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触摸屏输入技术发展探析  
触摸屏输入技术发展探析
副标题:触摸屏输入技术发展探析
日期:2006-8-16 9:14:27     来源:FPDisplay   编辑:触摸屏原理 

摘要

触摸屏输入属于一种新颖的输入技术。本文介绍红外式、电阻式、电容式及表面声波式四种触摸屏输入技术,并对其性能、结构、工艺及其应用领域进行了探讨与分析。
the touch screen lnput belong in a new lnput technology.this paper introduces four touch screen lnput technology of infrared type,resistance type,capacitance type and surface sound wave type,moreover its performance,configuration,technics and its application domain discussed and analysised.
 
1 引言

随着信息化社会的发展,触摸屏(Touch Screen)的应用日趋普及,迄今,触摸屏产品在我国已逐渐形成了产业。触摸屏输入是靠触摸显示器的屏幕来输入数据的一种新颖输入技术。触摸屏是由触摸检测部件及触摸控制器组成。前者装于显示屏的前面,用于检测用户触摸的位置,接收后将其送至触摸屏控制器。而后者的主要作用是从触摸点检测装置上接收信息,并将其转换成触点坐标,再送至CPU,它同时还可接收CPU发送来的命令,并加以执行。最现代的触摸屏操作方式简化操作,使用者无需再通过键盘和鼠标器,仅用手指触摸屏幕上的图形、表格或提示标志,便可从屏幕上得到其所需的诸种信息。因此,触摸屏的功能将会直接影响使用者的操作意愿。触摸屏输入完全摒弃了键盘的繁琐输入,使得人机交互仅需手指轻轻一触即可。可以说,所有信息尽在指尖之中(见图1)。触摸屏输入可用于取代诸如键盘、光笔、操纵杆、滚球、鼠标器及数字转换器一类的数据输入设备,或取代分立开关与薄膜开关之类的面板操作装置。其优点是操作简便直观、图像清晰、坚固耐用及节省空间,它可配用于一切电子显示器,并可与显示器制成一体,人机交互性佳,操作方便,使用灵活,效率高及输入速度快。故触摸屏输入装置将会发展成为未来诸种信息产品的主流技术之一。


 
图1:所有信息尽在指尖之中
 
触摸屏输入以其人机交互简便性,已广泛应用于工业过程控制、公共信息咨询(如电信局、税务局、银行、电力、邮政、公用电话机与公共问询系统)、金融证券交易市场、商业自动化、办公室自动化(OA)、翻译机、家用电器及军事指挥控制系统等众多领域。在消费领域内,触摸屏输入日趋增多地应用于家用电器、销售终端机(POS)、游戏机、多媒体教学、房地产预售、餐馆预约、飞机与车船预订和城市导游机等。在上述这些应用中,使用方便及经久耐用是至关重要的因素。在商业应用中,金融业务部门已普遍使用此种触摸屏输入,如银行自动出纳机。高档的先进电子测量仪器仪表、医疗器械、医疗信息管理系统及办公室自动化系统亦使用触摸屏输入。触摸屏输入之最大市场乃是军用,如空中交通管制、全球定位系统(GPS)、各军兵种武器控制系统、防空系统及C3I系统。军用的主要要求是响应速度快及显示清晰度高。

当前的触摸屏输入技术主要有如下4种,各有其优、缺点,适合于不同的应用要求,故必须根据实际需要恰当地选用。
 
2 红外式触摸屏输入技术

第一种触摸屏输入技术是红外光电技术。此种触摸屏是利用压力感应进行控制的。触摸输入屏相邻的两条边各置放一排红外发光二极管,另两条边各置放一排红外光电检测器。当手指或针挡住了红外光时,光电检测器产生的信号将示出该处的XY坐标。此种触摸屏输入方法所能产生的分辨率取决于发光二极管的数量。美国ITW Entrex公司的红外式触摸输入屏与众不同,它是采用模拟式(见图2和图3)。在该触摸输入屏的一角安置的电机上置有红外线发光二极管,在电机转动时,红外光线便连续地扫描触摸输入屏,扫描角度的范围为90°。反射镜置于框架的底部,而逆向反射体置于框架的其余两边,使入射光和反射光基本上通过同一光路。发光二极管发出的红外光束反射至靠近光源的一个光敏元件。手指或针一触摸输入屏,扫描一次就遮住两次红外光。控制电路借助由遮住的两个角构成的三角形算出触摸坐标。该模拟式红外触摸输入屏所用的发光二极管和光敏元件数量大为减少,价格便宜,分辨率高,但由于使用电机一类可动部件,可靠性欠佳。该公司销售的新一代触摸输入屏是用固体转动部件替代电机,可靠性有所改观,但价格高出20%。红外式触摸屏输入的主要缺点是存在检测差(见图4)。由于红外光是直线传播,而常规的CRT屏面是曲面,所以发光二极管和光电检测器的安装位置必须高于曲面的顶点。这就使屏面边缘凹陷,而且在手指尚未触至CRT屏面时,光线即被挡住,操作时易出错。


  图2 :模拟式红外触摸屏输入光路图


图3:模拟式红外触摸屏输入工作机理图


图4 :模拟式红外触摸屏输入的检测
 
美国惠普和泰克公司已将红外式触摸输入屏广泛用于生产过程控制和自动化生产。为防止手指触错而发生误动作,泰克公司进行了一项重要的改进,即挡住红外光线时设备不会作出响应,用户的手指可以继续在屏面上移动,等到操作者确认手指所触部位正好是要选取的功能时,将手指挪开,红外光线得以恢复。至此,设备才作出响应。红外式触摸屏输入技术的主要优点是工作可靠,而且不会影响显示器的清晰度。这便是泰克公司选用这一技术原因之所在。红外式触摸屏输入价格便宜、耐刮性与防火性佳,但分辨率低,通常外挂于显示器上,在搬运过程中易于损坏,属于低挡产品,主要用于异步传输模式(ATM)通信、办公自动化(OA)设备、医疗器械、电教、信息查询、点歌及导购等系统。
 
3 电阻式触摸屏输入技术

与电容式触摸屏输入一样,电阻式触摸屏输入也采用层状结构,并将触摸输入屏紧固或粘接在CRT或平板显示器的屏面上。各厂家所用的技术略有不同,检测触摸部位的方法亦各有所异。电阻膜式触摸输入屏的外层采用聚脂薄膜,里层为玻璃屏或经表面处理过的塑料屏,手指按下便能检测出触摸部位(见图5)。其基本机理示于图6。将透明电阻膜呈层状嵌入外层和里层之间,并用数密耳(1密耳=0.0254㎜)厚的透明塑料衬垫将其隔开。触摸输入屏的4角装有细长的电极,以150次/s的频率将电压先加至里层的X轴,然后再加至外层的Y轴。用手指触摸时,外层与里层一接触,电压就与触摸部位成正比地降低,便可接触出触摸部位的电压。触摸体导电与否并无关系。可借助设置于四周电极的二极管将X和Y轴隔开。

 
图5:电阻膜式触摸屏输入


图6:电阻膜式触摸屏的基本机理
 
为降低使用分立二极管的成本,美国依洛电子设备公司采用了新方法,采用丝网印刷分压用的厚膜电路来替代二极管。触摸输入屏相邻的两角设置电极,其余两角接地。这样,触摸输入屏上的电压梯度并不呈线状,而呈双曲线状。为使其呈线状,需在电极形状上想些办法。该电极的各边皆接有数个厚膜电路。

美国还有些公司将里、外层分别蚀刻成若干带状电极。电极方向呈相互垂直配置。手指一触摸外层,外层就弯曲而与里层相接触,触点便各自成为单个的开关。控制电路对矩阵式电极进行扫描,便可检测出接通的开关。这种电阻膜式触摸输入屏的分辨率较低,不过,对塑料表面涂层的均匀性却要求不高。

综上所述,电阻膜式触摸输入屏主要有两种结构:一种是在已涂敷了导电膜的两片塑料片间垫入一些小垫片,使两者隔开。控制器在一片塑料片的X和Y方向上建立一个电压梯度。当手指触摸到塑料片的某个部位时,该处的两片塑料片碰上,另一片塑料片就把拾取到的模拟电压传给控制器内的模数变换器,于是便可得知该处的坐标。其结构如图7所示。此种结构的分辨率通常为256×256点。
 

图7 :涂敷导电膜的结构示意图
 
另一种是在预制玻璃片上制作电阻薄膜,然后在高温下进行退火处理。最后将涂敷了导电薄膜的塑料片盖在玻璃板上。玻璃平板上有一些肉眼看不见的支撑点,使塑料片与玻璃板电阻薄膜相隔0.0254㎜。拾取电压的方法同前。其组装工艺流程如图8所示。此种结构的分辨率可达4096×4096点或更高。表1列出了电阻膜式触摸输入屏的性能规格。电阻式触摸屏分辨率高、防水与防污性佳、价格便宜,任意介质皆可触摸,缺点是耐刮性与防火性差,软件支撑不完备,触摸屏易于磨损,属于中档产品,适用于中小屏幕显示器及便携式设备。目前,在美国和日本的市场上,主要有电阻膜式和红外式两种触摸输入屏,其性能比较列于表2。

 
图8 :电阻膜式触摸屏的组装工艺
 
表1 电阻膜式触膜输入屏的标准性能规格
种类性能规格 数字式(平面型) 模拟式(曲面型) 数字/模拟式(平面型)
额定电压 直流15V 5V 直流5V
额定电流 1mA接通电阻30kΩ以下,绝缘电阻10MΩ,直流50v -接头间电阻100-1000Ω,线性误差低于3%,分辨率10位 -电阻器电阻1-20kΩ,透明电极电阻30-180kΩ,线性误差低于3%
振动 低于10ms 低于10ms 低于10ms
作用力 10-100g 5-100g 3-60g
穿透率 70%以上 70%以上 70%以上
工作湿度范围 20-90%RH 30-90%RH 30-90%RH
工作温度范围 0-50°C 0-40°C 0-40°C
贮存湿度范围 10-90%RH 10-90%RH 10-90%RH
耐电压 直流100v,1min内无异常 直流50v,1min内无异常 直流50v,1min内无异常
工作寿命 100万次以上 100万次以上 100万次以上
标准样品 116×280㎜2 12、14、15、16、19和20英寸(1英寸=2.54㎝) -
 
表2 三种触摸输入屏的性能比较

制式性能 红外线 电阻膜式 电容式
矩阵光源屏 单光源屏 模拟屏 分立屏 模拟屏 分立屏
分辨率 标准25×40最高64×64 最高100×800 标准1024×1024最高4096×4096 标准8×10 标准256×256最高1024×1024 标准32最高100
穿透率 100% 标准50%,最高80% 85-90%
检测差 带曲率屏面边缘大 无 无
工作寿命 50万h 每点触摸200万次 每点触摸200万次
材料 发光二极管 聚脂薄膜 玻璃
安装方式 外挂,容易 内装或外挂,中等 内装,较难
软件支撑程度 良好 一般 颇强
硬件冲突 冲突不多 Windows增强方式下鼠标器与触摸屏不能同时使用 全鼠标器操作,COM口及IRQ可组合变换
触摸方式 任何介质 任何介质 手指
应用档次 低 中 高
耐用性 好 电机存在寿命问题 膜层会损伤或剥落 膜层不稳定
使用性 会产生触摸误动作 响应慢 - 需要电笔
环境适应性 耐低温、振动及杂散光性差 耐湿性差 耐高温和高湿性差
维修性 需要定位 电机需要维修 无 无
价格 500-1500美元 500-1500美元☆ 低于1000美元☆
☆ 通常分立式比模拟式便宜
 
4 电容式触摸屏输入技术

电容式触摸屏的构造主要是在玻屏上镀一层透明的膜层,再在导电层外增装一块保护玻璃,双玻屏设计能彻底地保护导电层及传感器。电容式触摸屏的结构示意图如图9所示。

 
图9:电容式触摸屏的结构示意图
 
电容式触摸屏输入是利用排列的透明电极与人体间的静电相结合产生出的电容变化,从所产生出的诱导电流来检测其坐标(见图10)。感应机理以电压作用在屏幕感应区的四个角并形成一固定电场,当手指触摸屏幕时,可使电场产生出电流,通过控制器测定其值,按电流距四个角比例的不同,即可算出触摸的位置。电容式触摸屏必须解决指状物因带静电所产生杂波信号的影响,故在电路与结构设计上有一定的技术难度。当受到触摸时,按电流比值大小便可算出其触摸的位置,计算公式如图10所示(式中a与b分别表示触摸屏的长与宽)。

 
图10 :电容式触摸屏的等效电路图


图11:电容式触摸屏的组件组装图
 
图11示出电容式触摸屏的组件组装图,在玻璃基板上镀一层透明导电层,再制作电极层,最后在表层覆盖一层保护膜,即制成电容式触摸屏,因其仅在单片玻璃上制作电极和传导层,无须像电阻式触摸屏那样需叠合上下板的ITO传导层,影响整块触摸屏的透光性,故电容式触摸屏的透光率较电阻式的高,高达90%以上。具有防火、防污、防静电及防尘,且还具有快速响应等特点。通常适用于销售终端(POS)及工业生产过程控制等领域。

电容式触摸屏输入是在一块玻璃板的上下两面各喷涂一层电容性薄膜(即氧化铟锡电阻膜和二氧化硅电容膜),其4角各有一个振荡器。触摸输入屏的四周还装有4个电极,通过这些电极可使交流信号流遍整个触摸输入屏。当手指或电笔触摸到任一部位时,阻抗的改变将会引起4个振荡器的振幅和频率发生变化。利用控制电路检测其不同振幅和频率的改变量。将触摸的衰减器号码送入主机内,便可算出被触摸部位的X和Y坐标。图12示出用于CRT监视器的电容式触摸输入屏衰减器的标准结构。采用32个衰减器结构时,将11行2列的衰减器配置于10个状态衰减器的顶部。便携式液晶平板显示器的触摸输入屏可配置75个衰减器。电容式触摸屏是在玻屏表面贴上一层特殊透明的导电体。当手指触摸在导电层上时,触点的电容便会发生变化,使得与之相连的振荡器频率发生变化,借助测定频率变量便可确定触摸位置的信息。由于电容随温度、湿度或接地状况的不同而异,故其稳定性较差,往往会产生漂移的现象。电容式触摸屏存在的失真问题,可采用镀膜技术,在一定程度上克服了怕刮易损的缺陷。该触摸屏适用于系统开发的调试阶段。
 

图12 :电容式触摸屏输入衰减器的配置结构
 
电容式触摸输入屏易于安装,分辨率一般为1024×1024点。其缺点是工作温度范围较窄,而且不宜带手套操作,因而不适合用于某些工业部门;由于信号电平很低,为防止显示器内部电路和外界机电信号的干扰,必须屏蔽屏面。此外,触摸玻璃屏须置于显示器的前面,故降低了显示器的清晰度。英国的先进读出技术公司声称已在很大程度上克服了电容式触摸屏输入技术的上述缺点,但技术细节尚未详细公开。电容式触摸屏输入分辨率高,工作寿命长、抗腐蚀、耐磨损,可紧贴显像管表面并装于显示器玻壳内,不易损坏,属高档产品。目前已被广泛应用于工业过程控制自动化、军事、金融及商业等部门。必须从应用实际出发,重点应是设备的可靠性、安全性,其次才是价格。电容式触摸屏输入工艺较为先进的是美国微触(Micro Touch)公司,以该公司命名的电容式触摸屏在Comdex,94展览会上崭露头角,独具一格。深受诸国客户的好评。
 
5 表面声波式触摸屏输入技术

表面声波式触摸屏输入是一种最新颖的触摸输入技术。该触摸屏是由传送换能器、接收换能器、反射板及控制器所组成。它不采用膜层结构,而是采用廉价的压电陶瓷换能器。该换能器在屏面上看不见,但能发送耳朵听不到的表面声波(见图13和14)。位于触摸输入屏四周的反射阵列对表面声波进行空间取样,再次向多路平行路径反射。位于各发送器对面的反射声波检测阵列合成每束反射声波,变成连续的反射声波,变成连续的返射声波交替地对水平和垂直方向进行扫描。手指一触摸到触摸输入屏某个部位,该部位的表面波强度便能与触摸压力成正比地衰减。
 

图13 :表面声波式触摸屏输入示意图


图14:表面声波式触摸屏输入的基本机理
 
压电陶瓷换能器还能将控制器送来的5.53MHz电信号变换成波长约500µm的表面声波。表面声波在屏面上沿直线传播,经反射后继续在屏面上来回传播。屏面边缘的反射阵列将表面声波保持在合适的强度以内。另外两个换能器负责接收X和Y方向的声波信号。对收到信号的速度与声波在玻璃中的已知传播速度进行比较,便可算出手触摸位置的坐标。

表面声波式触摸屏输入技术的一个优点是可将有源元件制在屏面边缘,而且不受屏面曲率的限制,优于红外式触摸屏输入技术。此种触摸输入屏不仅能检测触摸部位,而且还能检测触摸压力强度。理论上控制器可区分的位置区间是半波长,所以分辨率可达每25.4㎜为100个触摸点,触摸输出压力为16级。其另外的优点是使用灵活性大。因手指与屏面的接触面积和压力大小皆会影响到吸收声能量的程度,所以这样的触摸输入屏还具有压力敏感功能,可将这一功能用作触摸输入屏的第三维控制。比如可规定手指重压是表示选取某一选项,而手指轻压则表示不进行选项,但需要移动光标或改变菜单。

表面声波式触摸屏输入的一个技术难点,是屏面上的灰尘或大颗粒东西会吸收一部分声波信号,因而可能被误作是触摸部位。解决办法是将基本幅度电平数字化,并将其与触摸输入信号不断地进行比较。若触摸输入信号发生衰减,且持续时间比正常触摸输入时间长,控制器便认定是尘粒,对此不作出响应。

表面声波式触摸输入屏的应用推广之所以迟缓,主要是价格高昂、体积大及不易将其集成至显示器内。后者完全是厂家造成的,因为以往单出售触摸输入屏硬件的厂家颇多,但提供驱动程序的厂家甚少。触摸屏的发展亦包括应用软件技术的日臻成熟,触摸查询离不开触摸查询的软件。目前大多触摸输入屏生产厂家都注意到这个问题,开始向用户提供多种开发工具,以便将触摸输入屏集成至用户应用的系统中。

最近,日本电信电话(NTT)公司下属研究所研制成一种可用手指触摸操作机器人动作的新颖简易输入装置。该装置依据手指触摸的位置及按动的强度,可输入其移动方向及移动量。不仅能精确地确定移动位置,而且操作极为简便。此种输入装置除用于控制机器人手腕外,还可应用于三维立体计算机图形(CG)设备的操作等。

研制的装置称之为“三维显示输入装置”。将触摸传感器装入铝制圆柱件内,如同“操纵杆”那样可竖着使用。操作时仅需用一只手指触摸圆柱件的任一部位即可。触摸传感器可分辨出手指触摸的位置及其强度,并及时地变为相应的指令。将触摸的位置与圆柱件比作一个球体,与其中心连接的方向即是移动的方向。其次,按动的强弱可确定移动的宽度。移动的方向和宽度,全凭手指的用法灵活确定,形成了只要触摸便可进行微量调节的简易使用方法。而以往操作该台机器人则需按动数个按钮,并必须仔细地输入位置数据。此外,一次操作,还不允许出现斜动的指令。该公司对其研制的装置,不仅要求做到移动,而且能利用指令使其转动。该项研究目前正在进行之中。未来的研制目标是:可操作全方位的移动,并将圆柱件制成球体等,成为前所未有的新型触摸输入装置。

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