Touchscreen-ul este - principul de Functionare

TOUCHSCREEN

Touchscreen-ul este un simplu dispozitiv care permite utilizatorului sa controleze un program software de pe un PC sau alt echipament electronic dotat cu un dispozitiv de afisare.

In principiu, functia de baza a unui touchscreen este cea de a recunoaste o atingere a utilizatorului intr-o zona a dispozitivului de afisare peste care acesta este dispus.

Din acest punct de vedere touchscreen-ul se aseamana cu un mouse deoarece transmite sistemului de calcul informatii despre un punct/zona de interes de pe ecranul dispozitivului de afisare.

Un touchscreen este format din 3 componente principale: un senzor sensibil la atingere, un controler si un driver software.

Senzorul este realizat dintr-o serie de mai multe straturi de material, de compozitii diferite, mai mult sau mai putin transparente si plasate pe intreaga suprafata a ecranului dispozitivului de afisare.

In general, prin aceasta structura de suprafata circula un semnal electric iar atingerea suprafetei este sesizata datorita modificarii valorii respectivului semnal. Sensibilitatea touchscreen-ul este data de dimensiunea zonei in care o atingere produce o aceeasi comanda.

Controlerul are rolul de a transla informatiile primite de la senzor in informatii numerice ce pot fi intelese de catre echipamentul electronic de comanda al afisorului sau de catre PC.

Driverul software permite ca touchscreen-ul si PC sau echipamentul electronic sa lucreze impreuna, adica face ca o comanda transmisa de utilizator prin atingerea unei zone a touchscreen-ului sa fie transformata in semnal numeric si sa conduca la executia unei comenzi de catre unitatea de calcul.

Functie de tehnologia folosita, touchscreen-urile se clasifica dupa cum urmeaza:

- Touchscreen-uri rezistive;

- Touchscreen-uri capacitive;

- Touchscreen-uri cu unda de suprafata.

- Touchscreen-uri cu comanda in infrarosu

1 Touchscreen-uri rezistive

a) Touchscreen-uri rezistive cu 4 fire

Acest tip de touchscreen este format dintr-un strat flexibil care este atins de degetul operatorului sau de catre un alt obiect si un strat rigid dispus pe sticla dispozitivului de afisare. Cele doua straturi au un grad relativ ridicat de transparenta si sunt    separate intre ele de separatori sub forma de mici sfere tot din material transparent.

Un exemplu de touchscreen rezistiv cu patru fire este prezentat in figura 1.

Stratul flexibil are o anumita rezistenta si este acoperit pe partea inferioara cu un strat conductiv care ajuta la stabilirea ferma a contactului. Acelasi rol il are si acoperirea metalica de pe stratul rigid aflat pe suportul de sticla.

Atunci cand apare o apasare, cele doua strate conductive ajung in contact si se poate stabili o valoare anologica a unei tensiuni de comanda care stabileste coordonatele x si y ale apasarii.

Pentru a afla coordonatele punctului unde a survenit o apasare, stratele rezistive se comanda ca in figura 2.

Pentru determinarea pozitiei pe axa x, se aplica o tensiune Ux= 5V pe latura scurta a stratului superior GND pe latura opusa) si tensiunea de iesire este culeasa la terminalul UY(Uo) de pe celalalt strat rezistiv. Tensiunea de iesire Uo va fi nula daca nu exista apasare (inexistenta contactului) si o valoare intre 0V si 5V daca exista o apasare. Valoarea tensiunii este mai apropiata de 5V daca apasarea este mai apropiata de latura pe care s-a aplicat +5V si mai apropiata de 0V daca apasarea este mai apropiata de latura conectata la masa. Controlerul touchscreen-ului asigura conversia analog-numeric (CAN) si astfel se determina prima coordonata a punctului apasat.

In acelasi mod se determina si coordonata corespunzatoare axei y: tensiunea de comanda este aplicata pe stratul rezistiv superior iar drept proba, pentru culegerea tensiunii de iesire, este folosit stratul inferior. Acest tip de touchscreen foloseste deci 4 fire.

Stratul superior este protejat la exterior (partea dinspre operatorul uman) cu un lac transparent pentru a evita zgarierea sa. Tehnologia cu 4 fire este ieftina dar prezinta si dezavantajul ca, in urma apasarilor repetate, distributia uniforma a tensiunii de comanda pe stratul superior nu se mai face uniform, odata cu cresterea duratei de exploatare.

Aceste tipuri de touchscreen-uri sunt durabile (TMBF ~ 1 milion de apasari), au o transparenta mai redusa (~ 75%) dar sunt si cele mai ieftine.

b) Touchscreen-uri rezistive cu 5 fire

Aceste touchscreen-uri sunt foarte asemanatoare ca structura cu cele cu 4 fire. Ceea ce difera este modul de comanda si preluarea a tensiunii rezultate iar stratul superior nu mai este unul rezistiv, ci unul conductor, de rezistenta cat mai mica. Comanda touchscreen-urilor cu 5 fire este prezentata in figura

In acest caz, stratul inferior este folosit pentru determinarea ambelor coordonate x si y. Cele doua tensiuni de comanda Ux si, respectiv, Uy se aplica succesiv, pe cele doua laturi ale stratului inferior, liniile de masa (GND) fiind dispuse pe laturile opuse, respectiv, fara a fi scurtcircuitate intre ele. Astfel, pentru determinarea coordonatei x, se aplica o tensiune de comanda Ux intre latura mica si latura marcata GNDx (laturile marcate Uy si GNDy find neconectate). In momentul atingerii, stratul conductiv superior preia valoarea tensiunii proportionala cu pozitia punctului apasat pe axa x. Valoarea acestei tensiuni este convertita in semnal numeric de CAN-ul din controler. Apoi se aplica o tensiune Uy intre celelalte doua laturi si la iesirea Uo se obtine o tensiune proportionala cu pozitia punctului apasat pe axa y, care, similar, este convertita in semnal numeric de catre microcontroler. Se poate astfel observa ca sunt necesare 5 fire de comanda pentru acest tip de touchscreen.

Touchscreen-ul cu 5 fire este mult mai durabil deoarece nu mai este afectat stratul exterior de multiplele apasari, putand suporta pana la 35 milioane de apasari. Suplimentar, se remarca o constructie mai simpla si este mai putin sensibil la schimbarile mediului inconjurator (temperatura, umiditate) in special datorita faptului ca stratul rezistiv, folosit pentru determinarea pozitiei este intotdeauna la interior si este astfel mai bine protejat.

2 Touchscreen capacitiv

O prima varianta de touchscreen capacitiv, prezentat in figura 4, consta dintr-un suport de sticla ce este acoperit cu un strat conductiv, foarte subtire si aproape complet transparent pentru radiatia luminoasa.

Pe cele 4 laturi ale suportului sunt prezenti cate un electrod de comanda care furnizeaza o tensiune ce se distribuie uniform pe suprafata acoperirii metalice transparente. In acest mod se creaza un camp electric uniform distribuit.

Acoperirea metalica transparenta formeaza in acest mod un electrod al unui imens capacitor, avand suprafata egala cu a afisorului. Al doilea electrod va fi degetul utilizatorului sau orice obiect conductiv. Atunci cand degetul sau obiectul conductiv atinge suprafata externa a touchscreen-ului, apare o mica scurgere de sarcina electrica si apar patru curenti ce se inchid prin electrozii de comanda aflati pe laturi. Acesti curenti sunt proportionali cu distanta de la electrodul respectiv la punctul de contact. Microcontrolerul touchscreen-ului primeste informatii despre valoarea celor 4 curenti si calculeaza pozitia punctului atins functie de valorile intensitatilor acestor curenti.

Aceste tipuri de touchscreen-uri sunt durabile si prezinta o mare claritate, fiind utilizate intr-un domeniu larg de aplicatii: display-uri folosite in restaurante, posturi de comanda si control din mediul industrial, puncte de informare, etc.. Trebuie remarcat insa faptul ca obiectele neconductive nu vor putea niciodata activa un astfel de touchscreen.

O a doua varianta de touchscreen capacitiv utlizeaza un electrod sub forma de grila si este prezentata in figura 5. Coloanele si randurile grilei sunt dispuse intr-un acelasi plan sub forma unor ramificatii ce se intrepatrund, fara a fi in contact, creind o structura asematoare tastelor. Atunci cand degetul operatorului atinge touchscreen-ul, capacitatea dintre electrozii ce formeaza liniile si coloanele grilei se modifica datorita schimbarii dielectricului, fapt sesizat de microcontroler care determina astfel linia si coloana atinsa, adica coordonatele atingerii. Schema principiala de comanda a unui astfel de touchscreen este prezentata in figura 6.

3 Touchscreen cu unda de suprafata.

Acest tip de touchscreen se prezinta sub forma unui panel de sticla pe laturile caruia sunt o serie de reflectori iar in colturile sale sunt dispusi transduceri piezoelectrici ce transmit si receptioneaza semnale in domeniul ultrasonic (frecvente deasupra spectrului audio).

Un transducer transmitator primeste de la un controler specializat semnale electrice pe frecvente ridicate (uzual cele folosite in touchscreen-uri sunt semnale de ordinul 5MHz) si transmite semnale pe o frecventa mult mai joasa (ultrasonica) Unda ultrasonica este reflectata si transmisa pe intreaga suprafata a afisorului. Transducerul receptor face transformarea inversa, primind semnale pe frecvente joase si transmitand semnale pe frecvente inalte catre acelasi controler.

Schema de principiu a unui astfel de touchscreen este prezentata in figura 7

Functionare

Controlerul touchscreen-ului transmite un semnal electric pe frecventa de 5MHz catre transducerul transmitator care converteste acest semnal in unde ultrasonice ce se propaga prin panoul de sticla, pe cele doua laturi ale touchscreen-ului.

Undele sunt directionate succesiv, pe directii paralele, pe directia x si, apoi, pe directia y, de-a lungul intregii suprafete a touchscreen-ului cu ajutorul unei serii de reflectori dispusi pe laturi, motiv pentru care sunt numite unde de suprafata. Dupa ce undele traverseaza suprafata disply-ului, acestea ajung pe latura opusa unde o alta serie de reflectorii le directioneaza catre transducerii receptori, ce le convertesc in final intr-un semnal electric transmis controlerului.

La fiecare receptor, undele de suprafata sosesc succesiv de la reflectorii dispusi de-a lungul unei laturi, mai repede de la cei mai apropiati, mai tarziu de la cei mai indepartati. Acest lucru conduce la o decalare temporara a undelor receptionate. In lipsa unei atingeri se stabileste astfel o asa-numita succesiune prestabilita a sosirii semnalelor la fiecare receptor.

In cazul in care se atinge ecranul touchscreen-ului, degetul absoarbe o parte din undele de suprafata, scazand astfel nivelul undelor receptionate de catre cei doi transduceri receptori in dreptul acelor reflectori care corespund pozitiei pe verticala si pe orizontala a punctului atins. Controlerul compara noul set de semnale receptionate cu cel memorat pentru cazul cand nu este nici o atingere si stabileste astfel coordonatele punctului atins.

Deoarece panelul este in intregime din sticla, neexistand straturi cu diferite depuneri rezistive sau conductive, aceasta tehnologie furnizeaza cele mai durabile si mai clare touchscreen-uri. Ele sunt adesea utilizate in puncte de informare a populatiei, in sisteme de invatare bazate pe utilizarea calculatorului sau diverse incinte cu trafic intens (aeroporturi, gari, supermarket-uri, etc.)

4 Touchscreen cu comanda in infrarosu

Principiul de functionare a touchscreen-urilor cu comanda in infrarosu (IR) este foarte asemanator cu cel al touchscreen-urilor cu unde de suprafata. In acest caz insa, pe cele doua laturi exista transmitatori de semnal IR iar pe laturile opuse exista dispusi receptori IR corespunzatori. Toti transmitatorii de pe axa x transmit bine directionat si simulan semnale spre receptorii dispusi pe latura opusa dar succesiv cu cei de pe axa y, pentru a nu exista interferente intre semnalele ce traverseaza suprafata disply-ului. Comutarea se face cu o frecventa suficient de mare astfel incat orice atingere sa fie detectata.

Daca un deget atinge suprafata, se va intrerupe raza IR pe directia unuia dintre transmitatoarele de pe axa x, lipsa semnalului la receptorul corespunzator fiind detectata de microcontroler care stabileste coordonata x a punctului atins. Imediat se comuta transmiterea semnalelor IR pe transmitatorii corespunzatori axei y iar lipsa semnalului receptionat la receptorul corespunzator coloanei punctului atins va fi detectata de controler, care va stabili astfel si coordonata y a punctului.