Hoe u snel betrouwbare touchscreens kunt implementeren

Een touchscreen krijgt steeds meer de voorkeur boven een toetsenbord en muis als mens-machine-interface (HMI) voor het programmeren, configureren en bedienen van consumenten-, bedrijfs- en industriële systemen. Touchscreens zijn intuïtief, snel en hebben één geïntegreerde interface die een combinatie van invoerapparaten vervangt. Ze bieden ook meer gemak voor mensen met fysieke uitdagingen en kunnen vrij compact worden gemaakt.

De grote verscheidenheid aan toepassingen voor touchscreens betekent dat ze robuust moeten zijn, bediend kunnen worden met een blote of gehandschoende vinger en kosteneffectief moeten zijn. Resistieve touchscreens voldoen aan deze eisen, maar ontwerpers moeten snel op de markt kunnen komen met kant-en-klare oplossingen bestaande uit een touchscreen gekoppeld aan een geschikte controller. Ze moeten ook de verschillen begrijpen tussen resistieve touchscreen-interfaces met 4 en 5 draden.

Dit artikel beschrijft kort resistieve touchscreens. Vervolgens worden voorbeeldtouchscreens en -controllers van NKK Switches geïntroduceerd en wordt getoond hoe u hiermee kunt ontwerpen.

Hoe resistieve touchscreens werken

Resistieve touchscreens zijn op zichzelf staande componenten die over een vlak beeldscherm heen liggen. In combinatie met een controller biedt een touchscreen gebruikers interactie met weergegeven symbolen door specifieke gebieden aan te raken. Een touchscreen kan de precieze positie van een vinger- of stylusaanraking detecteren. De applicatiesoftware bepaalt dan welke verdere schermacties moeten plaatsvinden op basis van die positie.

Resistieve touchscreens zijn geschikt voor diverse consumenten-, detailhandels-, bedrijfs-, industriële en medische toepassingen omdat ze goedkoop en robuust zijn en met een blote vinger, een gehandschoende hand of een stylus kunnen worden bediend. De technologie maakt gebruik van een vervormbare plastic film die aan de achterkant is gecoat met een geleidende laag zoals indiumtinoxide (ITO). De achterkant van het touchscreen bestaat uit een paneel van glas of acryl, met aan de voorkant een ITO-laag.

Niet-geleidende afstandsdots scheiden de plastic folie van het glazen of acryl achterpaneel. Wanneer de plastic film met een vinger of stylus wordt ingedrukt met een kracht van één of twee newton (N), komt de film in contact met het rugpaneel, waardoor er effectief een schakelaar wordt gesloten in het lokale drukgebied. Het controllerbord, met een aangesloten vier- of vijfdraadsconnector, kan de locatie van de gesloten schakelaar bepalen en de software reageert dienovereenkomstig (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Resistieve touchscreens werken door met een aanraking twee geleidende oppervlakken op elkaar te drukken. (Bron afbeelding: NKK Switches)

Resistieve touchscreens zijn populair als kosten, robuustheid en bediening met een gehandschoende hand of een niet-geleidende stylus essentieel zijn. Ze kunnen doorgaans miljoenen of zelfs tientallen miljoenen bewerkingen uitvoeren zonder defecten. Resistieve touchscreens kunnen ook worden vervaardigd met bescherming tegen water en chemische spatten.

Het verschil tussen 4- en 5-draads touchscreenconfiguraties

Een 4-draads touchscreen heeft twee elektroden op de onderplaat en twee op de bovenplaat. Op de bodemplaat lopen de elektroden langs de Y-as, waardoor de weerstand langs de X-as gemeten kan worden. Op dezelfde manier heeft de bovenplaat randelektroden die langs de X-as lopen, waardoor de weerstand langs de Y-as gemeten kan worden (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: 4-draads resistieve touchscreens gebruiken twee randelektroden op de bodemplaat en twee op de bovenplaat. De paren staan loodrecht op elkaar en maken het mogelijk om de XY-positie van een aanraking te bepalen. (Bron afbeelding: NKK Switches)

Op het punt van vingercontact verdeelt de onderste laag de bovenste laag effectief in twee weerstanden in serie. De onderste laag is op dezelfde manier verdeeld op het contactpunt met de bovenste laag. Met de juiste voorspanning kan elke plaat functioneren als een verdeler waarbij de uitgangsspanning de coördinaten van het contactpunt weergeeft.

In een 5-draads systeem heeft de bovenste plaat vier randelektroden en fungeert deze als spanningsdetectieknooppunt. De vier hoeken van de bodemplaat vormen elektroden die spanningsgradiënten in de X- en Y-richting produceren. Verschillende biasconfiguraties worden gebruikt om metingen in X- en Y-richting te verkrijgen (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: 5-draads resistieve touchscreens gebruiken vier hoekelektroden op de bodemplaat om spanningsgradiënten in de X- en Y-richting te produceren en twee paar randelektroden op de bovenplaat om spanning te detecteren. (Bron afbeelding: NKK Switches)

In de 5-draadsconstructie is alleen de bodemplaat actief. Dat betekent dat de bovenplaat beschadigd kan raken, maar dat het touchscreen nog steeds werkt. Daarentegen zijn beide platen van het 4-draads touchscreen actief; schade aan de bovenste plaat kan ertoe leiden dat het touchscreen defect raakt. Het 5-draads touchscreen is meestal duurzamer, maar dit gaat ten koste van de complexiteit van het ontwerp en de kosten.

Commerciële resistieve touchscreenoplossingen

Om de complexiteit te minimaliseren en de time-to-market te versnellen, heeft NKK bewezen commerciële oplossingen voor zowel het touchscreen als de bijbehorende controller. De ontwerper heeft nog steeds de optie om een touchscreen van NKK te kopen en het te combineren met een controller van een andere leverancier of een van hun eigen leveranciers.

De FT-serie van NKK is een uitstekend voorbeeld van resistieve touchscreens. Verkrijgbaar in verschillende schermformaten van 5,7 tot 15,6 inch (in.) (diagonaal), wordt de serie aangeboden in zowel 4- als 5-draads configuraties met een activeringskracht van 1,4 N (Tabel 1). Beide versies hebben een flexibele circuitstaart die wordt aangesloten op een controllerbord.

Tabel 1: Een vergelijking tussen 4- en 5-draads resistieve touchscreens laat zien dat de 5-draads versie een langere levensduur biedt, gemeten in tikbewerkingen. (Bron afbeelding: NKK Switches)

De FTAS00-5.7AS-4A is een 4-draads, 5,7 inch model dat 1 milliampère (mA) trekt bij 5 volt DC (VDC), een XY-weerstand heeft van 250 tot 850 ohm (Ω), een lineariteit van 1,5% en een isolatieweerstand van 10 megaohm (MΩ). De verwachte levensduur van het touchscreens is 50.000 keer schrijven of een miljoen keer tikken.

De FTAS00-10.4A-5 is een 5-draads, 10,4 inch model dat 1 mA trekt bij 5,5 VDC, een XY-weerstand heeft van 20 tot 80 Ω, een lineariteit van 2% en een minimale isolatieweerstand van 10 MΩ. De operationele levensduur is 50.000 schrijfbewerkingen of 10 miljoen tapbewerkingen.

Voor zowel de 4- als 5-draads touchscreens biedt NKK een controller met een RS232C- of een USB-interface. De controllerborden worden geleverd met stuurprogramma's die compatibel zijn met Windows 7, 8 en 10. De FTCS04C en de FTCU04B zijn respectievelijk de RS232C en USB-interfacecontrollerborden voor de NKK 4-draads touchscreens, terwijl de FTCS05B en de FTCU05B de equivalenten zijn voor de 5-draads touchscreens.

Aan de slag met een resistief touchscreen

Het ontwerpproces is vergelijkbaar voor de 4- en 5-draads touchscreens. Het hart van de RS232C en het USB 4-draads controllerbord is de FTCSU548-controllerchip. Dit 48-pins LFQFP IC heeft een asynchrone seriële interface en een full-speed USB 2.0-interface. Hij wordt gevoed door een 3,3 tot 5 volt voeding voor RS232C of een 5 volt voeding voor USB, met een nominale uitgangsstroom van 170 mA, een werkfrequentie van 16 megahertz (MHz) en een analoog-digitaalconvertor (ADC) resolutie van 10 bits. De chip heeft een ingebouwde kalibratiefunctie.

Wanneer het touchscreen wordt ingedrukt, bepaalt het controller-IC de coördinaten aan de hand van de waarde van de analoge spanning die door de ADC wordt gedetecteerd en stuurt deze door naar de hostcomputer via de RS232C- of USB-interface (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: Het FTCSU548 controller-IC (IC1) is gemonteerd op het FTCU04B (4-draads USB)-controllerbord. CN1 (links) is de connector voor het 4-draads flexibele circuit van het touchscreen. (Bron afbeelding: NKK Switches)

Het 4-draads flexibele circuit van het touchscreen wordt via CN1 aangesloten op het controllerbord. Het controllerbord maakt via CN4 verbinding met de host-pc. De CN4 USB-interface levert ook stroom aan het bord. Op de host draait het apparaatstuurprogramma en de applicatiesoftware voor het touchscreen (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: Dit is een typische 4-draads USB-controllerbord en host-pc-configuratie. (Bron afbeelding: NKK Switches)

Ontwerptips

Het resistieve touchscreen moet na installatie worden gekalibreerd. Het FTCSU548-controller-IC heeft een ingebouwde kalibratiefunctie. De controller-IC moet eerst worden ingesteld op "brongegevensmodus" om te kalibreren. De pc geeft dan een referentiepunt (P1) aan op het touchscreen waar de operator met een stylus op drukt, en de ADC-spanningsinformatie wordt via het controllerbord naar de pc gestuurd. Het proces wordt herhaald met een tweede punt (P2) in een verafgelegen touchscreengebied. De fysieke coördinaten van P1 en P2 worden als een getal van acht bytes naar de pc gestuurd. Het touchscreen wordt dan in de "kalibratiegegevensmodus" gezet en de toepassingssoftware gebruikt de spanning en coördinaten voor de twee bekende punten, plus een ingebouwde "0,0"-referentie, om alle andere coördinaten in het gebied van de kalibratiegegevensmodus te interpoleren (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: Bij de eerste configuratie en daarna regelmatig kalibreren is nodig omdat de weerstand verandert naarmate het touchscreen ouder wordt. (Bron afbeelding: NKK Switches)

De weerstand van het scherm verandert naarmate het ouder wordt, dus tijdens de hele levensduur is herkalibratie nodig.

Het is essentieel om het frame van het beeldscherm te aarden om elektromagnetische interferentie (EMI) te voorkomen. Het is ook mogelijk dat de initiële contactweerstand van een vinger 'geratel' veroorzaakt. Om klapperen te voorkomen kan een ingebouwde vertraging gebruikt worden om de spanning te laten zakken voordat het systeem de coördinaten berekent.

Ontwerpers moeten ook oppassen dat ze geen software opnemen die gebruikers opdraagt om twee touchscreenzones tegelijk aan te raken. De technologie kan twee afzonderlijke aanrakingen niet oplossen en gaat standaard uit van een middelpunt ertussen. Tot slot verschijnen er onderbrekingen boven de schermafstandhouder wanneer er met een stylus een lijn op een scherm wordt getekend, waardoor de twee lagen van elkaar worden gescheiden. Ontwerpers moeten ervoor zorgen dat de applicatiesoftware deze gaten opvult.

Conclusie

Resistieve touchscreens zijn geschikte HMI's in toepassingen waar kosten, robuustheid en bediening met blote of gehandschoende hand of niet-geleidende stylus essentieel zijn. Om de implementatie te vereenvoudigen, omvatten de commerciële oplossingen van NKK de overlay van het touchscreen, controllerborden met een speciale controller-IC en stuurprogramma's voor apparaten.