Сенсорные экраны

Введение

Стремительное развитие электронных технологий, а также  расширение сферы их применения требуют  упрощения взаимодействия человека и машины. В этом могут помочь сенсорные экраны.

Традиционными средствами ввода информации в исполняющее устройство (компьютер) являются клавиатура (кнопки) и «мышь» (трекбол). Применение этих устройств привычно при работе с офисными приложениями, графикой, изображениями, а также для быстрого ввода текста. Однако в ряде случаев применение такого оборудования затруднено, зачастую не целесообразно, а иногда -невозможно. Например, в полевых условиях необходимо защищать клавиатуру и мышь от пыли, брызг и перепадов температуры. В некоторый случаях, например, в банкоматах, требуются не 102, а чуть более десятка клавиш. Использование «вандалонеустойчивой» мыши вообще исключено. Кроме того, в темное время суток любые клавиши требуют подсветки, а в малогабаритных интеллектуальных устройствах применение каких-либо клавиш вообще нежелательно.

Многие справочные системы, установленные, например, на вокзалах, предполагают работу с неквалифицированными пользователями. Использование традиционной клавиатуры в этом случае требует от них определенных умений. В противном случае работа замедляется, и пользование справочной системой становится неудобным.

Часто компьютер является вспомогательным инструментом, например, в работе врача, звукорежиссера или оператора электростанции. В этом случае рабочее место, как правило, занято, и размещение клавиатуры становится проблемой. Кроме того, применение традиционной клавиатуры, например, оперирующим хирургом, порой невозможно. Еще труднее оператору электростанции, следящему за технологическими процессами зачастую на 5 и более мониторах. В этом случае применение большого числа клавиатур крайне неудобно, а использование одной клавиатуры и переключение между экранами значительно замедляет реализацию оперативных действий.

Применение сенсорных экранов позволит решить большую часть этих проблем. Сенсорный экран (Touch Screen) - это, в общем случае, специальное устройство, которое крепится к экрану отображающего устройства и выполняет функции определения координат точки касания. Функционально в любом сенсорном экране можно выделить три части: сенсор (специальная панель или датчики), контроллер, который управляет датчиками и вычисляет или подготавливает данные для вычисления координат точки касания, и драйвер - программа, которая выполняет необходимые преобразования данных, поступающих от контроллера, проводит, при необходимости, дополнительные вычисления и корректирует работу контроллера.

Рис.1. Основные элементы сенсорного экрана

Для передачи данных от контроллера к компьютеру используется обычно USB или

 последовательный (Com) интерфейс. Сенсорные экраны различных принципов действия

 могут работать с плоскопанельными отображающими устройствами (плазменны-

ми и жидкокристаллическими панелями), проекционными экранами (с фронтальной и

обратной проекцией) и экранами на основе электронно-лучевой трубки (плоскими, цилиндрическими

и сферическими). Принцип действия отображающего устройства, снабженного сенсорным экраном, в общем случае можно описать следующим образом. На экран отображающего устройства выводится некоторая графическая информация. Например, это может быть стандартный интерфейс операционной системы или графическая оболочка интеллектуального справочного киоска на вокзале. Пользователь видит изображение через плотно прилегающий прозрачный сенсорный экран и, при необходимости, касается изображения в определенных точках. Контроллер сенсорного экрана передает информацию с датчиков в компьютер, где окончательно вычисляются координаты точки прикосновения. Далее производится сопоставление координат, поступивших с контроллера, с координатами программных элементов интерфейса и определяется элемент интерфейса, который хотел указать пользователь. Таким образом, снабженный сенсорным экраном дисплей позволяет без помощи клавиатуры и мыши перемещать курсор, нажимать на кнопки, открывать папки, запускать программы, вводить текст с помощью экранной клавиатуры и рисовать. Благодаря способности не только выводить изображение, но и вводить данные, такие устройства называют интерактивными или, реже, - интеллектуальными (Smart Board). Необходимо отметить, что в нашей стране сенсорные экраны появились сравнительно недавно, а потому существует некоторая путаница в названиях устройств. Например, термином «сенсорный экран» называют совокупность сенсорных датчиков (в виде панели) и контроллера, также обозначают отображающее устройство, снабженное накладным или встроенным сенсорным экраном.

Как уже отмечалось выше, многие интерактивные дисплеи позволяют рисовать по их поверхности. Эта особенность делает такие устройства удобными при проведении презентаций, конференций или лекционных занятий.

Докладчик получает возможность не только демонстрировать рисунки или фотографии, но и делать необходимые пометки и надписи в процессе изложения материала. Причем существует возможность сохранить все сделанные изменения и, при желании, распространить копии среди слушателей.

Существует большое количество видов сенсорных экранов, отличающихся не только принципом действия, но и конструктивными особенностями. Среди этого многообразия можно выделить следующие типы технологий: резистивные, емкостные, матричные, индуктивные, а также использующие поверхностно-акустические волны (ПАВ), инфракрасное (ИК) излучение и видеокамеры. Рассмотрим эти технологии подробнее.

Первые сенсорные экраны создавались с использованием прозрачной резистивной пленки. Эта технология широко распространена и сейчас. Существуют 4, 5 и 8-проводные резистивные сенсорные экраны. Основу конструкции 4-проводного экрана составляют две прозрачные пленки из полиэстера (polyester), майлара (mylar), пластизола (plastisol, PL) или полиэтилентерефталата (polyethylene terephtalate, PET), находящиеся друг напротив друга и разделенные микроскопическими шариками-изоляторами. Внутренние, обращенные друг к другу поверхности пленок покрыты прозрачным токопроводящим (резистивным) составом на основе двуокиси индия и олова (indium tin oxide - ITO). Для определенности назовем один из резистивных слоев задним, а другой, расположенный ближе к наблюдателю, передним (рис.3).

Рис.3. Конструкция 4-проводного резистивного экрана

Контакт с этими слоями обеспечивается посредством двух пар металлизированных полосок-электродов. Первая пара расположена вертикально, по краям заднего слоя, а вторая пара -горизонтально, по краям переднего слоя. Все четыре электрода подключены к микроконтроллеру, который последовательно определяет координаты точки касания по горизонтали и вертикали. Работу контроллера в первом случае можно приблизительно описать следующим образом. На вертикальные электроды заднего резистивного слоя подается постоянное напряжение, например, 5 В, и от одного электрода к другому протекает некоторый ток I. При этом на каждом горизонтальном участке заднего резистивного слоя ток создает падение напряжения, пропорциональное длине участка

Рис. 4. Определение координат точки касания

При касании экрана передний резистивный слой деформируется и касается заднего слоя. В этом случае передний слой выполняет роль щупа, определяющего напряжение на заднем слое в точке касания. Горизонтальные электроды переднего слоя замыкаются микроконтроллером накоротко (для   уменьшения   влияния   сопротивления   переднего   резистивного   слоя)   и   суммарный   сигнал

поступает через буферный каскад, (имеющий большое входное сопротивление), на аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Напряжение на входе АЦП определяет положение точки касания по горизонтали. Для определения координаты по вертикали передний и задний резистивные слои «меняются местами»: на горизонтальные электроды переднего слоя микроконтроллер подает постоянное напряжение, а электроды заднего слоя замыкает, (этот слой используется как щуп). Определение координат точки касания производится микроконтроллером с высокой скоростью -более ста раз в секунду. Слабым звеном 4-проводного экрана является передняя пленка из полиэстера. Многократные деформации приводят к разрушению проводящего слоя, в результате чего уменьшается точность определения координат. Производители гарантируют стабильную работу устройства при количестве нажатий в одной точке до миллиона.

8-проводные экраны отличаются от 4-проводных незначительно - для повышения точности определения координат введены дополнительные 4 проводника, которые соединены с теми же самыми двумя парами металлизированных электродов, расположенных по краям проводящих покрытий. Однако надежности экрана в целом это не увеличивает.

А вот 5-проводный резистивный экран обладает улучшенными характеристиками. Переднее резистивное покрытие, подвергающееся деформации при касании, заменено проводящим и используется исключительно в качестве щупа. А заднее резистивное покрытие наносится не на пленку полиэстера, а на стекло. Поэтому к названию 5-проводных экранов часто добавляют аббревиатуру FG (Film on Glass). Четыре электрода, которые создают вертикальный и горизонтальный градиент напряжений, находятся на заднем резистивном слое. Пятый электрод является выводом переднего проводящего слоя-щупа. Повреждение этого слоя при деформации практически не влияет на точность определения координат, поэтому такие экраны более надежные. Считается, что они выдерживают до 35 миллионов нажатий в одной точке. Кроме того, 5-проводные экраны, в отличие от 4 и 8-проводных, допускают установку на сферические или цилиндрические экраны отображающих устройств на основе ЭЛТ.

Резистивная технология позволяет определять координаты точки касания с высокой точностью. Теоретически, применение 12-разрядных АЦП позволяет различать 4096 уровней напряжения или столько же точек по горизонтали или вертикали. На практике разрешающая способность вдвое ниже, однако этого вполне достаточно при использовании резистивного экрана, например для рисования или ведения записей в электронном блокноте. К достоинствам резистивных экранов следует отнести: возможность активации (касания) любым предметом (пальцем, банковской карточкой или тупым концом скальпеля), стойкость к пыли, влаге и загрязнению поверхности, низкую стоимость и простоту установки. Основные недостатки - низкая прозрачность (примерно 75% для 4 и 8-проводных экранов и до 85% - для 5-проводных), недостаточная механическая прочность (экран можно повредить острым предметом), плохая работа при низких температурах, (что связано с уменьшением эластичности передней деформируемой пленки). Кроме того, резистивный экран способен распознавать только одну точку касания, то есть если при вводе текста ладонь руки давит на экран, то координаты вычисляются неверно. Резистивные экраны распространены очень широко. Они применяются там, где не требуется высокое качество цветопередачи и исключена возможность актов вандализма, например, в POS (point of sail)-системах (кассовые терминалы), карманных компьютерах, GPS-навигаторах, промышленном и медицинском оборудовании, сложных измерительных приборах и других подобных устройствах.

      Определение координат точки касания в емкостных экранах осуществляется, в первую очередь, благодаря особенностям физического строения тела человека - способности проводить электрический ток и вытекающего отсюда наличия определенной электрической емкости. Рассмотрим устройство емкостного экрана. На прочное стекло, служащее основой конструкции, нанесен резистивный слой, соединенный с четырьмя электродами, расположенными по углам экрана (рис.5).

Рис.5. Устройство емкостного экрана

Для защиты от повреждений слой покрыт снаружи 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. Рассмотрим первый случай, как наиболее простой. На все четыре электрода через прецизионные резисторы равных номиналов, служащие токовыми датчиками, микропроцессор подает 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 (сетевые и высокочастотные наводки имеют очень малую амплитуду). При касании пальцем или проводящим предметом сенсорного экрана на проводящем слое появляется точка, потенциал которой меньше, чем потенциалы 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 и, следовательно, меньше сопротивление этого участка, а значит - больше амплитуда тока. Для преобразования тока в напряжение служат прецизионные резисторы, сигналы с которых подаются на четыре отдельных АЦП. Сравнение сигналов на выходах этих АЦП позволяет определить координаты точки касания.

Точность емкостных экранов сравнима с точностью резистивных. Меньшее количество слоев делает их более прозрачными (до 90%). Отсутствие элементов, подвергающихся деформации, увеличивает надежность - такие экраны допускают более 200 миллионов 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 таких экранов являются: необходимость касания только проводящим предметом (пальцем или или специальной указкой -стилусом (stylus), проводящим ток), кроме того, пользователь должен иметь достаточно хороший контакт с «землей», иначе после нескольких касаний он приобретает потенциал экрана, и в работе микроконтроллера начинаются сбои. Эти экраны, так же как и резистивные, не допускают одновременного нажатия в двух точках. Сфера применения практически такая же, как и у резистивных экранов, однако наличие статического заряда и протекающего через тело человека тока ограничивает использование, например, в медицинском оборудовании. Емкостные экраны надежнее резистивных, и потому предпочтительнее при интенсивном использовании. Их применяют в справочных системах, где мала вероятность намеренного повреждения - например, в аптеках, библиотеках и театрах.