Сергей Гасанов (г. Санкт-Петербург)
Оснащение устройства сенсорным экраном является самым современным решением проблемы взаимодействия человека и машины. Результат – уменьшение габаритных размеров аппаратуры, упрощение процесса ее использования, повышение надежности благодаря тому, что сенсорные экраны нечувствительны к воздействию вибрации и влажности. Существуют образцы вандалостойких экранов, которые способны противостоять грубому обращению – такими экранами оснащают банкоматы и игровые автоматы. Одним из крупнейших мировых поставщиков этих изделий является компания Onetouch.
Торговая марка Onetouch принадлежит Onetouch Technologies Co., Ltd. - крупному мировому поставщику сенсорных экранов. Компания Onetouch Technologies Co., Ltd. была основана в 1988 году и являлась на тот момент первым предприятием-изготовителем сенсорных экранов в Тайване. Более чем за 23 года компания прошла путь от небольшой фирмы с тремя сотрудниками до крупной организации с величиной активов около 2 млн. $ (USD) и 45 работниками. Компания каждый год тратит приблизительно 2% вырученных от торгового оборота средств на проведение исследований и разработки новых видов изделий. Продукция Onetouch ежегодно демонстрируется на выставках CeBIT и Computex вместе с продукцией таких крупных производителей сенсорных экранов из США, как Elo Touch и MicroTouch.
Компания производит широкий спектр разновидностей сенсорных экранов (Таблица 1), но основные усилия сейчас направлены на разработку и производство экранов больших размеров. Этот вид экранов широко применяется в терминалах розничной торговли, в мониторинге и управлении техническими системами, в системах медицинского наблюдения, а также в игровых автоматах. В 2004 году Onetouch Technologies совместно с научно-исследовательским институтом промышленных технологий и при финансировании со стороны министерства экономики Тайваня приступила к разработке поверхностно-емкостных сенсорных экранов.
Таблица 1. Продукция Onetouch
|
Разновидность
|
Размеры диагонали, дюйм
|
|
5-проводные сенсорные экраны с соотношением сторон 4:3
|
8; 8.4; 10.4; 12; 12.1; 15; 15.1; 17; 19; 19.1; 21.3; 21.5;
|
|
5-проводные сенсорные экраны широкие
|
6.2; 7; 12.1; 15; 15.4; 15.6; 17; 18.5; 19; 20; 20.1 21.5; 21.6; 22
|
|
Поверхностно-емкостные сенсорные экраны
|
5.6; 10.4; 12; 15; 15.6; 17; 18.1; 19; 20.1; 21.3
|
|
Поверхностно-емкостные сенсорные экраны широкие
|
7; 12; 17; 19; 22
|
|
Поверхностно-емкостные сенсорные экраны прочные
|
12; 15; 17; 19 (толщина 6 мм или 9 мм)
|
|
4-х проводные резистивные сенсорные экраны
|
5; 5.7; 6.4; 7; 8; 8.4; 8.9; 10.1; 10.2; 10.4; 11.6; 12; 12.1; 15; 15.1; 15.4
|
|
4-х проводные резистивные сенсорные экраны широкие
|
6.5; 8; 8.2
|
|
Жидкокристаллические сенсорные мониторы
|
10.4; 12.1; 15; 17; 19
|
Устройство сенсорных экранов
Четырехпроводной сенсорный экран
Основание экрана представляет собой стеклянную пластину с покрытием из твердого раствора оксида индия In2O3 (90% по массе) и двуокиси олова SnO2 (10% по массе). Данный материал (англ. Indium tin oxide – ITO или Tin-doped Indium oxide; далее по тексту для краткости именуемый In-Sn оксид) бесцветен и обладает хорошей прозрачностью для излучения видимого спектра. Важная особенность In-Sn оксида – проявление им резистивных свойств в электрических цепях.
Над стеклянной пластиной с резистивным покрытием из In-Sn оксида расположена мембрана из полиэтилентерефталата (сокращенно – ПЭТФ, также известного как лавсан или полиэстер). Мембрана с внутренней стороны также имеет резистивное покрытие из In-Sn оксида. Стеклянная пластина и мембрана из ПЭТФ разделены с помощью прозрачных точечных изолирующих распорок, равномерно распределенных по всей площади.
Схематическое изображение взаимного расположения слоев представлено на Рисунке 1.
 |
|
| Рисунок 1. | Разрез резистивного сенсорного экрана. |
Верхний (Yup) и нижний (Ydown) электроды соединены с резистивным покрытием по всей длине верхней и нижней стороны ПЭТФ-мембраны. Аналогичным образом левый (Xleft) и правый (Xright) электроды соединены с резистивным покрытием по всей длине левой и правой стороны стеклянной пластины. Расположение электродов приведено на Рисунке 2.
 |
|
| Рисунок 2. | Расположение электродов в резистивном четырехпроводном сенсорном экране. |
Когда осуществляется нажатие на экран, ПЭТФ-мембрана прогибается, и происходит электрический контакт между резистивными покрытиями мембраны и стеклянной пластины. Подавая напряжение на электроды и зная величину напряжения в месте контакта резистивных покрытий, можно определить позицию нажатия. Алгоритм считывания:
- Контроллер прикладывает +5 В к электроду Xleft стеклянной пластины, а электрод Xright соединяет с землей. Электроды ПЭТФ-мембраны Yup и Ydown соединяют между собой накоротко, и с них снимается напряжение. Данное напряжение будет пропорционально X-координате места нажатия, т.к. из-за резистивных свойств In-Sn оксида образуется резистивный делитель напряжения, приложенного к Xleft и Xright. Затем полученное напряжение оцифровывается контроллером с помощью АЦП и предается в компьютер как Х-координата.
- Аналогичным образом происходит получение Y-координаты. На электрод Yup подается +5 В, электрод Ydown соединяется с землей. Электроды Xleft и Xright соединяются между собой накоротко, и с них снимается напряжение. Величина полученного напряжения будет пропорциональна Y-координате места нажатия. Это напряжение также оцифровывается контроллером с помощью АЦП и передается в компьютер как Y-координата.
Пятипроводной сенсорный экран
Взаимное расположение слоев аналогично расположению в четырехпроводном сенсорном экране (см. Рисунок 3). Отличие в том, что четыре электрода расположены по углам резистивного покрытия на стеклянной пластине (UL, UR, LR и LL), резистивное покрытие ПЭТФ-мембраны имеет свой вывод (Probe).
 |
|
| Рисунок 3. | Расположение электродов в резистивном пятипроводном сенсорном экране. |
Когда контроллер ожидает нажатия на экран, резистивный слой стеклянной пластины подтянут к +5 В всеми четырьмя выводами электродов, резистивный слой ПЭТФ-мембраны заземлен через высокоомный резистор. При отсутствии нажатия напряжение на мембране равно нулю. Когда нажатие произошло, появился контакт резистивных слоев мембраны и стеклянной пластины, на выводе резистивного слоя мембраны появилось напряжение, и начинает работать алгоритм вычисления координат нажатия:
- Контроллер прикладывает +5 В к электродам UR и LR, а электроды UL и LL соединяет с землей. Напряжение, пропорциональное X-координате места нажатия, появляется на выводе Probe мембраны. Затем это напряжение оцифровывается контроллером с помощью АЦП и предается в компьютер как Х-координата.
- Аналогичным образом происходит получение Y-координаты. На электроды UL и UR подается напряжение +5 В, а электроды LL и LR соединяются с землей. Напряжение, пропорциональное Y-координате места нажатия, появляется на выводе Probe мембраны. Затем это напряжение оцифровывается контроллером с помощью АЦП и предается в компьютер как Y-координата.
Емкостной сенсорный экран
Емкостной (или поверхностно-емкостной) сенсорный экран имеет четырехслойную структуру. Обе стороны стеклянной пластины покрыты резистивным слоем из In-Sn оксида. Тонкий слой двуокиси кремния – SiO2 (толщиной 0.0015 мм) покрывает внешнюю сторону стеклянной пластины. Взаимное расположение слоев показано на Рисунке 4. Четыре электрода, соединенных с резистивным слоем расположены по углам стеклянной пластины.
 |
|
| Рисунок 4. | Разрез емкостного сенсорного экрана. |
Напряжение небольшой величины прикладывается к электродам (одинаковая величина для всех углов). Человеческое тело имеет электрическую емкость, поэтому, когда происходит касание, появляется утечка тока. При этом чем ближе палец к углу, тем меньше сопротивление экрана (между точкой касания и электродом, расположенном в этом углу), следовательно, больше сила тока, протекающего через электрод. Измеряя величины токов, протекающих через все электроды, контроллер производит вычисление координаты места касания, которые затем передает в компьютер.
 |
|
| Рисунок 5. | Расположение электродов и путь протекания тока от электрода до точки касания. (Ток электрода пропорционален расстоянию от точки касания до угла, в котором этот электрод установлен). |
Достоинства, недостатки и сфера применения различных типов сенсорных экранов
Резистивные сенсорные экраны реагируют на касание любым гладким твердым предметом: стилусом, медиатором, рукой (голой или в перчатке), кредитной картой и т.д. Также резистивные сенсорные экраны дешевы и стойки к загрязнению. Недостатками этого типа экранов является относительно невысокая прозрачность (приблизительно 80%, из-за чего требуется повышенная яркость подсветки), а также невысокая долговечность: около 35 млн. нажатий для пятипроводных и около 3 млн. нажатий для четырехпроводных. В силу конструкции токопроводящий слой данного типа экранов подвержен постепенному износу, поэтому возникает необходимость в периодической калибровке экрана. Пятипроводные резистивные сенсорные экраны более надежны, чем четырехпроводные – они (пятипроводные) продолжают работать даже с прорезанной мембраной. Сфера применения резистивных сенсорных экранов довольно широка - их используют везде, где исключены низкие температуры и вандализм: в сфере обслуживания (POS-терминалы), в устройствах промышленной автоматики, в офисах и т.д.
Емкостные сенсорные экраны обладают значительно большей долговечностью по сравнению с резистивными экранами - приблизительно 200 млн. нажатий. Уровень прозрачности выше, чем у резистивных сенсорных экранов, т.к. в устройстве не используется мембран, следовательно, не требуется повышенная яркость подсветки. К недостаткам этого вида сенсорных экранов можно отнести тот факт, что касание будет фиксироваться в случае, если оно произведено пальцем, и не будет, если произведено каким-либо непроводящим предметом. Поверхностно-емкостные сенсорные экраны применяют в банкоматах, игровых автоматах и терминалах розничной торговли. Как емкостные, так и резистивные сенсорные экраны используются в мобильных устройствах.
Контроллер сенсорного экрана
Контроллер представляет собой плату (Рисунок 6), которая обрабатывает сигналы от сенсорного экрана и преобразует их в данные для передачи в компьютер по последовательному интерфейсу.
 |
|
| Рисунок 6. | Внешний вид платы контроллера 33-CA232-BB для емкостных сенсорных экранов. |
Среди продукции Onetouch есть контроллеры для резистивных (четырех-, пятипроводных) и емкостных сенсорных экранов. Сравнение характеристик некоторых моделей контроллеров представлено в Таблице 2.
Таблица 2. Платы контроллеров для сенсорных экранов
|
33-4W232-BB
|
RC-3100
|
33-CA232-BB
|
|
|
Поддерживаемые сенсорные экраны
|
Резистивные
четырехпроводные |
Резистивные четырех-
и пятипроводные |
Емкостные
|
|
Связь с ПК
|
RS-232
|
RS-232/USB
|
RS-232/USB
|
|
Габаритные размеры, мм
|
75 × 20 × 10.25
|
70 × 20 × 6.6
|
62 × 33 × 10
|
|
Напряжение питания, В
|
5
|
4.75…5.25
|
5…12
|
|
Ток потребления, мА
|
100
|
—
|
50…65
|
|
Рабочая температура, °С
|
–25…85
|
0…70
|
–40…80
|
|
Разрешение, точек
|
2048 × 2048
|
4096 × 4096
|
2048 × 2048
|
|
Максимальная скорость работы, точек/с
|
160
|
RS-232: 160 USB: 250
|
180
|
|
Максимальное время отклика, мс
|
35
|
20
|
25
|
Протокол связи
Все контроллеры сенсорных экранов Onetouch передают данные в компьютер либо по 4-байтовому протоколу при соединении по интерфейсу RS-232, либо по 5-байтовому протоколу при соединении по интерфейсу USB. В случае соединения по USB контроллер будет восприниматься операционной системой компьютера как USB HID-устройство (англ. Human Interface Device – устройство для взаимодействия с человеком); к этому классу относятся такие устройства, как клавиатура, мышь, игровой контроллер и т.д.
Количество байтов в названии протокола означает размер информационного кадра. Структура кадра для двух видов протокола представлена в Таблице 3.
Таблица 3. Структура кадра для двух видов протокола*
|
Номер байта
|
Бит 7
|
Бит 6
|
Бит 5
|
Бит 4
|
Бит 3
|
Бит 2
|
Бит 1
|
Бит 0
|
|
USB-протокол (5-байтовый)
|
||||||||
|
1
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
P
|
|
2
|
X7
|
X6
|
X5
|
X4
|
X3
|
X2
|
X1
|
X0
|
|
3
|
0
|
0
|
0
|
0
|
X11
|
X10
|
X9
|
X8
|
|
4
|
Y7
|
Y6
|
Y5
|
Y4
|
Y3
|
Y2
|
Y1
|
Y0
|
|
5
|
0
|
0
|
0
|
0
|
Y11
|
Y10
|
Y9
|
Y8
|
|
RS-232-протокол (4-байтовый)
|
||||||||
|
1
|
1
|
P
|
X11
|
X10
|
X9
|
Y11
|
Y10
|
Y9
|
|
2
|
0
|
X8
|
X7
|
X6
|
X5
|
X4
|
X3
|
X2
|
|
3
|
0
|
Y8
|
Y7
|
Y6
|
Y5
|
Y4
|
Y3
|
Y2
|
|
4
|
0
|
0
|
0
|
0
|
X1
|
X0
|
Y1
|
Y0
|
|
Примечание:
P – Флаг признака нажатия: 0 – нажатия нет, 1 – нажатие есть;
X11-X0 – 12-битное слово с X-координатой позиции нажатия; Y11-Y0 – 12-битное слово с Y-координатой позиции нажатия. |
||||||||
Многие контроллеры Onetouch могут быть настроены для передачи данных через другие промышленные протоколы: 3M (5-байтовый) или Elotouch (10-байтовый). В структуре кадра 10-байтового протокола к вышеприведенным полям данных добавляются также два флага, байт контрольной суммы и два байта с маркерами.
Заключение
Причина распространения сенсорной технологии кроется в удобствах, которые получает пользователь. Во многих приложениях, таких как справочные системы, даже неподготовленный человек может взаимодействовать с техникой благодаря хорошо продуманной программе. Например, для выписки клиенту счета за заказ официанту достаточно лишь прикоснуться к изображению блюд на экране дисплея. Благодаря быстроте, точности и удобству такие системы активно применяется в ресторанах и пунктах быстрого питания в развитых промышленных странах. Приобретающие все большую популярность планшетные компьютеры были бы невозможны без сенсорных экранов. В системах управления предприятием применение сенсорных экранов позволяет снизить утомляемость персонала и, следовательно, избежать ошибок.
Компания Onetouch Technologies Co., Ltd. является известным производителем изделий для сенсорных систем с широким ассортиментом продукции и клиентами во многих регионах мира. Благодаря инновационной политике предприятие непрерывно развивается и осваивает новые технологии для применения в своей продукции. Для всего спектра приложений осуществляется информационная и техническая поддержка разработчика сенсорных устройств.
