如何快速實施可靠的觸摸屏

作者：Steven Keeping

與鍵盤和鼠標(biāo)相比，人們越來越傾向于使用觸摸屏作為人機界面 (HMI)，對消費者、企業(yè)和工業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行編程、配置和控制。觸摸屏更直觀、速度快，采用單一的集成接口，可取代多種輸入設(shè)備。此外，還能為殘障人士提供更大的便利，并且可制成十分小巧的尺寸。

觸摸屏的應(yīng)用范圍非常廣泛，這意味著它們必須堅固耐用，既可以裸指操作，也可以戴著手套操作，同時還要經(jīng)濟高效。電阻式觸摸屏可以滿足這些要求，但設(shè)計人員需要能夠利用現(xiàn)成即用的解決方案快速進(jìn)入市場，其中就包含與適當(dāng)?shù)?a target="_blank">控制器配套使用的觸摸屏。他們還必須了解四線和五線電阻式觸摸屏接口之間的區(qū)別。

本文簡要介紹了電阻式觸摸屏。隨后以 [NKK Switches]的觸摸屏和控制器為例，說明了如何使用這些產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計。

電阻式觸摸屏的工作原理

電阻式觸摸屏是覆蓋在平板顯示器上的獨立組件。觸摸屏與控制器結(jié)合使用，可讓用戶通過觸摸特定區(qū)域與所顯示的符號進(jìn)行交互。觸摸屏可以檢測手指或手寫筆觸點的精確位置。然后，應(yīng)用軟件會根據(jù)該位置確定屏幕上應(yīng)進(jìn)一步執(zhí)行的操作。

由于電阻式觸摸屏價格低廉、堅固耐用，可以裸指、戴著手套或用手寫筆進(jìn)行操作，因此適用于各類消費者、零售、企業(yè)、工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用。該技術(shù)采用一種可變形的塑料薄膜，薄膜背面涂有一層導(dǎo)電材料，例如氧化銦錫 (ITO)。觸摸屏的背面由玻璃或丙烯酸基板構(gòu)成，其正面也有一層 ITO。

非導(dǎo)電隔離點將塑料薄膜與玻璃或丙烯酸基板隔開。當(dāng)用手指或手寫筆以一到兩牛頓 (N) 的力度按壓塑料薄膜時，薄膜便會接觸基板，從而有效地閉合局部受壓區(qū)域的開關(guān)。帶有四線或五線連接器的控制器板可以確定閉合開關(guān)的位置，軟件也會做出相應(yīng)的反應(yīng)（圖 1）。

圖 1：電阻式觸摸屏通過觸摸操作使兩個導(dǎo)電表面相接觸進(jìn)行工作。（圖片來源：NKK Switches）

電阻式觸摸屏被廣泛用于要求成本低、堅固耐用、可戴著手套或使用非導(dǎo)電手寫筆操作的應(yīng)用。此類產(chǎn)品通常能夠經(jīng)受數(shù)百萬甚至數(shù)千萬次的觸摸操作，而不會出現(xiàn)故障。此外，電阻式觸摸屏還可制造為具有防水和防化學(xué)品飛濺功能的產(chǎn)品。

四線與五線觸摸屏配置的區(qū)別

四線觸摸屏在底板和頂板上各裝有兩個電極。底板上的電極沿 Y 軸延伸，使其能夠測量沿 X 軸的電阻。同樣，頂板上的邊緣電極沿 X 軸延伸，使其能夠測量沿 Y 軸的電阻（圖 2）。

圖 2：四線電阻式觸摸屏在底板和頂板上各裝有兩個邊緣電極。這兩對電極相互垂直，從而確定觸點的 XY 位置。（圖片來源：NKK Switches）

在手指觸點處，底層可有效地將頂層分為兩個串聯(lián)電阻。而頂層同樣也在觸點處對底層進(jìn)行分壓。通過適當(dāng)?shù)钠?，每塊板都能起到分壓器的作用，其中輸出電壓即代表觸點坐標(biāo)。

在五線系統(tǒng)中，頂板有四個邊緣電極，作為電壓感應(yīng)節(jié)點。底板的四個角形成電極，在 X 和 Y 方向上產(chǎn)生電壓梯度。使用不同的偏置配置獲得 X 和 Y 方向的測量值（圖 3）。

圖 3：五線電阻式觸摸屏在底板上使用四個角落電極，以在 X 和 Y 方向上產(chǎn)生電壓梯度，并在頂板上使用兩對邊緣電極來感應(yīng)電壓。（圖片來源：NKK Switches）

在五線結(jié)構(gòu)中，只有底板是活動的。這意味著即使頂板損壞，觸摸屏仍能正常工作。相反，四線觸摸屏的兩塊板都是活動的；頂板損壞會導(dǎo)致觸摸屏失靈。五線觸摸屏往往更耐用，但代價是其設(shè)計更為復(fù)雜，成本也更高。

商用電阻式觸摸屏解決方案

為了盡可能降低復(fù)雜性并加快產(chǎn)品上市速度，NKK 為觸摸屏和配套的控制器提供了成熟的商用解決方案。設(shè)計人員仍然可以選擇從 NKK 購買觸摸屏，并將其與其他供應(yīng)商或自有的控制器配套使用。

NKK 的 [FT 系列]是電阻式觸摸屏的典范。該系列提供從 5.7 英寸到 15.6 英寸（對角線）不等的各種屏幕尺寸，有四線和五線兩種配置，觸摸激活力度為 1.4 N（表 1）。這兩個版本都有一個連接到控制器板的柔性電路尾端。

| | | 四線 | 五線 |
| -------------------------- | ----------------------------------------------------------------------- | ---------------------------------- |
| 使用壽命 | 100 萬次 | 1,000 萬次 |
| 標(biāo)準(zhǔn)尺寸 | 5.7 英寸至 19.0 英寸 | 10.4 英寸、12.1 英寸和 15.0 英寸 |
| 線性度 | 最大 ±1.5 | 最大 ±2.0%
（9 點校準(zhǔn)后） |
| 電阻值 | 250 Ω ~ 850 Ω
120 Ω ~ 1,500 Ω（寬范圍） | 20 Ω ~ 80 Ω |
| 備注 | 經(jīng)濟高效，提供各種標(biāo)準(zhǔn)尺寸 | 請勿從上層測量電壓，這樣更耐用。 |
| 觸摸激活力度 | 1.4 N | 1.4 N |
| 柔性印刷電路板 | 5.7、6.5、8.4、10.4、10.6（寬）、12.1、12.1（寬）、15、15.6（寬）、19 | |

表 1：通過對四線和五線電阻式觸摸屏進(jìn)行比較，可以看出五線電阻式觸摸屏的使用壽命更長（以點擊次數(shù)為單位）。（圖片來源：NKK Switches）

[FTAS00-5.7AS-4A] 是一款 5.7 英寸四線型電阻式觸摸屏，在 5 VDC 下電流為 1 mA，XY 電阻值為 250 Ω 至 850 Ω，線性度為 1.5%，絕緣阻抗為 10 MΩ。觸摸屏的預(yù)期使用壽命為 5 萬次書寫或 100 萬次點擊。

[FTAS00-10.4A-5] 是一款 10.4 英寸五線型電阻式觸摸屏，在 5.5 VDC 下電流為 1 mA，XY 電阻值為 20 Ω 至 80 Ω，線性度為 2%，絕緣阻抗為 10 MΩ。預(yù)期使用壽命為 5 萬次書寫或 1,000 萬次點擊。

無論是四線還是五線觸摸屏產(chǎn)品，NKK 均提供帶有 RS232C 或 USB 接口的控制器。控制器板隨附與 Windows 7、8 和 10 兼容的設(shè)備驅(qū)動程序軟件。[FTCS04C] 和 [FTCU04B]分別是用于 NKK 四線觸摸屏的 RS232C 和 USB 接口控制器板，而 [FTCS05B]和 [FTCU05B]則是用于五線觸摸屏的同類產(chǎn)品。

電阻式觸摸屏入門

四線與五線觸摸屏的設(shè)計過程類似。RS232C 和 USB 四線控制器板的核心是 [FTCSU548] 控制器芯片。這款 48 引腳 LFQFP IC 配備異步串行接口和全速 USB 2.0 接口。該器件由 3.3 V 至 5 V 電源供電（用于 RS232C），或由 5 V 電源供電（用于 USB），額定輸出電流為 170 mA，工作頻率為 16 MHz，模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 分辨率為 10 位。該芯片具有內(nèi)置校準(zhǔn)功能。

按壓觸摸屏?xí)r，控制器 IC 會利用 ADC 檢測到的模擬電壓值確定坐標(biāo)，并通過 RS232C 或 USB 接口將坐標(biāo)轉(zhuǎn)發(fā)到主機（圖 4）。

圖 4：FTCSU548 控制器 IC (IC1) 安裝在 FTCU04B（四線 USB）控制器板上。CN1（左）是觸摸屏四線柔性電路尾端的連接器。（圖片來源：NKK Switches）

觸摸屏的四線柔性電路尾端通過 CN1 與控制器板連接。控制器板通過 CN4 與主機 PC 連接。CN4 USB 接口同時為控制器板供電。主機會運行設(shè)備驅(qū)動程序和觸摸屏應(yīng)用軟件（圖 5）。

圖 5：典型的四線 USB 控制器板和主機 PC 配置。（圖片來源：NKK Switches）

設(shè)計建議

電阻式觸摸屏在安裝時需要校準(zhǔn)。FTCSU548 控制器 IC 內(nèi)置有校準(zhǔn)功能。首先，必須將控制器 IC 設(shè)置為“源數(shù)據(jù)模式”才能進(jìn)行校準(zhǔn)。然后，PC 會在觸摸屏上顯示一個參考點 (P1)，操作人員用手寫筆按壓該點，ADC 電壓信息就會通過控制器板發(fā)送到 PC。隨后在觸摸屏另一處的第二個點 (P2) 重復(fù)這一過程。P1 和 P2 的物理坐標(biāo)以 8 字節(jié)數(shù)字的形式發(fā)送到 PC。接下來，再將觸摸屏設(shè)置為“校準(zhǔn)數(shù)據(jù)模式”，應(yīng)用軟件會使用兩個已知點的電壓和坐標(biāo)讀數(shù)，加上內(nèi)置的“0,0”參考點，對校準(zhǔn)數(shù)據(jù)模式區(qū)域內(nèi)的所有其他坐標(biāo)插值（圖 6）。

圖 6：由于電阻會隨著觸摸屏的老化而發(fā)生變化，因此需要在初始配置時進(jìn)行校準(zhǔn)，并在之后定期校準(zhǔn)。（圖片來源：NKK Switches）

屏幕的電阻會隨著器件的老化而發(fā)生變化，因此在整個使用壽命內(nèi)需要反復(fù)校準(zhǔn)。

最重要的是，必須將顯示器件框架接地以防止電磁干擾 (EMI)。此外，手指的初始接觸電阻也可能導(dǎo)致“抖動”。為了防止抖動，可使用內(nèi)置延遲功能，讓電壓在系統(tǒng)計算坐標(biāo)之前穩(wěn)定下來。

設(shè)計人員還必須注意不要在軟件中指示用戶同時點擊兩個觸摸屏區(qū)域。該技術(shù)無法分辨兩個獨立的觸點，會默認(rèn)為兩點之間的中點。最后，當(dāng)使用手寫筆在屏幕上畫線時，屏幕中將兩層隔開的隔離點上方會出現(xiàn)斷點。設(shè)計人員應(yīng)確保應(yīng)用軟件能填補這些缺陷。

總結(jié)

電阻式觸摸屏適用于在要求成本低、堅固耐用、可裸手或戴著手套或者使用非導(dǎo)電手寫筆操作的應(yīng)用中作為 HMI。為了簡化實施過程，NKK 的商用解決方案涵蓋了觸摸屏覆蓋層、帶有專用控制器 IC 的控制器板，以及設(shè)備驅(qū)動程序軟件。

審核編輯 黃宇