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觸摸屏在結(jié)構(gòu)上由一個(gè)感應(yīng)式液晶顯示裝置組成,這個(gè)感應(yīng)顯示器可以接收觸控頭或者其他觸控動(dòng)作的信號(hào)。當(dāng)這個(gè)感應(yīng)顯示器收到了觸控信號(hào),整個(gè)觸控裝置會(huì)按照事先編寫(xiě)的程序執(zhí)行不同的指令,實(shí)現(xiàn)用戶的觸控意圖。這種技術(shù)替代了傳統(tǒng)的機(jī)械式按鈕裝置,加上液晶顯示器的畫(huà)面,可以得到十分生動(dòng)形象的畫(huà)面和操作享受,受到了越來(lái)越多人的歡迎。

觸摸屏技術(shù)最早出現(xiàn)在一些工業(yè)和商業(yè)設(shè)備中,例如POS終端機(jī)、電梯按鈕等。觸摸屏技術(shù)在很大程度上方便了人機(jī)交互,觸摸屏本身又很堅(jiān)固耐用,這些特點(diǎn)都讓觸摸屏技術(shù)有了很大的應(yīng)用和發(fā)展。利用觸摸屏技術(shù),用戶只要用手指點(diǎn)擊相應(yīng)的觸控圖案,就可以解決過(guò)去繁雜的操作問(wèn)題,極大的方便了用戶。由于近些年i Phone手機(jī)的推出,更是刺激了觸摸屏相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,觸摸屏技術(shù)也由此被應(yīng)用到不同的產(chǎn)品中。隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)的快速發(fā)展,人們對(duì)觸摸屏技術(shù)的需求和要求也日益提高,相信觸摸屏技術(shù)將會(huì)越來(lái)越多的出現(xiàn)在不同的電子產(chǎn)品中。除此之外,觸摸屏在汽車(chē)電子領(lǐng)域和零售業(yè)也有很大的發(fā)展空間,具相關(guān)權(quán)威調(diào)查,到2012年,用于汽車(chē)電子和零售業(yè)的觸摸屏市場(chǎng)將會(huì)達(dá)到20億美元,占觸摸屏產(chǎn)業(yè)總體市場(chǎng)的20%。同時(shí)在PC行業(yè),由于微軟操作系統(tǒng)的不斷發(fā)展,觸摸屏技術(shù)也將占據(jù)著十分重要的角色,再加上醫(yī)療領(lǐng)域、公共設(shè)施領(lǐng)域等方面,觸摸屏控制技術(shù)將會(huì)得到進(jìn)一步的普及,有著極好的市場(chǎng)前景。

中國(guó)的觸摸屏消費(fèi)市場(chǎng)有著極大潛力,尤其在數(shù)碼電子產(chǎn)品市場(chǎng)中,然而在觸摸屏產(chǎn)業(yè)中,中國(guó)的觸摸屏產(chǎn)業(yè)主要集中在產(chǎn)業(yè)鏈的中下游,目前遼寧沈陽(yáng)的沈北新區(qū)也建立了手機(jī)制造中心,吸引了包括晨訊科技等手機(jī)觸摸屏生產(chǎn)廠家。一方面體現(xiàn)了手機(jī)觸摸屏這一強(qiáng)大的市場(chǎng),另一方面又反映了我國(guó)觸摸屏產(chǎn)業(yè)的技術(shù)含量偏低,多以加工代工為主。然而在觸摸屏產(chǎn)業(yè)鏈中,觸摸屏驅(qū)動(dòng)芯片是核心,決定著觸摸屏產(chǎn)品的優(yōu)劣,全球各大芯片設(shè)計(jì)公司也都在致力研發(fā)高精度、低功耗的觸摸屏驅(qū)動(dòng)芯片。

電阻式觸摸屏

電阻式觸摸屏是一種傳感器,基本上是薄膜加上玻璃的結(jié)構(gòu),薄膜和玻璃相鄰的一面上均涂有ITO(納米銦錫金屬氧化物)涂層,ITO具有很好的導(dǎo)電性和透明性。當(dāng)觸摸操作時(shí),薄膜下層的ITO會(huì)接觸到玻璃上層的ITO,經(jīng)由感應(yīng)器傳出相應(yīng)的電信號(hào),經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換電路送到處理器,通過(guò)運(yùn)算轉(zhuǎn)化為屏幕上的X、Y值,而完成點(diǎn)選的動(dòng)作,并呈現(xiàn)在屏幕上。

電阻觸摸屏的工作原理主要是通過(guò)壓力感應(yīng)原理來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)屏幕內(nèi)容的操作和控制的,這種觸摸屏屏體部分是一塊與顯示器表面非常配合的多層復(fù)合薄膜,其中第一層為玻璃或有機(jī)玻璃底層,第二層為隔層,第三層為多元樹(shù)脂表層,表面還涂有一層透明的導(dǎo)電層,上面再蓋有一層外表面經(jīng)硬化處理、光滑防刮的塑料層。在多元脂表層表面的傳導(dǎo)層及玻璃層感應(yīng)器是被許多微小的隔層所分隔電流通過(guò)表層,輕觸表層壓下時(shí),接觸到底層,控制器同時(shí)從四個(gè)角讀出相稱(chēng)的電流及計(jì)算手指位置的距離。這種觸摸屏利用兩層高透明的導(dǎo)電層組成觸摸屏,兩層之間距離僅為2.5微米。當(dāng)手指觸摸屏幕時(shí),平常相互絕緣的兩層導(dǎo)電層就在觸摸點(diǎn)位置有了一個(gè)接觸,因其中一面導(dǎo)電層接通Y軸方向的5V均勻電壓場(chǎng),使得偵測(cè)層的電壓由零變?yōu)榉橇?控制器偵測(cè)到這個(gè)接通后,進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,并將得到的電壓值與5V相比,即可得觸摸點(diǎn)的Y軸坐標(biāo),同理得出X軸的坐標(biāo),這就是所有電阻技術(shù)觸摸屏共同的最基本原理。

電路實(shí)現(xiàn)

觸摸屏包含上下疊合的兩個(gè)透明層,四線和八線觸摸屏由兩層具有相同表面電阻的透明阻性材料組成,五線和七線觸摸屏由一個(gè)阻性層和一個(gè)導(dǎo)電層組成,通常還要用一種彈性材料來(lái)將兩層隔開(kāi)。當(dāng)觸摸屏表面受到的壓力(如通過(guò)筆尖或手指進(jìn)行按壓)足夠大時(shí),頂層與底層之間會(huì)產(chǎn)生接觸。所有的電阻式觸摸屏都采用分壓器原理來(lái)產(chǎn)生代表X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)的電壓。如圖3,分壓器是通過(guò)將兩個(gè)電阻進(jìn)行串聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。上面的電阻(R1)連接正參考電壓(VREF),下面的電阻(R2)接地。兩個(gè)電阻連接點(diǎn)處的電壓測(cè)量值與下面那個(gè)電阻的阻值成正比。

為了在電阻式觸摸屏上的特定方向測(cè)量一個(gè)坐標(biāo),需要對(duì)一個(gè)阻性層進(jìn)行偏置:將它的一邊接VREF,另一邊接地。同時(shí),將未偏置的那一層連接到一個(gè)ADC的高阻抗輸入端。當(dāng)觸摸屏上的壓力足夠大,使兩層之間發(fā)生接觸時(shí),電阻性表面被分隔為兩個(gè)電阻。它們的阻值與觸摸點(diǎn)到偏置邊緣的距離成正比。觸摸點(diǎn)與接地邊之間的電阻相當(dāng)于分壓器中下面的那個(gè)電阻。因此,在未偏置層上測(cè)得的電壓與觸摸點(diǎn)到接地邊之間的距離成正比。

電阻式觸摸屏內(nèi)部渡涂的透明ITO導(dǎo)電薄膜有工藝要求。涂層不可太厚,否則不但會(huì)降低透光率,還會(huì)形成內(nèi)反射層,降低清晰度;涂層也不可太薄,否則容易斷裂。在使用過(guò)程中,由于觸摸屏的工作準(zhǔn)確性需要依靠電阻網(wǎng)絡(luò)的精密性來(lái)實(shí)現(xiàn),如果某處電阻網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)了故障將會(huì)使此處觸摸屏觸摸失靈:觸摸屏表面經(jīng)常被觸摸,表層薄薄的一層透明ITO導(dǎo)電薄膜會(huì)出現(xiàn)細(xì)小裂紋,也會(huì)導(dǎo)致觸摸失靈;透明ITO導(dǎo)電薄膜的外層采用的是塑膠材料,沒(méi)有保護(hù)層,所以安全性較差。但是,從結(jié)構(gòu)上看,電阻式觸摸屏是一個(gè)相對(duì)封閉的系統(tǒng),因此相比于其他觸摸屏,不受外界污染物的影響,比如灰塵、水汽、油潰等,而且適合配帶手套或是不能用手直接觸摸的場(chǎng)合,因此能夠在惡劣環(huán)境下正常工作,適合于航空機(jī)載顯示系統(tǒng)。

四線觸摸屏包含兩個(gè)阻性層。其中一層在屏幕的左右邊緣各有一條垂直總線,另一層在屏幕的底部和頂部各有一條水平總線,見(jiàn)圖1。為了在X軸方向進(jìn)行測(cè)量,將左側(cè)總線偏置為0V,右側(cè)總線偏置為VREF。將頂部或底部總線連接到ADC,當(dāng)頂層和底層相接觸時(shí)即可作一次測(cè)量。

為了在Y軸方向進(jìn)行測(cè)量,將頂部總線偏置為VREF,底部總線偏置為0V。將ADC輸入端接左側(cè)總線或右側(cè)總線,當(dāng)頂層與底層相接觸時(shí)即可對(duì)電壓進(jìn)行測(cè)量。圖2顯示了四線觸摸屏在兩層相接觸時(shí)的簡(jiǎn)化模型。對(duì)于四線觸摸屏,最理想的連接方法是將偏置為VREF的總線接ADC的正參考輸入端,并將設(shè)置為0V的總線接ADC的負(fù)參考輸入端。

五線觸摸屏

五線觸摸屏使用了一個(gè)阻性層和一個(gè)導(dǎo)電層。導(dǎo)電層有一個(gè)觸點(diǎn),通常在其一側(cè)的邊緣。阻性層的四個(gè)角上各有一個(gè)觸點(diǎn)。為了在X軸方向進(jìn)行測(cè)量,將左上角和左下角偏置到VREF,右上角和右下角接地。由于左、右角為同一電壓,其效果與連接左右側(cè)的總線差不多,類(lèi)似于四線觸摸屏中采用的方法。為了沿Y軸方向進(jìn)行測(cè)量,將左上角和右上角偏置為VREF,左下角和右下角偏置為0V。由于上、下角分別為同一電壓,其效果與連接頂部和底部邊緣的總線大致相同,類(lèi)似于在四線觸摸屏中采用的方法。這種測(cè)量算法的優(yōu)點(diǎn)在于它使左上角和右下角的電壓保持不變;但如果采用柵格坐標(biāo),X軸和Y軸需要反向。對(duì)于五線觸摸屏,最佳的連接方法是將左上角(偏置為VREF)接ADC的正參考輸入端,將左下角(偏置為0V)接ADC的負(fù)參考輸入端。

七線觸摸屏

七線觸摸屏的實(shí)現(xiàn)方法除了在左上角和右下角各增加一根線之外,與五線觸摸屏相同。執(zhí)行屏幕測(cè)量時(shí),將左上角的一根線連到VREF,另一根線接SAR ADC的正參考端。同時(shí),右下角的一根線接0V,另一根線連接SAR ADC的負(fù)參考端。導(dǎo)電層仍用來(lái)測(cè)量分壓器的電壓。

八線觸摸屏

除了在每條總線上各增加一根線之外,八線觸摸屏的實(shí)現(xiàn)方法與四線觸摸屏相同。對(duì)于VREF總線,將一根線用來(lái)連接VREF,另一根線作為SAR ADC的數(shù)模轉(zhuǎn)換器的正參考輸入。對(duì)于0V總線,將一根線用來(lái)連接0V,另一根線作為SAR ADC的數(shù)模轉(zhuǎn)換器的負(fù)參考輸入。未偏置層上的四根線中,任何一根都可用來(lái)測(cè)量分壓器的電壓。

1、如果VIN小于VDAC,比較器輸出邏輯低,N位寄存器的最高位清0。

2、如果VIN大于VDAC,比較器輸出邏輯高(或1),N位寄存器的最高位保持為1。

其后,SAR的控制邏輯移動(dòng)到下一位,將該位強(qiáng)制置為高,再執(zhí)行下一次比較。SAR控制邏輯將重復(fù)上述順序操作,直到最后一位。當(dāng)轉(zhuǎn)換完成時(shí),寄存器中就得到了一個(gè)N位數(shù)據(jù)字。

圖4顯示了一個(gè)4位轉(zhuǎn)換過(guò)程的例子,圖中Y軸和粗線表示DAC的輸出電壓。在該例中:

1、第一次比較中,顯示VIN小于VDAC,因此位[3]被置0。隨后DAC被設(shè)置為0b0100并執(zhí)行第二次比較。

2、在第二次比較中,顯示VIN大于VDAC,因此位[2]保持為1。隨后,DAC被設(shè)置為0b0110并執(zhí)行第三次比較。

3、在第三次比較中,位[1]被置0。DAC隨后被設(shè)置為0b0101,并執(zhí)行最后一次比較。

4、在最后一次比較中,由VIN大于VDAC,位[0]保持為1。

四線和八線觸摸屏可以測(cè)量出接觸電阻,即圖5中的RTOUCH。RTOUCH與觸摸壓力近似成正比。要測(cè)量觸摸壓力,需要知道觸摸屏中一層或兩層的電阻。圖6中的公式給出了計(jì)算方法。需要注意的是,如果Z1的測(cè)量值接近或等于0(在測(cè)量過(guò)程中當(dāng)觸摸點(diǎn)靠近接地的X總線時(shí)),計(jì)算將出現(xiàn)一些問(wèn)題,通過(guò)采用弱上拉方法可以有效改善這個(gè)問(wèn)題。

電阻式觸摸屏的優(yōu)點(diǎn)是它的屏和控制系統(tǒng)都比較便宜,反應(yīng)靈敏度很好,而且不管是四線電阻觸摸屏還是五線電阻觸摸屏,它們都是一種對(duì)外界完全隔離的工作環(huán)境,不怕灰塵和水汽,能適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境。它可以用任何物體來(lái)觸摸,穩(wěn)定性能較好。

電阻式觸摸屏的優(yōu)點(diǎn)可歸類(lèi)為:

1、電阻式觸控屏的精確度高,可到像素點(diǎn)的級(jí)別,適用的最大分辨率可達(dá)4096x4096。

2、屏幕不受灰塵、水汽和油污的影響,可以在較低或較高溫度的環(huán)境下使用。

3、電阻式觸控屏使用的是壓力感應(yīng),可以用任何物體來(lái)觸摸,即便是帶著手套也可以操作,并可以用來(lái)進(jìn)行手寫(xiě)識(shí)別。

4、電阻式觸控屏由于成熟的技術(shù)和較低的門(mén)檻,成本較為廉價(jià)。

缺點(diǎn)

缺點(diǎn)是電阻觸摸屏的外層薄膜容易被劃傷導(dǎo)致觸摸屏不可用,多層結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致很大的光損失,對(duì)于手持設(shè)備通常需要加大背光源來(lái)彌補(bǔ)透光性不好的問(wèn)題,但這樣也會(huì)增加電池的消耗。

電阻式觸摸屏的缺點(diǎn)可歸類(lèi)為:

1、電阻式觸控屏能夠設(shè)計(jì)成多點(diǎn)觸控,但當(dāng)兩點(diǎn)同時(shí)受壓時(shí),屏幕的壓力變得不平衡,導(dǎo)致觸控出現(xiàn)誤差,因而多點(diǎn)觸控的實(shí)現(xiàn)程度較難。

2、電阻式觸控屏較易因?yàn)閯潅�等�?dǎo)致屏幕觸控部分受損。

多點(diǎn)觸摸就是允許多手指之間任意地選擇和操作,這樣可以極大地豐富操作類(lèi)型,而且多點(diǎn)操作通常可以實(shí)現(xiàn)智能的手勢(shì)識(shí)別,提供更人性化的用戶界面,現(xiàn)在的多點(diǎn)式觸摸屏已經(jīng)在技術(shù)上取得了突破,但是這些技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域都有比較大的局限性,另一個(gè)重要的原因是相應(yīng)的多點(diǎn)觸摸的功能沒(méi)有相應(yīng)的定義,智能手勢(shì)識(shí)別雖然從技術(shù)上能實(shí)現(xiàn),但是在應(yīng)用上出現(xiàn)應(yīng)用規(guī)范的限制問(wèn)題,比如,有五個(gè)點(diǎn)的觸摸,這些位置的組合到底意味著什么呢?這個(gè)沒(méi)有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,這樣造成了技術(shù)的泛濫,在實(shí)際的使用中沒(méi)有地方顯示出這種多點(diǎn)觸摸的優(yōu)越性,目前定義最為明確的就是一點(diǎn)的定義和兩點(diǎn)的定義,這也符合實(shí)際的應(yīng)用習(xí)慣,一些即使用上了多點(diǎn)觸摸功能的觸摸屏,還是做著單點(diǎn)或者兩點(diǎn)的觸摸屏的操作,所以這些產(chǎn)品利用的這些技術(shù)不得不說(shuō)有些浪費(fèi)。由此可見(jiàn)技術(shù)的應(yīng)用還要依賴于需求和具體的應(yīng)用,也要符合大家的應(yīng)用實(shí)際。

基于以上的原因,不能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)觸摸的觸摸屏在市場(chǎng)中占有率是最大的,只要是滿足了單點(diǎn)和兩點(diǎn)的觸摸功能也就符合了需求,這是市場(chǎng)給研究者最大的信息。而電阻式觸摸屏正是市場(chǎng)中使用最為廣泛的一種,這個(gè)領(lǐng)域的研究也是最多的,但是他們的研究也給后人造成很大局限性,結(jié)論是,它不能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)的觸摸功能,合理的設(shè)計(jì)和技術(shù)的進(jìn)步可以讓這個(gè)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。電阻式觸摸屏中研究最多的典型是四線式電阻式觸摸屏,現(xiàn)在這個(gè)領(lǐng)域技術(shù)已經(jīng)成熟,這個(gè)領(lǐng)域的研究已經(jīng)轉(zhuǎn)向了電阻式觸摸屏的核心器件的研究,市場(chǎng)上的成熟的應(yīng)用器件是ADS7843,這是典型的為四線電阻式觸摸屏開(kāi)發(fā)的芯片,得到了廣泛的利用。

ADS7843是專(zhuān)為四線電阻式觸摸屏設(shè)計(jì)的專(zhuān)用接口芯片,它可以方便地與單片機(jī)接口,對(duì)轉(zhuǎn)換信號(hào)進(jìn)行處理和計(jì)算。它是一個(gè)具有可編程的8位或12位分辨率的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器,如果將轉(zhuǎn)A/D換器配置為讀絕對(duì)電壓(單端模式)方式,那么驅(qū)動(dòng)電壓的下降將導(dǎo)致轉(zhuǎn)換輸入數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤。而如果配置為差分模式,則可以避免上述錯(cuò)誤。當(dāng)觸摸屏被按下時(shí),有兩種情況可影響接觸點(diǎn)的電壓一種是當(dāng)觸摸到顯示屏?xí)r,會(huì)導(dǎo)致觸摸屏外層振動(dòng)另一種是觸摸屏頂層和低層之間的寄生電容引起的電流振蕩以及在ADS7843輸入引腳上引起的電壓振蕩。這兩種情況都可導(dǎo)致觸摸屏上的電壓發(fā)生振蕩以及增加DC值穩(wěn)定的時(shí)間。使用第二種方式的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是功耗低,采用十字交叉法,得到結(jié)果,然后轉(zhuǎn)換坐標(biāo)。