Hur man snabbt implementerar tillförlitliga pekskärmar

Pekskärmar föredras allt oftare framför tangentbord och mus som gränssnitt mellan människa och maskin (HMI) vid programmering, konfigurering och styrning av system för konsumenter, företag och industrier. Pekskärmar är intuitiva, snabba och har ett enda integrerat gränssnitt som ersätter ett urval av inmatningsenheter. De erbjuder också större bekvämlighet för personer med funktionsvariationer och kan göras mycket små.

Pekskärmarnas många olika användningsområden innebär att de måste vara robusta, kostnadseffektiva och kunna användas med eller utan handskar. Resistiva pekskärmar uppfyller dessa krav, men konstruktörer måste snabbt kunna nå marknaden med standardlösningar bestående av en pekskärm och lämplig styrenhet. Konstruktörer måste även förstå skillnaderna hos resistiva pekskärmsgränssnitt med fyra och fem ledare.

Artikeln beskriver kortfattat resistiva pekskärmar. Därefter presenteras exempel på pekskärmar och styrenheter från NKK Switches och visar hur konstruktioner med dem kan se ut.

Hur resistiva pekskärmar fungerar

Resistiva pekskärmar är fristående komponenter som ligger som ett lager ovanpå en platt bildskärm. En kombination av pekskärm och styrenhet låter användaren interagera med symboler som visas genom att trycka på specifika områden. En pekskärm kan känna av fingrets eller pekpennans exakta position. Programmet avgör därefter vilka ytterligare skärmåtgärder som ska vidtas baserat på positionen.

Resistiva pekskärmar passar för olika konsument-, detaljhandels-, företags-, industri- och medicintekniska tillämpningar eftersom de är billiga, robusta och kan manövreras med ett finger, en handskbeklädd hand eller en pekpenna. Tekniken bygger på en plastfilm som kan deformeras och som på baksidan är belagd med ett ledande skikt av t.ex. indiumtennoxid (ITO). Pekskärmens baksida består av en glas- eller akrylskiva med ett skikt av indiumtennoxid på framsidan.

Icke-ledande distanspunkter separerar plastfilmen från glas- eller akrylskivans bakre panel. När plastfilmen trycks ned med ett finger eller en pekpenna, med en kraft på en eller två Newton (N), kommer filmen i kontakt med den bakre panelen vilket sluter en brytare i det lokala tryckområdet. Styrkortet, som har ett kontaktdon för fyra eller fem ledare, kan avgöra var den slutna brytaren är placerad och programmet reagerar därefter (figur 1).

Figur 1: Resistiva pekskärmar fungerar genom att två ledande ytor trycks ihop vid beröring. (Bildkälla: NKK Switches)

Resistiva pekskärmar är populära när kostnad, robusthet och användning med handskar eller en icke-ledande pekpenna är avgörande. De klarar vanligtvis miljontals eller till och med tiotals miljoner tryckningar utan fel. Resistiva pekskärmar kan även tillverkas med en beständighet mot stänk från vatten och kemiska ämnen.

Skillnaden mellan pekskärmar med fyra och fem ledare

En pekskärm med fyra ledare har två elektroder på den nedersta plattan och två på den översta plattan. På den nedersta plattan löper elektroderna längs Y-axeln, vilket gör att resistansen kan mätas längs X-axeln. På samma sätt har den översta plattan kantelektroder som löper längs X-axeln, vilket gör att resistansen kan mätas längs Y-axeln (figur 2).

Figur 2: Resistiva pekskärmar med fyra ledare använder två kantelektroder på den nedersta respektive översta plattan. Paren löper vinkelrätt mot varandra och gör det möjligt att bestämma beröringens X- och Y-position. (Bildkälla: NKK Switches)

När fingret kommer i kontakt med det nedersta lagret delas det översta lagret i princip upp i två resistanser i serie. Det nedersta lagret är uppdelat på samma sätt vid kontaktpunkten med det översta lagret. Med lämplig förspänning kan varje platta fungera som en spänningdelare där utspänningen representerar kontaktpunktens koordinater.

I ett system med fem ledare har den översta plattan fyra kantelektroder och fungerar som spänningsavkännande nod. Den nedersta plattans fyra hörn bildar elektroder som producerar spänningsgradienter i X- och Y-riktningarna. Olika förspänningskonfigurationer används för att erhålla mätningar i X- och Y-riktning (figur 3).

Figur 3: Resistiva pekskärmar med fem ledare använder fyra hörnelektroder på den nederstaplattan för att producera spänningsgradienter i X- och Y-riktningarna och två par kantelektroder på den översta plattan för att känna av spänningen. (Bildkälla: NKK Switches)

I konstruktioner med fem ledare är endast den nedersta plattan aktiv. Det innebär att skärmen fortsätter att fungera, även om den översta plattan skadas. Däremot är båda plattorna på pekskärmar med fyra ledare aktiva; skador på den översta plattan kan leda till att pekskärmen slutar fungera. En pekskärm med fem ledare tenderar att vara mer hållbar, men kompromissen är en mer avancerad konstruktion och ökade kostnader.

Kommersiella resistiva pekskärmslösningar

För att minimera komplexiteten och påskynda marknadsintroduktionen har NKK beprövade kommersiella lösningar för både pekskärmen och den matchande styrenheten. Konstruktörer har fortfarande möjlighet att köpa en pekskärm från NKK och para ihop den med en styrenhet från en annan leverantör, eller en egen dito.

FT-serien från NKK är ett mycket bra exempel på resistiva pekskärmar. Den finns i en mängd olika skärmstorlekar, från 5,7 till 15,6 tum (in.) (diagonalt), och serien finns i konfigurationer med både fyra och fem ledare samt med en tryckaktiveringskraft på 1,4 N (tabell 1). Båda versionerna har en flexibel kretskortsanslutning som ansluts till ett styrkort.

Tabell 1: En jämförelse mellan resistiva pekskärmar med fyra respektive fem ledare visar att modellen med fem ledare har längre livslängd, mätt i antal tryckningar. (Bildkälla: NKK Switches)

FTAS00-5.7AS-4A är en modell med fyra ledare, är 5,7 tum stor och drar 1 mA vid 5 V DC. Den har ett XY-resistivt värde på 250 till 850 Ω, en linjäritet på 1,5 % samt en isoleringsimpedans på 10 MΩ. Pekskärmens förväntade livslängd är 50 000 skrivningar eller en miljon tryckningar.

FTAS00-10.4A-5 är en modell med fem ledare, är 10,4 tum stor och drar 1 mA vid 5,5 VDC. Den har ett XY-resistivt värde på 20 till 80 Ω, en linjäritet på 2 % samt en minsta isoleringsimpedans på 10 MΩ. Livslängden är 50 000 skrivningar eller 10 miljoner tryckningar.

För pekskärmsprodukter med fyra respektive fem ledare har NKK en styrenhet med ett gränssnitt för antingen RS232C eller USB. Styrkorten levereras med drivrutiner kompatibla med Windows 7, 8 och 10. FTCS04C och FTCU04B är styrkort för pekskärmar med fyra ledare, med gränssnitten RS232C respektive USB, från NKK. FTCS05B och FTCU05B är motsvarande styrkort för pekskärmar med fem ledare.

Komma igång med en resistiv pekskärm

Konstruktionsprocessen är liknande för pekskärmar med fyra respektive fem ledare. Styrkretsen FTCSU548 är kärnan i styrkortet med fyra ledare och med RS232C eller USB. LFQFP-kretsen med 48 stift har ett asynkront seriellt gränssnitt och ett gränssnitt för USB 2.0 med full hastighet. För RS232 drivs den med 3,3 till 5 V och för USB-drift med 5 V, med en nominell utgångsström på 170 mA, en driftfrekvens på 16 MHz och en analog- till digitalomvandlare (ADC) med en upplösning på 10 bitar. Kretsen har en inbyggd kalibreringsfunktion.

När pekskärmen trycks in bestämmer styrkretsen koordinaterna med hjälp av värdet på den analoga spänning som detekteras av en analog- till digitalomvandlare och skickar dem till värddatorn via gränssnittet för RS232C eller USB (figur 4).

Figur 4: Styrkretsen för FTCSU548 (IC1) är monterad på styrkortet FTCU04B (USB för fyra ledare). CN1 (vänster) är kontaktdonet för pekskärmens flexibla kretskortsanslutning med fyra ledare. (Bildkälla: NKK Switches)

Pekskärmens flexibla kretskortsanslutning för fyra ledare är ansluten till styrkortet via CN1. Styrkortet ansluts till värddatorn via CN4. USB-gränssnittet CN4 förser även kortet med ström. Värddatorn kör drivrutinen och programmet för pekskärmstillämpningen (figur 5).

Figur 5: Här visas en typisk konfiguration av ett styrkort för USB med fyra ledare och en värddator. (Bildkälla: NKK Switches)

Konstruktionstips

Den resistiva pekskärmen måste kalibreras vid installation. Styrkretsen FTCSU548 har en inbyggd kalibreringsfunktion. För att kunna kalibrera måste styrenhetens krets först ställas i "källdataläge". Datorn anger därefter en referenspunkt (P1) på pekskärmen, som operatören trycker på med en pekpenna, och spänningsinformationen från analog- till digitalomvandlaren skickas till datorn via styrkortet. Processen upprepas med en andra punkt (P2) i ett avlägset pekskärmsområde. De fysiska koordinaterna för P1 och P2 skickas till datorn som ett tal med åtta byte. Pekskärmen ställs därefter in i "kalibreringsdataläge" och tillämpningsprogrammet använder spänningen och koordinaterna för de två kända punkterna, plus en inbyggd referens för "0,0", för att interpolera alla andra koordinater inom området för kalibreringsdataläget (figur 6).

Figur 6: Kalibrering krävs vid den första installationen och därefter med jämna mellanrum eftersom resistansen förändras när pekskärmen åldras. (Bildkälla: NKK Switches)

Skärmens resistans förändras när den åldras, så omkalibrering krävs under hela dess livslängd.

Det är viktigt att inkludera jordning för bildskärmens ram för att förhindra elektromagnetiska störningar (EMI). Det är också möjligt att den initiala kontaktresistansen från ett finger kan orsaka "störningar". För att förhindra "störningar" kan en inbyggd fördröjning användas för att låta spänningen stabiliseras innan systemet beräknar koordinaterna.

Konstruktörer måste även vara försiktiga med att inte inkludera programvara som instruerar användare att röra två pekskärmsområden samtidigt. Tekniken kan inte lösa två separata beröringar och standardvärdet blir en mittpunkt mellan dem. Slutligen kommer avbrott att visas ovanför skärmens mellanrum när en linje dras på en skärm med en penna, vilket skiljer de två lagren åt. Konstruktörer bör se till att tillämpningens program fyller i dessa luckor.

Sammanfattning

Resistiva pekskärmar är lämpliga gränssnitt mellan människa och maskin (HMI) i tillämpningar där kostnad, robusthet och användning med eller utan handskar eller icke-ledande penna är avgörande. För att förenkla implementeringen omfattar de kommersiella lösningarna från NKK pekskärmslagret, styrkort med en dedicerad styrkrets och drivrutiner för enheten.