Tento článek se věnuje dotykovým odporovým obrazovkám, vysvětlí rozdíl mezi 4 a 5 vodičovou variantou a představí příklady dotykových obrazovek a řídících desek od NKK Switches.
Jak fungují odporové dotykové obrazovky
Odporová dotyková obrazovka je samostatné část, která překrývá displej. Ve spojení s řídící deskou umožňuje uživatelům interagovat se zobrazenými symboly dotykem konkrétních oblastí. Dotyková obrazovka dokáže zjistit přesnou polohu dotyku prstu nebo stylusu. Aplikační software pak určí, jaké další akce na obrazovce by se měly provést na základě této dotykové pozice. Odporové dotykové obrazovky jsou vhodné pro širokou škálu aplikací jako jsou spotřebitelské, maloobchodní, podnikové, průmyslové ale i lékařské aplikace, protože jsou levné, odolné a lze je ovládat jak holým prstem, stylusem tak i rukou v rukavici.
Technologie využívá deformovatelnou plastovou fólii, která je na zadní straně potažena vodivou vrstvou oxidu india a cínu (ITO). Zadní strana dotykové obrazovky je tvořena skleněným nebo akrylovým panelem, který obsahuje na přední straně vrstvu ITO. Nevodivé distanční body oddělují plastovou fólii od skleněného nebo akrylového zadního panelu. Když je plastová fólie stlačena silou jednoho nebo dvou newtonů, fólie se dotkne zadního panelu a vytvoří propojení obou vodivých vrstev v místě tlaku. Řídicí deska s připojeným čtyř nebo pěti vodičovým konektorem určí umístění sepnutého spínače a software pak podle souřadnic dotyku reaguje (obrázek 1).
Obrázek 1: Odporové dotykové obrazovky fungují tak, že pomocí dotyku přitlačí k sobě dva vodivé povrchy. (Zdroj obrázku: NKK Switches)
Odporové dotykové obrazovky jsou oblíbené tam, kde je zásadní cena, robustnost a ovládání rukou v rukavici nebo nevodivým stylusem. Obvykle jsou schopny milionů nebo dokonce desítek milionů operací bez selhání. Odporové dotykové obrazovky lze vyrobit i s ochranou proti vodě a určitým chemikáliím.
Rozdíl mezi 4 a 5 vodičovou variantou dotykové obrazovky
4 vodičový dotykový displej využívá dvě elektrody na spodní desce a dvě na horní desce. Na spodní desce jsou elektrody podél osy Y, které umožňují měření odporu podél osy X. Horní deska má elektrody podél osy X, které umožňuje měření odporu podél osy Y (obrázek 2).
Obrázek 2: 4 vodičové odporové dotykové obrazovky používají dvě krajní elektrody na spodní desce a dvě na horní desce. Dvojice jsou kolmo na sebe a umožňují určit místo dotyku XY. (Zdroj obrázku: NKK Switches)
V místě dotyku spodní vrstva rozděluje horní vrstvu na dva rezistory v sérii. Spodní vrstva je podobně rozdělena v místě dotyku s vrchní vrstvou. Při vhodném předpětí každá vrstva pak funguje jako dělič, kde výstupní napětí představuje souřadnice dotyku. V 5 vodičovém systému má horní deska čtyři krajní elektrody a funguje jako uzel pro snímání napětí. Čtyři rohy spodní desky tvoří elektrody, které vytvářejí napěťové gradienty (rozdíly) ve směru X a Y. K získání měření souřadnic X a Y se používají různé napěťové úrovně předpětí (obrázek 3).
Obrázek 3: 5 vodičové odporové dotykové obrazovky používají čtyři rohové elektrody na spodní desce pro vytváření gradientů napětí ve směrech X a Y a dva páry krajních elektrod na horní desce pro snímání napětí. (Zdroj obrázku: NKK Switches)
V 5 vodičové konstrukci je aktivní pouze spodní deska. To znamená, že horní deska se může poškodit, ale dotyková obrazovka stále funguje. Naproti tomu obě desky 4 vodičového dotykového displeje jsou aktivní. Poškození horní desky může způsobit selhání dotykové obrazovky jako celku. 5 vodičový dotykový displej je odolnější, ale je to vykoupeno větší složitostí designu a tedy vyšších nákladů.
NKK odporové dotykové obrazovky a příslušné řídící desky
Pro zjednodušení designu a urychlení doby uvedení na trh NKK nabízí hotové řešení v podobě dotykové obrazovky a příslušné řídící desky. Stále je tu ale možnost dotykovou obrazovku od NKK spárovat s řídící deskou od jiného dodavatele. Řada odporových dotykových obrazovek FT obsahuje obrazovky o velikosti úhlopříčky od 5,7 do 15,6 palců, ve 4 i 5 vodičové variantě a s dotykovou aktivační silou 1,4 N (tabulka 1). Všechny obrazovky jsou zakončené flexibilním rozhraním, které se připojuje k řídicí desce.
Tabulka 1: Porovnání 4 a 5 vodičových odporových dotykových obrazovek ukazuje, že 5 vodičová verze nabízí delší provozní životnost. (Zdroj obrázku: NKK Switches)
FTAS00-5.7AS -4A je 4 vodičový, 5,7 palcový model, který odebírá 1 mA při 5 V DC, má hodnotu odporu XY 250 až 850 Ω, linearitu 1,5 % a izolační impedanci 10 MΩ. Očekávaná provozní životnost dotykové obrazovky je 50 000 zápisů nebo jeden milion klepnutí.
FTAS00-10.4A -5 je 5 vodičový, 10,4 palcový model, který odebírá 1 mA při 5,5 V DC, má hodnotu odporu XY 20 až 80 Ω, linearitu 2 % a minimální izolační impedanci 10 MΩ. Provozní životnost je 50 000 zápisů nebo 10 milionů klepnutí.
FTCS04C a FTCU04B jsou řídicí desky rozhraní RS232C a USB pro 4 vodičové dotykové obrazovky NKK, zatímco FTCS05B a FTCU05B jsou řídící desky pro 5 vodičové dotykové obrazovky. Řídicí desky jsou dodávány se softwarem kompatibilním s Windows 7, 8 a 10.
Začínáme s odporovou dotykovou obrazovkou
Proces návrhu je podobný pro 4 i 5 vodičovou variantu. Srdcem 4 drátové řídicí desky je čip FTCSU548. Tento 48 pinový LFQFP integrovaný obvod má asynchronní sériové rozhraní RS232C a rozhraní USB 2.0. Je napájen 3,3 až 5 V zdrojem pro provoz RS232C nebo jen 5 V zdrojem pro variantu s USB. Výstupní proud dosahuje hodnoty až 170 mA, pracovní frekvence je 16 MHz, součástí je také analogově-digitálním převodník (ADC ) s rozlišením 10 bitů a vestavěná funkce kalibrace. Když se stiskne dotyková obrazovka, řídicí jednotka určí souřadnice pomocí hodnoty analogového napětí detekovaného ADC převodníkem a předá tuto informací hostitelskému systému přes rozhraní RS232C nebo USB (obrázek 4).
Obrázek 4: FTCSU548 (IC1) je součástí řadiče FTCU04B. CN1 (vlevo) je konektor pro připojení flexibilního kabel dotykové obrazovky. (Zdroj obrázku: NKK Switches)
4 vodičový flexibilní kabel dotykové obrazovky je připojen k řídicí desce přes CN1. Řídicí deska se připojuje k hostitelskému PC přes CN4. Rozhraní CN4 USB slouží také k napájení desky (obrázek 5).
Obrázek 5: Zobrazeno je typické 4 vodičové rozhraní USB řadiče a konfigurace hostitelského počítače. (Zdroj obrázku: NKK Switches)
Designové rady
Odporová dotyková obrazovka vyžaduje při instalaci kalibraci. FTCSU548 obsahuje vestavěnou funkci kalibrace. Řídicí obvod musí být nejprve nastaven na „source data mode“, aby bylo možné kalibraci provést. Počítač poté na dotykové obrazovce zobrazí referenční bod (P1), který operátor stiskne stylusem, a informace o napětí ADC jsou odeslány do počítače prostřednictvím řídicí desky. Proces se opakuje s druhým bodem (P2). Fyzické souřadnice P1 a P2 jsou odeslány do PC jako osmibajtové číslo. Dotyková obrazovka se poté přepne do „calibration data mode“ a aplikační software použije naměřená napětí pro body P1 a P2 spolu s vestavěnou referenci „0,0“ k určení všech ostatních souřadnic (obrázek 6).
Obrázek 6: Kalibrace je nutná během počáteční konfigurace a poté v pravidelných intervalech, protože odpor se mění se stárnutím dotykové obrazovky. (Zdroj obrázku: NKK Switches)
Odpor obrazovky se stárnutím mění, takže po celou dobu životnosti je nutná tzv. rekalibrace. Nesmí se zapomenout na uzemnění rámu zobrazovacího zařízení, aby se zabránilo elektromagnetickému rušení (EMI). Je také možné, že počáteční kontaktní odpor prstu může způsobit jev nazývaný „chvění“. Aby se zabránilo chvění, lze použít vestavěné zpoždění, které umožní, aby se napětí ustálilo předtím, než systém vypočítá souřadnice.
Návrháři software musí být také opatrní, aby software uživatelům nedával pokyn, aby se dotýkali dvou oblastí dotykové obrazovky současně. Technologie nedokáže rozlišit dva samostatné dotyky. Při kreslení čáry na obrazovce pomocí stylusu se mohou objevit zlomy, které oddělují dvě vrstvy. Proto je nutné tyto mezery vyplnit pomocí aplikačního software.
Závěr
Odporové dotykové obrazovky jsou vhodnými HMI v aplikacích, kde hlavní roli hrají náklady, robustnost a ovládání jak holým prstem, stylusem tak i rukou v rukavici. Pro zjednodušení implementace existují řešení od NKK včetně řídicí desky a příslušným softwarem.
Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com
