Cum să implementați rapid ecrane tactile fiabile

Ecranele tactile înlocuiesc tot mai mult tastatura și mouse-ul ca interfață om-mașină (HMI) pentru programarea, configurarea și controlul sistemelor de consum, de întreprinderi și industriale. Acestea sunt intuitive, rapide și au o singură interfață integrată care înlocuiește o combinație de dispozitive de intrare. De asemenea, facilitează utilizarea pentru persoanele cu disabilități fizice și pot avea o construcție destul de compactă.

Varietatea mare de aplicații pentru ecranele tactile înseamnă că acestea trebuie să fie rezistente, să poată fi utilizate cu sau fără mănuși și să fie rentabile. Ecranele tactile rezistive îndeplinesc aceste cerințe, dar proiectanții trebuie să poată ajunge rapid pe piață cu soluții gata de utilizare, care să cuprindă un ecran tactil adaptat la un controler adecvat. De asemenea, ei trebuie să înțeleagă diferențele dintre interfețele cu ecran tactil rezistiv cu 4 și 5 fire.

Articolul de față prezintă pe scurt ecranele tactile rezistive. Apoi prezintă exemple de ecrane tactile și controlere de la NKK Switches și arată cum se poate proiecta cu acestea.

Cum funcționează ecranele tactile rezistive

Ecranele tactile rezistive sunt componente independente care se suprapun peste un ecran plat. Împreună cu un controler, un ecran tactil le permite utilizatorilor să interacționeze cu simbolurile afișate prin atingerea unor zone specifice. Un ecran tactil poate detecta poziția exactă a atingerii cu degetul sau cu stylus-ul. Software-ul aplicației determină apoi ce alte acțiuni trebuie să aibă loc pe ecran în funcție de poziția respectivă.

Ecranele tactile rezistive sunt potrivite pentru diverse aplicații de consum, de întreprinderi, comerciale, industriale și medicale, deoarece sunt ieftine, rezistente și pot fi utilizate cu sau fără mănuși, sau cu un stylus. Tehnologia utilizează o peliculă de plastic deformabilă care este acoperită pe partea posterioară cu un strat conductiv, cum ar fi oxidul de indiu și staniu (ITO). Partea posterioară a ecranului tactil este formată dintr-un panou acrilic sau din sticlă, care include un strat ITO pe fața anterioară.

Punctele distanțiere neconductoare separă folia de plastic de panoul de suport acrilic sau din sticlă. Atunci când folia de plastic este apăsată cu un deget sau cu un stylus, cu o forță de unul sau doi newtoni (N), folia intră în contact cu panoul suport, închizând efectiv un comutator în zona în care s-a aplicat presiune. Placa de control, cu un conector cu patru sau cinci fire atașat, poate determina locația comutatorului închis, iar software-ul răspunde în consecință (Figura 1).

Figura 1: Ecranele tactile rezistive funcționează prin realizarea contactului dintre două suprafețe conductoare. (Sursa imaginii: NKK Switches)

Ecranele tactile rezistive sunt populare atunci când costul, robustețea și operarea cu o mână cu mănușă sau cu un stylus neconductor sunt esențiale. De obicei, acestea sunt capabile să efectueze milioane sau chiar zeci de milioane de operațiuni fără defectare. De asemenea, ecranele tactile rezistive pot fi fabricate cu protecție împotriva stropirii cu apă și substanțe chimice.

Diferența dintre configurațiile ecranelor tactile cu 4 și 5 fire

Un ecran tactil cu 4 fire utilizează doi electrozi pe placa inferioară și doi pe cea superioară. Pe placa inferioară, electrozii se deplasează de-a lungul axei Y, permițând măsurarea rezistenței de-a lungul axei X. În mod similar, placa superioară are electrozi periferici de-a lungul axei X, permițând măsurarea rezistenței de-a lungul axei Y (Figura 2).

Figura 2: Ecranele tactile rezistive cu 4 fire utilizează doi electrozi periferici pe placa inferioară și doi pe placa superioară. Perechile sunt perpendiculare una pe cealaltă și permit determinarea poziției XY a unei atingeri. (Sursa imaginii: NKK Switches)

În punctul de contact cu degetul, stratul inferior împarte efectiv stratul superior în două rezistoare în serie. Stratul inferior este divizat în mod similar la punctul de contact cu stratul superior. Cu o polarizare adecvată, fiecare placă poate funcționa ca un divizor în care tensiunea de ieșire reprezintă coordonatele punctului de contact.

Într-un sistem cu 5 fire, placa superioară are patru electrozi periferici și funcționează ca un nod de detectare a tensiunii. Cele patru colțuri ale plăcii inferioare formează electrozi care produc gradienți de tensiune în direcțiile X și Y. Pentru a obține măsurătorile pe direcțiile X și Y se utilizează diferite configurații de polarizare (Figura 3).

Figura 3: Ecranele tactile rezistive cu 5 fire utilizează patru electrozi de colț pe placa inferioară pentru a produce gradienți de tensiune în direcțiile X și Y, și două perechi de electrozi periferici pe placa superioară pentru a detecta tensiunea. (Sursa imaginii: NKK Switches)

În cazul construcției cu 5 fire, numai placa inferioară este activă. Acest lucru înseamnă că ecranul tactil poate funcționa în continuare, chiar dacă placa superioară este deteriorată. În schimb, ambele plăci ale ecranului tactil cu 4 fire sunt active; deteriorarea plăcii superioare poate duce la defectarea ecranului tactil. Ecranul tactil cu 5 fire tinde să fie mai durabil, dar compromisul este creșterea complexității de proiectare și a cheltuielilor.

Soluții comerciale cu ecran tactil rezistiv

Pentru a reduce la minimum complexitatea și a accelera timpul de lansare pe piață, NKK oferă soluții comerciale dovedite atât pentru ecranul tactil, cât și pentru controlerul corespunzător. Proiectantul are în continuare opțiunea de a achiziționa un ecran tactil de la NKK și de a-l combina cu un controler de la un alt furnizor sau cu unul propriu.

Produsele din seria FT de la NKK reprezintă exemple excelente de ecrane tactile rezistive. Disponibile într-o varietate de dimensiuni de ecran, de la 5,7 la 15,6 inch (in.) (diagonală), produsele din această serie sunt oferite în configurații cu 4 și 5 fire, cu o forță de activare la atingere de 1,4 N (Tabelul 1). Ambele versiuni dispun de o coadă de circuit flexibilă care se conectează la o placă de control.

Tabelul 1: O comparație între ecranele tactile rezistive cu 4 și 5 fire arată că versiunea cu 5 fire oferă o durată de viață operațională mai lungă, măsurată în operațiuni de atingere. (Sursa imaginii: NKK Switches)

FTAS00-5.7AS-4A este un model cu 4 fire, de 5,7 inch, care consumă 1 miliamper (mA) la 5 volți c.c. (V c.c.), are o valoare rezistivă XY de la 250 până la 850 ohmi (Ω), o liniaritate de 1,5% și o impedanță de izolație de 10 megaohmi (MΩ). Durata de viață operațională preconizată a ecranului tactil este de 50.000 de operații de scriere sau un milion de atingeri.

FTAS00-10.4A-5 este un model cu 5 fire, de 10,4 inch, care consumă 1 mA la 5,5 V c.c., are o valoare rezistivă XY de la 20 până la 80 Ω, o liniaritate de 2% și o impedanță minimă de izolație de 10 MΩ. Durata de viață operațională este de 50.000 de scrieri sau 10 milioane de operații de atingere.

Atât pentru produsele cu ecran tactil cu 4, cât și pentru cele cu 5 fire, NKK oferă un controler cu interfață RS232C sau USB. Plăcile de control sunt furnizate cu un software de driver de dispozitiv compatibil cu Windows 7, 8 și 10. FTCS04C și FTCU04B sunt plăcile controlerului de interfață RS232C și USB pentru ecranele tactile NKK cu 4 fire, în timp ce FTCS05B și FTCU05B sunt echivalentele pentru ecranele tactile cu 5 fire.

Cum să începeți să lucrați cu ecranele tactile rezistive

Procesul de proiectare este similar atât pentru ecranele tactile cu 4, cât și pentru cele cu 5 fire. În centrul plăcii controlerului RS232C și USB cu 4 fire se află cipul de control FTCSU548. Acest circuit integrat LFQFP cu 48 de pini are o interfață serială asincronă și o interfață USB 2.0 cu viteză maximă. Este alimentat de o sursă de la 3,3 până la 5 volți pentru funcționarea RS232C sau de o sursă de 5 volți pentru USB, cu un curent de ieșire nominal de 170 mA, o frecvență de funcționare de 16 megahertzi (MHz) și o rezoluție a convertorului analogic-digital (ADC) de 10 biți. Cipul dispune de o funcție de calibrare încorporată.

Atunci când ecranul tactil este apăsat, circuitul integrat al controlerului determină coordonatele folosind valoarea tensiunii analogice detectate de ADC și le transmite computerului gazdă prin intermediul interfeței RS232C sau USB (Figura 4).

Figura 4: Circuitul integrat al controlerului FTCSU548 (IC1) este montat pe placa de control FTCU04B (USB cu 4 fire). CN1 (stânga) este conectorul pentru coada circuitului flexibil cu 4 fire a ecranului tactil. (Sursa imaginii: NKK Switches)

Coada circuitului flexibil cu 4 fire a ecranului tactil este conectată la placa de control prin CN1. Placa de control se conectează la PC-ul gazdă prin CN4. Interfața USB CN4 furnizează, de asemenea, alimentare la placă. Gazda rulează driverul dispozitivului și software-ul aplicației pentru ecranul tactil (Figura 5).

Figura 5: Este prezentată o configurație tipică a unei plăci de controler USB cu 4 fire și a unui PC gazdă. (Sursa imaginii: NKK Switches)

Sfaturi pentru proiectare

Ecranul tactil rezistiv necesită calibrare la instalare. Circuitul integrat de controler FTCSU548 include o funcție de calibrare încorporată. Pentru calibrare, circuitul integrat al controlerului trebuie mai întâi să fie setat în „source data mode” (Mod date sursă). PC-ul indică apoi un punct de referință (P1) pe ecranul tactil pe care operatorul îl apasă cu un stylus, iar informațiile privind tensiunea ADC sunt trimise la PC prin intermediul plăcii de controler. Procesul se repetă cu un al doilea punct (P2) situat într-o zonă îndepărtată a ecranului tactil. Coordonatele fizice ale P1 și P2 sunt trimise la PC sub forma unui număr de opt octeți. Ecranul tactil este apoi setat în „calibration data mode” (Mod de calibrare a datelor), iar software-ul aplicației utilizează tensiunea și coordonatele citite pentru cele două puncte cunoscute, plus o referință „0,0” încorporată, pentru a interpola toate celelalte coordonate din zona modului de calibrare a datelor (Figura 6).

Figura 6: Calibrarea este necesară în timpul configurării inițiale și periodic după aceea, deoarece rezistența se modifică pe măsură ce ecranul tactil îmbătrânește. (Sursa imaginii: NKK Switches)

Rezistența ecranului se modifică pe măsură ce îmbătrânește, astfel încât este necesară recalibrarea pe toată durata de viață a acestuia.

Este esențial să includeți împământarea cadrului dispozitivului de afișare pentru a preveni interferențele electromagnetice (EMI). De asemenea, este posibil ca rezistența inițială la contactul cu un deget să provoace „oscilații”. Pentru a preveni aceste oscilații, se poate utiliza o întârziere încorporată pentru a permite stabilizarea tensiunii înainte ca sistemul să calculeze coordonatele.

În plus, proiectanții trebuie să fie atenți să nu includă software care să le ceară utilizatorilor să atingă simultan două zone ale ecranului tactil. Tehnologia nu poate soluționa două atingeri separate și stabilește în mod implicit un punct central între ele. În cele din urmă, vor apărea pauze deasupra distanțierului de ecran atunci când se trasează o linie pe ecran cu ajutorul unui stylus, separând cele două straturi. Proiectanții ar trebui să se asigure că software-ul aplicației completează aceste spații.

Concluzie

Ecranele tactile rezistive sunt interfețe om-mașină adecvate pentru aplicațiile în care costul, robustețea și operarea cu sau fără mănușă sau cu un stylus neconductor sunt esențiale. Pentru a simplifica implementarea, soluțiile comerciale de la NKK includ acoperirea ecranului tactil, plăcile de control cu un circuit integrat de controler dedicat și software-ul de comandă al dispozitivului.