1、選擇合適的觸摸屏技術(shù)
從工業(yè)領(lǐng)域到消費(fèi)領(lǐng)域的各種應(yīng)用中，觸摸屏界面是一種廣受歡迎的技術(shù)。觸摸屏是一個(gè)使多媒體信息或控制改頭換面的設(shè)備，它賦予多媒體系統(tǒng)以嶄新的面貌，是極富吸引力的全新多媒體交互設(shè)備。觸摸屏技術(shù)消除了對(duì)鍵盤(pán)或傳統(tǒng)鼠標(biāo)的需求，而是可通過(guò)代表特定任務(wù)的圖標(biāo)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、直接的交互。它極大的簡(jiǎn)化了計(jì)算機(jī)的使用，即使是對(duì)計(jì)算機(jī)一無(wú)所知的人，也照樣能夠運(yùn)用自如，使計(jì)算機(jī)展現(xiàn)出更大的魅力，并按照必需的步驟把觸摸屏整合到公共平板顯示系統(tǒng)中。這項(xiàng)工作正越來(lái)越多地由系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)人員來(lái)完成，他們?cè)O(shè)計(jì)觸摸屏，并把觸摸屏集成在標(biāo)準(zhǔn)的LCD系統(tǒng)中，解決了公共信息市場(chǎng)上計(jì)算機(jī)所無(wú)法解決的問(wèn)題。
觸摸屏成功應(yīng)用的關(guān)鍵是選擇合適的技術(shù)，選擇時(shí)需要考慮的參數(shù)包括：工作環(huán)境、光學(xué)性能、LCD尺寸、透射率或透明度、期望壽命、防刮傷的能力、校準(zhǔn)穩(wěn)定性、選擇手指觸摸還是用觸摸筆（手指觸摸是否可帶手套？）、防反射處理（針對(duì)強(qiáng)光條件）、觸摸屏面板和控制器的成本。而對(duì)于面向大型顯示器的觸摸屏的公共平板顯示系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，電阻式觸摸屏是最流行的觸摸屏技術(shù)。這種壓敏型觸摸屏技術(shù)具有多種功能，也是最具有成本效益和易用性的觸摸屏技術(shù)之一。通常，電阻式觸摸屏的價(jià)格比較便宜，但缺點(diǎn)是光透射率一般不超過(guò)86%（盡管也有透射率更高的產(chǎn)品），而且電阻層的前表面對(duì)尖銳物和腐蝕性化學(xué)制品的抵御能力較差。電阻式觸摸屏不受灰塵或水等外界污染物的影響，而且由于它們的密封度可達(dá)到NEMA 4/4X標(biāo)準(zhǔn)，所以大部分的主要人機(jī)界面制造商都采用了這項(xiàng)技術(shù)。特別是作為全屏觸摸品示還需支持很高的分辨率。因電容傳感器只有較低的分辨率感應(yīng)，就不能支持寫(xiě)輸入的手寫(xiě)辨識(shí)。值此主要討論集成了觸摸屏功能的公共平板顯示系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用。而首先應(yīng)對(duì)電阻技術(shù)觸摸屏技術(shù)特點(diǎn)作介紹。
2、電阻技術(shù)觸摸屏與系統(tǒng)性能
典型電阻技術(shù)觸摸屏的工作部分一般由三部分組成：兩層透明的阻性導(dǎo)體層、兩層導(dǎo)體之間的隔離層、電極。也就是說(shuō)，電阻觸摸屏的主要部分是一塊與顯示器表面非常配合的電阻薄膜屏，這是一種多層的復(fù)合薄膜，它以一層玻璃或硬塑料平板作為基層，表面有一層透明氧化金屬（ITO氧化銦，透明的導(dǎo)電電阻）導(dǎo)電層，上面再蓋有一層外表面硬化處理、光滑防擦的塑料層，它的內(nèi)表面也涂有一層ITO涂層，在他們之間有許多細(xì)小的（小于1/1000英寸）的透明隔離點(diǎn)把兩層導(dǎo)電層隔開(kāi)絕緣。觸摸屏的技術(shù)特性：通透率為85%，分辨率為4096×4096，感應(yīng)軸為X、Y；無(wú)漂移，耐磨損性好，響應(yīng)速度<10mS，抗干擾好，無(wú)污物影響，穩(wěn)定好。
2.1觸摸屏的性能
當(dāng)手指觸摸屏幕時(shí)，兩層導(dǎo)電層在觸摸點(diǎn)位置就有了接觸，控制器偵測(cè)到這一接觸并計(jì)算出（X，Y ）的位置，再根據(jù)模擬鼠標(biāo)的方式運(yùn)作。其具體分析為：手指觸摸屏幕時(shí)，上下導(dǎo)體層相當(dāng)于電阻網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)某一層電極加上電壓時(shí)，會(huì)在該網(wǎng)絡(luò)上形成電壓梯度。如有外力使得上下兩層在某一點(diǎn)接觸，則在電極未加電壓的另一層可以測(cè)得接觸點(diǎn)處的電壓，從而知道接觸點(diǎn)處的坐標(biāo)。比如，在頂層的電極（X+，X-）上加上電壓，則在頂層導(dǎo)體層上形成電壓梯度，當(dāng)有外力使得上下兩層在某一點(diǎn)接觸，在底層就可以測(cè)得接觸點(diǎn)處的電壓，再根據(jù)該電壓與電極（X+）之間的距離關(guān)系，知道該處的X坐標(biāo)。然后，將電壓切換到底層電極（Y+，Y-）上，見(jiàn)圖1所示，并在頂層測(cè)量接觸點(diǎn)處的電壓，從而知道Y坐標(biāo)。
四線制電阻觸摸屏與五線電阻觸摸屏也是目前最常用的觸摸屏產(chǎn)。其四線電阻觸摸屏不怕灰塵、油污和光電干擾，怕劃傷是其主要缺陷。適用于有固定用戶(hù)的公共場(chǎng)所，如工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)、辦公室、家庭等。而五線電阻觸摸屏：極好的靈敏度和透光度，較長(zhǎng)的使用壽命，不怕灰塵、油污和光電干擾，適用于各類(lèi)公共場(chǎng)所，尤其適用于要求精密的工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)等。
2.2基本技術(shù)
絕對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)。觸摸屏是一種絕對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)，其特點(diǎn)就是當(dāng)前定位坐標(biāo)與上一次定位坐標(biāo)沒(méi)有關(guān)系，每次觸摸的數(shù)據(jù)通過(guò)校準(zhǔn)直接轉(zhuǎn)化為屏幕上的坐標(biāo)。不管在什么情況下，觸摸屏這套坐標(biāo)體系對(duì)同一點(diǎn)的輸出數(shù)據(jù)都是穩(wěn)定的。不過(guò)，它并不能保證每一次對(duì)同一點(diǎn)觸摸的采樣都相同，即不能保證絕對(duì)坐標(biāo)定位，這就是所謂的漂移問(wèn)題。
定位。各種觸摸屏都是依靠傳感器來(lái)工作的，甚至有的觸摸屏本身就是一套傳感器。它們各自的定位原理和各自所用的傳感器決定了觸摸屏的反應(yīng)速度、可靠性、穩(wěn)定性和壽命。
2.3觸摸屏系統(tǒng)基本工作狀況
觸摸屏系統(tǒng)一般包括兩個(gè)部分：觸摸檢測(cè)裝置和觸摸屏控制器。觸摸檢測(cè)裝置安裝在顯示器屏幕前面，用于檢測(cè)用戶(hù)觸摸位置，接收后送觸摸屏控制器；觸摸屏控制器的主要作用是從觸摸點(diǎn)檢測(cè)裝置上接收觸摸信息，并將它轉(zhuǎn)換成觸點(diǎn)坐標(biāo)，再送給CPU，它同時(shí)能接收CPU發(fā)來(lái)的命令并加以執(zhí)行。
3、集成了觸摸屏功能的架構(gòu)與接口技術(shù)
3.1之所以要應(yīng)用集成了的觸摸屏功能平板顯示系，主要有以下幾個(gè)因素
首要的它是一個(gè)公共型觸摸屏平板顯示系統(tǒng)。而這個(gè)集成了觸摸屏功能的平板顯示系統(tǒng)主要應(yīng)用在工業(yè)控制或機(jī)器自動(dòng)化系統(tǒng)、醫(yī)療應(yīng)用系統(tǒng)、銷(xiāo)售點(diǎn)（POS）系統(tǒng)或信息點(diǎn)（POI）系統(tǒng)、信息亭或自助服務(wù)亭及數(shù)字簽名等領(lǐng)域，它是將放置在室內(nèi)或室外或多種不同的環(huán)境乃至在惡劣環(huán)境之中應(yīng)用，其于上述原因，因此必然是集成了的觸摸屏功能平板顯示系的采用。
為此在架構(gòu)上，集成式觸摸屏系統(tǒng)包含一個(gè)耐磨損的狹小外殼，該系統(tǒng)可以升級(jí)以適應(yīng)從12.1英寸到19英寸的顯示器尺寸。一個(gè)完整的集成式觸摸屏開(kāi)發(fā)套件包括控制器、接口電纜和 LCD。系統(tǒng)集成商通常可根據(jù)每個(gè)客戶(hù)的要求提供具有合適功能的定制系統(tǒng)，這對(duì)不熟悉或缺乏觸摸屏設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)尤其有用。觸摸屏面板可直接粘貼在LCD的前表面或顯示器的邊框上，為便于在損壞時(shí)更換屏幕，也可以采用機(jī)械方式安裝。直接粘貼觸摸傳感器，或?qū)⒂|摸傳感器安裝在邊框上均要求在專(zhuān)門(mén)的潔凈室環(huán)境中進(jìn)行，特別是直接粘貼傳感器必須由受過(guò)嚴(yán)格訓(xùn)練的安裝人員使用專(zhuān)用設(shè)備進(jìn)行。采用機(jī)械方式安裝的觸摸傳感器，是一種設(shè)計(jì)用來(lái)安裝在顯示設(shè)備外部的觸摸傳感器，可以通過(guò)物理設(shè)備（例如支架或壓力襯墊材料）將它們固定在顯示設(shè)備外部。外部觸摸屏對(duì)LCD的影響較小，并且可以在現(xiàn)場(chǎng)或維修點(diǎn)替換傳感器時(shí)使用。觸摸屏控制器的功率要求也是一個(gè)需要考慮的問(wèn)題，因?yàn)樵S多觸摸屏控制器在5V或12V直流電壓下才能正常工作，見(jiàn)圖2所示，觸摸屏系統(tǒng)的主要組成部分，它采用了一個(gè)外部安裝型觸摸面板。
3.2集成了觸摸屏功能的人機(jī)接口技術(shù)
接口技術(shù)控制板設(shè)計(jì)考慮：是采用串行接口（SPI或RS-232）、USB還是PS/2，將觸摸控制器與計(jì)算機(jī)主板上的CPU連接起來(lái)？如果觸摸控制器和觸摸傳感器離主機(jī)有一段距離，那么這個(gè)距離將影響對(duì)接口方式的選擇。例如，串行接口最多可支持50英尺的距離，而 USB接口一般僅支持約16英尺的距離。但是，采用串行接口的觸摸控制器必須采用外部供電方式（需要一個(gè)5V或12V的直流電源），而采用USB接口的控制器可以從主機(jī)系統(tǒng)的USB端口直接獲取電源。
除高分辨率外，認(rèn)為多手指觸摸是未來(lái)的發(fā)展方向，多手指觸摸可以產(chǎn)生強(qiáng)烈的交互式操作感，還可以同時(shí)支持多個(gè)用戶(hù)操作，特別適合用于大型的交互式環(huán)境比如交互式墻和桌面。本例僅對(duì)用微控制器與四線制電阻式觸摸屏連接構(gòu)成單手指觸摸人機(jī)接口的方案作分析。
應(yīng)用8位RISC微控制器Atmegal28（Amel公司產(chǎn)，）與BBADS7843四線制電阻式觸摸屏連接構(gòu)成人機(jī)接口的方案見(jiàn)圖所示。 Atmegal28片內(nèi)有128K flash、4K RAM、4KEEPROM、兩個(gè)可編程的USART、1個(gè)可工作在主機(jī)／從機(jī)的SPI串行接口。此外還有豐富的I／O接口，8通道10位分辨率ADC轉(zhuǎn)換器等硬件資源。使微控制器能夠使用于比較高的通訊波特率，Almegal28已經(jīng)內(nèi)置了看門(mén)狗，并且可以通過(guò)編程使看門(mén)狗在程序啟動(dòng)前啟動(dòng)，即上電后程序啟動(dòng)前，看門(mén)狗已經(jīng)啟動(dòng)，這樣系統(tǒng)的可靠性可以得到保證，本系統(tǒng)采用5V供電。
ADS7843觸摸屏控制器芯片專(zhuān)門(mén)應(yīng)用于四線電阻式觸摸屏，最高達(dá)到125K的轉(zhuǎn)換率 8位或者12位可編程精度。外部參考電壓范圍從1V到VCC均可，VCC最高電壓為5V，高速低功耗使得ADS7843非常適合于使用電阻觸摸屏的手持設(shè)備。寬溫度設(shè)計(jì)使得它很適用于大量的工業(yè)和公共現(xiàn)場(chǎng)。圖3為觸摸屏人機(jī)接口的方案示意圖。
圖3中SPI總線分別為SPI時(shí)鐘和主機(jī)輸出從機(jī)輸入及主機(jī)輸入從機(jī)輸出三根線的匯總。
觸摸屏是一個(gè)四線電阻屏幕，可以示意出兩個(gè)電阻，測(cè)量X方向的時(shí)候，將X+，X-之間加上參考電壓Vref，Y-斷開(kāi)，Y+作為A/D輸入，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換獲得X方向的電壓，同理測(cè)量Y方向的時(shí)候，將Y+，Y-之間加上參考電壓Vref，X-斷開(kāi)，X+作為A/D輸入，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換獲得Y方向的電壓，之后再完成電壓與坐標(biāo)的換算。整個(gè)過(guò)程類(lèi)似一個(gè)電位器，觸摸不同的位置分得不同的電壓。圖4為四線電阻屏幕與屏幕控制器連接示意圖。
3.3關(guān)于安裝觸摸屏的準(zhǔn)則
在設(shè)計(jì)觸摸屏顯示器時(shí)，需要考慮的重要性能指標(biāo)包括：觸摸點(diǎn)的數(shù)目、觸發(fā)力度、LCD像素間距、期望的響應(yīng)時(shí)間、工作壽命（觸摸次數(shù)）和觸摸分辨率。除了必須知道LCD顯示器和邊框的全部尺寸以及LCD的類(lèi)型（例如無(wú)源矩陣或有源矩陣TFT LCD）之外，還需考慮下面幾個(gè)額外的問(wèn)題：是否需要防炫射或防反射性能？是否要求在日光下閱讀所需的高亮度或高透反性能？（在日光閱讀所要求的亮度通常為600cd/m2（尼特）或更高，具體數(shù)值依賴(lài)于其它相關(guān)性能，例如，通常由大部分LCD的制造商或增值集成商提供的防反射表面處理。）是否需要對(duì)顯示器玻璃進(jìn)行粘接以防在室外公共環(huán)境遭到破壞？在價(jià)格、性能、質(zhì)量以及能否長(zhǎng)期供貨這幾個(gè)因素中，哪個(gè)更重要？其它需要考慮的參數(shù)還包括外部連接方式、安裝方式和工作環(huán)境參數(shù)。
4、集成式觸摸屏擴(kuò)展應(yīng)用
集成式觸摸屏除了可作公共型觸摸屏平板顯示系統(tǒng)外，還可在患者監(jiān)視和醫(yī)療設(shè)備控制的醫(yī)療應(yīng)用中，用戶(hù)必須戴著手套直接操作（不使用外部指點(diǎn)設(shè)備）觸摸屏。為滿(mǎn)足這種應(yīng)用要求，設(shè)計(jì)工程師可以把一個(gè)4線電阻式觸摸傳感器集成到顯示器中，該顯示器選用了大小為12.1英寸（對(duì)角線）、亮度為400尼特、帶 SVGA分辨率、具有高對(duì)比度且?guī)в蠰VDS接口的有源矩陣LCD。
觸摸屏在控制系統(tǒng)中的在棉花打包機(jī)中應(yīng)用。而集成式觸摸屏的使用則為整個(gè)控制系統(tǒng)提供廠良好的人機(jī)操作界面，因此若將其與PLC二者聯(lián)合，則可廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。其棉花打包機(jī)下不失為一種典型應(yīng)用。棉花打包機(jī)主要有喂棉，踩實(shí)、壓棉、小車(chē)輸送與機(jī)械手推包的運(yùn)動(dòng)幾個(gè)重要工序，該設(shè)備以液壓系統(tǒng)和電機(jī)作為動(dòng)力。主預(yù)壓系統(tǒng)分別由兩臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，小車(chē)機(jī)械手、輸送帶、轉(zhuǎn)箱等分別由各自電機(jī)控制。打包機(jī)為了能夠完成打包并保證打包的質(zhì)量，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖5所示。
根據(jù)控制工藝要求，綜合輸入輸出點(diǎn)數(shù)，采用模塊化PLC和集成式觸摸屏PLC，通過(guò)SPI串口進(jìn)行通信。
而軟件設(shè)計(jì)打包機(jī)的每一工步的控制均采用自動(dòng)和手動(dòng)兩種模式。PLC采集現(xiàn)場(chǎng)行程開(kāi)關(guān)、光電傳感器和壓力傳感器的信號(hào)，從而控制下一動(dòng)作的觸發(fā)，并在壓力值越界時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。整個(gè)程序的控制方式為順序控制.該控制糸統(tǒng)提高了棉花打包機(jī)庇的精度與動(dòng)作頻繁的運(yùn)行可靠性。
紅外掃描觸摸屏（也稱(chēng)為IR觸摸屏）技術(shù)利用紅外發(fā)射器-接收器，在離屏幕表面的一小段距離上投射出一個(gè)不可見(jiàn)的光網(wǎng)格。當(dāng)光束被阻斷時(shí)，接收器上的信號(hào)缺失被檢測(cè)出來(lái)，并轉(zhuǎn)換成觸摸屏的X/Y坐標(biāo)。紅外掃描觸摸屏利用紅外發(fā)射器-接收器，在離屏幕表面的一小段距離上投射出一個(gè)不可見(jiàn)的光網(wǎng)格。當(dāng)光束被阻斷時(shí)，接收器上的信號(hào)缺失被檢測(cè)出來(lái)，并轉(zhuǎn)換成觸摸屏的X/Y坐標(biāo)。這種技術(shù)的工作方式。紅外掃描觸摸屏技術(shù)通常使用在信息亭、游戲、零售、衛(wèi)生保健和工業(yè)人機(jī)界面（HMI）等應(yīng)用中。它十分耐磨損，不受灰塵、水和其它污染物的影響（非常適用于室外的公共信息亭顯示器），且沒(méi)有校準(zhǔn)漂移。不過(guò)，這種技術(shù)的應(yīng)用是有限制的，它無(wú)法檢測(cè)微小的指點(diǎn)區(qū)域，因此不適于對(duì)分辨率要求很高的、要求捕獲簽名的應(yīng)用（如POS機(jī)）。紅外掃描觸摸屏的分辨率確實(shí)達(dá)不到防止簽名失真所要求的精度，因?yàn)榧t外掃描要從一個(gè)光束切換到另一個(gè)光束。
5、結(jié)束語(yǔ)
上述側(cè)重對(duì)電阻技術(shù)觸摸屏在公共平板顯示系統(tǒng)中應(yīng)用特點(diǎn)作分析介紹，而實(shí)際上所不同應(yīng)用對(duì)觸摸屏的需求也有差異。在便攜電子應(yīng)用中，要求觸摸屏具有很高的精度和三維接口，不能出現(xiàn)功能故障。與此同時(shí)，它還要求寬的動(dòng)態(tài)范圍、防劃傷、背光能力和低功耗；消費(fèi)電子如家電類(lèi)應(yīng)用要求滿(mǎn)足防噪聲，三維接口、高亮轉(zhuǎn)換、強(qiáng)抗環(huán)境變化、抗劃傷以及低成本等多項(xiàng)需求；筆記本電腦圖像觸摸要求同時(shí)在屏幕上跟蹤多個(gè)目標(biāo)，并且守即給圖形接口信息。此外，高分辨率也非常重要。
