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    人機界面--觸摸屏的種類與原理

      新聞發布時間:2017-01-12新聞瀏覽次數:2213作者:淄博凱隆電氣

       觸摸屏的基本原理是,用手指或其他物體觸摸安裝在顯示器前端的觸摸屏時,所觸摸的位置(以坐標形式)由觸摸屏控制器檢測,并通過接口(如RS-232串行口)送到CPU,從而確定輸入的信息。
    觸摸屏系統一般包括觸摸屏控制器(卡)和觸摸檢測裝置兩個部分。其中,觸摸屏控制器(卡)的主要作用是從觸摸點檢測裝置上接收觸摸信息,并將它轉換成觸點坐標,再送給CPU,它同時能接收CPU發來的命令并加以執行:觸摸檢測裝置一般安裝在顯示器的前端,主要作用是檢測用戶的觸摸位置,并傳送給觸摸屏控制卡。
    1.電阻觸摸屏
       電阻觸摸屏的屏體部分是一塊與顯示器表面相匹配的多層復合薄膜,由一層玻璃或有機玻璃作為基層,表面涂有一層透明的導電層,上面再蓋有一層外表面硬化處理、光滑防刮的塑料層,它的內表面也涂有一層透明導電層,在兩層導電層之間有許多細小(小于千分之一英寸)的透明隔離點把它們隔開絕緣。
       當手指觸摸屏幕時,平常相互絕緣的兩層導電層就在觸摸點位置有了一個接觸,因其中一面導電層接通Y軸方向的5V均勻電壓場,使得偵測層的電壓由零變為非零,這種接通狀態被控制器偵測到后,進行A/D轉換,并將得到的電壓值與5V相比即可得到觸摸點的Y軸坐標,同理得出X軸的坐標,這就是所有電阻技術觸摸屏共同的最基本原理。電阻類觸摸屏的關鍵在于材料科技。電阻屏根據引出線數多少,分為四線、五線、六線等多線電阻觸摸屏。電阻式觸摸屏在強化玻璃表面分別涂上兩層OTI透明氧化金屬導電層,最外面的一層OTI涂層作為導電體,第二層OTI則經過精密的網絡附上橫豎兩個方向的+5V至0V的電壓場,兩層OTI之間以細小的透明隔離點隔開。當手指接觸屏幕時,兩層OTI導電層就會出現一個接觸點,電腦同時檢測電壓及電流,計算出觸摸的位置,反應速度為10-20ms。
       五線電阻觸摸屏的外層導電層使用的是延展性好的鎳金涂層材料,外導電層由于頻繁觸摸,使用延展性好的鎳金材料目的是為了延長使用壽命,但是工藝成本較為高昂。鎳金導電層雖然延展性好,但是只能作透明導體,不適合作為電阻觸摸屏的工作面,因為它導電率高,而且金屬不易做到厚度非常均勻,不宜作電壓分布層,只能作為探層。
       電阻觸摸屏是一種對外界完全隔離的工作環境,不怕灰塵和水汽,它可以用任何物體來觸摸,可以用來寫字畫畫,比較適合工業控制領域及辦公室內有限人的使用。電阻觸摸屏共同的缺點是因為復合薄膜的外層采用塑膠材料,不知道的人太用力或使用銳器觸摸可能劃傷整個觸摸屏而導致報廢。不過,在限度之內,劃傷只會傷及外導電層,外導電層的劃傷對于五線電阻觸摸屏來說沒有關系,而對四線電阻觸摸屏來說是致命的。
    2.紅外線觸摸屏
       紅外線觸摸屏安裝簡單,只需在顯示器上加上光點距架框,無需在屏幕表面加上涂層或接駁控制器。光點距架框的四邊排列了紅外線發射管及接收管,在屏幕表面形成一個紅外線網。用戶以手指觸摸屏幕某一點,便會擋住經過該位置的橫豎兩條紅外線,電腦便可即時算出觸摸點的位置。任何觸摸物體都可改變觸點上的紅外線而實現觸摸屏操作。早期觀念上,紅外觸摸屏存在分辨率低、觸摸方式受限制和易受環境干擾而誤動作等技術上的局限,因而一度淡出過市場。此后第二代紅外屏部分解決了抗光干擾的問題,第三代和第四代在提升分辨率和穩定性能上亦有所改進,但都沒有在關鍵指標或綜合性能上有質的飛躍。但是,了解觸摸屏技術的人都知道,紅外觸摸屏不受電流、電壓和靜電干擾,適宜惡劣的環境條件,紅外線技術是觸摸屏產品最終的發展趨勢。采用聲學和其它材料學技術的觸屏都有其難以逾越的屏障,如單一傳感器的受損、老化,觸摸界面怕受污染、破壞性使用,維護繁雜等等問題。紅外線觸摸屏只要真正實現了高穩定性能和高分辨率,必將替代其它技術產品而成為觸摸屏市場主流。過去的紅外觸摸屏的分辨率由框架中的紅外對管數目決定,因此分辨率較低,市場上主要國內產品為32x32、40X32,另外還有說紅外屏對光照環境因素比較敏感,在光照變化較大時會誤判甚至死機。這些正是國外非紅外觸摸屏的國內代理商銷售宣傳的紅外屏的弱點。而最新的技術第五代紅外屏的分辨率取決于紅外對管數目、掃描頻率以及差值算法,分辨率已經達到了1000X720,至于說紅外屏在光照條件下不穩定,從第二代紅外觸摸屏開始,就已經較好的克服了抗光干擾這個弱點。第五代紅外線觸摸屏是全新一代的智能技術產品,它實現了1000*720高分辨率、多層次自調節和自恢復的硬件適應能力和高度智能化的判別識別,可長時間在各種惡劣環境下任意使用。并且可針對用戶定制擴充功能,如網絡控制、聲感應、人體接近感應、用戶軟件加密保護、紅外數據傳輸等。原來媒體宣傳的紅外觸摸屏另外一個主要缺點是抗暴性差,其實紅外屏完全可以選用任何客戶認為滿意的防暴玻璃而不會增加太多的成本和影響使用性能,這是其他的觸摸屏所無法效仿的。
       紅外線式觸摸屏價格便宜、安裝容易、能較好地感應輕微觸摸與快速觸摸。但是由于紅外線式觸摸屏依靠紅外線感應動作,外界光線變化,如陽光、室內射燈等均會影響其準確度。而且紅外線式觸摸屏不防水和怕污垢,任何細小的外來物都會引起誤差,影響其性能,不適宜置于戶外和公共場所使用。
    3.電容式觸摸屏
       電容式觸摸屏的構造主要是在玻璃屏幕上鍍一層透明的薄膜體層,再在導體層外上一塊保護玻璃,雙玻璃設計能徹底保護導體層及感應器。
       此外,在附加的觸摸屏四邊均鍍上狹長的電極,在導電體內形成一個低電壓交流電場。用戶觸摸屏幕時,由于人體電場、手指與導體層間會形成一個耦合電容,四邊電極發出的電流會流向觸點,而其強弱與手指及電極的距離成正比,位于觸摸屏幕后的控制器便會計算電流的比例及強弱,準確算出觸摸點的位置。電容觸摸屏的雙玻璃不但能保護導體及感應器,更有效地防止外在環境因素給觸摸屏造成影響,就算屏幕沾有污穢、塵埃或油漬,電容式觸摸屏依然能準確算出觸摸位置。
       電容觸摸屏的透光率和清晰度優于四線電阻屏,當然還不能和表面聲波屏和五線電阻屏相比。電容屏反光嚴重,而且,電容技術的四層復合觸摸屏對各波長光的透光率不均勻,存在色彩失真的問題,由于光線在各層間的反射,還造成圖像字符的模糊。電容屏在原理上把人體當作一個電容器元件的一個電極使用,當有導體靠近與夾層ITO工作面之間耦合出足夠量容值的電容時,流走的電流就足夠引起電容屏的誤動作。我們知道,電容值雖然與極間距離成反比,卻與相對面積成正比,并且還與介質的的絕緣系數有關。因此,當較大面積的手掌或手持的導體物靠近電容屏而不是觸摸時就能引起電容屏的誤動作,在潮濕的天氣,這種情況尤為嚴重,手扶住顯示器、手掌靠近顯示器7厘米以內或身體靠近顯示器15厘米以內就能引起電容屏的誤動作。電容屏的另一個缺點用戴手套的手或手持不導電的物體觸摸時沒有反應,這是因為增加了更為絕緣的介質。電容屏更主要的缺點是漂移:當環境溫度、濕度改變時,環境電場發生改變時,都會引起電容屏的漂移,造成不準確。例如:開機后顯示器溫度上升會造成漂移:用戶觸摸屏幕的同時另一只手或身體一側靠近顯示器會漂移;電容觸摸屏附近較大的物體搬移后回漂移,你觸摸時如果有人圍過來觀看也會引起漂移;電容屏的漂移原因屬于技術上的先天不足,環境電勢面(包括用戶的身體)雖然與電容觸摸屏離得較遠,卻比手指頭面積大的多,他們直接影響了觸摸位置的測定。此外,理論上許多應該線性的關系實際上卻是非線性,如:體重不同或者手指濕潤程度不同的人吸走的總電流量是不同的,而總電流量的變化和四個分電流量的變化是非線性的關系,電容觸摸屏采用的這種四個角的自定義極坐標系還沒有坐標上的原點,漂移后控制器不能察覺和恢復,而且,4個A/D完成后,由四個分流量的值到觸摸點在直角坐標系上的X、Y坐標值的計算過程復雜。由于沒有原點,電容屏的漂移是累積的,在工作現場也經常需要校準。電容觸摸屏最外面的矽土保護玻璃防刮擦性很好,但是怕指甲或硬物的敲擊,敲出一個小洞就會傷及夾層ITO,不管是傷及夾層ITO還是安裝運輸過程中傷及內表面ITO層,電容屏就不能正常工作了。

    4.表面聲波觸摸屏
       表面聲波觸摸屏的觸摸屏部分可以是一塊平面、球面或是柱面的玻璃平板,安裝在CRT、LED、LCD或是等離子顯示器屏幕的前面。這塊玻璃平板只是一塊純粹的強化玻璃,區別于別類觸摸屏技術是沒有任何貼膜和覆蓋層。玻璃屏的左上角和右下角各固定了豎直和水平方向的超聲波發射換能器,右上角則固定了兩個相應的超聲波接收換能器。玻璃屏的四個周邊則刻有45°角由疏到密間隔非常精密的反射條紋。
       工作原理以右下角的X-軸發射換能器為例:
       發射換能器把控制器通過觸摸屏電纜送來的電信號轉化為聲波能量向左方表面傳遞,然后由玻璃板下邊的一組精密反射條紋把聲波能量反射成向上的均勻面傳遞,聲波能量經過屏體表面,再由上邊的反射條紋聚成向右的線傳播給X-軸的接收換能器,接收換能器將返回的表面聲波能量變為電信號。
       當發射換能器發射一個窄脈沖后,聲波能量歷經不同途徑到達接收換能器,走最右邊的最早到達,走最左邊的最晚到達,早到達的和晚到達的這些聲波能量疊加成一個較寬的波形信號,不難看出,接收信號集合了所有在X軸方向歷經長短不同路徑回歸的聲波能量,它們在Y軸走過的路程是相同的,但在X軸上,最遠的比最近的多走了兩倍X軸最大距離。因此這個波形信號的時間軸反映各原始波形疊加前的位置,也就是X軸坐標。
       發射信號與接收信號波形在沒有觸摸的時候,接收信號的波形與參照波形完全一樣。當手指或其它能夠吸收或阻擋聲波能量的物體觸摸屏幕時,X軸途經手指部位向上走的聲波能量被部分吸收,反應在接收波形上即某一時刻位置上波形有一個衰減缺口。
       接收波形對應手指擋住部位信號衰減了一個缺口,計算缺口位置即得觸摸坐標控制器分析到接收信號的衰減并由缺口的位置判定X坐標。之后Y軸同樣的過程判定出觸摸點的Y坐標。除了一般觸摸屏都能響應的X、Y坐標外,表面聲波觸摸屏還響應第三軸Z軸坐標,也就是能感知用戶觸摸壓力大小值。其原理是由接收信號衰減處的衰減量計算得到。三軸一旦確定,控制器就把它們傳給主機。
       表面聲波觸摸屏一個特點是抗暴,因為表面聲波觸摸屏的工作面是一層看不見、打不壞的聲波能量,觸摸屏的基層玻璃沒有任何夾層和結構應力(表面聲波觸摸屏可以發展到直接做在CRT表面從而沒有任何"屏幕"),因此非常抗暴力使用,適合公共場所。
      表面聲波第二個特點反應速度快,是所有觸摸屏中反應速度最快的,使用時感覺很順暢。
       表面聲波第三個特點是性能穩定,因為表面聲波技術原理穩定,而表面聲波觸摸屏的控制器靠測量衰減時刻在時間軸上的位置來計算觸摸位置,所以表面聲波觸摸屏非常穩定,精度也非常高,目前表面聲波技術觸摸屏的精度通常是4096×4096×256級力度。
       表面聲波觸摸屏的第四個特點是控制卡能知道什么是塵土和水滴,什么是手指,有多少在觸摸。因為:我們的手指觸摸在4096×4096×256級力度的精度下,每秒48次的觸摸數據不可能是紋絲不變的,而塵土或水滴就一點都不變,控制器發現一個"觸摸"出現后紋絲不變超過三秒鐘即自動識別為干擾物。
       表面聲波觸摸屏第五個特點是它具有第三軸Z軸,也就是壓力軸響應,這是因為用戶觸摸屏幕的力量越大,接收信號波形上的衰減缺口也就越寬越深。目前在所有觸摸屏中只有聲波觸摸屏具有能感知觸摸壓力這個性能,有了這個功能,每個觸摸點就不僅僅是有觸摸和無觸摸的兩個簡單狀態,而是成為能感知力的一個模擬量值的開關了。這個功能非常有用,比如在多媒體信息查詢軟件中,一個按鈕就能控制動畫或者影像的播放速度。
       表面聲波觸摸屏的缺點是觸摸屏表面的灰塵和水滴也阻擋表面聲波的傳遞,雖然聰明的控制卡能分辨出來,但塵土積累到一定程度,信號也就衰減得非常厲害,此時表面聲波觸摸屏變得遲鈍甚至不工作,因此,表面聲波觸摸屏一方面推出防塵型觸摸屏,一方面建議別忘了每年定期清潔觸摸屏。
    5.近場成像觸摸屏
       近場成像(NFI,NearFieldImaging)觸摸屏的傳感機構是中間有一層透明金屬氧化物導電涂層的兩塊層壓玻璃。在導電涂層上施加一個交流信號,從而在屏幕表面形成一個靜電場。當有手指(帶不帶手套均可)或其他導體接觸到傳感器的時候,靜電場就會受到干擾。而與之配套的影像處理控制器可以探測到這個干擾信號及其位置并把相應的坐標參數傳給操作系統。
      近場成像觸摸屏非常耐用,靈敏度很好,可以在要求非常苛刻的環境中使用,也比較適用于無人值守的公眾場合,但其不足之處是價格比較貴。

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