Miten toteuttaa nopeasti luotettavia kosketusnäyttöjä

Kosketusnäytön käyttöä suositaan yhä enemmän näppäimistön ja hiiren sijasta ihmisen ja koneen välisenä käyttöliittymänä (HMI) kuluttaja-, yritys- ja teollisuusjärjestelmien ohjelmoinnissa, konfiguroinnissa ja ohjauksessa. Kosketusnäytöt ovat intuitiivisia, nopeita ja niissä on yksi ainut integroitu käyttöliittymä, joka korvaa useiden syöttölaitteiden yhdistelmän. Ne tarjoavat myös enemmän käyttömukavuutta ihmisille, joilla on fyysisiä haasteita. Lisäksi niitä voidaan valmistaa varsin kompaktissa koossa.

Kosketusnäyttöjen täytyy olla monenlaisten käyttömahdollisuuksien vuoksi kestäviä, paljaalla sormella tai käsineen kanssa käytettäviä sekä kustannustehokkaita. Resistiiviset kosketusnäytöt täyttävät nämä vaatimukset, mutta suunnittelijoiden on pystyttävä tuomaan ne nopeasti markkinoille valmiilla ratkaisuilla, jotka sisältävät kosketusnäytön yhdistettynä sopivaan ohjaimeen. Suunnittelijoiden tulee myös ymmärtää erot resistiivisten 4 ja 5 johtimen kosketusnäyttöjen liitännöissä.

Tässä artikkelissa kuvataan lyhyesti resistiivisiä kosketusnäyttöjä. Siinä esitellään sen jälkeen esimerkkejä kosketusnäytöistä ja ohjaimista valmistajalta NKK Switches ja näytetään, miten niitä käytetään suunnittelussa.

Resistiivisten kosketusnäyttöjen toimintatapa

Resistiiviset kosketusnäytöt ovat erillisiä komponentteja, jotka sijoitetaan litteän näytön pintaan. Käyttäjät voivat olla ohjaimeen yhdistetyn kosketusnäytön avulla vuorovaikutuksessa näytön symbolien kanssa koskettamalla tiettyjä alueita. Kosketusnäyttö pystyy tunnistamaan sormen tai näyttökynän tarkan kosketuskohdan. Sovellusohjelmisto määrittää sitten, mitä muita toimenpiteitä näytöllä tulisi suorittaa kyseisen kohdan perusteella.

Resistiiviset kosketusnäytöt soveltuvat erilaisiin kuluttaja-, vähittäismyynti-, yritys-, teollisuus- ja lääketieteellisiin sovelluksiin, koska ne ovat edullisia, kestäviä ja niitä voidaan käyttää paljaalla sormella, käsine kädessä tai näyttökynällä. Tämä tekniikka käyttää muotoiltavaa muovikalvoa, jonka takapuoli on päällystetty johtavalla kerroksella, kuten indiumtinaoksidilla (ITO). Kosketusnäytön takaosa koostuu lasi- tai akryylipaneelista, jonka etupuolella on ITO-kerros.

Sähköä johtamattomat erotinpisteet erottavat muovikalvon lasi- tai akryylitaustapaneelista. Kun muovikalvoa painetaan sormella tai näyttökynällä yhden tai kahden newtonin (N) voimalla, kalvo koskettaa taustapaneelia ja tällä tavalla sulkee kytkimen paikallisella painealueella. Ohjainkortti, johon on liitetty neljän tai viiden johtimen liitin, voi määrittää suljetun kytkimen sijainnin, ja ohjelmisto reagoi sen mukaisesti (kuva 1).

Kuva 1: Resistiiviset kosketusnäytöt toimivat siten, että kosketus painaa yhteen kaksi sähköä johtavaa pintaa. (Kuvan lähde: NKK Switches)

Resistiiviset kosketusnäytöt ovat suosittuja sovelluksissa, joissa kustannukset, kestävyys ja käyttö käsine kädessä tai sähköä johtamattomalla näyttökynällä ovat tärkeitä. Ne kestävät tyypillisesti miljoonia tai jopa kymmeniä miljoonia käyttökertoja ilman vikaantumista. Resistiivisiä kosketusnäyttöjä voidaan valmistaa myös niin, että ne suojataan vettä ja kemikaaliroiskeita vastaan.

4 ja 5 johtimen kosketusnäyttökonfiguraatioiden välinen ero

4 johtimen kosketusnäytössä on kaksi elektrodia alalevyssä ja kaksi ylälevyssä. Alalevyssä elektrodit kulkevat Y-akselin suuntaisesti, jolloin vastus voidaan mitata X-akselin suuntaisesti. Ylälevyssä on vastaavasti reunaelektrodit, jotka kulkevat X-akselin suuntaisesti, jolloin vastus voidaan mitata Y-akselin suuntaisesti (kuva 2).

Kuva 2: Neljän johtimen resistiivisissä kosketusnäytöissä käytetään kahta reunaelektrodia alalevyssä ja kahta ylälevyssä. Parit ovat kohtisuorassa toisiinsa nähden, ja niiden avulla voidaan määrittää kosketuksen XY-sijainti. (Kuvan lähde: NKK Switches)

Sormen kosketuspisteessä alakerros itse asiassa jakaa yläkerroksen kahdeksi sarjaan kytketyksi vastukseksi. Alakerros jakaantuu samalla tavalla kosketuspisteessä yläkerroksen kanssa. Sopivilla resistanssiarvoilla kukin levy voi toimia jakajana, jolloin lähtöjännite edustaa kosketuspisteen koordinaatteja.

5 johtimen järjestelmässä ylälevyssä on neljä reunaelektrodia, ja se toimii jännitteen mittaussolmuna. Alalevyn neljä kulmaa muodostavat elektrodit, jotka tuottavat jännitegradientit X- ja Y-suunnissa. X- ja Y-suuntien mittauksiin käytetään erilaisia resistanssikonfiguraatioita (kuva 3).

Kuva 3: 5 johtimen resistiivisissä kosketusnäytöissä käytetään neljää kulmaelektrodia alalevyssä tuottamaan jännitegradientit X- ja Y-suunnissa ja kahta reunaelektrodiparia ylälevyssä jännitteen mittaukseen. (Kuvan lähde: NKK Switches)

5 johtimen ratkaisussa vain alalevy on aktiivinen. Tämä tarkoittaa, että kosketusnäyttö voi toimia edelleen, vaikka ylälevyyn tulisi vaurioita. 4 johtimen kosketusnäytössä sitä vastoin molemmat levyt ovat aktiivisia, ja ylälevyn vaurioituminen voi aiheuttaa kosketusnäytön vikaantumisen. 5 johtimen kosketusnäyttö on yleensä kestävämpi, mutta toisaalta se lisää suunnittelun kompleksisuutta ja kustannuksia.

Kaupalliset resistiiviset kosketusnäyttöratkaisut

NKK tarjoaa kompleksisuuden minimoimiseksi ja markkinoilletuonnin nopeuttamiseksi hyväksi todettuja kaupallisia ratkaisuja sekä kosketusnäyttöä että siihen sopivaa ohjainta varten. Suunnittelijalla on edelleen mahdollisuus hankkia kosketusnäyttö NKK:lta ja sovittaa se yhteen eri toimittajan tai oman ohjaimensa kanssa.

NKK:n FT-sarja on erinomainen esimerkki resistiivisistä kosketusnäytöistä. Saatavana on useita eri näyttökokoja 5,7–15,6 tuuman (halkaisija) välillä. Sarjaa on tarjolla sekä 4- että 5-johdinkonfiguraatioina ja kosketuksen aktivointivoimalla 1,4 N (taulukko 1). Molemmat versiot kytketään ohjainkorttiin yhdyskaapelilla.

Taulukko 1: 4 ja 5 johtimen resistiivisten kosketusnäyttöjen vertailu osoittaa, että 5 johtimen versio tarjoaa pidemmän käyttöiän (napautuskerroissa mitattuna). (Kuvan lähde: NKK Switches)

FTAS00-5.7AS-4A on 4 johtimen ja 5,7 tuuman malli, joka kuluttaa 1 milliampeerin (mA) 5 voltin DC-jännitteellä (VDC) ja jonka XY-vastusarvo on 250–850 ohmia (Ω), lineaarisuus 1,5 % ja eristysimpedanssi 10 megaohmia (MΩ). Kosketusnäytön odotettu käyttöikä on 50 000 kirjoituskertaa tai miljoona napautuskertaa.

FTAS00-10.4A-5 on 5 johtimen ja 10,4 tuuman malli, joka kuluttaa 1 mA 5,5 VDC:n jännitteellä ja jonka XY-vastusarvo on 20–80 Ω, lineaarisuus 2 % ja eristysimpedanssi vähintään 10 MΩ. Käyttöikä on 50 000 kirjoituskertaa tai 10 miljoonaa napautuskertaa.

NKK tarjoaa sekä 4 että 5 johtimen kosketusnäyttötuotteille ohjainta joko RS232C- tai USB-liitännällä. Ohjainkorttien mukana toimitetaan Windows 7-, 8- ja 10 -käyttöjärjestelmien kanssa yhteensopiva laiteajuriohjelmisto. FTCS04C ja FTCU04B ovat NKK:n ohjainkortteja 4 johtimen kosketusnäytöille RS232C- ja USB-liitännällä (mainintajärjestyksessä), kun taas FTCS05B ja FTCU05B ovat vastaavat ohjainkortit 5 johtimen kosketusnäyttöjä varten.

Resistiivisen kosketusnäytön käyttö

4 ja 5 johtimen kosketusnäyttöjen suunnitteluprosessi on samanlainen. 4 johtimen RS232C- ja USB-ohjainkortin ytimenä toimii FTCSU548-ohjainsiru. Tässä 48-nastaisessa LFQFP-mikropiirissä on asynkroninen sarjaliitäntä ja täyden nopeuden USB 2.0 -liitäntä. Se toimii 3,3–5 voltin jännitteellä RS232C-tilassa tai 5 voltin jännitteellä USB-tilassa. Sen nimellislähtövirta on 170 mA, toimintataajuus 16 megahertsiä (MHz) ja sen analogia-digitaalimuuntimen (ADC) resoluutio 10 bittiä. Siru tarjoaa sisäänrakennetun kalibrointitoiminnon.

Kun kosketusnäyttöä painetaan, ohjainmikropiiri määrittää koordinaatit analogia-digitaalimuuntimen mittaaman analogisen jännitteen arvon avulla ja välittää ne isäntätietokoneelle RS232C- tai USB-liitännän kautta (kuva 4).

Kuva 4: FTCSU548-ohjainmikropiiri (IC1) on asennettu FTCU04B (4 johtimen USB) -ohjainkortille. CN1 (vasemmalla) on liitin kosketusnäytön 4 johtimen joustavalle yhteyskaapelille. (Kuvan lähde: NKK Switches)

Kosketusnäytön joustava 4 johtimen yhteyskaapeli on kytketty ohjainkorttiin CN1-liittimen kautta. Ohjainkortti on yhdistetty isäntätietokoneeseen CN4-liittimen kautta. CN4 USB -liitäntä syöttää korttiin myös virtaa. Isäntätietokone käyttää laiteohjainta ja sillä ajetaan kosketusnäytön sovellusohjelmistoa (kuva 5).

Kuva 5: Kuvassa esitetään tyypillinen 4 johtimen USB-ohjainkortin ja isäntätietokoneen konfiguraatio. (Kuvan lähde: NKK Switches)

Suunnitteluvinkkejä

Resistiivinen kosketusnäyttö vaatii kalibroinnin asennuksen yhteydessä. FTCSU548-ohjainmikropiiri sisältää sisäänrakennetun kalibrointitoiminnon. Ohjainmikropiiri täytyy asettaa ensin ”lähdetietotilaan” kalibrointia varten. Tämän jälkeen PC osoittaa kosketusnäytössä referenssipisteen (P1), jota käyttäjä painaa näyttökynällä, ja ADC-jännitetiedot lähetetään PC-tietokoneelle ohjainkortin kautta. Toimenpide toistetaan toisella pisteellä (P2) kosketusnäytön kauempana olevalla alueella. Fyysiset P1- ja P2-koordinaatit lähetetään PC-tietokoneelle kahdeksantavuisena numerona. Tämän jälkeen kosketusnäyttö asetetaan ”kalibrointitietotilaan”, ja sovellusohjelmisto käyttää kahden tunnetun pisteen jännite- ja koordinaattilukemia sekä sisäänrakennettua referenssiä ”0,0” kaikkien muiden kalibrointitietoalueen koordinaattien interpolointiin (kuva 6).

Kuva 6: Kalibrointia tarvitaan alkukonfiguroinnin aikana ja sen jälkeen aika ajoin, koska kosketusnäytön ikääntyessä sen vastus muuttuu. (Kuvan lähde: NKK Switches)

Näytön vastus muuttuu sen vanhetessa, joten sille on suoritettava uudelleenkalibrointi aika ajoin koko sen käyttöiän ajan.

Näyttölaitteen kehys on maadoitettava sähkömagneettisten häiriöiden (EMI) estämiseksi. On myös mahdollista, että sormen kosketusresistanssi voi aiheuttaa ”värinää”. Värinää voidaan estää käyttämällä sisäänrakennettua viivettä, jolloin jännitteen annetaan tasaantua ennen kuin järjestelmä laskee koordinaatit.

Suunnittelijoiden tulee lisäksi varoa käyttämästä sellaista ohjelmistoa, joka ohjeistaa käyttäjiä koskettamaan kosketusnäytön kahta aluetta samanaikaisesti. Tämä teknologia ei pysty erottamaan kahta erillistä kosketusta, ja se määrittää oletusarvoksi niiden välisen keskipisteen. Kun näytölle piirretään näyttökynällä viiva, viiva katkeaa näytön kahta kerrosta erottavien erotinpisteiden yläpuolella. Suunnittelijoiden on varmistettava, että sovellusohjelmisto täyttää nämä aukot.

Yhteenveto

Resistiiviset kosketusnäytöt ovat sopivia HMI-käyttöliittymiä sovelluksiin, joissa kustannukset, kestävyys ja käyttö paljaalla kädellä tai käsine kädessä tai sähköä johtamattomalla näyttökynällä ovat tärkeitä. NKK:n kaupalliset ratkaisut yksinkertaistavat niiden toteutusta ja tarjoavat kosketusnäyttöpinnan, ohjainkortit dedikoidulla ohjainmikropiirillä sekä laiteohjainohjelmiston.