Technologie ekranów dotykowych. 1. Wstęp do opisu technologii Za wynalazcę pierwowzoru ekranu dotykowego uważamy Sama Hursta, który w 1971 roku na Uniwersytecie Kentucky skonstruował sensor dotykowy. Elograph, tak nazwano to urządzenie, w przeciwieństwie do współczesnych ekranów nie był przezroczysty. W 1974 roku, dzięki wprowadzeniu przezroczystej powierzchni powstaje pierwszy prawdziwy ekran dotykowy. W 1977 zostaje opracowana technologia pięcioprzewodowa (five-wireresistive), która wykorzystywana jest do dziś. W 1983 roku powstaje pierwszy komputer HP-150, a w 1992 roku pierwszy telefon komórkowy (IBM & Bell South) wyposażone w ekrany dotykowe. Kolejnym krokiem w rozwoju technologii dotykowej jest wprowadzenie na rynek ekranów dwustronnie dotykowych w 2007 roku [1]. Ekran umożliwia sterowanie urządzeniem poprzez dotykanie palcem lub rysikiem wyświetlanych obiektów. Obecnie w ekrany dotykowe wyposażona jest większość telefonów komórkowych, tablety, laptopy i wiele innych urządzeń, z którymi spotykamy się na codzień. Ze względu na możliwości programowania wyróżniamy dwa podstawowe typy ekranów: ekrany typu Add- on składające się z czujnika dotyku, kontrolera i sterowników, ekrany zintegrowane z daną aplikacją posiadające wbudowane funkcje i ustalone rozmieszczenie obsługiwanych elementów ekranu. 2. Podstawowe technologie wykonywania ekranów dotykowych a) Technologia rezystancyjna zostanie opisana w najdokładniejszy sposób ze względu na wykorzystywanie jejpodczas realizacji niniejszej pracy. Rezystancyjne ekrany budowane są na szklanym podłożu, na które naniesiona jest warstwa rezystancyjnaą, zrobiona z ITO Indium Tin Oxide (roztwór stały tlenku indu (III) i tlenku cyny(iv)). Ze względu na dużą przezroczystość ITO w zakresie światła widzialnego oraz zdolność przewodnictwa materiał ten stosowany jest w produkcji ekranów dotykowych. Ważną zaletą ITO jest możliwość napylania cienkich warstw, które są odporne na działanie warunków środowiskowych [2]. Membrana, najbardziej zewnętrzna warstwa ekranu ze względu na swoją wytrzymałość stanowi jednocześnie ochronę ekranu przed uszkodzeniami mechanicznymi. Ekrany rezystancyjne są najbardziej opłacalnym typem ekranów, ze względu na niski koszt produkcji, co tłumaczy ich częste wykorzystywanie. Ekrany rezystancyjne mogą być aktywowane dowolnym przedmiotem, może być to palec, jak i długopis czy rysik wykonany z dowolnego materiału. Zaletą jest niskie zapotrzebowanie na energię oraz fakt, że obecność cieczy na membranie nie wpływa na dokładność działania urządzenia. Ich wadą jest natomiast to, że mogą zostać uszkodzone przez ostre obiekty oraz ich stosunkowo niska żywotność szacowana na około 30 milionów dotknięć [4].
Rysunek 1. Schemat ekranu dotykowego wykonanego w technologii rezystancyjnejczteroprzewodowej [2]. Dwie najbardziej popularne konfiguracje wykonywania ekranów rezystancyjnych to architektury czteroprzewodowa (4-wire) lubpięcioprzewodowa (5-wire). Konfiguracje określają lokalizację w postaci dwuwymiarowych współrzędnych. Możliwy jest także pomiar trzeciej współrzędnej Z, czyli siły nacisku na ekran. Działanie ekranu dotykowego jest trójetapowe: Detekcja dotknięcia, Ustalenie współrzędnej X, Ustalenie współrzędnej Y. W każdym z etapów ekran jest inaczej polaryzowany, i z innych elektrod jest pobierany sygnał pomiarowy. Czteroprzewodowy ekran rezystancyjny jest czujnikiem składającym się z dwóch przezroczystych warstw rezystancyjnych o idealnie jednolitej rezystywności. Warstwy oddzielone są za pomocą izolujących dystansów. Metalizowane styki warstwy X biegną wzdłuż kierunku Y. Opór jest mierzony pomiędzy dwoma zakończeniami kierunku X. Podobnie warstwa Y posiada metalizowane styki, biegnące w kierunku X, dlatego rezystancja mierzona jest wzdłuż osi Y. Całość naniesiona jest na szklane podłoże. (rysunek 1)
Rysunek2.Etapy działania czteroprzewodowego ekranu dotykowego.
W momencie wystarczająco mocnego dotknięcia ekranu, następuje deformacja górnej warstwy oraz jej kontakt z dolną powierzchnią. W miejscu stykania się warstw dolna warstwa dzieli górną na dwa rezystory połączone szeregowo. Również dolna warstwa jest dzielona na dwa rezystory w punkcie w którym styka się z górną warstwą. Podział na rezystory odbywa się w podobny sposób, jak działanie suwaka w potencjometrze. Suwak dzieli potencjometr na dwa rezystory połączone szeregowo. jedną warstwę możemy porównać z końcami potencjometru to druga warstwa służy jako suwak. Właściwa polaryzacja powoduje, że każda warstwa może funkcjonować jako dzielnik napięcia, gdzie napięcie wyjściowe reprezentuje prostokątną współrzędną punktu styku warstw ekranu. Polaryzacja osi X umożliwia użycie osi Y do pomiaru współrzędnej punktu nacisku na oś X. W podobny sposób polaryzacja osi Y umożliwia użycie osi X do pomiaru miejsca nacisku na oś Y (Rysunek 2. Pomiar X, Pomiar Y). Polaryzacjaobydwu osi może być używane do sprzętowego wykrycia dotknięcia ekranu i wygenerowania przerwania. (rysunek 2, detekcja dotknięcia). W fazie detekcji dotknięcia linia X+ z ekranu jest połączona do pinuskonfigurowanego jako wejście podciągnięte do górnego zasilania poprzez rezystancję o dużej wartości (pullup). Linia Y- jest w tej fazie wysterowana do stanu niskiego (logiczne zero). Piny X- oraz Y+ pozostają otwarte.w momencie dotknięcia ekranu dzielnik napięcia wytworzy się pomiędzy punktem X+, a rezystancją ekranu R xa +R t +R yb. Rezystancja ekranu jest znacząco mniejsza od rezystancji R p włączonej między punkt X+ a zasilanie. W momencie wystąpienia dotyku napięcie widziane na X+ będzie bliskie zeru. Ten niski poziom logiczny jest wykorzystywane do generacji przerwania, w czasie którego procesor steruje pomiarem współrzędnych punktu dotknięcia. Niektóre urządzenia mają wbudowany kontroler dotyku. Taki typ interfejsu posiada zalety w stosunku do podejścia programistycznego. Interfejs automatycznie wykrywa dotyk, odczekuje ustawione opóźnienie, mierzy współrzędną X i Y kilka razy oraz generuje przerwanie, gdy zostanie powtórzona określona liczba pomiarów punktu dotknięcia. Rysunek 3. Schemat pomiaru sygnału w konfiguracji czteroprzewodowej[4].
W konfiguracji czteroprzewodowej wyższa warstwa ekranu wykrywa tylko jedną z współrzędnych X lub Y. Jednakże metoda ta ma wiele wad. Następuje zużywanie membrany poliestrowej, powstają uszkodzenia elektrod spowodowane napreżeniami urządzenia oraz pogarsza się jednorodność folii przewodzącej. Technologia pięcioprzewodowa powstała w celu redukcji tych niedoskonałości. Zastosowano w niej okrągłe elektrody (Rysunek 4). Cztery przewody połączone są z elektrodami umieszczonymi w narożach dolnej warstwy ekranu. Piąty przewód tzn. przewód pomiarowy jest podłączony do górnej warstwy ekranu i używany do rejestrowania napięcia na elektrodach. Rysunek 4. Schemat ekranu dotykowego wykonanego w technologii rezystancyjnejpięcioprzewodowej[4]. Na rysunku 4. przedstawiono budowę ekranu wykonanego w technologii pięcioprzewodowej. Niższa warstwa przykłada napięcie i mierzy obydwie współrzędne X i Y po zetknięciu z warstwą górną. Niższa warstwa naniesiona jest zazwyczaj na szklane podłoże. Konfiguracja pięcioprzewodowa zapewnia doskonałą stabilność i wytrzymałość oraz nie jest narażona na uszkodzenie elektrod. Ekran wykonany w technologii czteroprzewodowej może być naciśnięty milion razy w jednym punkcie, natomiast ekran wyprodukowany w technologii pięcioprzewodowej 30 milionów razy. Elektrody umieszczone są na szklanej warstwie co zwiększa dokładność odpowiedzi na dotyk ekranu. Ekrany pięcioprzewodowe wykonywane są metodą zgrzewania elektrod bezpośrednio do powierzchni szklanej. Zwiększa to odporność ekranu na wilgotność, zimno i ciepło. Powszechnie stosowane ekrany rezystancyjne czteroprzewodowe wymagają okresowej rekalibracji. Ekrany pięcioprzewodowe kalibrowane są tylko raz podczas inicjalizacji systemu.
Rysunek 5. Konfiguracje obwodów rezystancyjnego ekranu dotykowego[2]. Kontroler ekranu dotykowego jest przetwornikiem analogowo-cyfrowym ADC, który ma wbudowane wyłączniki do kontroli, które elektrody są aktywne, i które są stosowane jako elektrody na wejściu do przetwornika. ADC może pracować w dwóch różnych trybach:nie różnicowym(single-ended) lub różnicowym (differential). konfiguracjanieróżnicowa W tej konfiguracji referencją ADC jest napięcie zasilania względem masy (rysunek 6). Konwersja sygnału w ADC następuje w momencie, gdydojdzie do zmiany stosunku sygnału wejściowego do napięcia referencyjnego. Od tego momentu ekran jest dzielnikiem napięcia. Taka konfiguracja pomiarowa jest wrażliwa na temperaturowe zmiany rezystancji ekranu, parametrów wzmacniacza pomiarowego i niestabilności napięcia zasilania. Rysunek 6.Konfiguracja nieróżnicowa[3].
konfiguracja różnicowa W konfiguracji różnicowej napięcie odniesienia przetwornika ADC pochodzi bezpośrednio z ekranu. (rysunek 7) Eliminuje to problemy zmian zasilania, a nawet zmian impedancji. Wyjściem ADC jest wciąż stosunek wejścia (tzn. napięcie dzielnika rezystancyjnego) do napięcia referencyjnego. Jednak teraz napięcie z dzielnika ma charakter różnicowy, a napięcia błędów pomiarowych (wpływ zmian rezystancji ekranu i parametrów wzmacniacza) jako sygnały wspólne ulegają stłumieniu. Metoda ta zapewnia znacznie bardziej dokładne wyniki, szczególnie w systemach gdzie ekran dotykowy jest położony w znaczących odległościach od kontrolera. Rysunek 7. Konfiguracja różnicowa [3]. Kolejnym ważnym parametrem układu odczytowego ekranu dotykowego jest czas ustalania odpowiedzi. Wmomencie, gdy dotykamy panel ekranu działają dwa mechanizmy mające wpływ na poziom napięcia w miejscu styku. Powodują one wzrost napięcia na panelu w miejscu dotknięcia, a następnie zanik napięcia powoli w dół do wartości ustalonej. Tymi dwoma mechanizmami są: mechaniczne odbicia spowodowane drganiami górnej warstwy panelu, gdy jest onanaciśnięta, ładowanie pasożytniczej pojemności pomiędzy górną i dolną warstwa ekranu. Jeżeli dokonamy kilkakrotnego pomiaru jednej współrzędnej mamy możliwości wykonywania obliczeń na nich, jak na przykład uśrednianie. Pomaga to zapobiegać fałszywym odczytom, które mogą znacząco utrudnić komunikację człowieka z urządzeniami. Pomiar współrzędnej trzeciego wymiaru, współrzędnej Z, używany jest w aplikacjach
przechwytywania podpisu. Jednak zastosowanie takiego pomiaru nawet w konwencjonalnych aplikacjach X-Y może być pomocne w określaniu, czy dane wskazujące miejsce dotyku są poprawne. Jest to także pomocne w rozpoznawaniu, czy nie wystąpiło przypadkowe mechaniczne odbicie, które kontroler uznał za miejsce dotyku. a) Technologia pojemnościowa (rysunek 8) -obszar roboczy ekranu wykonany jest z dwóch warstw szkła, pomiędzy którymi umieszczona jest siatka czujników reagujących na zmianę pojemności elektrycznej. Na zewnętrznej powierzchni ekranu użytkownik może zainstalować dodatkową warstwę szkła. [1] W momencie dotknięcia ekranu powodujemy zmianę pojemności elektrycznej, a informacja o tym jest przekazywana z czujników do kontrolera ekranu. Kontroler na podstawie uzyskanych informacji przekazuje do komputera dane o pozycji dotknięcia. W odróżnieniu od ekranów rezystancyjnych, ekrany pojemnościowe cechuje duża odporność na zarysowania, dużo większa precyzja i rozdzielczość. Jednak koszty wyprodukowania takiego ekranu są większe ze względu na bardziej skomplikowany układ przetwarzania. Rysunek 8. Budowa pojemnościowego ekranu dotykowego. b) Technologia promieniowania podczerwonego (Infrared). Obszar roboczy ekranu wykonany jest z czystego szkła. Na brzegach ekranu umieszczono diody LED na podczerwień, na przeciwko których umiejscowiono półprzewodnikowe detektory podczerwieni. W momencie dotknięcia ekranu powodujemy przerwę w przepływie promieni na osi X i Y. Ekrany takie charakteryzuje wysoka przejrzystość i światłość oraz najwyższa spośród wszystkich paneli wytrzymałość powierzchni. Ekrany wykonane w technologii podczerwonej cechuje wysoka odporność na wpływ czynników środowiskowych.
Rysunek 9. Budowa ekranu wykonanego w technologii promieniowania podczerwonego. c) Ekrany wykorzystujące zaburzenia (na skutek dotyku) fali akustycznej propagującej się po powierzchni ekranu SAW (SurfaceAcousticWave). Ekran taki wykonany jest z czystego szkła, w jego brzegach znajdują się przetworniki emitujące i odbierające ultradźwięki oraz seriazespolonych z szybą generatorów odbić ultradźwiękowych. Przetworniki emitują i odbierają fale ultradźwiękowe, które za pośrednictwem generatorów odbić są rozpraszane po ekranie. W skutek dotknięcia ekranu następuje pochłonięcie części fal i tym samym powstaje cień fali ultradźwiękowej. Kontroler ekranu dotykowego dokonuje odczytu z informacji przekazanych przez przetworniki i porównuje wyniki z cyfrową mapą odbić zaprogramowaną w kontrolerze. Ten typ technologii charakteryzuje się wysokimi rozdzielczościami oraz precyzją. Możliwy jest także pomiar odpowiedzi na dotyk w kierunku osi Z. Technologia ta jest niewrażliwa na temperaturę. Do jej wad można zaliczyć niemożliwość pracy w środowisku narażonym na otwarte ciecze oraz wysokie koszty produkcji a co za tym idzie zakupu ekranu. d) Technologia rozpoznawania impulsu akustycznego (AcousticPulseRecognition).W brzegach ekranu umieszczone są cztery przetworniki piezo-elektryczne, które przetwarzają fale akustyczne na sygnał cyfrowy. Dotknięcie powoduje powstanie fali akustycznej, którado różnych przetworników dociera do z różnym natężeniem. Przetworniki zamieniają odebrane fale na sygnał cyfrowy i przesyłają go do kontrolera ekranu dotykowego. Zebrane informacje porównywane są z matrycą dźwięków zaprogramowaną w kontrolerze w trakcie produkcji.ekrany wykonane w tej
technologii pracują poprawnie z zadrapaniami i kurzem na powierzchni. Ich właściwości optyczne i wytrzymałościowe zależą tylko od rodzaju użytego szkła. e) Technologia rozpraszania sygnału (DispersiveSignal Technology). W każdym rogu ekranu znajdują się czujniki piezoelektryczne połączone z kontrolerem, które mierzą energię oscylacyjną wibracji podłoża spowodowanej dotykiem. W technologii tej zostało ulepszone tłumienie błędnych sygnałów, a wysoka wytrzymałość szklanej powierzchni zwiększa odporność na zabrudzenia i zarysowania ekranu. f) Technologia tensometryczna (StrainGauge).Ekran zamocowany sprężyście na naciągnięty szablon jest używany do wykrycia ugięcia podczas dotyku. W tej technologii szerokie zastosowanie mają tensometry, czyli czujniki służące do pomiaru naprężenia. W praktyce pomiar tensometryczny polega na pomiarze odkształcenia i obliczeniu naprężenia w oparciu o przyjęty związek fizyczny np. prawo Hooke`a. W praktyce ekrany wykonane w tej technologii stosowane są w urządzeniach narażonych na uszkodzenia ekranu np. bankomaty. g) Technologia obrazowania optycznego (Optical Imaging). W górnych rogach ekranu umieszczone są kamery obserwujące ruch palca lub rysika. Ramka ekranu podświetlana jest światłem podczerwonym. Dotyk powoduje powstanie cienia, na podstawie, którego można określić jego pozycję. Ekrany wykonane w tej technologii wykazują dużą stabilność w długim czasie, cechują się wysoką dokładnością, uniwersalnością i niskimi kosztami produkcji. Ekran korzysta z techniki umożliwiającej kontrolowanie interfejsu więcej niż jednym palcem jednocześnie (multi-touch). 3. Przyszłość ekranów dotykowych Ekrany dotykowe są coraz częściej stosowane w wielu urządzeniach. Stale poprawiana jest ich trwałość i niezawodność. W pierwszej kolejności planowane jest rozwijanie ekranów holograficznych, ekranów wykonanych z cząstek wody czy z rozrzedzonego powietrza. W przyszłości ekrany dotykowe staną się głównym typem interfejsu pomiędzy człowiekiem a maszyną. Problemem, z którym zmagają się producenci tych urządzeń to opóźnienie, z jakim ekrany reagują na dotyk użytkownika. Obecnie w większości urządzeń opóźnienie to wynosi 100 milisekund. W 2012 roku na rynek wprowadzono grupę technologii HPT (Hight Performance Touchscreen), której zadaniem jest zniwelować długi czas oczekiwania użytkownika na odpowiedź urządzenia. W ekranach wykonanych w ten sposób opóźnienie zostało ograniczone do 1 milisekundy. W połowie 2013 roku firma Tactus Technology chce wprowadzić ekrany kolejnej generacji, z uwypuklającymi się przyciskami. Przyciski będą mogły przybierać dowolny kształt i będą mogły powstawać w dowolnej części ekranu. W momencie gdy nie będą potrzebne, będą się cofały w głąb ekranu, pozostawiając gładką powierzchnię ekranu. Literatura: Opracował A.Ignacyk
[1] R.Szarek: *Ekrany dotykowe*, Politechnika Warszawska, Wydział Mechatroniki, http://zif.mchtr.pw.edu.pl/download/180.pdf [2] R.Downs: *Using resistive touch screens for human/machine interface*, AnalogApplications Journal 3Q, Texas Instruments, 2005, http://www.ti.com/lit/an/slyt209a/slyt209a.pdf [3] TouchScreen Controller ADS7843, Burr Brown Products, Texas Instruments, 2002, http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ads7843.pdf [4] A.Tomar: AVR341: Four and five wire Touch Screen Controller, AtmelCorporation, 2007, http://www.lysator.liu.se/~kjell e/embedded/doc8091.pdf