触摸屏公共平板显示系统技术与应用

1、选择合适的触摸屏技术

         从工业领域到消费领域的各种应用中，触摸屏界面是一种广受欢迎的技术。触摸屏是一个使多媒体信息或控制改头换面的设备，它赋予多媒体系统以崭新的面貌，是极富吸引力的全新多媒体交互设备。触摸屏技术消除了对键盘或传统鼠标的需求，而是可通过代表特定任务的图标实现简单、直接的交互。它极大的简化了计算机的使用，即使是对计算机一无所知的人，也照样能够运用自如，使计算机展现出更大的魅力，并按照必需的步骤把触摸屏整合到公共平板显示系统中。这项工作正越来越多地由系统集成设计人员来完成，他们设计触摸屏，并把触摸屏集成在标准的LCD系统中，解决了公共信息市场上计算机所无法解决的问题。 

         触摸屏成功应用的关键是选择合适的技术，选择时需要考虑的参数包括：工作环境、光学性能、LCD尺寸、透射率或透明度、期望寿命、防刮伤的能力、校准稳定性、选择手指触摸还是用触摸笔（手指触摸是否可带手套？）、防反射处理（针对强光条件）、触摸屏面板和控制器的成本。而对于面向大型显示器的触摸屏的公共平板显示系统来说，电阻式触摸屏是最流行的触摸屏技术。这种压敏型触摸屏技术具有多种功能，也是最具有成本效益和易用性的触摸屏技术之一。通常，电阻式触摸屏的价格比较便宜，但缺点是光透射率一般不超过86%（尽管也有透射率更高的产品），而且电阻层的前表面对尖锐物和腐蚀性化学制品的抵御能力较差。电阻式触摸屏不受灰尘或水等外界污染物的影响，而且由于它们的密封度可达到NEMA 4/4X标准，所以大部分的主要人机界面制造商都采用了这项技术。特别是作为全屏触摸品示还需支持很高的分辨率。因电容传感器只有较低的分辨率感应，就不能支持写输入的手写辨识。值此主要讨论集成了触摸屏功能的公共平板显示系统技术与应用。而首先应对电阻技术触摸屏技术特点作介绍。

2、电阻技术触摸屏与系统性能 

         典型电阻技术触摸屏的工作部分一般由三部分组成：两层透明的阻性导体层、两层导体之间的隔离层、电极。也就是说，电阻触摸屏的主要部分是一块与显示器表面非常配合的电阻薄膜屏，这是一种多层的复合薄膜，它以一层玻璃或硬塑料平板作为基层，表面有一层透明氧化金属（ITO氧化铟，透明的导电电阻）导电层，上面再盖有一层外表面硬化处理、光滑防擦的塑料层，它的内表面也涂有一层ITO涂层，在他们之间有许多细小的（小于1/1000英寸）的透明隔离点把两层导电层隔开绝缘。触摸屏的技术特性：通透率为85%，分辨率为4096×4096，感应轴为X、Y；无漂移，耐磨损性好，响应速度<10mS，抗干扰好，无污物影响，稳定好。

2.1触摸屏的性能 

         当手指触摸屏幕时，两层导电层在触摸点位置就有了接触，控制器侦测到这一接触并计算出（X，Y ）的位置，再根据模拟鼠标的方式运作。其具体分析为：手指触摸屏幕时，上下导体层相当于电阻网络。当某一层电极加上电压时，会在该网络上形成电压梯度。如有外力使得上下两层在某一点接触，则在电极未加电压的另一层可以测得接触点处的电压，从而知道接触点处的坐标。比如，在顶层的电极（X+，X-）上加上电压，则在顶层导体层上形成电压梯度，当有外力使得上下两层在某一点接触，在底层就可以测得接触点处的电压，再根据该电压与电极（X+）之间的距离关系，知道该处的X坐标。然后，将电压切换到底层电极（Y+，Y-）上，见图1所示，并在顶层测量接触点处的电压，从而知道Y坐标。 
         四线制电阻触摸屏与五线电阻触摸屏也是目前最常用的触摸屏产。其四线电阻触摸屏不怕灰尘、油污和光电干扰，怕划伤是其主要缺陷。适用于有固定用户的公共场所，如工业控制现场、办公室、家庭等。而五线电阻触摸屏：极好的灵敏度和透光度，较长的使用寿命，不怕灰尘、油污和光电干扰，适用于各类公共场所，尤其适用于要求精密的工业控制现场等。

2.2基本技术 

         绝对坐标系统。触摸屏是一种绝对坐标系统，其特点就是当前定位坐标与上一次定位坐标没有关系，每次触摸的数据通过校准直接转化为屏幕上的坐标。不管在什么情况下，触摸屏这套坐标体系对同一点的输出数据都是稳定的。不过，它并不能保证每一次对同一点触摸的采样都相同，即不能保证绝对坐标定位，这就是所谓的漂移问题。 

         定位。各种触摸屏都是依靠传感器来工作的，甚至有的触摸屏本身就是一套传感器。它们各自的定位原理和各自所用的传感器决定了触摸屏的反应速度、可靠性、稳定性和寿命。

2.3触摸屏系统基本工作状况 

         触摸屏系统一般包括两个部分：触摸检测装置和触摸屏控制器。触摸检测装置安装在显示器屏幕前面，用于检测用户触摸位置，接收后送触摸屏控制器；触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息，并将它转换成触点坐标，再送给CPU，它同时能接收CPU发来的命令并加以执行。

3、集成了触摸屏功能的架构与接口技术

3.1之所以要应用集成了的触摸屏功能平板显示系，主要有以下几个因素 

         首要的它是一个公共型触摸屏平板显示系统。而这个集成了触摸屏功能的平板显示系统主要应用在工业控制或机器自动化系统、医疗应用系统、销售点（POS）系统或信息点（POI）系统、信息亭或自助服务亭及数字签名等领域，它是将放置在室内或室外或多种不同的环境乃至在恶劣环境之中应用，其于上述原因，因此必然是集成了的触摸屏功能平板显示系的采用。 

         为此在架构上，集成式触摸屏系统包含一个耐磨损的狭小外壳，该系统可以升级以适应从12.1英寸到19英寸的显示器尺寸。一个完整的集成式触摸屏开发套件包括控制器、接口电缆和 LCD。系统集成商通常可根据每个客户的要求提供具有合适功能的定制系统，这对不熟悉或缺乏触摸屏设计经验的系统设计者来说尤其有用。触摸屏面板可直接粘贴在LCD的前表面或显示器的边框上，为便于在损坏时更换屏幕，也可以采用机械方式安装。直接粘贴触摸传感器，或将触摸传感器安装在边框上均要求在专门的洁净室环境中进行，特别是直接粘贴传感器必须由受过严格训练的安装人员使用专用设备进行。采用机械方式安装的触摸传感器，是一种设计用来安装在显示设备外部的触摸传感器，可以通过物理设备（例如支架或压力衬垫材料）将它们固定在显示设备外部。外部触摸屏对LCD的影响较小，并且可以在现场或维修点替换传感器时使用。触摸屏控制器的功率要求也是一个需要考虑的问题，因为许多触摸屏控制器在5V或12V直流电压下才能正常工作，见图2所示，触摸屏系统的主要组成部分，它采用了一个外部安装型触摸面板。 [page]
3.2集成了触摸屏功能的人机接口技术 

         接口技术控制板设计考虑：是采用串行接口（SPI或RS-232）、USB还是PS/2，将触摸控制器与计算机主板上的CPU连接起来？如果触摸控制器和触摸传感器离主机有一段距离，那么这个距离将影响对接口方式的选择。例如，串行接口最多可支持50英尺的距离，而 USB接口一般仅支持约16英尺的距离。但是，采用串行接口的触摸控制器必须采用外部供电方式（需要一个5V或12V的直流电源），而采用USB接口的控制器可以从主机系统的USB端口直接获取电源。 

         除高分辨率外，认为多手指触摸是未来的发展方向，多手指触摸可以产生强烈的交互式操作感，还可以同时支持多个用户操作，特别适合用于大型的交互式环境比如交互式墙和桌面。本例仅对用微控制器与四线制电阻式触摸屏连接构成单手指触摸人机接口的方案作分析。 

         应用8位RISC微控制器Atmegal28（Amel公司产，）与BBADS7843四线制电阻式触摸屏连接构成人机接口的方案见图所示。 Atmegal28片内有128K flash、4K RAM、4KEEPROM、两个可编程的USART、1个可工作在主机／从机的SPI串行接口。此外还有丰富的I／O接口，8通道10位分辨率ADC转换器等硬件资源。使微控制器能够使用于比较高的通讯波特率，Almegal28已经内置了看门狗，并且可以通过编程使看门狗在程序启动前启动，即上电后程序启动前，看门狗已经启动，这样系统的可靠性可以得到保证，本系统采用5V供电。 

         ADS7843触摸屏控制器芯片专门应用于四线电阻式触摸屏，最高达到125K的转换率 8位或者12位可编程精度。外部参考电压范围从1V到VCC均可，VCC最高电压为5V，高速低功耗使得ADS7843非常适合于使用电阻触摸屏的手持设备。宽温度设计使得它很适用于大量的工业和公共现场。图3为触摸屏人机接口的方案示意图。 

图3中SPI总线分别为SPI时钟和主机输出从机输入及主机输入从机输出三根线的汇总。

         触摸屏是一个四线电阻屏幕，可以示意出两个电阻，测量X方向的时候，将X+，X-之间加上参考电压Vref，Y-断开，Y+作为A/D输入，进行A/D转换获得X方向的电压，同理测量Y方向的时候，将Y+，Y-之间加上参考电压Vref，X-断开，X+作为A/D输入，进行A/D转换获得Y方向的电压，之后再完成电压与坐标的换算。整个过程类似一个电位器，触摸不同的位置分得不同的电压。图4为四线电阻屏幕与屏幕控制器连接示意图。 [page]
3.3关于安装触摸屏的准则 

         在设计触摸屏显示器时，需要考虑的重要性能指标包括：触摸点的数目、触发力度、LCD像素间距、期望的响应时间、工作寿命（触摸次数）和触摸分辨率。除了必须知道LCD显示器和边框的全部尺寸以及LCD的类型（例如无源矩阵或有源矩阵TFT LCD）之外，还需考虑下面几个额外的问题：是否需要防炫射或防反射性能？是否要求在日光下阅读所需的高亮度或高透反性能？（在日光阅读所要求的亮度通常为600cd/m2（尼特）或更高，具体数值依赖于其它相关性能，例如，通常由大部分LCD的制造商或增值集成商提供的防反射表面处理。）是否需要对显示器玻璃进行粘接以防在室外公共环境遭到破坏？在价格、性能、质量以及能否长期供货这几个因素中，哪个更重要？其它需要考虑的参数还包括外部连接方式、安装方式和工作环境参数。

4、集成式触摸屏扩展应用 

         集成式触摸屏除了可作公共型触摸屏平板显示系统外，还可在患者监视和医疗设备控制的医疗应用中，用户必须戴着手套直接操作（不使用外部指点设备）触摸屏。为满足这种应用要求，设计工程师可以把一个4线电阻式触摸传感器集成到显示器中，该显示器选用了大小为12.1英寸（对角线）、亮度为400尼特、带 SVGA分辨率、具有高对比度且带有LVDS接口的有源矩阵LCD。 

         触摸屏在控制系统中的在棉花打包机中应用。而集成式触摸屏的使用则为整个控制系统提供厂良好的人机操作界面，因此若将其与PLC二者联合，则可广泛的应用于各个领域。其棉花打包机下不失为一种典型应用。棉花打包机主要有喂棉，踩实、压棉、小车输送与机械手推包的运动几个重要工序，该设备以液压系统和电机作为动力。主预压系统分别由两台电机驱动，小车机械手、输送带、转箱等分别由各自电机控制。打包机为了能够完成打包并保证打包的质量，其控制系统结构框图见图5所示。 
         根据控制工艺要求，综合输入输出点数，采用模块化PLC和集成式触摸屏PLC，通过SPI串口进行通信。 

         而软件设计打包机的每一工步的控制均采用自动和手动两种模式。PLC采集现场行程开关、光电传感器和压力传感器的信号，从而控制下一动作的触发，并在压力值越界时发出报警信号。整个程序的控制方式为顺序控制.该控制糸统提高了棉花打包机庇的精度与动作频繁的运行可靠性。 

         红外扫描触摸屏（也称为IR触摸屏）技术利用红外发射器-接收器，在离屏幕表面的一小段距离上投射出一个不可见的光网格。当光束被阻断时，接收器上的信号缺失被检测出来，并转换成触摸屏的X/Y坐标。红外扫描触摸屏利用红外发射器-接收器，在离屏幕表面的一小段距离上投射出一个不可见的光网格。当光束被阻断时，接收器上的信号缺失被检测出来，并转换成触摸屏的X/Y坐标。这种技术的工作方式。红外扫描触摸屏技术通常使用在信息亭、游戏、零售、卫生保健和工业人机界面（HMI）等应用中。它十分耐磨损，不受灰尘、水和其它污染物的影响（非常适用于室外的公共信息亭显示器），且没有校准漂移。不过，这种技术的应用是有限制的，它无法检测微小的指点区域，因此不适于对分辨率要求很高的、要求捕获签名的应用（如POS机）。红外扫描触摸屏的分辨率确实达不到防止签名失真所要求的精度，因为红外扫描要从一个光束切换到另一个光束。

5、结束语 

         上述侧重对电阻技术触摸屏在公共平板显示系统中应用特点作分析介绍，而实际上所不同应用对触摸屏的需求也有差异。在便携电子应用中，要求触摸屏具有很高的精度和三维接口，不能出现功能故障。与此同时，它还要求宽的动态范围、防划伤、背光能力和低功耗；消费电子如家电类应用要求满足防噪声，三维接口、高亮转换、强抗环境变化、抗划伤以及低成本等多项需求；笔记本电脑图像触摸要求同时在屏幕上跟踪多个目标，并且守即给图形接口信息。此外，高分辨率也非常重要。