figur 3).

Figur 3: 5-leders resistive berøringsskjermer bruker fire hjørneelektroder på bunnplaten til å produsere spenningsgradienter i X- og Y-retningen og to par kantelektroder på toppplaten til å registrere spenning. (Bildekilde: NKK Switches)

I konstruksjonen med 5 ledere, er det bare bunnplaten som er aktiv. Dette betyr at hvis topplaten skulle bli skadet, kan berøringsskjermen fortsatt brukes. Til sammenligning er begge platene på berøringsskjermen med 4 ledere aktive, og skader på topplaten kan føre til at berøringsskjermen svikter. Berøringsskjermen med 5 ledere har en tendens til å være mer holdbar, men kompromisset er økt konstruksjonskompleksitet og høyere konstruksjonskostnader.

Kommersielle resistive berøringsskjermløsninger

For å minimere kompleksiteten og akselerere tiden det tar å få det ferdige produktet ut på markedet, har NKK utprøvd kommersielle løsninger for både berøringsskjermen og den tilknyttede styreenheten. Konstruktøren har fortsatt muligheten til å skaffe en berøringsskjerm fra NKK og samsvare den med en styreenhet fra en annen leverandør, eller bruke en av sine egne.

FT-serien fra NKK er et utmerket eksempel på resistive berøringsskjermer. Serien er tilgjengelig i en rekke skjermstørrelser, fra 5,7 til 15,6 tommer (diagonalt), og den tilbys i både 4- og 5-leders konfigurasjoner med en berøringsaktiveringskraft på 1,4 N (tabell 1). Begge versjonene har en fleksibel kretshale som kobles til et styringskort.

Tabell 1: En sammenligning av 4- og 5-leders resistive berøringsskjermer viser at versjonen med 5 ledere gir lengre levetid, målt i antall trykkhandlinger. (Bildekilde: NKK Switches)

FTAS00-5.7AS-4A er en 4-leders, 5,7-tommers modell som trekker 1 milliampere (mA) ved 5 volt likestrøm (VDC), har en XY-resistiv verdi på 250 til 850 ohm (Ω), en linearitet på 1,5 % og en isolasjonsimpedans på 10 megaohm (MΩ). Berøringsskjermens forventede driftslevetid er 50 000 skrivehandlinger eller én million trykkhandlinger.

FTAS00-10.4A-5 er en 5-leders, 10,4-tommers modell som trekker 1 mA ved 5,5 VDC, har en XY-resistiv verdi på 20 til 80 Ω, en linearitet på 2 % og en minimum isolasjonsimpedans på 10 MΩ. Den driftsmessige levetiden er 50 000 skrivehandlinger eller 10 millioner trykkhandlinger.

For både 4- og 5-leders berøringsskjermprodukter, tilbyr NKK en styreenhet med enten et RS232C- eller USB-grensesnitt. Styringskortene leveres med enhetsdriverprogramvare som er kompatibel med Windows 7, 8 og 10. FTCS04C og FTCU04B er henholdsvis RS232C- og USB-grensesnittstyringskortene for NKK 4-leders berøringsskjermer, mens FTCS05B og FTCU05B er ekvivalenter for 5-leders berøringsskjermer.

Komme i gang med en resistiv berøringsskjerm

Konstruksjonsprosessen er lik for 4- og 5-leders berøringsskjermer. Kjernen i RS232C og USB 4-leders styringskort er FTCSU548-styringsbrikken. Denne 48-pinners LFQFP IC-en har et asynkront serielt grensesnitt og et USB 2.0-grensesnitt med full hastighet. Den drives av en forsyning på 3,3–5 volt for RS232C-styring eller en 5-voltsforsyning for USB, med en nominell utgangsstrøm på 170 mA, en driftsfrekvens på 16 megahertz (MHz) og en analog-til-digital-omformer-oppløsning (ADC – analog-to-digital converter) på 10 bits. Brikken har en integrert kalibreringsfunksjon.

Når berøringsskjermen trykkes, fastsetter styrings-IC-en koordinatene ved å bruke verdien til den analoge spenningen som detekteres av A-D-omformeren, og videresender dem til vertsdatamaskinen via RS232C- eller USB-grensesnittet (figur 4).

Figur 4: FTCSU548-styrings-IC-en (IC1) er montert på FTCU04B-styringskortet (4-leders USB). CN1 (venstre) er kontakten for berøringsskjermens 4-leders fleksible kretshale. (Bildekilde: NKK Switches)

Berøringsskjermens 4-leders fleksible kretshale er koblet til styringskortet via CN1. Styringskortet kobles til vertsdatamaskinen via CN4. CN4 USB-grensesnittet forsyner også strøm til kortet. Verten kjører programvaren for enhetsdriveren og berøringsskjermens brukerorienterte programvare (figur 5).

Figur 5: Her vises en vanlig konfigurasjon for et 4-leders USB-styringskort og en vertsdatamaskin. (Bildekilde: NKK Switches)

Designtips

Den resistive berøringsskjermen krever kalibrering ved installasjon. FTCSU548-styrings-IC-en har en integrert kalibreringsfunksjon. Styrings-IC-en må først angis til «kildedatamodus» for å kalibrere. Datamaskinen angir deretter et referansepunkt (P1) på berøringsskjermen som operatøren trykker på med en pekepenn, og A-D-omformerens spenningsinformasjon sendes til datamaskinen via styringskortet. Prosessen gjentas med et andre punkt (P2) i et fjerntliggende berøringsskjermområde. De fysiske koordinatene til P1 og P2 sendes til datamaskinen som et nummer med åtte byte. Berøringsskjermen angis deretter til «kalibreringsdatamodus», og den brukerorienterte programvaren bruker spenningen og koordinatavlesningen for de to kjente punktene, pluss en innebygd «0,0»-referanse, til å interpolere alle andre koordinater i kalibreringsdatamodusområdet (figur 6).

Figur 6: Kalibrering er nødvendig under den innledende konfigurasjonen, og periodisk etterpå, fordi motstanden endres etter hvert som berøringsskjermen blir eldre. (Bildekilde: NKK Switches)

Skjermens motstand endres etter hvert som den blir eldre, så omkalibrering er nødvendig gjennom hele driftslevetiden.

Det er viktig å inkludere jording for skjermens ramme for å forhindre elektromagnetisk interferens (EMI). Det er også mulig at den innledende kontaktmotstanden fra en finger kan forårsake «hakking» (chatter). For å forhindre hakking kan en integrert forsinkelse brukes til å la spenningen falle på plass før systemet beregner koordinatene.

Konstruktører må også være forsiktige med å inkludere programvare som instruerer brukere til å berøre to berøringsskjermområder samtidig. Teknologien kan ikke håndtere to separate berøringer, så den vil bruke et midtpunkt mellom dem som standard. Til slutt vil brudd dukke opp over skjermens avstandsstykke når en linje tegnes på en skjerm med en pekepenn, som skiller de to lagene. Konstruktører bør sørge for at den brukerorienterte programvaren fyller disse hullene.

Konklusjon

Resistive berøringsskjermer er egnet som HMI-er i konstruksjoner der kostnader, robusthet og drift med en bar eller hanskebelagt hånd eller ikke-ledende pekepenn er viktig. For å forenkle implementeringen, inkluderer kommersielle løsninger fra NKK berøringsskjermoverlegget, styringskort med en dedikert styrings-IC og enhetsdriverprogramvare.