Контакты
Подписка
МЕНЮ
Контакты
Подписка

Сенсорные экраны — решение проблем Часть 2

В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

Сенсорные экраны — решение проблем
Часть 2


Иван Мухин
СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича

Емкостные экраны появились позже резистивных, о которых шла речь в первой части данной статьи, но успели получить широкое распространение благодаря достоинствам технологии, положенной в их основу

Определение координат точки касания в емкостных экранах осуществляется, в первую очередь, благодаря особенностям физического строения тела человека: способности проводить электрический ток и вытекающего из этого наличия определенной электрической емкости.

Как устроен емкостный экран

На прочное стекло, служащее основой конструкции, нанесен резистивный слой, соединенный с четырьмя электродами, расположенными по углам экрана (рис. 1).

Для защиты от повреждений этот слой снаружи покрыт тонкой пленкой специального проводящего состава. Все четыре электрода подключены к микроконтроллеру, который определяет координаты точки касания, сравнивая либо броски напряжения на четырех токовых датчиках, либо частоты четырех идентичных генераторов, в которых задающие RC-цепочки шунтированы изменяющимися емкостями электродов экрана.

Первый случай наиболее простой. Через прецизионные резисторы равных номиналов, которые служат токовыми датчиками, микропроцессор подает на все четыре электрода некоторое напряжение, например 5 В. В итоге все четыре электрода панели имеют одинаковый потенциал, поэтому ток не течет и не создает на токовых датчиках падения напряжения. Когда проводящего экрана касается человек, ситуация изменяется. Дело в том, что тело человека проводит ток, а потому обычно имеет потенциал земли — нулевой (амплитуда сетевых и высокочастотных наводок очень мала). При касании пальцем или проводящим предметом сенсорного экрана на проводящем слое появляется точка, потенциал которой меньше, чем у четырех электродов, поэтому возникает электрический ток. Он течет от источника питания, через токовые датчики, участки резистивного покрытия и тело человека. Чем ближе точка касания к электроду, тем меньше участок резистивного покрытия, а значит, меньше сопротивление этого участка, и соответственно больше амплитуда тока.

Для преобразования тока в напряжение служат прецизионные резисторы, сигналы с которых подаются на четыре отдельных аналогово-цифровых преобразователя (АЦП). Сравнение сигналов на выходах этих АЦП позволяет определить координаты точки касания.

Достоинства и недостатки

Точность емкостных экранов сравнима с точностью экранов резистивных. Меньшее количество слоев делает их более прозрачными (до 90%). Отсутствие элементов, подвергающихся деформации, увеличивает надежность — такие экраны допускают более 200 млн нажатий в одну точку и позволяют работать при достаточно низких температурах (до -15 °С). Однако переднее проводящее покрытие, участвующее в определении координат, "боится" механических повреждений, влаги (конденсата) и любых проводящих ток загрязнений экрана.

Недостатками емкостных экранов можно считать, во-первых, необходимость касания только проводящим предметом (пальцем или специальной указкой — стилусом, проводящим ток), а во-вторых, то, что пользователь должен иметь достаточно хороший контакт с "землей", иначе после нескольких касаний он приобретает потенциал экрана, и в работе микроконтроллера начинаются сбои.

Емкостные и резистивные экраны: что выбрать

Емкостные экраны, подобно резистивным, не допускают одновременного нажатия в двух точках.

Сфера их применения практически та же, что и у резистивных экранов, однако наличие статического заряда и протекающего через тело человека тока ограничивает использование этих устройств, например, в медицинском оборудовании.

Поскольку емкостные экраны надежнее резистивных, то они предпочтительнее в случае интенсивного использования. Их применяют в справочных системах, где мала вероятность намеренного повреждения (например, в аптеках, библиотеках и театрах).

От недостатков свободны?

От большинства перечисленных выше недостатков свободен другой вид емкостных экранов, обычно называемых проекционно-емкостными, или поверхностно-емкостными (фирменные названия соответственно — projected capacitive technology (PCT) и surface ca-pacitive). В их конструкции используются две системы из вертикальных и горизонтальных хорошо проводящих ток электродов, изолированных друг от друга слоем стекла и образующих решетку (рис. 2).

Каждый электрод, будучи проводником, имеет некоторую электрическую емкость. Можно сказать, что в данном случае приходится иметь дело со своеобразным конденсатором, одной обкладкой которого является сам электрод, а другой — любой проводящий ток предмет (например, человек).

Все горизонтальные электроды (как и все вертикальные) имеют одинаковые размеры, форму и проводимость, поэтому при отсутствии вблизи экрана проводящих предметов их емкости приблизительно равны.

Микроконтроллер последовательно подает на каждый из электродов импульс напряжения и измеряет амплитуду возникающего импульса тока, которым заряжается упомянутый "конденсатор". При поднесении к экрану проводящего предмета (например, пальца) емкость электродов меняется (рис. 3).

Чем ближе электрод к проводящему предмету, тем больше его емкость, потому что, как известно из физики, емкость обратно пропорциональна расстоянию между обкладками. А чем больше емкость электрода, тем больше импульс "заряжающего" тока. Микроконтроллер сравнивает эти импульсы и находит электрод, имеющий максимальную емкость, — это и есть координата точки касания.

Принцип действия данной технологии можно рассмотреть с другой точки зрения. При последовательном сканировании всех электродов вблизи поверхности экрана создается электрическое поле, напряженность которого во всех точках примерно одинакова. Проводящий предмет, поднесенный к экрану, модулирует (изменяет) картину распределения напряженности поля. Микропроцессор фиксирует изменения и вычисляет координаты положения проводящего предмета. Этим обусловлено второе название рассматриваемой технологии — Near Field Imaging (NFI).

PCT-экраны: за и против

РСТ-экраны имеют высокую прозрачность (до 90%) и способны работать в очень широком диапазоне температур (от -40 до +60 °С).

Влажность и загрязнения поверхности экрана, проводящие электрический ток, в определенной степени влияют на изменение напряженности поля на поверхности экрана. Однако это изменение является постоянным, оно фиксируется электроникой и вычитается при анализе — попросту говоря, игнорируется.

Высокая чувствительность РСТ-экрана позволяет использовать для его защиты очень толстое (до 12 мм) и очень прочное стекло. Кроме того, для активации этого устройства не обязателен электрический контакт (то есть можно касаться экрана рукой в перчатке). При этом не предъявляется особых требований к проводимости человека и пола (земли).

Другой важной особенностью РСТ-экрана является возможность регистрации одновременно нескольких точек касания, причем данное устройство может различать, например, касание стилусом и рукой. Обычно используется проводящий ток стилус, который соединяется с системным блоком компьютера, приобретая нулевой потенциал, что позволяет ему вызывать значительно большие изменения емкости электродов, нежели пальцу руки. Одновременное использование стилуса и пальца руки позволяет более полно эмулировать работу мыши и ее клавиш. При этом игнорируется ладонь, касающаяся экрана при рисовании или письме.

К недостаткам РСТ-устройств следует отнести меньшую, чем у лучших моделей традиционных емкостных экранов разрешающую способность, которой тем не менее достаточно для рисования или ввода надписей. Кроме того, из-за очень толстого защитного стекла возрастает погрешность определения координат по краям экрана. Дело в том, что пользователь касается не объекта на дисплее, а его проекции на переднюю поверхность стекла сенсорного экрана. При большом же угле наблюдения (относительно нормали к экрану) и значительной толщине стекла эта проекция находится не строго над объектом, а смещается в сторону (параллакс). Другими словами, палец упирается в стекло не совсем там, где находится желаемая точка.

РСТ-экраны незаменимы в тех случаях, когда требуется прочное, надежное и "вандалоустойчивое" устройство. Банкоматы, пункты продажи билетов, справочные киоски, например, на вокзалах и транспорте обычно оснащаются именно такими сенсорными экранами. Также эта технология используется в экранах планшетных компьютеров (TabletPC) и сенсорных панелях TouchPad, которые с 1994 г. служат устройством указания (позиционирования) в ноутбуках.

Рассмотренные в этой части статьи резистивные и емкостные экраны в настоящее время получили очень широкое распространение. Однако существуют ситуации, когда более удобными в применении будут другие типы отображающих устройств. О них пойдет речь в третьей, заключительной части данной статьи.

Продолжение следует

Опубликовано: Журнал "Broadcasting. Телевидение и радиовещание" #4, 2006
Посещений: 19131

  Автор

Иван Мухин

Иван Мухин

СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича

Всего статей:  1

В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций