|
Что такое Touch Screen?
Привычными средствами диалога с компьютером являются разнообразные по исполнению клавиатуры и манипуляторы типа "мышь" или трекбол. Они просты, дешевы и вполне надежны при аккуратном обращении. Однако, за пределами оснащенных кондиционерами, уютных офисных помещений, использование таких устройств бывает затруднительным или совсем невозможным. Приходится защищать их от попадания воды (брызг или дождя, например). Требуются стойкие к химическим воздействиям материалы и дорогие электронные компоненты, способные работать в широком диапазоне температур. Необходимо подсвечивать кнопки, чтобы видеть их даже в условиях низкой освещенности. Часто приходится идти на все эти усовершенствования, т.к. возникают ситуации, когда к "обычным" офисным компьютерам приходится подключать какую-либо уникальную исследовательскую аппаратуру и проводить работы в полевых условиях. Все это дорого, хлопотно и неудобно.
Проблема небольших по габаритам интеллектуальных устройств - катастрофическая нехватка места. Универсальные клавиатуры с сотней клавиш тут недопустимы, а порой и не нужны. На каждом этапе работы оператором производится выбор из некоторого небольшого числа вариантов и поэтому ему бывает достаточно всего лишь нескольких кнопок. Хотя даже для них трудно найти место. Правда, чрезмерное сокращение клавиатур делает работу с техникой неудобной.
Сегодня самым современным решением проблемы взаимодействия человек-машина является оснащение прибора сенсорным экраном. В устройствах, оснащенных ими, клавиатуры и мышки отсутствуют вовсе. Результат - меньшие габариты аппаратуры, большая, чем ранее наглядность и простота использования техники. Кроме того, удобство применения сочетается с более высокой надежностью, т.к. современные сенсорные экраны нечувствительны к вибрациям и влажности. Им не требуется дополнительное пространство и значит, аппаратуру можно сделать менее громоздкой. А еще они способны, если нужно, противостоять грубому или неумелому обращению, т.к. могут выполняться из особо прочных материалов, способных выдерживать даже мощные удары. Существуют образцы вандалостойких экранов, которые могут сохранять работоспособность даже после удара бейсбольной битой, что позволяет применять их в оснащении игровых автоматов или в банкоматах.
Сенсорный экран (сенсорная панель) - прозрачная, чувствительная к прикосновениям панель, устанавливаемая перед экраном монитора или ЖК-индикатора. (Sensor (сенсор) - чувствительный элемент, датчик. Отсюда, от её способности реагировать на прикосновение происходит название панели.) Размеры экрана монитора и сенсорного экрана одинаковы. Диалог оператора и прибора осуществляется следующим образом: на экране монитора формируется изображение, содержащее элементы программного меню в наиболее понятной и доступной форме. Человек управляет работой системы, просто прикасаясь к желаемому изображению на экране. Координата точки касания передается в управляющую программу, сопоставляющую координату касания с изображением на экране монитора. Зная местоположение и размеры элементов изображения, можно однозначно определить в какой именно элемент программного меню целился палец оператора, когда наткнулся на сенсорный экран. Некоторые типы экранов допускают прикосновение практически любым предметом - будь то палец, банковская карточка или тупой конец медицинского скальпеля. Обслуживающему персоналу или клиенту-пользователю для работы на таком оборудовании не нужно обладать опытом программиста и не требуется долгое обучение. Незачем увеличивать габариты прибора, пытаясь разместить на нем десяток кнопок, если можно поставить тонкий легкий и очень надежный сенсорный экран.
Известно выражение: "устами ребенка глаголет истина". Его вполне можно применить к проблеме выбора диалоговых инструментов в системе человек- компьютер. Посмотрите, как ведет себя ребенок, впервые усевшийся перед экраном - он то и дело, оставив в стороне клавиатуру, пытается указать пальцем на тот или иной элемент изображения на мониторе. Это естественно для человека, удобно и потому правильно. Но из всех известных диалоговых инструментов между техникой и человеком только сенсорный экран предоставляет пользователю возможность реализации столь естественного желания. Человек управляет машиной, указывая ей на тот элемент программного меню, который ему больше всего подходит. (В традиционных компьютерах связь между манипуляциями руки с "мышью" и перемещением курсора на экране слабее и значительно менее удобна.) Эта свойство сенсорных экранов по достоинству оценена разработчиками приборов и информационно-справочных систем во всем мире. Но преимущества сенсорных экранов не исчерпываются только лишь естественностью интерфейса, хотя это - уже не мало. Программная реализация любых кнопок придает гибкость интерфейсу, возможность мгновенной трансформации к новым условиям и меняющейся специфике задачи.
Сенсорный экран состоит из следующих элементов: собственно экран (панель), контроллер и интерфейс.
Панель - прозрачный многослойный экран, плоский или повторяющий форму поверхности монитора. С внутренней стороны имеет поддерживающее стекло, придающее конструкции необходимую жесткость. По периметру экрана расположены элементы механического крепления и съема электрических сигналов.
Контроллер - блок, преобразующий исходный сигнал (аналоговый или цифровой) к виду удобному для дальнейшей обработки.
Интерфейс - узел контроллера, состоящий из разъема, соединительного кабеля, а также драйвера (например, конвертора сигналов ТТЛ в RS-232 и обратно). Он предназначен для передачи информации от контроллера к главному управляющему узлу системы, например, к компьютеру. Наиболее часто экраны оснащаются интерфейсами RS-232, RS-485, а в последние годы все большую популярность приобретает USB. Для подключения к управляющему микроконтроллеру в специализированном приборе сенсорные экраны оснащаются последовательными интерфейсами типа I2C или SPI.
Известны следующие варианты технологического исполнения экранов:
Кратко рассмотрим принципы работы, устройство, основные преимущества и недостатки различных технологий.
Резистивные экраны
Резистивные экраны- наиболее популярный и отработанный в технологическом плане вид экранов. Исторически - это самый первый тип сенсорных панелей. За годы, прошедшие с момента появления первых экземпляров, конструкция успела претерпеть много полезных изменений и теперь является самой надежной и самой дешевой. Наибольшую популярность имеют 4- и 5-проводные конструкции. 4-проводная панель устроена следующим образом:
Два слоя прозрачного и прочного пластика (обычно полиэстер или майлар) покрываются прозрачным токопроводящим составом на основе двуокиси индия и олова (ITO). Эти пленки или пластинки устанавливаются таким образом, чтобы проводящие слои на каждом из них были обращены друг к другу. Между ними вносятся изолирующие упругие микроскопические шарики (спейсеры), не позволяющие поверхностям соприкасаться друг с другом при отсутствии внешних сил. (см. рис. №1).
 Токопроводящие покрытия обладают электрическим сопротивлением и их делают максимально однородными. Если теперь на электроды одной плоскости (на металлизированные полоски по краям пластика) подать напряжение, то оно распределится между полюсами также равномерно и однородно. (см. рис.№3). В момент прикосновения к экрану, плоскости войдут в контакт. Предположим, что в начале напряжение прикладывается к полюсам верхней (по рис.№1) плоскости. Вторая плоскость с проводящим покрытием, металлизированные полоски-электроды которой подключены к входам АЦП, служит своеобразным щупом и может использоваться для снятия напряжения в точке контакта. Таким образом вычисляется координата "Х". Затем источники напряжения и входы преобразователя переключаются, меняясь местами. Теперь напряжение прикладывается к металлическим полоскам на нижней плоскости, а потенциал точки соприкосновения снимается при помощи верхней плоскости. АЦП выдаст код пропорциональный координате "У".
 Необходимо помнить, что при этом эквивалентная схема измерений соответствует приведенной на рис.#3.
Данный тип экранов наиболее часто применяется в конструкциях портативных приборов, медицинских прикроватных мониторах и специальном оборудовании, т.к. они дешевы, достаточно надежны, откликаются на прикосновение любым предметом. Они не предъявляют особых требований к окружающей среде и вполне могут примяться в полевых условиях. Известны примеры удачного применения 4-проводных экранов совместно с GPS-навигаторами и рыбацкими эхолотами.
 Немного иначе устроена 5-проводная панель. В ней отсутствует одна из пленок, покрытых составом ITO. Он, в этом случае, наносится на стекло (см. рис.№ 4). Таким образом, в 5-проводных экранах стекло одновременно выполняет несколько функций: оно не только придаёт конструкции необходимую жесткость, но и участвует в определении координаты касания как одна из сенсорных плоскостей. На всех четырех сторонах прямоугольной стеклянной подложки делаются тонкие несоприкасающиеся металлизированные полоски-проводники, на которые поочередно и попарно подается напряжение. Одна пара электродов размещенных на противоположных сторонах стеклянной подложки необходима для измерений координаты по оси Х, а другая - по оси "У". Вторая плоскость (майларовая пленка) служит только лишь в качестве электрического щупа, подобного щупу вольтметра. Между двумя проводящими плоскостями, также как и в 4-проводных конструкциях, имеются изолирующие упругие шарики, не позволяющие поверхностям соприкасаться при отсутствии внешнего давления. Вся конструкция после сборки герметизируется и становится невосприимчивой к колебаниям влажности.
Упрощение конструкции, исключение из неё одной гибкой поверхности, позволило очень существенно улучшить качественные характеристики экрана и более чем на порядок увеличить его надежность. Возросла не только механическая прочность изделия, но и упростилась, стала более надёжной электрическая схема контроллера. Из неё исчез мультиплексор-коммутатор, переключавший в 4-проводных схемах проводники двух плоскостей, то подавая на них напряжение питания, то подключая их ко входам АЦП. 5-проводные сенсорные экраны стали способны функционировать даже при небольших повреждениях проводящих поверхностей. (С течением времени могут возникнуть небольшие неоднородности в проводящем покрытии пленки. Это происходит из-за постоянного выгибания пленки в моменты касания. Но, поскольку, в отличие от 4- и 8-проводных панелей эта плоскость в определении координат участвует очень мало, то и требования к её однородности не столь велики и не сказываются на точности работы. От неё требуется лишь одно - передача напряжения из точки контакта на входы АЦП, а это вполне возможно при небольших повреждениях однородности покрытия.) Лучшие образцы способны выдерживать до 35 миллионов касаний. Это означает, что если к экрану будут прикасаться 10 раз в минуту (или 600 раз в час, сутки напролет и 7 дней в неделю), то его ресурса хватит на 6,5 лет непрерывной работы. В действительности же конечно больше, т.к. столь частое и беспрерывное прикосновение к экрану вряд ли когда-либо потребуется.
8-проводные экраны по исполнению похожи на 4-проводные, но с целью компенсации температурного дрейфа параметров панели, в конструкцию введены дополнительные проводники. 4 провода подпаяны к тем же самым четырем металлизированным полоскам по краям обоих плоскостей (см. рис.№1). Через них на проводящие поверхности подается напряжение смещения, компенсирующее уход параметров экрана после выполнения начальной калибровки экрана. В результате подводки опорного напряжения стабильность работы панели возрастает, однако в целом надежность её не увеличивается. Также как и 4-проводные экраны они способны выдерживать от 105 до 106 касаний. Это немало, но все-таки много меньше, чем у 5-проводных панелей.
Точность для 4-, 5- и 8- проводных экранов примерно одинакова. Лидирующие производители заявляют о том, что в их продукции стандартная плотность точек касания достигает 100 000 точек/дюйм (т.е. различимый интервал между точками равен 0,00025 мм). Столь высокая точность позволяет использовать данную технологию в прецизионных системах ввода данных. Можно даже рисовать на экранах, вводить подписи под документами и т.п.. Попытки такие есть, но пока это экзотика. Потенциал сенсорной техники допускает более широкое её использование, чем выбор между "да" и "нет", но сегодня основное применение сенсорных экранов наблюдается в приложениях, где столь высокая точность координат не требуется.
Отношение к типу монитора разное: 5-проводные панели применимы как с плоскими, так и с выпуклыми экранами, а 4 и 8-проводные могут работать только на плоскости и, следовательно, больше подходят для приборов с ЖКИ. (Есть правда, удачные попытки изготовления искривленных 4-проводных панелей, применимых на выпуклых ЭЛТ-мониторах. Но такое техническое решение - скорее исключение, чем правило.) Многослойность резистивных панелей сказывается на их прозрачности. У недорогих панелей коэффициент пропускания света лежит в диапазоне 75-85%. У лучших образцов примерно 10-12% света от монитора поглощается экраном.
Резистивный экран требует периодической калибровки. Для её выполнения пользователю предлагается под управлением специальной программы прикоснуться к нескольким точкам на экране. Эти точки будут последовательно возникать на мониторе. Процедура несложная и выполняется нечасто, а потому пугаться её не стоит, но знать о такой проблеме нужно. Дело в том, что, как уже упоминалось ранее, с течением времени происходит изменение характеристик экрана. Это связано с осыпанием прозрачного проводящего слоя и, следовательно, с изменением однородности распределения питающего напряжения. В итоге меняется точность вычисления координат и позиционное положение некоторых точек экрана.
Емкостные сенсорные экраны
В основу конструкции экранов на емкостной технологии положено однородное прозрачное проводящее покрытие стеклянной панели. Электроды, расположенные по углам экрана равномерно распределяют подаваемое на панель низкое постоянное напряжение по всей его плоскости, создавая равномерное электрическое поле. Прикосновение к экрану вызывает нарушение однородности поля и появление маленьких токов через все электроды и через палец и тело человека. Прозрачное покрытие обладает известным сопротивлением и ток, протекающий через каждый из электродов пропорционален этому сопротивлению, т.е. связан с координатой касания (см. рис.№5). Контроллером могут измеряться либо эти токи, либо изменения частоты колебаний генераторов, если емкостные параметры для каждого из углов экрана задают частоту колебания соответствующего генератора. Контроллер выполняет измерения и передает результаты в управляющую программу для последующей обработки.
 Некоторые модели таких экранов не способны работать с рукой одетой в перчатку и потому не могут применяться в медицине, в военной области или в химических лабораториях. Они критичны к сухости кожи индивида и к колебаниям влажности и не могут применяться на открытом воздухе. Сенсорные экраны, изготовленные по данной технологии, имеют быстрый и точный отклик, а также огромный ресурс (около 225 млн. нажатий). Есть у них одно неприятное свойство: статический заряд, накапливающийся на поверхности экрана разряжается через касающийся предмет "на землю". Если этим предметом служит палец, то человек получит неприятный электрический удар. Использование их в помещениях оборудованных изолирующими полами также нежелательно, т.к. ток при касании обязательно должен куда-нибудь стекать. Иначе панель просто не будет работать. Приходится предпринимать специальные меры, чтобы справиться с этой неприятностью.
Обилие ограничений в применении таких экранов препятствовало их широкому распространению. Технология нуждалась в усовершенствованиях, и они были сделаны. У разных производителей есть свои решения в конструкции новейших емкостных сенсорных экранов. Некоторые производители в своих последних разработках размещает под еще одним стеклом (толстым и закаленным) дополнительный слой, образованный очень тонкими металлическими проволочками, создающими равномерное электрическое поле. Пользователь прикасается теперь к внешнему, стеклу, а не к чувствительному слою. Образуется некий многослойный конденсатор. Та же причина - изменение однородности электрического поля в точке касания вызывает утечки тока пропорциональные удаленности точки касания от углов экрана, что и обнаруживается контроллером. Очень похоже на уже знакомую конструкцию, но эти экраны могут работать с рукой в перчатке и не предъявляют никаких требований к качеству полов в помещении. Новая конструкция емкостных экранов делает их невосприимчивым к пыли, дождю и грязи, сохраняя при этом все преимущества традиционной технологии.
Цифровые сенсорные экраны
Проще, надежнее и дешевле всего устроены цифровые сенсорные экраны (иногда употребляется термин "матричные"). На двух плоскостях обращенных друг к другу проводящими поверхностями, нанесено прозрачное проводящее покрытие, но не сплошным равномерным слоем, как было в резистивных и емкостных панелях, а полосками. (Между полосками на каждой плоскости есть небольшой изолирующий промежуток.) На одной из плоскостей они имеют горизонтальную ориентацию, а на другой - вертикальную. Вместе прозрачные проводники образуют готовую координатную сетку. Плоскости разделены микроскопическими изолирующими шариками-спейсерами, подобно тому, как это делается в резистивных панелях. В момент прикосновения между двумя поверхностями в точке касания возникает электрический контакт. Контроллер периодически сканирует столбцы и строки сетки и, обнаружив контакт, сообщает управляющей программе координату.
У экранов выполненных по данной технологии есть множество важных преимуществ перед всеми другими. Главные из них - независимость точности определения координаты от изменений температуры. Они не требуют настройки и калибровки как резистивные. Они нечувствительны к пыли и им не мешают посторонние источники света. Им не страшны колебания влажности. Им не мешают посторонние акустические шумы. У этих сенсорных панелей отличная повторяемость и простая надежная схема. Такие экраны идеально подходят для приложений, в которых изображение программной кнопки на мониторе имеет неизменные размеры и фиксированную позицию. Сканирующая цифровая схема контроллера много проще аналого-цифровой, понятнее и надежнее. Однако у матричных экранов есть один существенный недостаток - сравнительно низкое разрешение.
Понятно, что точность определения координаты задается сеткой. Каково число ячеек в сетке, такова и точность. Впрочем, как уверяют производители могут быть изготовлены экраны с любым разумным разрешением по координате, вплоть до 0.1 мм. Однако обнаружить экраны с таким разрешением не удается. Лучшее разрешение - 3,7 мм. Объясняется это тем, что матричные экраны просто не применяют в областях требующих высокой точности. Там удобнее и дешевле будет использовать резистивные или емкостные панели. |
