触摸屏技术及应用讲座

触摸屏技术及应用讲座

电子工程系2007.8简介触摸屏是用手指或其他触摸感应介质直接触摸显示器操作电脑的一种输入设备。它是目前最友好的计算机用户接口界面。触摸屏具有坚固耐用、反应速度快、节省空间、易于交流等许多优点。它赋予了多媒体以崭新的面貌，是极富吸引力的、全新的多媒体交互设备。

随着计算机技术和网络技术的发展，触摸屏现在已广泛应用在POS自动服务机、信息查询设备、娱乐设备、训练和仿真、医疗设备、移动和手持式系统、工业控制设备、办公自动化设备、信息家电等各个领域，它已渗透到我们生活的方方面面。触摸屏系统组成一个供触摸使用的触摸屏幕。它安装在显示器屏幕前面，用于检测用户触摸位置，接收信号后送触摸屏控制器。一块可以将触摸信号转换为控制信号的控制器。一套用于在控制器和操作系统之间进行通信的驱动软件。驱动软件利用程序自带的校准点，根据这些校准点将触摸屏控制器传输的绝对坐标按比例转化成屏幕坐标。驱动程序还执行相关应用要求的其他操作。触摸屏的类型按照工作原理和传输信息的介质可将触摸屏分为四个基本种类：电阻技术触摸屏、电容技术触摸屏、红外线技术触摸屏、声波技术触摸屏。1.声波技术触摸屏

声波技术触摸屏又分为表面声波和声体波触摸屏两种。表面声波触摸屏触摸屏部分可以是一块平面、球面或是柱面的玻璃平板，安装在CRT、LED、LCD或是等离子显示器屏幕的前面。这块玻璃平板只是一块纯粹的强化玻璃，区别于别类触摸屏技术是没有任何贴膜和覆盖层。玻璃屏的左上角和右下角各固定了竖直和水平方向的超声波发射换能器，右上角则固定了两个相应的超声波接收换能器。玻璃屏的四个周边则刻有45°角由疏到密间隔非常精密的反射条纹。当手指或软性物体触摸屏幕，部分声波能量被吸收，于是改变了接收信号，经过控制器的处理得到触摸的X，Y坐标。如图1所示。图1声波体触摸屏

声波体触摸传感器是在显示器表面上的一个玻璃覆盖层。X、Y换能器焊接在玻璃相邻的角边上，分别用一对屏蔽电缆连接到控制器。沿玻璃两边蚀刻着45度角反射条纹阵列作为波的导向装置，反射体相对的边被磨光以确保正确的波回声。工作时，X、Y换能器交替发出声波(在传输模式下)，声波被反射条纹反射到相对的边，然后反射回到条纹阵列，在被换能器接收(在接收模式下)。控制器分析换能器接收到的声波信号，确定触摸位置。声波技术触摸屏特点■清晰度较高，透光率好。■高度耐久，抗刮伤性良好。■一次校正不漂移。■反应灵敏。■需要经常维护，必须经常擦抹屏的表面以保持屏面的光洁，并定期作全面彻底擦除。适合于办公室、机关单位等环境比较清洁的场所。

2.红外线扫描技术触摸屏结构及原理

红外线触摸屏，一般是在显示器屏幕的前面安装一个外框，外框里有电路板，在X、Y方向有排布均匀的红外发射管和红外接收管，一一对应形成横竖交叉的红外线矩阵。当有触摸时，手指或其它物体就会挡住经过该点的横竖红外线，由控制器判断出触摸点在屏幕的位置（如图2示）。

图2技术剖析

根据其本身的工作原理，红外屏可以做到无压力，无玻璃的工作。但是由于红外线本身的特点，红外屏目前只能做成纯平的。红外触摸屏不受电流、电压和静电干扰，适宜恶劣的环境条件，红外线技术是触摸屏产品最终的发展趋势。采用声学和其它材料学技术的触屏都有其难以逾越的屏障，如单一传感器的受损、老化，触摸界面怕受污染、破坏性使用，维护繁杂等等问题。红外线触摸屏只要真正实现了高稳定性能和高分辨率，必将替代其它技术产品而成为触摸屏市场主流。3.电容感应技术触摸屏基本结构电容技术的触摸屏是一块四层复合玻璃层，如图3。玻璃屏的内表面和夹层各涂有一层ITO导电层，最外层是只有0.0015毫米厚的矽土玻璃保护层。内层ITO作为屏蔽屋,以保证良好的工作环境,夹层ITO涂层作为检测定位的工作层,在四个角或四条边上引出四个电极。基本原理人是假象的接地物(零电势体)，给工作面通上一个很低的电压，当用户触摸屏幕时,手指头吸收走一个很小的电流,这个电流分从触摸屏四个角或四条边上的电极中流出,并且理论上流经这四个电极的电流与手指到四角的距离成比例,控制器通过对这四个电流比例的精密计算,得出触摸点的位置。图3电容屏特点■对大多数的环境污染物有抵抗力。■人体成为线路的一部分，因而漂移现象比较严重。■带手套不起作用。■需经常校准。■不适用于金属机柜。■当外界有电感和磁感的时候，会使触摸屏失灵。4.电阻技术触摸屏

电阻技术触摸屏根据工作原理分为点阵(数字)式电阻触摸屏及模拟式电阻触摸屏(如图4);根据结构和从工作面引出线的多少可以分为4,5,6,8等线电阻屏.图4结构及原理电阻触摸屏的屏体部分是一块与显示器表面非常配合的多层复合薄膜，由一层玻璃或有机玻璃作为基层，表面涂有一层透明的导电层，上面再盖有一层外表面硬化处理、光滑防刮的塑料层，它的内表面也涂有一层透明导电层，在两层导电层之间有许多细小(小于千分之一英寸)的透明隔离点把它们隔开绝缘。见图5。当手指触摸屏幕时，平常相互绝缘的两层导电层就在触摸点位置有了一个接触，因其中一面导电层接通Y轴方向的5V均匀电压场，使得侦测层的电压由零变为非零，控制器侦测到这个接通后，进行A/D转换，并将得到的电压值与5V相比即可得触摸点的Y轴坐标，同理得出X轴的坐标。电阻屏特点★它们都是一种对外界完全隔离的工作环境，不怕灰尘、水汽和油污。★可以用任何物体来触摸，可以用来写字画画，这是它们比较大的优势。★电阻触摸屏的精度只取决于A/D转换的精度，因此都能轻松达到4096*4096。图5触摸屏的选择在选择触摸屏时，要考虑使用环境，使用时间，面对的服务对象以及性价比等因素对触摸屏各方面性能及市场价格提出的要求，根据这些要求选择一款最合适的触摸屏。下表是目前市场上流行的各种触摸屏的性能参数对比表。四线电阻触摸屏四线电阻技术触摸屏的两层导电层都是ITO（ITO：氧化铟，弱导电体，特性是当厚度降到1800埃（1埃＝10-10米）以下时会突然变得透明，再薄下去透光率反而下降，到300埃厚度时透光率又上升。是所有电阻屏及电容屏的主要材料），在每层的两边缘各涂一条氧化银胶，一端加5Ⅴ电压，一端加0Ⅴ，即能在工作面的一个方向上形成均匀连续的平行电压分布。四线电阻触摸屏的两层ITO工作面工作时都加上5Ⅴ到0Ⅴ的均匀电压分布场，触摸屏的引出线共有4条，四线电阻由此得名。见图6。当Y面加竖直方向的电压场时，X面作为测量触摸点电压的探测层；X面加水平方向的电压时，Y面作探测层。四线触摸屏包含两个阻性层。其中一层在屏幕的左右边缘各有一条垂直总线，另一层在屏幕的底部和顶部各有一条水平总线，如上图。为了在X轴方向进行测量，将左侧总线偏置为0V，右侧总线偏置为VREF。将顶部或底部总线连接到ADC，当顶层和底层相接触时即可作一次测量。为了在Y轴方向进行测量，将顶部总线偏置为VREF，底部总线偏置为0V。将ADC输入端接左侧总线或右侧总线，当顶层与底层相接触时即可对电压进行测量。对于四线触摸屏，最理想的连接方法是将偏置为VREF的总线接ADC的正参考输入端，并将设置为0V的总线接ADC的负参考输入端。

图6当手指或笔触摸屏幕时(图c)，平常相互绝缘的两层导电层就在触摸点位置有了一个接触，因其中一面导电层（顶层）接通X轴方向的5V均匀电压场(图a)，使得检测层（底层）的电压由零变为非零，控制器侦测到这个接通后，进行A/D转换，并将得到的电压值与5V相比即可得触摸点的X轴坐标为（原点在靠近接地点的那端）：Xi=Lx＊Vi/V（分压原理）同理得出Y轴的坐标。这就是四线电阻触摸屏的最基本原理。下图显示了四线触摸屏检测触摸点位置时的简化模型。图a图b图c四线电阻触摸屏的控制

FM7843(ADS7843)是低功耗高速率的4线电阻触摸屏转换接口芯片。它是一款具有同步串行接口的12位取样模数转换器。采用SSOP-16引脚封装形式，温度范围是-40~85℃。为了完成一次电极电压切换和A/D转换，需要先通过串口往FM7843发送控制字，转换完成后再通过串口读出电压转换值。图7是FM7843的封装图。表1是FM7843的管脚定义。表2是FM7843的控制字。表3是FM7843的控制字功能描述。表4是FM7843的电源选择。图7FM7843表1在实际电路中，VREF接电压基准(一般接地)，X+,X-,Y+,Y-四个引脚分别接触摸屏的四条控制线，DIN,DOUT分别接主控器件的串行输出和输入端，DCLK接外时钟，/PENIRQ,/CS,BUSY根据用户需要接主控芯片的控制端。图8是其基本的应用电路接法。在应用中，辅助输入端可以视应用情况选择不接。图8表2控制字表3控制字功能描述参考配置：采样x轴坐标A2-A0为101，采样y轴坐标A2-A0为001；12位转换结果；参考电压输入模式为差分模式（值0）；允许省电模式。表4电源选择FM7843的工作时序为了完成一次电极电压切换和A/D转换，需要先通过串口往FM7843发送控制字，转换完成后再通过串口读出电压转换值。标准的一次转换需要24个时钟周期。由于串口支持双向同时进行传送，并且在一次读数与下一次发控制字之间可以重叠，所以转换速率可以提高到每次16个时钟周期。如果条件允许，CPU可以产生15个CLK的话(比如FPGAs和ASICs)，转换速率还可以提高到每次15个时钟周期。图9，10，11分别给出了上述三种时序。图9每次对话占用24个时钟的时序图

图10每次对话占用16个时钟的时序图图11每次对话占用15个时钟的时序图在电路中,FM7843通过串口与主机(ARM芯片,DSP芯片,单片机,或其他控制设备)串行通讯,将来自触摸屏的电压信号送交主机处理.FM7843送回控制器的X与Y值仅是对当前触摸点的电压值的A/D转换值，它不具有实用价值。这个值的大小不但与触摸屏的分辨率有关，而且也与触摸屏与LCD贴合的情况有关。而且，LCD分辨率与触摸屏的分辨率一般来说是不一样，坐标也不一样，因此，如果想得到体现LCD