№4 / 2012 / статья 6

Одним прикосновением: сенсорные экраны Onetouch

Сергей Гасанов (г. Санкт-Петербург)

Торговая марка Onetouch принадлежит Onetouch Technologies Co., Ltd. — крупному мировому поставщику сенсорных экранов. Компания Onetouch Technologies Co., Ltd. была основана в 1988 году и являлась на тот момент первым предприятием-изготовителем сенсорных экранов в Тайване. Более чем за 23 года компания прошла путь от небольшой фирмы с тремя сотрудниками до крупной организации с величиной активов около 2 млн. $ (usd) и 45-ю работниками. Компания каждый год тратит приблизительно 2% вырученных от торгового оборота средств на проведение исследований и разработки новых видов изделий. Продукция Onetouch ежегодно демонстрируется на выставках CeBIT и Computex вместе с продукцией таких крупных производителей сенсорных экранов из США, как Elo Touch и MicroTouch.

Компания производит широкий спектр разновидностей сенсорных экранов (табл. 1), но основные усилия сейчас направлены на разработку и производство экранов больших размеров. Этот вид экранов широко применяется в терминалах розничной торговли, в мониторинге и управлении техническими системами, в системах медицинского наблюдения, а также в игровых автоматах. В 2004 году Onetouch Technologies совместно с научно-исследовательским институтом промышленных технологий и при финансировании со стороны министерства экономики Тайваня приступила к разработке поверхностно-емкостных сенсорных экранов.

Таблица 1. Продукция Onetouch  

Разновидность Размеры диагонали, дюйм
5-проводные сенсорные экраны с соотношением сторон 4:3 8; 8,4; 10,4; 12; 12,1; 15; 15,1; 17; 19; 19,1; 21,3; 21,5;
5-проводные сенсорные экраны широкие 6,2; 7; 12,1; 15; 15,4; 15,6; 17; 18,5; 19; 20; 20,1 21,5; 21,6; 22
Поверхностно-емкостные сенсорные экраны 5,6; 10,4; 12; 15; 15,6; 17; 18,1; 19; 20,1; 21,3
Поверхностно-емкостные сенсорные экраны широкие 7; 12; 17; 19; 22
Поверхностно-емкостные сенсорные экраны прочные 12; 15; 17; 19 (толщина 6 мм или 9 мм)
4-х проводные резистивные сенсорные экраны 5; 5,7; 6,4; 7; 8; 8,4; 8,9; 10,1; 10,2; 10,4; 11,6; 12; 12,1; 15; 15,1; 15,4
4-х проводные резистивные сенсорные экраны широкие 6,5; 8; 8,2
Жидкокристаллические сенсорные мониторы 10,4; 12,1; 15; 17; 19

 

Устройство сенсорных экранов

Четырехпроводной сенсорный экран

Основание экрана представляет собой стеклянную пластину с покрытием из твердого раствора оксида индия In2O3 (90% по массе) и двуокиси олова SnO2 (10% по массе). Данный материал (англ. Indium tin oxide — ITO или Tin-doped Indium oxide; далее по тексту для краткости именуемый In-Sn оксид) бесцветен и обладает хорошей прозрачностью для излучения видимого спектра. Важная особенность In-Sn оксида — проявление им резистивных свойств в электрических цепях.

Над стеклянной пластиной с резистивным покрытием из In-Sn оксида расположена мембрана из полиэтилентерефталата (сокращенно — ПЭТФ, также известного как лавсан или полиэстер). Мембрана с внутренней стороны также имеет резистивное покрытие из In-Sn оксида. Стеклянная пластина и мембрана из ПЭТФ разделены с помощью прозрачных точечных изолирующих распорок, равномерно распределенных по всей площади.

Схематическое изображение взаимного расположения слоев представлено на рисунке 1.

 

Разрез резистивного сенсорного экрана

 

Рис. 1. Разрез резистивного сенсорного экрана

Верхний (Yup) и нижний (Ydown) электроды соединены с резистивным покрытием по всей длине верхней и нижней стороны ПЭТФ-мембраны. Аналогичным образом левый (Xleft) и правый (Xright) электроды соединены с резистивным покрытием по всей длине левой и правой стороны стеклянной пластины. Расположение электродов приведено на рисунке 2.

 

Расположение электродов в резистивном четырехпроводном сенсорном экране

 

Рис. 2. Расположение электродов в резистивном четырехпроводном сенсорном экране

Когда осуществляется нажатие на экран, ПЭТФ-мембрана прогибается, и происходит электрический контакт между резистивными покрытиями мембраны и стеклянной пластины. Подавая напряжение на электроды и зная величину напряжения в месте контакта резистивных покрытий, можно определить позицию нажатия. Алгоритм считывания:

1) Контроллер прикладывает +5 В к электроду Xleft стеклянной пластины, а электрод Xright соединяет с землей. Электроды ПЭТФ-мембраны Yup и Ydown соединяют между собой накоротко, и с них снимается напряжение. Данное напряжение будет пропорционально X-координате места нажатия, т.к. из-за резистивных свойств In-Sn оксида образуется резистивный делитель напряжения, приложенного к Xleft и Xright. Затем полученное напряжение оцифровывается контроллером с помощью АЦП и предается в компьютер как Х-координата.

2) Аналогичным образом происходит получение Y-координаты. На электрод Yup подается +5 В, электрод Ydown соединяется с землей. Электроды Xleft и Xright соединяются между собой накоротко, и с них снимается напряжение. Величина полученного напряжения будет пропорциональна Y-координате места нажатия. Это напряжение также оцифровывается контроллером с помощью АЦП и передается в компьютер как Y-координата.

 

Пятипроводной сенсорный экран

Взаимное расположение слоев аналогично расположению в четырехпроводном сенсорном экране (см. рисунок 3). Отличие в том, что четыре электрода расположены по углам резистивного покрытия на стеклянной пластине (UL, UR, LR и LL), резистивное покрытие ПЭТФ-мембраны имеет свой вывод (Probe).

 

Расположение электродов в резистивном пятипроводном сенсорном экране

 

Рис. 3. Расположение электродов в резистивном пятипроводном сенсорном экране

Когда контроллер ожидает нажатия на экран, резистивный слой стеклянной пластины подтянут к +5 В всеми четырьмя выводами электродов, резистивный слой ПЭТФ-мембраны заземлен через высокоомный резистор. При отсутствии нажатия напряжение на мембране равно нулю. Когда нажатие произошло, появился контакт резистивных слоев мембраны и стеклянной пластины, на выводе резистивного слоя мембраны появилось напряжение, и начинает работать алгоритм вычисления координат нажатия:

1) Контроллер прикладывает +5 В к электродам UR и LR, а электроды UL и LL соединяет с землей. Напряжение, пропорциональное X-координате места нажатия, появляется на выводе Probe мембраны. Затем это напряжение оцифровывается контроллером с помощью АЦП и предается в компьютер как Х-координата.

2) Аналогичным образом происходит получение Y-координаты. На электроды UL и UR подается напряжение +5 В, а электроды LL и LR соединяются с землей. Напряжение, пропорциональное Y-координате места нажатия, появляется на выводе Probe мембраны. Затем это напряжение оцифровывается контроллером с помощью АЦП и предается в компьютер как Y-координата.

 

Емкостной сенсорный экран

Емкостной (или поверхностно-емкостной) сенсорный экран имеет четырехслойную структуру. Обе стороны стеклянной пластины покрыты резистивным слоем из In-Sn оксида. Тонкий слой двуокиси кремния — SiO2 (толщиной 0,0015 мм) покрывает внешнюю сторону стеклянной пластины. Взаимное расположение слоев показано на рисунке 4. Четыре электрода, соединенных с резистивным слоем расположены по углам стеклянной пластины.

 

Разрез емкостного сенсорного экрана

 

Рис. 4. Разрез емкостного сенсорного экрана

Напряжение небольшой величины прикладывается к электродам (одинаковая величина для всех углов). Человеческое тело имеет электрическую емкость, поэтому, когда происходит касание, появляется утечка тока. При этом чем ближе палец к углу, тем меньше сопротивление экрана (между точкой касания и электродом, расположенном в этом углу), следовательно, больше сила тока, протекающего через электрод. Измеряя величины токов, протекающих через все электроды, контроллер производит вычисление координаты места касания, которые затем передает в компьютер.

 

Расположение электродов и путь протекания тока от электрода до точки касания

 

Рис. 5. Расположение электродов и путь протекания тока от электрода до точки касания. (Ток электрода пропорционален расстоянию от точки касания до угла, в котором этот электрод установлен)

 

Достоинства, недостатки и сфера применения
различных типов сенсорных экранов

Резистивные сенсорные экраны реагируют на касание любым гладким твердым предметом: стилусом, медиатором, рукой (голой или в перчатке), кредитной картой и т.д. Также резистивные сенсорные экраны дешевы и стойки к загрязнению. Недостатками этого типа экранов является относительно невысокая прозрачность (приблизительно 80%, из-за чего требуется повышенная яркость подсветки), а также невысокая долговечность: около 35 млн. нажатий для пятипроводных и около 3 млн. нажатий для четырехпроводных. В силу конструкции токопроводящий слой данного типа экранов подвержен постепенному износу, поэтому возникает необходимость в периодической калибровке экрана. Пятипроводные резистивные сенсорные экраны более надежны, чем четырехпроводные — они (пятипроводные) продолжают работать даже с прорезанной мембраной. Сфера применения резистивных сенсорных экранов довольно широка — их используют везде, где исключены низкие температуры и вандализм: в сфере обслуживания (POS-терминалы), в устройствах промышленной автоматики, в офисах и т.д.

Емкостные сенсорные экраны обладают значительно большей долговечностью по сравнению с резистивными экранами — приблизительно 200 млн. нажатий. Уровень прозрачности выше, чем у резистивных сенсорных экранов, т.к. в устройстве не используется мембран, следовательно, не требуется повышенная яркость подсветки. К недостаткам этого вида сенсорных экранов можно отнести тот факт, что касание будет фиксироваться в случае, если оно произведено пальцем, и не будет, если произведено каким-либо непроводящим предметом. Поверхностно-емкостные сенсорные экраны применяют в банкоматах, игровых автоматах и терминалах розничной торговли. Как емкостные, так и резистивные сенсорные экраны используются в мобильных устройствах.

 

Контроллер сенсорного экрана

Контроллер представляет собой плату (рисунок 6), которая обрабатывает сигналы от сенсорного экрана и преобразует их в данные для передачи в компьютер по последовательному интерфейсу.

 

Внешний вид платы контроллера 33-CA232-BB для емкостных сенсорных экранов

 

Рис. 6. Внешний вид платы контроллера 33-CA232-BB для емкостных сенсорных экранов

Среди продукции Onetouch есть контроллеры для резистивных (четырех-, пятипроводных) и емкостных сенсорных экранов. Сравнение характеристик некоторых моделей контроллеров представлено в таблице 2.

Таблица 2. Платы контроллеров для сенсорных экранов  

  33-4W232-BB RC-3100 33-CA232-BB
Поддерживаемые сенсорные экраны Резистивные
четырехпроводные
Резистивные четырех-
и пятипроводные
Емкостные
Связь с ПК RS-232 RS-232/USB RS-232/USB
Габаритные размеры, мм 75х20х10,25 70х20х6,6 62х33х10
Напряжение питания, В 5 4,75…5,25 5…12
Ток потребления, мА 100 50…65
Рабочая температура, °С -25…85 0…70 -40…80
Разрешение, точек 2048х2048 4096х4096 2048х2048
Максимальная скорость работы, точек/с 160 RS-232: 160 USB: 250 180
Максимальное время отклика, мс 35 20 25

 

Протокол связи

Все контроллеры сенсорных экранов Onetouch передают данные в компьютер либо по 4-байтовому протоколу при соединении по интерфейсу RS-232, либо по 5-байтовому протоколу при соединении по интерфейсу USB. В случае соединения по USB контроллер будет восприниматься операционной системой компьютера как USB HID-устройство (англ. Human Interface Device — устройство для взаимодействия с человеком); к этому классу относятся такие устройства, как клавиатура, мышь, игровой контроллер и т.д. Драйверы контроллеров сенсорных экранов для различных операционных систем можно скачать с сайта Onetouch http://www.onetouch.com.tw/, зайдя в раздел «Driver».

Количество байтов в названии протокола означает размер информационного кадра. Структура кадра для двух видов протокола представлена в таблице 3.

Таблица 3. Структура кадра для двух видов протокола*  

Примечание: P – Флаг признака нажатия: 0 – нажатия нет, 1 – нажатие есть; X11-X0 – 12-битное слово с X-координатой позиции нажатия; Y11-Y0 – 12-битное слово с Y-координатой позиции нажатия.
Номер байта Бит 7 Бит 6 Бит 5 Бит 4 Бит 3 Бит 2 Бит 1 Бит 0
USB-протокол (5-байтовый)
1 0 0 0 0 0 0 0 P
2 X7 X6 X5 X4 X3 X2 X1 X0
3 0 0 0 0 X11 X10 X9 X8
4 Y7 Y6 Y5 Y4 Y3 Y2 Y1 Y0
5 0 0 0 0 Y11 Y10 Y9 Y8
RS-232-протокол (4-байтовый)
1 1 P X11 X10 X9 Y11 Y10 Y9
2 0 X8 X7 X6 X5 X4 X3 X2
3 0 Y8 Y7 Y6 Y5 Y4 Y3 Y2
4 0 0 0 0 X1 X0 Y1 Y0

Многие контроллеры Onetouch могут быть настроены для передачи данных через другие промышленные протоколы: 3M (5-байтовый) или Elotouch (10-байтовый). В структуре кадра 10-байтового протокола к вышеприведенным полям данных добавляются также два флага, байт контрольной суммы и два байта с маркерами.

 

Заключение

Причина распространения сенсорной технологии кроется в удобствах, которые получает пользователь. Во многих приложениях, таких как справочные системы, даже неподготовленный человек может взаимодействовать с техникой благодаря хорошо продуманной программе. Например, для выписки клиенту счета за заказ официанту достаточно лишь прикоснуться к изображению блюд на экране дисплея. Благодаря быстроте, точности и удобству такие системы активно применяется в ресторанах и пунктах быстрого питания в развитых промышленных странах. Приобретающие все большую популярность планшетные компьютеры были бы невозможны без сенсорных экранов. В системах управления предприятием применение сенсорных экранов позволяет снизить утомляемость персонала и, следовательно, избежать ошибок.

Компания Onetouch Technologies Co., Ltd. является известным производителем изделий для сенсорных систем с широким ассортиментом продукции и клиентами во многих регионах мира. Благодаря инновационной политике предприятие непрерывно развивается и осваивает новые технологии для применения в своей продукции. Для всего спектра приложений осуществляется информационная и техническая поддержка разработчика сенсорных устройств.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail: lcd.vesti@compel.ru

Наши информационные каналы

Рубрики:

О компании ONETOUCH

Компания Onetouch Technologies существует с 1989 года и является одной из самых первых производителей сенсорных дисплеев для промышленных применений. В основном ориентирована на производство 4-х и 5-ти проводных резистивных дисплеев. С 2005 года выпускает небольшую линейку емкостных дисплеев. ...читать далее